聚焦人工智能教育 助力學生創造未來

雷玲 趙文安

西安交通大學附屬小學（以下簡稱“交大附小”），是一所有著豐厚文化底蘊的現代化學校。其前身為1897年創辦于上海的南洋公學附屬小學堂。經過百年的文化積淀，學校以塑造具有社會責任感的創新人才，著力培養學生的創造力為己任，傳承文化精髓，引領學校未來發展。

當今世界已步入人工智能時代，著名的預言家凱文·凱利提出，人工智能將是未來一段時間最重要的技術;而著名未來學家雷·庫茲韋爾更是預言，2030年人類將成為混合式機器人，進入進化的新階段。因此，以人工智能為代表的新一輪科技革命，有著改變國家間力量對比的趨勢。當前，不論是發達國家還是發展中國家都在積極制定基礎教育領域的人工智能發展戰略。交大附小近年來積極開展人工智能教育的研究，制定了人工智能教育的發展戰略：讓附小每位學生從小接受人工智能教育，為國家培養人工智能后備人才，進一步凸顯“數學”和“信息技術”“科學”這三門在人工智能教育中占有基礎地位的學科，把培養學生的計算思維、數學建模、深度學習的能力以及創造力作為人工智能教育的主要目標。采用“培訓先行、研發課程、社團試點、課堂深入、賽事提升、區域示范”的實施策略，推行人工智能教育，培養新時代新型人才。

構建校本課程，助推人工智能教育

我們的人工智能課程建設起步于2008年，當年在四年級開設了機器人校本課程，隨著創客教育和STEAM教育的深入開展，我們開設了編程課、3D打印體驗課、3D與數學思維課、STEAM課等創新類校本課程。在實踐中我們逐漸認識到，中小學的人工智能教育課程不能完全等同于機器人課程、編程課程、3D設計課程。機器人、編程、3D設計只是開展人工智能教育必備的載體和工具，中小學的人工智能教育應該有它獨特的教學目標和教學內容。我們認為，小學人工智能教育課程的主要內容是讓學生了解人工智能的一些基本概念、增強智能意識、體驗人工智能技術在生活中的應用。在傳授知識的同時，致力于培養學生的計算思維能力，以計算思維為核心，迭代培養學生的設計思維、批判思維等一系列思維能力。以人工智能教育為統領，我們整合了先前開設的創新類課程，逐漸構建了符合自身情況的人工智能教育校本課程體系。

我們的課程體系以編程課程為核心，在低年級主要開設趣味編程課程，培養孩子們的興趣。在中年級開設了智能硬件、機器人、STEAM課程，讓學生能夠通過編程控制智能硬件或機器人完成一些簡單的任務，同時把編程和智能硬件結合，完成STEAM課程的相關任務，讓學生體驗完成任務的快樂和自豪感。在高年級開設了3D模型設計課和人工智能課程，旨在讓學生通過編程在3D模型設計課上把編程思維和設計思維有機結合，在人工智能課上用程序控制智能硬件體驗人臉識別、語音識別等常見的人工智能技術，從而培養學生學習的鉆研精神和科學素養，為孩子們種下進一步打開科學大門的種子。

人工智能課程受到了學生的歡迎，不僅激發了學生學習的興趣，還提升了學生的創造力。例如，低年級學生的創意編程作品《植樹造林》，把環保的理念，通過編程把植樹造林的場景作可視化的展現，學生的問題解決能力、計算思維能力、創造力都得到了提升，同時體驗了編程之美。在高年級學生的創意作品《智能飲料機》的創作過程中，老師引導學生用3D打印技術設計結構件，用編程控制傳感件、控制件、水泵完成智能飲料機的制作，解決了生活中的真實問題，激發了學生學習的興趣，不僅學生的動手能力得到提升，其計算思維、設計思維、發散思維、工程思維、創新思維也都得到了很好的發展。

今年九月，我們將在小學全面開設人工智能課程。1～2年級采用自主研發的校本課程，3～6年級采用教育部教育裝備研究與發展中心聯合北京、武漢、廣州、西安、深圳五地教科院所共同研發的“中小學人工智能教學用書”。該套用書全面整合最前瞻、最權威的適合中小學的人工智能教育內容，契合23個本科人工智能本科專業課程模塊，并已在社團活動和“錢學森班”試用，效果良好。

建設活動空間，營造人工智能教育軟硬環境

美國新媒體聯盟發布的《地平線報告》曾三次提出：學習空間的重構與重新設計，可能成為教育變革的關鍵趨勢之一。要有效實施人工智能課程，就要大力建設全新的適合開展人工智能教育的活動空間，這個空間應成為以學生為中心的智能學習環境，成為培養學生學習情感最合適的地方。為此，我們在空間方面進行了科學的區域劃分，包含AI學習區、AI活動區、AI展示區、AI工具區，融入了智能感知技術、學習分析技術、情感計算技術。這些活動空間在孩子們探求真知的過程中，成為他們學習的樂園。為了滿足孩子們的更多需求，我們先后建立了樂高機器人教室、創客工坊、3D打印實驗室、VR/AR教室、STEAM教室，為學生學習助力。

