基于AI-TPACK的青少年編程教育師資培養路徑研究

張夢萍，胡曉容

(內江師范學院，四川 內江 641000)

1 引言

近年來，隨著人工智能、5G網絡、大數據、云計算、虛擬現實等技術飛速發展，以培養計算思維的編程教育引起了全球的廣泛重視，各個國家和地區采取了相應措施促進編程教育的發展[1]。中國也出臺了與編程教育相關的文件，如：2017年的《新一代人工智能發展規劃》中強調要“逐步推廣編程教育”(《國務院關于印發新一代人工智能發展規劃的通知》國發〔2017〕35號http://www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm)。2018年的《教育信息化2.0行動計劃》，提出完善編程課程內容(http://www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201804/t20180425_334188.html.)。教育部官網公布的《關于政協十三屆全國委員會第三次會議第3172號(教育類297號)提案答復的函》中提到編程教育近幾年的工作進展包括“制定相關專門文件推動和規范編程教育發展”“將編程教育納入中小學相關課程”(http://www.moe.gov.cn/jyb_xxgk/xxgk_jyta/jyta_jiaocaiju/202012/t20201209_504364.html.)。這些政策文件都鼓勵和支持學校將人工智能技術、編程教育等融入校內課程、考試科目當中，體現了編程教育及師資培養的重要性。

2 問題的提出

當前，僅少部分學校將編程教育融入教學計劃中，但大部分還是靠企業和培訓機構在推動。比較有代表性的機構或平臺有：編程貓、編玩邊學、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評測組織，通過測評判斷6～18歲學生的編程能力能級，分為一到七級(青少年人工智能教育考務平臺http://www.yaie.com.cn/.)。市場上出現了“編程教育熱”，但是編程教育的師資卻面臨極大的短缺問題，這成為師范院校現在面對的一個重要課題[6]。目前，市場上絕大部分青少年編程老師都是非科班出身，缺少既懂編程技術也懂青少年教育的專業人才。通過對各大主流招聘網站的招聘需求調查可以發現，企業招聘條件不高，校內教師業普遍感到無法勝任包含編程教育的人工智能教育崗位[2]。作為專業人才培養基地的高校沒有對編程教育進行專門培養的專業或學科。因此，十分缺乏正規的編程教育師資隊伍，這極大地阻礙了編程教育在中國的發展[1]。在人工智能急速發展的趨勢下，亟需大量的編程教師隊伍，以促進學生的計算思維，提升問題的解決能力。

3 基于AI-TPACK的青少年編程教育知識結構模型

3.1 智能時代教師知識結構新模型AI-TPACK

信息網絡時代要求每位教師都擁有整合技術的學科教學知識TAPCK(TechnologicalPedagogical Content Knowledge)；TAPCK是由米什拉(P.Mishra)和科勒(M. Kolhler)等在2006年提出[3]。根據新一代人工智能的發展，2020年閆志明等將其更新為AI-TAPCK(整合人工智能技術的學科教學知識)新理論框架，該框架在技術知識的領域里突出人工智能技術知識的重要性，能夠使教師更好的適應AI時代的要求[4]。鄧國民等將倫理知識融入教師知識結果中構建了“AI+學科教學”的倫理知識框架( AIPCEK)，并構建了教師AIPCEK發展的金字塔需求模型[5]。已有研究重在AI-TAPCK的內涵分析，也有較多研究對人工智能和編程教育師資培養進行了探討，但是對AI環境下編程教育教師崗位勝任力沒有明確界定，缺乏對AI環境下師范院校青少年編程教育師資的系統性培養體系的研究。本文嘗試構建基于AI-TPACK框架的青少年編程教育師資知識結構模型，然后根據該模型探討相應的人才培養路徑，由此可以提升計算機類學生的就業面，促進青少年編程教育的可持續發展。

3.2 基于AI-TPACK的青少年編程教育能力素質模型

智能時代強大的數據推理、分析、處理、決策能力為教師教學活動提供強大支持的同時也給教師帶來巨大挑戰和壓力。要勝任該崗位需要擁有最基本的青少年教學知識、編程類學科知識、人工智能技術知識，還需要有AI-TPK、AI-TCK，以及AI-TPACK知識[5]。如圖1所示。

圖1 青少年編程教師AI-TPACK知識結構

4 人才培養路徑分析

編程教育方向學生培養的核心目標是培養熱愛編程教育行業，具備編程和教育基礎理論及應用等方面知識；具備中小學的教學設計、開發、管理、評價能力；能在與青少年編程教育領域相關的設計、開發和管理等工作的高素質應用型人才。主要培養方法三種：理論學習、課程實踐、專業大賽，為了更好的達到以上培養目標制定了相應培養路徑，如圖2所示。

