小學階段開設人工智能教育的教學設計研究

福建省漳浦縣實驗小學 許遵照

一、研究背景

近年來，素質教育的深入發展為我國中小學教學改革創新帶來了巨大機遇。在人工智能這一大環境下，小學階段開設人工智能教育成為更好地培養學生創新動手能力的一種重要渠道。我校是教育信息化2.0行動計劃漳州市市級示范校，經過學校研究，確定以“小學階段開設人工智能教育的教學設計研究”為研究課題，努力從學生認知發展的視角提出對小學人工智能課程內容建設的一些想法，編制獨具特色的校本教材。

二、概念界定

人工智能作為新時期現代化發展的技術產物，是研究開發并且用于進一步拓展和延伸人類智能的方法體系，也是新時期一種新興的科學技術，更是計算機科學的重點分支。人工智能技術已經興起，其目的是更好地了解智能化的實質，并且希望能夠產生一種與人類智能相似的方式做出反應的智能型機器，在人工智能領域中側重于對機器人語言識別、圖像識別等方面的研究和自然語言處理。

三、研究主題

小學階段是知識啟蒙的關鍵階段，通過一系列基礎知識的學習不斷增加其知識積累量。隨著知識的日益累積，不斷地提高學生對于知識的基礎和認知能力，因此在小學階段開設人工智能課程，可以在關鍵的啟蒙時期讓學生提前了解人工智能這項新興事物。學習的目的在于感悟，啟發學生對于人工智能的認知，并激發探索創新的精神，讓學生感悟人工智能的出現對于日常生活、學習所帶來的影響，從而更好地提高學生參與人工智能學習的積極性和主動性。

四、研究緣由

為了深入貫徹科教興國、人才強國戰略，國家提出要舉全國之力搶占全球人工智能的制高點。在國務院下發的《新一代人工智能發展規劃》中明確提出，世界主要發達國家將人工智能視為目前最大的發展戰略之一，力求在新一輪的國際競爭中掌握主導權，而我國也務必要通過大力發展人工智能來提高綜合國防實力，維護國家安全。與此同時，要借助人工智能壯大智能產業，培育智能經濟，為我國未來幾十年經濟繁榮創造一個新的增長周期，帶動國家競爭力整體提升和跨越式發展。這一環境下，人工智能教育從娃娃抓起，逐漸成為廣大教育工作者的共識。小學階段是人工智能教育的重要啟蒙時期，教師教什么、怎么教，學生學什么、如何學，成為許多小學教育工作者要考慮的重要問題。在這個過程中，中國教育科學院的研究員表示，在小學階段加強人工智能教育，其目的是讓兒童在啟蒙階段加強對于這類新興事物的了解，并培養一種親近感，更有利于使全民投入人工智能普及學習中。從而更好地培養小學生對于人工智能這一新興事物的認知觀念，并且調動學生的主觀能動性和研究的積極性，更好地投入人工智能的學習中，還要對一些有著明確特殊興趣與能力的小學生給予相應的幫助，挖掘這些學生在人工智能領域的更大潛力。

五、研究目的

基于認知的角度，在小學階段開設人工智能教育的目的是更好地培養學生的聽說讀寫與人工智能產品的體驗，加強學生對人工智能的認知和感悟。基于理解的角度，可以通過一系列具有趣味性的活動和游戲，加深學生對于人工智能的了解和感悟，并且對于人工智能產品背后的原理產生一定的看法。基于應用的角度，學生通過具體的與人工智能體驗互動，可以自由與智能工具交流，利用智能工具改變傳統的學習和生活方式。基于實踐的角度，學生進行深層次的編程學習，不斷地培養自身的創新意識、計算思維及動手能力。基于創新的角度，通過對人工智能技術完整的學習，學生能夠在不斷了解人工智能原理的基礎上，更好地投入創新設計的學習中。

