基于AI-TPACK的青少年編程教育師資培養(yǎng)路徑研究

張夢(mèng)萍，胡曉容

(內(nèi)江師范學(xué)院，四川 內(nèi)江 641000)

1 引言

近年來，隨著人工智能、5G網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)飛速發(fā)展，以培養(yǎng)計(jì)算思維的編程教育引起了全球的廣泛重視，各個(gè)國(guó)家和地區(qū)采取了相應(yīng)措施促進(jìn)編程教育的發(fā)展[1]。中國(guó)也出臺(tái)了與編程教育相關(guān)的文件，如：2017年的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中強(qiáng)調(diào)要“逐步推廣編程教育”(《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》國(guó)發(fā)〔2017〕35號(hào)http://www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm)。2018年的《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》，提出完善編程課程內(nèi)容(http://www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201804/t20180425_334188.html.)。教育部官網(wǎng)公布的《關(guān)于政協(xié)十三屆全國(guó)委員會(huì)第三次會(huì)議第3172號(hào)(教育類297號(hào))提案答復(fù)的函》中提到編程教育近幾年的工作進(jìn)展包括“制定相關(guān)專門文件推動(dòng)和規(guī)范編程教育發(fā)展”“將編程教育納入中小學(xué)相關(guān)課程”(http://www.moe.gov.cn/jyb_xxgk/xxgk_jyta/jyta_jiaocaiju/202012/t20201209_504364.html.)。這些政策文件都鼓勵(lì)和支持學(xué)校將人工智能技術(shù)、編程教育等融入校內(nèi)課程、考試科目當(dāng)中，體現(xiàn)了編程教育及師資培養(yǎng)的重要性。

2 問題的提出

當(dāng)前，僅少部分學(xué)校將編程教育融入教學(xué)計(jì)劃中，但大部分還是靠企業(yè)和培訓(xùn)機(jī)構(gòu)在推動(dòng)。比較有代表性的機(jī)構(gòu)或平臺(tái)有：編程貓、編玩邊學(xué)、小碼王、妙小程、樂博樂博、斑碼編程、熊貓編程、童程童美等。還有青少年編程教育等級(jí)評(píng)測(cè)組織，通過測(cè)評(píng)判斷6～18歲學(xué)生的編程能力能級(jí)，分為一到七級(jí)(青少年人工智能教育考務(wù)平臺(tái)http://www.yaie.com.cn/.)。市場(chǎng)上出現(xiàn)了“編程教育熱”，但是編程教育的師資卻面臨極大的短缺問題，這成為師范院校現(xiàn)在面對(duì)的一個(gè)重要課題[6]。目前，市場(chǎng)上絕大部分青少年編程老師都是非科班出身，缺少既懂編程技術(shù)也懂青少年教育的專業(yè)人才。通過對(duì)各大主流招聘網(wǎng)站的招聘需求調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)，企業(yè)招聘條件不高，校內(nèi)教師業(yè)普遍感到無法勝任包含編程教育的人工智能教育崗位[2]。作為專業(yè)人才培養(yǎng)基地的高校沒有對(duì)編程教育進(jìn)行專門培養(yǎng)的專業(yè)或?qū)W科。因此，十分缺乏正規(guī)的編程教育師資隊(duì)伍，這極大地阻礙了編程教育在中國(guó)的發(fā)展[1]。在人工智能急速發(fā)展的趨勢(shì)下，亟需大量的編程教師隊(duì)伍，以促進(jìn)學(xué)生的計(jì)算思維，提升問題的解決能力。

3 基于AI-TPACK的青少年編程教育知識(shí)結(jié)構(gòu)模型

3.1 智能時(shí)代教師知識(shí)結(jié)構(gòu)新模型AI-TPACK

信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)代要求每位教師都擁有整合技術(shù)的學(xué)科教學(xué)知識(shí)TAPCK(TechnologicalPedagogical Content Knowledge)；TAPCK是由米什拉(P.Mishra)和科勒(M. Kolhler)等在2006年提出[3]。根據(jù)新一代人工智能的發(fā)展，2020年閆志明等將其更新為AI-TAPCK(整合人工智能技術(shù)的學(xué)科教學(xué)知識(shí))新理論框架，該框架在技術(shù)知識(shí)的領(lǐng)域里突出人工智能技術(shù)知識(shí)的重要性，能夠使教師更好的適應(yīng)AI時(shí)代的要求[4]。鄧國(guó)民等將倫理知識(shí)融入教師知識(shí)結(jié)果中構(gòu)建了“AI+學(xué)科教學(xué)”的倫理知識(shí)框架( AIPCEK)，并構(gòu)建了教師AIPCEK發(fā)展的金字塔需求模型[5]。已有研究重在AI-TAPCK的內(nèi)涵分析，也有較多研究對(duì)人工智能和編程教育師資培養(yǎng)進(jìn)行了探討，但是對(duì)AI環(huán)境下編程教育教師崗位勝任力沒有明確界定，缺乏對(duì)AI環(huán)境下師范院校青少年編程教育師資的系統(tǒng)性培養(yǎng)體系的研究。本文嘗試構(gòu)建基于AI-TPACK框架的青少年編程教育師資知識(shí)結(jié)構(gòu)模型，然后根據(jù)該模型探討相應(yīng)的人才培養(yǎng)路徑，由此可以提升計(jì)算機(jī)類學(xué)生的就業(yè)面，促進(jìn)青少年編程教育的可持續(xù)發(fā)展。

