中小學(xué)人工智能教育的在線學(xué)習(xí)探索

肖海明 杜曉敏

一場突如其來的疫情，階段性地改變了人們的生活和學(xué)習(xí)方式。社會各界高度關(guān)注疫情發(fā)展，同時紛紛探索各自領(lǐng)域特殊時期的“線上化”和“開放共享”方案。教育事關(guān)國計(jì)民生，是社會各界關(guān)注的焦點(diǎn)，教育部就“停課不停學(xué)”政策多次發(fā)文，網(wǎng)課相關(guān)話題屢上熱搜。線上學(xué)習(xí)成了全國師生非常時期適應(yīng)新變化的常態(tài)，舉國上下出現(xiàn)了史無前例的在線學(xué)習(xí)熱潮。

面對國際上日趨緊張的科技競爭趨勢，發(fā)展新一代人工智能已經(jīng)成為我國的重要國家戰(zhàn)略。對北京、山東、江蘇、湖北、廣東5個省份40多所學(xué)校進(jìn)行調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，學(xué)校對于人工智能教育的重視程度普遍提高，已經(jīng)意識到人工智能技術(shù)和知識“進(jìn)課程、進(jìn)教材、進(jìn)課堂、進(jìn)教案”的重要性。

但疫情之下，學(xué)校延期開學(xué)，人工智能教育遭遇困難，主要表現(xiàn)在教師線上培訓(xùn)資源不足、學(xué)生自主學(xué)習(xí)資源匱乏、人工智能學(xué)生創(chuàng)作實(shí)驗(yàn)工具質(zhì)量良莠不齊、在家學(xué)習(xí)效果評價困難幾個問題。響應(yīng)停課不停學(xué)的號召，智能火花人工智能教育基于北京大學(xué)學(xué)習(xí)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室中小學(xué)人工智能教育目標(biāo)體系，緊緊圍繞計(jì)算思維發(fā)展，公益性開放共享支持了教師和學(xué)生雙主體協(xié)同提升人工智能素養(yǎng)的教學(xué)資源，以期解決學(xué)校實(shí)施人工智能教育的難點(diǎn)，推動疫情期間北京、江蘇、山東、內(nèi)蒙古、重慶、廣東等12個省市區(qū)的中小學(xué)人工智能教育實(shí)踐學(xué)校“停課不停學(xué)”。

以計(jì)算思維培養(yǎng)為核心的中小學(xué)人工智能教育模型

2006年周以真教授在美國計(jì)算機(jī)權(quán)威刊物Communications of the ACM發(fā)表Computational Thinking一文，引發(fā)了全球基礎(chǔ)和高等教育者對于計(jì)算思維的理論研究和培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的實(shí)踐研究的高度關(guān)注。周以真教授認(rèn)為，“計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念（即思想和方法）去求解問題，設(shè)計(jì)系統(tǒng)和理解人類行為”。

我國2018年1月發(fā)布的最新版《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》中明確了信息技術(shù)學(xué)科的四大核心素養(yǎng)分別為“信息意識、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與能力、信息社會責(zé)任”。對計(jì)算思維和具有計(jì)算思維的學(xué)生的能力表現(xiàn)進(jìn)行了清晰的描述。北京大學(xué)學(xué)習(xí)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室以學(xué)生的計(jì)算思維為核心，融入游戲化學(xué)習(xí)理念，提出了中小學(xué)人工智能教育的目標(biāo)模型，認(rèn)為通過人工智能教育課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)當(dāng)了解人工智能的基礎(chǔ)知識、掌握基本的人工智能應(yīng)用技能，學(xué)會與智能工具打交道;通過以計(jì)算思維培養(yǎng)為核心的實(shí)踐活動，搭建人工智能系統(tǒng)，創(chuàng)造人工智能應(yīng)用解決實(shí)際問題;培養(yǎng)學(xué)生對于人工智能發(fā)展的文化理解、對以人工智能為代表的科學(xué)技術(shù)的學(xué)習(xí)興趣和綜合性的創(chuàng)新能力。

