以計算思維培養為核心的 人工智能課程設計與實踐

肖海明 朱秋庭 王占秋

《2019全球AI人才報告》公布了全球最新的AI人才數據，中國在21個世界公認的頂級人工智能會議上發表論文的研究人員為2725人，排名世界第二，而排名第一的美國則為15747人，幾乎為我國的6倍。面對國際上日趨緊張的科技競爭趨勢，發展新一代人工智能已經成為我國的重要國家戰略，人工智能領域人才培養是我國獲得人工智能基礎理論的重大突破、發展人工智能技術和推動產業應用的重要基礎。

自2017年7月國務院發布《新一代人工智能發展規劃》，明確要在中小學開設人工智能相關課程以來，教育部和各省市教育行政管理部門發布了一系列文件，推動“人工智能教育進校園”。通過對教育部和全國34個省（市、自治區）教育行政管理部門公開在網站上的文件進行分析發現，截至2019年11月，全國各地共發布要求中小學開設人工智能相關課程或者鼓勵中小學實施人工智能教育的政策文件、工作計劃和通知文件多達257份，其中北京、山東、福建、廣東、河南等省市則直接明確了人工智能教育試點（實驗）區或者試點（實驗）校的通知文件。

部分學校依托自有師資力量或者通過購買企業服務、與企業合作開發等方式，進行了有意義的探索。但對該部分學校的人工智能課程進行深入分析發現，學校對中小學人工智能教育有一定的理解偏差，主要表現在以下兩方面：一是將中小學人工智能課程定位為純粹的技術課程，過早地將大學時期甚至研究生階段才能學習的理論知識呈現到基礎知識儲備不足、認知能力尚待發展的中小學生面前，導致學生對人工智能的學習失去興趣，或者變成了一小批有特長學生的專屬學習內容;二是將人工智能課程范疇無限擴大，在未給學生正確的人工智能基本概念的情況下，將積木拼搭、機器人、3D打印、創客教育等統統納入人工智能課程的范疇，造成學生對人工智能的理解偏差，在受訪的學生中，80%以上認為“機器人就是人工智能”。

中小學人工智能教育課程體系

針對目前中小學校實施人工智能教育普遍遇到的困難和出現的一系列問題，本研究根據北京大學學習科學實驗室提出的以計算思維培養為核心的中小學人工智能教育目標模型，按照感知AI—理解AI—應用AI—創造AI的體系進行了中小學的人工智能課程體系設計。其框架如圖1。

小學設置“走進人工智能”課程和“AI積木編程”系列課程，初高中設置“Python與人工智能”系列課程。

“走進人工智能”讓學生從生活中常見的人臉識別、圖像識別、語音識別軟硬件入手，通過“玩中學”方式，讓學生全面了解人工智能的基本內涵、發展歷史和核心應用，培養人機協同意識，具體包括人工智能發展史、體驗機器學習、初識人臉識別、圖像識別、智能翻譯、智能語音等生活中常見的應用，并簡單了解其實現過程。“AI積木編程”系列課程以智能語音、智能翻譯技術為依托，使用AISpark智能編程實驗工具進行創意作品設計。在應用智能語音、人臉識別、智能翻譯、手勢識別等人工智能應用進行作品創作過程中，學習事件、控制、變量、順序結構、選擇結構、循環結構等編程基本概念，掌握使用人工智能技術進行創意設計的基本能力。如圖2為學生上課情景。

“Python與人工智能”系列課程以應用Python語言進行人工智能項目編程實踐為核心，內容涉及了網絡數據爬取、機器學習算法使用、語音識別系統設計、人臉識別系統設計，通過解決學科問題和生活中的實際問題，進行人工智能的底層探索和創造，進一步提升學生的計算思維。圖3為學生常用的一些人工智能平臺模塊。

實驗學校實踐應用結果

來自北京、江蘇、山東、廣東的100多所實驗學校，按照專家引領、實踐應用、創造應用、形成特色的模式開展了實踐應用研究。根據學校的自身基礎條件和課時選擇的不同，形成了各具特色的課程實施模式。其中，北京市順義區西辛小學教育集團和北京市陳經綸中學崇實分校是兩所具有代表性的實驗學校。學校通過校本課程建設、信息技術課程融合、社團課三種方式，開展了不同形式的實踐應用研究。