3.2 基于AI-TPACK的青少年編程教育能力素質(zhì)模型

智能時(shí)代強(qiáng)大的數(shù)據(jù)推理、分析、處理、決策能力為教師教學(xué)活動(dòng)提供強(qiáng)大支持的同時(shí)也給教師帶來巨大挑戰(zhàn)和壓力。要?jiǎng)偃卧搷徫恍枰獡碛凶罨镜那嗌倌杲虒W(xué)知識(shí)、編程類學(xué)科知識(shí)、人工智能技術(shù)知識(shí)，還需要有AI-TPK、AI-TCK，以及AI-TPACK知識(shí)[5]。如圖1所示。

圖1 青少年編程教師AI-TPACK知識(shí)結(jié)構(gòu)

4 人才培養(yǎng)路徑分析

編程教育方向?qū)W生培養(yǎng)的核心目標(biāo)是培養(yǎng)熱愛編程教育行業(yè)，具備編程和教育基礎(chǔ)理論及應(yīng)用等方面知識(shí)；具備中小學(xué)的教學(xué)設(shè)計(jì)、開發(fā)、管理、評(píng)價(jià)能力；能在與青少年編程教育領(lǐng)域相關(guān)的設(shè)計(jì)、開發(fā)和管理等工作的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。主要培養(yǎng)方法三種：理論學(xué)習(xí)、課程實(shí)踐、專業(yè)大賽，為了更好的達(dá)到以上培養(yǎng)目標(biāo)制定了相應(yīng)培養(yǎng)路徑，如圖2所示。

圖2 基于AI-TPACK的青少年編程教育師資培養(yǎng)路徑

4.1 融入“新工科”和STEAM教育理念，培養(yǎng)跨學(xué)科交叉型人才

“新工科”背景下的教學(xué)模式是教學(xué)團(tuán)隊(duì)對(duì)多門學(xué)科課程中的概念、理論、信息、數(shù)據(jù)、工具、觀點(diǎn)和技術(shù)進(jìn)行辨識(shí)、評(píng)價(jià)與整合，有助于培養(yǎng)編程準(zhǔn)教師的高階思維能力。STEAM融合了科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineer)、藝術(shù)(Art)和數(shù)學(xué)(Mathematics)五大學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)，可以有效培養(yǎng)跨學(xué)科的綜合素質(zhì)能力[7]。師范學(xué)院屬于綜合類大學(xué)，具有堅(jiān)實(shí)的STEAM發(fā)展基礎(chǔ)，可引導(dǎo)老師和學(xué)生進(jìn)行學(xué)科間的相互融合(如：組班上課、組建跨專業(yè)比賽或項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)等)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)AI-TPACK跨學(xué)科交叉知識(shí)的理解掌握。

4.2 以成果為導(dǎo)向(OBE)，改革教學(xué)方法和教學(xué)模式

OBE是Outcomes-based Education(以成果為導(dǎo)向的教育模式)的簡(jiǎn)稱，是指以社會(huì)和學(xué)生的真實(shí)需求為出發(fā)點(diǎn)，通過反向設(shè)計(jì)，以學(xué)生最終獲得的能力和結(jié)果為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)[8]。編程師資隊(duì)伍的培養(yǎng)也應(yīng)以畢業(yè)后具有的“T型”能力(即相應(yīng)的通用能力和編程教育專業(yè)能力)為導(dǎo)向，引入新的課堂教學(xué)模式和方法，如：“AI+教師”的協(xié)同教學(xué)法、BL教學(xué)法、翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)法，將自主學(xué)習(xí)與彈性學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)結(jié)合起來，通過策劃分析項(xiàng)目、典型編程案例研究、社會(huì)實(shí)踐等引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，提升學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力、表達(dá)交流能力，促使教育目標(biāo)與結(jié)果保持一致性[10]。

