推進中小學人工智能實驗教學新探索

樊 磊

首都師范大學教授，普通高中信息技術課標組核心成員，人民教育出版社-中國地圖出版社出版的《普通高中信息技術教科書》聯合總主編。

梁森山

教育部教育裝備研究與發展中心副研究員。

曾維義

重慶市江北區教師進修學院中學信息技術教研員，重慶市學科名師，中國地圖出版社出版的《普通高中教科書信息技術人工智能配套實驗指導用書》執行主編。

謝作如

浙江省溫州中學人工智能實驗室負責人，特級教師。

人工智能發展會不會再次進入低谷？人工智能課程在中小學會不會像很多其他曾經流行一時的新技術課程一樣曇花一現？我們需要找準定位，多方推進，逐步構建更合理的人工智能課程生態。

背景：人工智能課程實施離不開教學環境

曾維義：2017年，國務院印發《新一代人工智能發展規劃》，把全面推進新一代人工智能提升到國家戰略高度。2019年，普通高中信息技術新課程全面實施，其中涉及的人工智能相關內容備受關注和期待。從我國基礎教育信息技術課程演進過程的視角看，新課標、新教材的科學屬性日益凸顯。實驗一直是科學類課程的重要支柱之一，理應成為高中信息技術特別是人工智能教學的組成部分。但是，由于種種原因，在實際教學中，實驗教學仍然沒有受到應有的重視。

樊老師，您能否從新課標的要求，以及推進新教材實施的角度，為我們分析一下其中原因？

樊磊：普通高中信息技術課程標準及教材中包括人工智能的內容并非第一次。我們都知道，在2003年版課程標準中，就有“人工智能初步”的選修模塊，而且在2007年也正式出版了相應的教材。但那時人工智能尚未走出低潮，人工智能的思想、方法和應用的影響還十分有限，教材的內容過時、陳舊，缺少可操作性，加之2003版課標并未在必修部分對人工智能有具體要求，諸多外部環境和內在因素的共同影響，使普通高中人工智能的教學先天不足，未起步即夭折。

2017版信息技術課程標準是在新一代信息技術迅猛發展、人工智能理論與應用取得全面突破的大背景下制訂完成的，在中小學普及新一代信息技術教育，尤其是人工智能教育，既是社會發展的大勢所趨，也是國家培養高素質創新人才的必需，這件事情的意義無論怎么強調都不過分。高中信息技術新課標在必修部分及選擇性必修部分，都對人工智能（包括新一代人工智能）提出了具體要求。2019年，教育部將經審查通過的五個版本新課標教材（人教-中圖版、浙教版、粵教版、滬教版、教科版）列入全國普通高中教材目錄，標志著高中的新課程改革正式進入課程實施階段，也標志著人工智能內容正式進入中小學國家課程。

但是，（新一代）人工智能綜合性極強，發展極迅速，涉及面極廣，進入國家課程并不意味著一定能達到預期目標，也不代表能健康持續地發展。人工智能發展會不會再次進入低谷？人工智能課程在中小學會不會像很多其他曾經流行一時的新技術課程一樣曇花一現？我們需要找準定位，多方推進，逐步構建更合理的人工智能課程生態。具體地講，我認為當前我們特別需要關注以下幾個方面：

1.明確人工智能在中小學信息素養教育中的作用和地位，將提高人工智能教育的水平作為加強和規范信息技術課程建設的重要途徑和標志性成果。

2.信息技術新課程的落地實施是一個循序漸進的過程，不可能一步到位，應優先保證與人工智能相關內容的落實，并以此帶動課程的全面實施。

3.根據人工智能教學的要求，逐步構建起面向未來的、較完善的教學支持環境和實驗教學規范，為整個信息技術課程，乃至其他課程提供可以參考的現代技術課堂范例。

4.加強對學科教師的專業指導，既要包括人工智能方面的理論性和技術性指導，也應包括實施人工智能教學，以及創建開發適用基礎教育目標的自主可控教育教學資源等方面的指導。

我們很高興地看到，新課標發布以后，上面所說的幾個方面有了不少實質性進展。想想在2018年底的時候，我們能有多少硬件、數據、平臺和學習資源可用于高中教學？要設計適合某版教材的人工智能實驗室，有哪些選擇？現在的情況確實有改觀，但距離保證新標準、新課程、新教材的實施，差距還相當大。