圖2 基于AI-TPACK的青少年編程教育師資培養路徑

4.1 融入“新工科”和STEAM教育理念，培養跨學科交叉型人才

“新工科”背景下的教學模式是教學團隊對多門學科課程中的概念、理論、信息、數據、工具、觀點和技術進行辨識、評價與整合，有助于培養編程準教師的高階思維能力。STEAM融合了科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineer)、藝術(Art)和數學(Mathematics)五大學科領域的知識，可以有效培養跨學科的綜合素質能力[7]。師范學院屬于綜合類大學，具有堅實的STEAM發展基礎，可引導老師和學生進行學科間的相互融合(如：組班上課、組建跨專業比賽或項目團隊等)，促進學生對AI-TPACK跨學科交叉知識的理解掌握。

4.2 以成果為導向(OBE)，改革教學方法和教學模式

OBE是Outcomes-based Education(以成果為導向的教育模式)的簡稱，是指以社會和學生的真實需求為出發點，通過反向設計，以學生最終獲得的能力和結果為評判標準[8]。編程師資隊伍的培養也應以畢業后具有的“T型”能力(即相應的通用能力和編程教育專業能力)為導向，引入新的課堂教學模式和方法，如：“AI+教師”的協同教學法、BL教學法、翻轉課堂教學法，將自主學習與彈性學習、合作學習、探究學習結合起來，通過策劃分析項目、典型編程案例研究、社會實踐等引導學生進行深度學習，提升學生的動手實踐能力、表達交流能力，促使教育目標與結果保持一致性[10]。

4.3 更新課程體系，提升學科教學知識的社會適應性

基于AI-TPACK的青少年編程教育方向課程模塊上主要分為數學與自然科學知識、編程教育方向基礎知識、編程教育方向核心知識。在基礎知識方面，學生需要掌握從事編程教育所需的計算機導論、電路與電子技術、數字邏輯電路、scratch趣味編程、程序設計類課程、網頁設計與制作、算法與數據結構等基礎知識，另外還應開設人工智能基礎課程[6]。在核心知識方面，學生需要掌握從事編程教育方向所需的計算機組成原理、數據庫系統、操作系統、編譯原理、計算機網絡、機器學習、模式識別、物聯網技術等核心知識，通過這些課程可以增強學生基于AI的編程類知識(AI-TCK)。同時開設編程教育類教師教育類課程(如信息技術學科知識與能力、微格教學等)選修課程、重點增設“青少年編程教育課程標準解讀”模塊，通過這些課程可以增加學生基于技術的青少年教學知識(AI-TPK)，提升教師的崗位勝任力[11]。

4.4 抓住編程類專業大賽契機，培養創新創業能力

新時代對創新人才具有強烈的需求，而創造力是連續迭代螺旋上升的過程，培養過程中應在理論學習期間增添相應的比賽和實踐項目[12]。大學生計算機競賽可以加強新技術的應用交流，促進多元化創新創業人才培養改革[13]。學校應緊緊抓住每一次相關比賽和項目實踐的機會提升學生的TPACK知識和能力。比賽類如：計算機程序設計大賽、微課設計與制作大賽、“互聯網+”創新創業設計大賽、師范技能大賽等。通過這些比賽可以培養學生解決專業問題的能力、編程教育能力、創新意識和專業表達能力。

4.5 結合“產學研”模式，提升社會實踐能力

編程類教師需要有較強的社會實踐能力，這些能力可與相關企業機構合作分階段進行逐步培養，通過完善學校的“產學研”體系，加強與真實社會的結合，培養出社會所需要的人才[14]。例如：邀請優秀企業進校培養、開展編程項目研發實訓、見習、實訓，組織學生進入編程教育機構或中小學實習。與企業創建了VR虛擬體驗室，另外與教育技術企業合作創建編程教育AI研學實驗室，利用5G、數字孿生(DT)等相關技術和企業人員的指導促進學生AI-TPACK知識的構建[15]。通過完善的“產學研”體系可以提升他們的溝通、系統分析、項目管理、文檔寫作和研究的能力。

5 結語

開設青少年編程課程有利于培養學生的計算思維、提升他們應對未來生活問題的能力[15]。師范類大學應該利用自身的綜合學科條件，融入“新工科”和創客教育理念、以成果為導向(OBE)更新課程體系、重視編程類和教師教育類專業大賽、完善“產學研”體系，提升培養質量。雖然目前的培養方案和運行機制模式豐富多彩，但是在實際培養過程中也會遇到很多實際的問題，例如：缺乏相關的人工智能教學軟硬件、高校師資AI-TPACK知識結構不夠完善、家長的不理解、學生學習時間沖突等。各高校應結合本校已有專業特點、教學模式、教學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路徑和方法。