六、研究方法

（一）分析歸納法

通過分析和查閱各種文獻資料，總結研究內容，歸納國內外人工智能發展現狀及課程開設的做法，為課題研究提供必要的研究基礎。

（二）調查研究法

調查“小學階段開設人工智能教育的教學設計”的現狀，為課題研究提供依據。設計調查問卷、整理統計數據、整合研究觀點。例如，運用調查研究法對小學人工智能教育教師“應用情況”方面進行調查和分析，豐富第一手材料，為課題研究提供充足依據。

（三）經驗總結法

通過探索、反思、創新及成果推廣，根據課題研究計劃進行了分析概括，揭示了小學人工智能教育在教學設計應用方面存在的情況，使之提升到教育理論高度，促進感性認識到理性認識的轉化，最終形成比較科學的、系統的、行之有效的教育經驗與理論。依照實際研究提供的事實，研究相關現象和經驗，在理論指導下完善實踐。

七、研究解決的問題

（一）認識人工智能

通過人工智能故事使學生認識人工智能，懂得什么是人工智能。例如，通過講述“人機大戰”的故事，讓學生感受人工智能。或通過現實生活中應用智能小工具的案例，讓學生感受科技的進步及人工智能給人們生活所帶來的改變。

（二）感悟人工智能

感悟人工智能可以從五個方面進行，每個方面可以對應生活中實際應用的案例。怎樣讓機器學會“看、聽、說、想、動”，學會模仿人，使學生體驗到人工智能的用途，可以通過使用各種人工智能產品來實現。

（三）嘗試人工智能

小學階段引入人工智能教學的目的不是單純讓學生進行體驗感知，而是希望在學生與人工智能接觸的過程中形成創新性思維，開闊學生的眼界，培養學生的計算能力，從而以相對簡單的圖形化編程工具來完成具有智能性的作品。

（四）實現人工智能

結合學生的認知特點，學生在編程過程中，一方面要鞏固所學的人工智能知識，另一方面要培養學生的計算思維及實踐能力。通過圖形化編程，培養小學生的計算思維，設計完成較復雜的人工智能作品。

八、研究過程

（一）準備階段（2020年6月—2020年12月）

做好論證、研討和課題研究方案的擬定工作，開展課題實驗前測活動，做好設備配置及條件創建工作和實驗人員培訓工作。

1.成立課題研究小組，研究制定課題研究方案。

2.小組成員集中培訓，以加強理論知識，更加明確地認識研究意義和研究目的，能夠對研究方法有效掌握。

3.提前擬好方案以便后續研究，做好申報工作及立項，保證研究步驟的順利進行。

4.完善并確定課題研究的實施步驟方案。

5.召開開題報告會，每個小組成員參與討論，根據報告和討論結果修改課題方案。

（二）實施階段（2021年1月—2022年3月）

這是課題研究的重要階段，結合“小學階段開設人工智能教育的教學設計研究”活動開展，重點探討小學人工智能教育教學設計研究的實施途徑和方法。采取有分有合的形式開展實踐活動與研討交流工作，做到學期有研討活動，學年有總結交流，開展中期評估工作，形成課題中期研究報告。

1.課題研究有專家領導的指導，以便論證和修正課題，有效促進人工智能教育研究工作的開展，提高本研究課題的影響。

2.探索小學階段開設人工智能教育教學設計的研究方法。

3.及時進行課題研討活動，課題組成員在研討活動中進行研究活動，發現實際操作中存在的問題，彼此交流吸收。

4.舉行一次中期研究成果報告會，初步形成校本教材樣本。

5.報告會完成后進行論文撰寫，對研究結果進行總結展示。6.進一步分析數據，收集階段性研究成果。7.撰寫中期報告，進行課題調整。

（三）總結階段（2022年4月—2022年5月）

課題組將各種材料匯總，通過分析、研討、交流和總結等活動，形成本課題的研究總報告、檢測報告、結題報告。

九、研究結果

從整體來看，本次教學設計達到了預期的效果，學生對于人工智能抱有極大的熱情和參與度，且積極性較強。在教學過程中，教師始終遵循以學生為本，這一思想在基于人工智能教育教學過程中，力求讓更多小學生在一種輕松愉悅的氛圍下獲得更多人工智能的相關知識。通過講解一些基礎原理，配合多媒體技術和游戲環節，激發學生的創新意識。在分析、討論、總結的過程中，能夠引導更多小學生以客觀的態度來看待技術發展的兩面性，并合理應用技術。雖然本課程開設時間不長，但是在課堂上仍然能有近90%以上的學生積極認真參與，并且學習熱情十分高漲，所以無論從學生課堂的狀態還是課后的反饋均能夠看出，對于人工智能教育這一課程，學生的收獲頗深。