在學(xué)習(xí)內(nèi)容的建構(gòu)上，基于布魯姆分類層次理論和皮亞杰的兒童認(rèn)知發(fā)展階段理論，實(shí)驗(yàn)室提出課程內(nèi)容應(yīng)按照“感知AI—理解AI—應(yīng)用AI—創(chuàng)造AI”的體系來進(jìn)行內(nèi)容設(shè)計(jì)。根據(jù)小學(xué)、初中和高中學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)不同，實(shí)驗(yàn)室進(jìn)一步提出“小學(xué)：興趣啟蒙，玩中學(xué)”“初中：興趣培養(yǎng)，做中學(xué)”“高中：興趣引導(dǎo)，創(chuàng)中學(xué)”的教學(xué)理念。以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)融入游戲化學(xué)習(xí)方法，建構(gòu)了“互動游戲?qū)搿橄竽Ｐ汀灾髟O(shè)計(jì)—創(chuàng)意設(shè)計(jì)—成果分享”的整體教學(xué)模式。為更好指導(dǎo)教師以學(xué)習(xí)者為中心引導(dǎo)學(xué)生的以計(jì)算思維為核心的人工智能創(chuàng)作實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步提煉出“定位目標(biāo)—自然語言描述實(shí)現(xiàn)邏輯—結(jié)構(gòu)化流程表達(dá)—程序?qū)崿F(xiàn)—調(diào)試分享”的學(xué)生學(xué)習(xí)流程。

“抗疫有我，公益開放”——應(yīng)用智能火花云平臺開展中小學(xué)人工智能在線教育

疫情期間，智能火花啟動“守護(hù)健康，抗疫有我”的公益教育計(jì)劃，提供適用于中小學(xué)生的人工智能線上教育配套資源，助力人工智能教育停課不停學(xué)。

線上開放的人工智能教育資源，基于北京大學(xué)學(xué)習(xí)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室人工智能教育目標(biāo)模型，按照“感知AI—理解AI—應(yīng)用AI—創(chuàng)造AI”的學(xué)習(xí)進(jìn)階體系，定位于以學(xué)習(xí)者為中心的學(xué)習(xí)理念，圍繞“提升教師和學(xué)生的人工智能教育素養(yǎng)”的核心目標(biāo)，以“支持教師引領(lǐng)下的學(xué)生自主學(xué)習(xí)”為平臺應(yīng)用原則，充分考慮在線教育面向中小學(xué)生要兼顧體系化和趣味化的特點(diǎn)，面向教師和學(xué)生兩大群體提供線上教育資源，包括科普微課、自主學(xué)習(xí)微課、課程直播課、AI線上創(chuàng)作實(shí)驗(yàn)平臺、計(jì)算思維測評、教師教研平臺，建構(gòu)了一個立體多維的人工智能在線教學(xué)支持體系。

為實(shí)現(xiàn)讓學(xué)生感知人工智能的目標(biāo)，結(jié)合游戲化教學(xué)理念，通過趣味性的科普微課展開人工智能實(shí)際應(yīng)用案例的講解，對適齡學(xué)生進(jìn)行人工智能啟蒙，激發(fā)學(xué)生深入學(xué)習(xí)人工智能的興趣。在感知人工智能的過程中，通過人工智能實(shí)現(xiàn)原理的剖析和適合兒童的游戲化表達(dá)，讓學(xué)生理解人工智能的基礎(chǔ)原理，領(lǐng)會人工智能帶給我們?nèi)祟惖乃伎挤绞降臎_擊。