為使學生有更好的學習體驗，目前我們正在建設更“智能化”的人工智能教育活動空間。該活動空間的AI學習區，配備智慧黑板，可以實時記錄監測人工智能教室的使用情況，教師機裝有“基于教學過程評價的大數據測評系統”。我們設計了可移動的自由組合桌椅，實現點到面的溝通結合，方便小組教學和互動討論。AI活動區還配備了各種智能裝備，如自主編程的人機對話機器人，可以帶賓客們參觀、講解。AI展示區增加了“幸運大轉盤”，把一個個作品放在轉盤的不同指針區域，通過電機和馬達以及程序的設計控制，在探究不同智能模塊的作品時就顯示不同的指針區域，并旋轉到最低端，實用有趣，方便學生拿取學習。AI工具區的儲物柜設計采用語音智能控制，只需輕輕地說一聲，“請找出Arduino主控板”，第三層左數第二個柜子的LED燈就會亮，說明Arduino主控板就在這里了。語音控制儲物柜的應用，不僅可以培養學生的編程能力，還可以給學生帶來學習的快樂，讓他們養成從哪里取放回哪里的好習慣。

人工智能教育課程的實施除了要有適合上課的人工智能活動空間，還必須要有“強大”的裝備。學校目前三到六年級的人工智能課程配套的裝備有兩種：人工智能教育機器人、可拆裝智能機器人套件。人工智能教育機器人可以實現智能語音交互、人臉識別、物體識別等，適合學生了解人工智能的常見概念，體驗人工智能技術在實際生活中的應用?？刹鹧b智能機器人套件可以實現“小尾巴”機器人、智能澆花系統、分揀機器人等機器人的一些功能，跟教學用書所需的機器人搭建完全配套。學生還可通過圖形化編程，對機器人進行智能控制，這些裝備對學生來說，新鮮又十分有趣，學生們都非常樂意體驗。一至二年級的人工智能課程的內容是自主研發的，主要偏重圖形化編程知識的傳授。

變革學習方式，引導學生自主探究

引導學生學習人工智能這門課程，僅僅靠課程和裝備是不夠的。為此，我們變革傳統教學方式，采用線上線下混合教學模式，豐富學生學習的途徑?，F在已經推出了兩種線上學習平臺。一種是中小學人工智能項目組研發的“AI教育云平臺”，另一種是學校自主研發的“慕課學習平臺”。該平臺已經購買和自主研發了很多與中小學人工智能教育相關的課程，可以輔助學生學習人工智能的相關知識。

學校還不斷研發適合學生自主學習人工智能課程的“人工智能課程學習App”。該App運用“知識森林”的理論，把知識的傳授看作由課程、主題、分面、知識碎片四個維度構成（主題主要指知識點，分面是指知識點的各個方面，知識碎片就是指具體的知識）。通過構建“知識森林”云平臺，對知識點和知識點之間的聯系進行標記形成課程的知識體系。在“知識森林”云平臺的支撐下，人工智能課程學習App可以對人工智能教學用書的任一頁進行掃描，自動提取出每頁知識點的關鍵詞，從而通過增強現實技術形成一棵知識樹。知識樹上有該知識點的分面和該知識點相關聯的其他知識點，點擊各知識點就會出現對各知識點的“文字”和“視頻”的解讀。例如，人工智能教學用書“投其所好的信息”這一課的某頁有一個知識點“智能推送”，當用“人工智能課程學習App”去掃描這一頁的時候，就會自動識別出“智能推送”這個詞，App會通過增強現實技術在學生面前呈現一棵知識樹，知識樹上有“智能推送”的定義、原理、應用，用鼠標點擊相關內容，學生們就可以自主進行學習。

建構評價機制，力促學生個性發展

人工智能教育課程實施的效果如何，應該有一套科學的評價機制，傳統的評價機制已不能適應人工智能教育課程評價的需求。為此，我們把第四代評價理論、基于成效的教學理論及混合學習理論作為開展人工智能教育的重要理論依據。我們引進了國際上先進的CDIO評價模式，把理論、實踐、創新合為一體，著眼于培養學生的工程能力。采用CDIO模式能有效地對學生學習人工智能教育課程的過程進行評價。依據CDIO模式，我們制定了人工智能教育課程具體評價內容。

這種評價機制運用在實際教學中已經兩年，它大大激發了學生潛能，促進了學生個性化發展。例如，運用這種評價機制，遴選出了不同年級、不同性別、不同個性的孩子組成團隊，參加全國中小學創意大賽。團隊提交的《草原集水大師》項目，利用紗窗網使霧水凝結成小水滴，通過過濾系統使霧水變成飲用水，解決了牧民的生活用水問題。

目前，我們正在與西安交通大學人工智能教育實驗室合作共同研發“基于大數據的智能評測系統”，以實現對學生學習人工智能課程的動態跟蹤和評測，同時也計劃使用“青少年創新能力大數據測評系統”，對學生的創造力進行科學的評價。

人工智能正在深刻影響社會發展的未來走向，《未來簡史》的作者尤瓦爾·赫拉利在書中寫道：未來已來，未來超越想象。我們期待人工智能對教育的改革帶來超越想象的良效，也期待交大附小能在這輪教育改革的浪潮中，長風破浪，站立潮頭。首先，我們將加大教師培訓的力度，構建一支能夠勝任人工智能課程的優秀的教師隊伍;同時，配合“西安市人工智能課程研究中心”，聯合西安教科所做好區域內各校的人工智能教育的相關培訓工作。其次，協調好國家課程、地方課程、校本課程的關系，確保有一定的課時量，讓人工智能教育的課程持續在1-6年級實施。與此同時，做好人工智能技術與學科的深度融合，借助人工智能技術使學生更好地理解學習內容，更多地進行動手實踐。

我們相信，未來，人工智能無處不在，人工智能將會促進教育產生更加深刻的變革。面對未來，讓每位孩子都擁有美好的未來，我們義無反顧、責無旁貸！