4.3 更新課程體系，提升學(xué)科教學(xué)知識(shí)的社會(huì)適應(yīng)性

基于AI-TPACK的青少年編程教育方向課程模塊上主要分為數(shù)學(xué)與自然科學(xué)知識(shí)、編程教育方向基礎(chǔ)知識(shí)、編程教育方向核心知識(shí)。在基礎(chǔ)知識(shí)方面，學(xué)生需要掌握從事編程教育所需的計(jì)算機(jī)導(dǎo)論、電路與電子技術(shù)、數(shù)字邏輯電路、scratch趣味編程、程序設(shè)計(jì)類課程、網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)與制作、算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)知識(shí)，另外還應(yīng)開設(shè)人工智能基礎(chǔ)課程[6]。在核心知識(shí)方面，學(xué)生需要掌握從事編程教育方向所需的計(jì)算機(jī)組成原理、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、編譯原理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等核心知識(shí)，通過這些課程可以增強(qiáng)學(xué)生基于AI的編程類知識(shí)(AI-TCK)。同時(shí)開設(shè)編程教育類教師教育類課程(如信息技術(shù)學(xué)科知識(shí)與能力、微格教學(xué)等)選修課程、重點(diǎn)增設(shè)“青少年編程教育課程標(biāo)準(zhǔn)解讀”模塊，通過這些課程可以增加學(xué)生基于技術(shù)的青少年教學(xué)知識(shí)(AI-TPK)，提升教師的崗位勝任力[11]。

4.4 抓住編程類專業(yè)大賽契機(jī)，培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力

新時(shí)代對(duì)創(chuàng)新人才具有強(qiáng)烈的需求，而創(chuàng)造力是連續(xù)迭代螺旋上升的過程，培養(yǎng)過程中應(yīng)在理論學(xué)習(xí)期間增添相應(yīng)的比賽和實(shí)踐項(xiàng)目[12]。大學(xué)生計(jì)算機(jī)競(jìng)賽可以加強(qiáng)新技術(shù)的應(yīng)用交流，促進(jìn)多元化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)改革[13]。學(xué)校應(yīng)緊緊抓住每一次相關(guān)比賽和項(xiàng)目實(shí)踐的機(jī)會(huì)提升學(xué)生的TPACK知識(shí)和能力。比賽類如：計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)大賽、微課設(shè)計(jì)與制作大賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)設(shè)計(jì)大賽、師范技能大賽等。通過這些比賽可以培養(yǎng)學(xué)生解決專業(yè)問題的能力、編程教育能力、創(chuàng)新意識(shí)和專業(yè)表達(dá)能力。

4.5 結(jié)合“產(chǎn)學(xué)研”模式，提升社會(huì)實(shí)踐能力

編程類教師需要有較強(qiáng)的社會(huì)實(shí)踐能力，這些能力可與相關(guān)企業(yè)機(jī)構(gòu)合作分階段進(jìn)行逐步培養(yǎng)，通過完善學(xué)校的“產(chǎn)學(xué)研”體系，加強(qiáng)與真實(shí)社會(huì)的結(jié)合，培養(yǎng)出社會(huì)所需要的人才[14]。例如：邀請(qǐng)優(yōu)秀企業(yè)進(jìn)校培養(yǎng)、開展編程項(xiàng)目研發(fā)實(shí)訓(xùn)、見習(xí)、實(shí)訓(xùn)，組織學(xué)生進(jìn)入編程教育機(jī)構(gòu)或中小學(xué)實(shí)習(xí)。與企業(yè)創(chuàng)建了VR虛擬體驗(yàn)室，另外與教育技術(shù)企業(yè)合作創(chuàng)建編程教育AI研學(xué)實(shí)驗(yàn)室，利用5G、數(shù)字孿生(DT)等相關(guān)技術(shù)和企業(yè)人員的指導(dǎo)促進(jìn)學(xué)生AI-TPACK知識(shí)的構(gòu)建[15]。通過完善的“產(chǎn)學(xué)研”體系可以提升他們的溝通、系統(tǒng)分析、項(xiàng)目管理、文檔寫作和研究的能力。

5 結(jié)語(yǔ)

開設(shè)青少年編程課程有利于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維、提升他們應(yīng)對(duì)未來生活問題的能力[15]。師范類大學(xué)應(yīng)該利用自身的綜合學(xué)科條件，融入“新工科”和創(chuàng)客教育理念、以成果為導(dǎo)向(OBE)更新課程體系、重視編程類和教師教育類專業(yè)大賽、完善“產(chǎn)學(xué)研”體系，提升培養(yǎng)質(zhì)量。雖然目前的培養(yǎng)方案和運(yùn)行機(jī)制模式豐富多彩，但是在實(shí)際培養(yǎng)過程中也會(huì)遇到很多實(shí)際的問題，例如：缺乏相關(guān)的人工智能教學(xué)軟硬件、高校師資AI-TPACK知識(shí)結(jié)構(gòu)不夠完善、家長(zhǎng)的不理解、學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)間沖突等。各高校應(yīng)結(jié)合本校已有專業(yè)特點(diǎn)、教學(xué)模式、教學(xué)資源和師資力量等具體情況，不斷探索未來編程教師的培養(yǎng)路徑和方法。