為實(shí)現(xiàn)學(xué)生應(yīng)用人工智能的教學(xué)目標(biāo)，圍繞教師的線上“教”和學(xué)生的線上“學(xué)”，提供雙主體的支持模式，為教師開放系列化的教師培訓(xùn)資源，讓教師清晰理解每個項(xiàng)目主題的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、實(shí)踐要求和評價方式，并結(jié)合直播培訓(xùn)，由高校科研人員為教師開展線上答疑，實(shí)現(xiàn)“翻轉(zhuǎn)式線上教研”。為支持學(xué)生在教師在線引導(dǎo)下開展創(chuàng)作實(shí)踐和自主學(xué)習(xí)，平臺為學(xué)生開放了系列學(xué)習(xí)微課，微課按照故事導(dǎo)入、問題分解、模型抽象、創(chuàng)作實(shí)踐、拓展提升和總結(jié)遷移的順序排列，不斷推動和激發(fā)學(xué)生深入思考和進(jìn)行AI創(chuàng)作實(shí)踐。例如，學(xué)生在創(chuàng)作“AI聲控新風(fēng)模擬系統(tǒng)”一課中，不僅應(yīng)用了人工智能的語音識別技術(shù)以實(shí)現(xiàn)通過識別人的聲音和通過人臉識別技術(shù)檢測人臉來觸發(fā)系統(tǒng)運(yùn)行，還了解了新風(fēng)系統(tǒng)的工程結(jié)構(gòu)、通風(fēng)對于疫情防治作用等知識，并且培養(yǎng)了學(xué)生保護(hù)環(huán)境、維持個人生活環(huán)境整潔健康的意識，同時激發(fā)了學(xué)生對于應(yīng)用人工智能技術(shù)解決生活實(shí)際問題的興趣。

針對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評價，線上開放平臺為教師提供了學(xué)生作品的智能分析功能，同時基于北京大學(xué)學(xué)習(xí)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室計(jì)算思維測評體系，開放了線上計(jì)算思維測評平臺，從問題分解、問題評估、模型抽象、邏輯思考、總結(jié)歸納5個維度評估學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展情況。

總結(jié)展望

中小學(xué)人工智能教育已經(jīng)成為一個研究熱點(diǎn)，也是當(dāng)前的一個社會熱點(diǎn)，推進(jìn)中小學(xué)人工智能教育對于我國長期的人工智能人才培養(yǎng)具有重要的基礎(chǔ)性作用。這次疫情，促使我們探索開展圍繞教師和學(xué)生雙主體的線上人工智能教學(xué)實(shí)踐。疫情期間，智能火花人工智能教育云平臺已經(jīng)為來自北京、江蘇、山東、內(nèi)蒙古、重慶、廣東等12個省市區(qū)的600多名教師開展了系列培訓(xùn)，支持學(xué)校開設(shè)了1200多個課時的直播互動課和自主學(xué)習(xí)。通過后臺測評數(shù)據(jù)分析，以計(jì)算思維培養(yǎng)為核心的人工智能在線教學(xué)實(shí)施對于整體提升學(xué)生的計(jì)算思維具有顯著的積極作用。

在中小學(xué)人工智能線上教學(xué)實(shí)踐的過程中，我們也發(fā)現(xiàn)了諸多問題。面對突如其來的疫情，很多老師倉促轉(zhuǎn)入線上教學(xué)，對于信息技術(shù)工具的使用還不熟練;面對冷冰冰的攝像頭和屏幕，教師們失去了面對活生生的學(xué)生時的那份自然，各種尷尬場面出現(xiàn)在在線課堂中;師生之間的空間分隔，也造成了大量信息在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中丟失，師生之間的實(shí)時反饋也變得困難;部分教師在線上課堂照搬線下課堂講授模式，無法吸引自制力較差的小學(xué)生，其課堂效果自然大打折扣。

冬天終將過去，春天必將到來，我們終將戰(zhàn)勝疫情，回歸正常的學(xué)習(xí)和生活。但疫情也會帶給我們很多思考，在這次疫情過去后，我們相信信息技術(shù)融合教育教學(xué)創(chuàng)新，將釋放更大的活力，打破人工智能教育的線上線下學(xué)習(xí)界限的泛在學(xué)習(xí)模式將成為未來人工智能進(jìn)校園的探索方向。

作者單位：中國教育技術(shù)協(xié)會教育游戲?qū)Ｎ瘯?? 山東濰坊市教育信息化研究院