十、問題與思考

本次小學人工智能教育教學設計過程中，仍然存在以下幾點問題。第一點是在開展教學設計時過于注重知識技能的模仿，但對于計算思維方面的培養沒能給予更多的關注。人工智能是一門極具實踐性和綜合性的課程，無論出發點和歸宿點都不是對于知識技能的模仿，而是培養學生的創新思維能力。課程之初由于經驗有限，教師對于小學人工智能教育更加側重于知識技能的教學，但在教學過程中發現這種方式無法更好地培養學生的計算思維和設計創新能力。第二點是更加側重于零散項目的開發，卻忽視了系統的設計。我國人工智能教育盡管提出了中小學設置人工智能課程的要求，教育卻主要以創客課程、STEM課程、信息技術課程為主，缺乏完善、統一的人工智能課程標準。課程中人工智能多為選修或拓展模塊，為學生個性塑造內容，內容碎片化。人工智能教育的基礎知識在課程開設過程中，以編程課程、創客課程、機器人課程等一系列為載體，但如果缺少成熟完善的系統設計，單獨進行零散的項目開發，會使得整個教育過程缺少目標主導，甚至增加學生學習的障礙。第三點是過于注重高大上技術的教育教學，卻忽視了學生興趣的培養。人工智能作為一項新興的事物，將其引入小學教育中無疑是一次全新的嘗試，而一些課程內容相對深奧，忽視了學生興趣的培養，難以激發學生對于人工智能教育的熱情。

針對上述存在的問題，教師對小學人工智能教育教學進行了及時的更正和扭轉，并制定了以下幾方面的優化策略。首先，注重學生計算思維和創新方面的培養，并且挖掘更多的學科育人價值。教師轉變了以往過于側重知識點講解的模式，引導學生加深對于人工智能方面的理解，以及創新科學性思維的培養。在課程設置中，體現出立德樹人、五育并舉的導向，在內容的設置上增添了更多引導學生動手實踐的環節，與國家人才培養的戰略相吻合。并適當地融入了學科教育，強調知識結構與學科之間的融合，使人工智能教育開展結合學生的生活實際，以學生為中心。其次，構建了系統性的人工智能教育設計體系，并且契合學生當前的認知水平。人工智能是一門前沿學科，應用到小學階段中會存在一定的難度，而為了轉變以往側重于部分零散項目的研究，卻忽視了整體引導這一局面。小學教育工作者充分考慮到學生當前的身心發展情況，挑選了內容適中、深度廣度合理的內容，并且使人工智能的課程編排做到由易到難，由感性到理性，由模仿到創新。小學人工智能教育涉及人工智能發展歷程、基本概念、算法程序、主要流派、關鍵技術等。為了使小學生能夠接受系統人工智能教育，課程應當結合人工智能知識與學生知識背景，對課程內容合理規劃，以這種循序漸進的方式不斷激發學生的參與積極性，并且保證課程內容之間的銜接處于螺旋上升的狀態，逐漸激發學生更大的學習熱情。最后，開設人工智能教學的過程中，由于小學生活潑好動，并且對于一切新鮮事物處于關鍵的啟蒙時期，因此教師在開展人工智能教育的過程中，先從學生的興趣愛好方面入手，以直接感知和體驗來開展后續的人工智能教育。學校可以建設智慧教室、智慧圖書館，將個性化推薦、精確診斷等融入學生日常生活與學習中，培養學生對人工智能的親近感與興趣。教師可以創設學生喜聞樂見的游戲環節導入和問題設置的方式，引導學生更好地參與人工智能的學習，將基礎的人工智能知識與學生的日常生活相結合，激發學生更大的學習熱情。