西辛小學基于幸福田園教育理念，以校本特色課程體系建設為主體開設人工智能課程，在學校六大學院課程的“科技學院”中設置人工智能系列課程。2年級開設“走進人工智能”課程;3年級開設“AI積木編程”智能硬件課程，由學生根據自己的興趣進行自主選擇;4年級開設“AI 積木編程”啟蒙課;5年級“AI 積木編程互動游戲”則采用融入信息技術課程的方式，采用主題單元教學模式，壓縮現有的信息技術課程教學任務達成所需的課時量，每學期節省出6個課時開設人工智能編程課程。

北京市陳經綸中學崇實分校是一所九年一貫制學校，學校按照系統化培養學生人工智能素養的目標，在小學和初中同時開設人工智能課程。小學以學校的低段課程改革為依托，在2年級開設“走進人工智能”社團課;3年級選擇每周的智感科技課程時間，以長短課結合方式開設“走進人工智能”;小學4-6年級則依托綜合實踐活動課程開設“AI積木編程”啟蒙課和“AI積木編程互動游戲設計制作”。初一年級和初二年級利用綜合實踐活動課程時間開設“邁進代碼的世界”課程，讓學生通過項目實踐進行Python與人工智能應用學習和實踐。

實驗學校為解決學校人工智能課程師資不足的問題，積極動員組織有理工科或者信息技術學科教學背景的教師組成“人工智能課程實踐應用教研組”，與人工智能教育課程設計專家一起通過線上線下結合的方式開展“研究共同體”模式的教研活動，并適時開展人工智能課程教學觀摩活動，鼓勵教師們把自我學習、教學實踐和課題研究有機結合起來。

為評估課程實施的有效性，實驗學校應用北京大學學習科學實驗室計算思維測評系統對實驗班和對照班進行計算思維發展前后測。該測評從問題評估、問題分解、邏輯思考、模型抽象、總結歸納5個維度對學生的計算思維發展進行量化評估。圖4為西辛小學四年級學生的測試結果。

計算思維測評結果發現，西辛小學三、四年級實驗班學生的計算思維發展水平在5個維度上均顯著高于對照班，并且在相同等級的測評中，獲得A和B等級的學生在班級中所占的比例也遠高于對照班。而五年級實驗班和對照班的計算思維測評結果，在不同維度上的提升效果則有不同，從5個維度上的平均得分來看，問題分解、總結歸納維度得到了顯著提升，模型抽象、邏輯思考、問題評估方面沒有發生顯著變化。從對教師、學生的訪談分析和課堂觀察結果分析看，出現該結果的原因可能是由于五年級課程內容的難度區分度較低，五年級的人工智能編程課程對于學生來說相對簡單，導致計算思維提升的效果不明顯。教師教學風格的差異性是否也造成了學生計算思維發展的水平不同也還需進一步探索研究。

研究展望

人工智能的概念自1956年達特茅斯會議被提出以來，已經經歷了60多年的發展，2016年AlphaGo大戰李世石事件之后，人工智能開始走進大眾視野。大部分教育工作者對人工智能的認知停留在概念認知或者生活中常見的一些應用上，對于系統性的人工智能教育的認知基本處于空白，所以在學校推進人工智能教育的過程中，普遍遇到了一些困難。

本研究提出的中小學人工智能教育課程體系基于北京大學學習科學實驗室的中小學人工智能教育目標模型，圍繞學生的計算思維發展，在實驗學校開展了應用實踐研究。當前得到的數據分析結果表明，以計算思維培養為核心的人工智能教育課程的實施對于整體提升實驗學校學生的計算思維具有顯著的積極作用。不過，目前的研究中還存在不同年級的效果出現差異的影響機制不明確以及數據結果的穩定性有待驗證等問題。所以，未來針對當前研究中存在的不足，將繼續通過數據分析結合師生訪談、課堂觀察和教學視頻分析等研究方式，探究在人工智能教育課程實施過程中，影響學生計算思維發展的因素，建立以計算思維培養為核心的人工智能教育的影響機制模型，推動中小學人工智能教育的科學、有效實施。

作者單位：1.中國教育技術協會教育游戲專委會 2.北京市順義區西辛小學教育集團