曾維義：樊老師的洞察，也說出了很多老師的想法，他們在課程落地實施過程中更能切身感受到各種條件的制約和現實困境。我也是一線教師，所以特別能理解。

梁老師，您能否從人工智能實驗裝備和教學條件保障等方面談一談，我們為什么要知難而上，在人工智能課程的開設中強調實驗教學？實驗教學對人工智能來講有什么教育意義？

梁森山：首先強調，《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》（以下簡稱新課標）和《普通高中課程方案（2017年版）》（以下簡稱新課程方案）中，關于實驗和條件保障的要求非常清晰明確。新課程方案增設“條件保障”專題模塊，指出“普通高中課程實施是一個系統工程，各地應根據普通高中課程實施的需要，因地制宜制定相應的政策，提供有力的條件保障”。具體措施分為三項，分別是“加強教師隊伍建設”“加強教學設施建設”和“加強經費保障”。新課標專門用一節內容具體細化新課程方案中“加強教學設施建設”的要求，原文論述如下：“對于信息技術課程而言，必要的基礎設施、基本設備是課程實施的物質基礎。普通高中學校要根據學生人數的多少、教學課時的需求，設立能滿足各模塊教學需要的信息技術教室和信息技術實驗室，配備數量合理、配置適當的計算機和相應的實驗設備，并配備滿足各模塊教學需要的軟件及網絡設施。”

不難看出，實驗教學是高中信息技術課程不可或缺的重要組成部分，對學生信息素養的提升具有不可替代的作用。一方面，實驗教學為發展學生利用計算思維（特別是抽象、模塊化及分解等問題求解方法）設計、實現解決方案的能力提供了自主、探究、協作的學習場域;另一方面，實驗操作是數字化學習與創新能力提升的必經路徑，離開了動手操作，創新就無從談起。

我在這里轉述新課程方案和新課標原文，最想說明的是，信息技術課程的頂層設計還是比較合理完整的，但在實際教學過程中肯定會遇到各種問題，我希望各地能夠結合當地的具體情況，廣泛吸納社會機構及企業的資源，因地制宜，合理利用，加快推進課程落地。用新課標的說法，就是“借助數字化學習環境，引導學生體驗數字化學習與創新活動，通過整合其他學科的學習任務，幫助學生學會運用數字化工具（如移動終端、開源硬件、網絡學習平臺、編程軟件、應用軟件等）表達思想、建構知識”。關于一線實際教學的具體情況和需求，曾老師和謝老師可能比我們更清楚，也更有發言權。

謝作如：任何實驗教學的開展都離不開某種形式的實驗室。目前，國家層面暫時沒有出臺中小學一貫的人工智能實驗室建設的標準或指導性文件，絕大多數學校在開設課程時都比較迷茫。前段時間，我們學校也開始建設人工智能實驗室，同樣是“摸著石頭過河”。樊老師和梁老師對實驗室建設有什么建議？

樊磊：從課改精神及其他一些綱領性文件的總目標和要求來看，未來的實驗教學必定會成為新形態課堂教學不可分割的一部分，形式更靈活的學科教室可能會代替常規的實驗室成為實驗教學的新形態和主戰場。在這方面，人工智能與信息技術的實驗教學具有天然的優勢，也容易發展成為一個亮點。

我認為，人工智能實驗室或學科教室的設備和環境配置，應能滿足新教材中所涉及的各種不同類型項目實踐的基本要求，包括體驗和了解特定人工智能應用、檢驗和實現基本算法、搭建簡單的人工智能應用等。說起來很簡單，但實際上中小學的人工智能實驗類別繁多（體驗性實驗、驗證性實驗、應用性實驗和探究性實驗等），難易跨度大，設備平臺數據多樣復雜，使用者之間差異巨大且難以管理，與大學專業實驗室建設幾乎沒有可比性，因此真正實施起來確實非常困難。我們很需要積累經驗，就像謝老師所說的，需要有一個“摸著石頭過河”的階段。

梁森山：人工智能實驗室應當具備一定的通用性、特色性、開放性。高中階段因為有正式的課程標準，也針對人工智能提出具體要求，因此實驗室的建設多少還是有理有據的。在義務教育階段新課程標準實施之前，學校可根據現有條件和課程目標，新建人工智能實驗室，或者在原有計算機教室、創客實驗室、機器人實驗室等現有設施基礎上進行升級改造，打造融合教學內容、教學模式和設施設備為一體的新型人工智能特色教學環境，為師生創造安全、健康、互動、有趣的學習情境，達成激發學生人工智能學習興趣、提升學生創作能力和動手能力的目的。

一般來說，面向科普的人工智能實驗室可以劃分為信息化教學平臺、基礎實驗教學軟硬件平臺、實驗教學用書及人工智能實驗基礎設施，用于為學生了解人工智能基礎知識、學習人工智能編程，培養學生設計動手能力提供教學實驗場景。

營造必要的教學場景是非常必要的，教育裝備事業的發展越來越重視教學環境建設，可以為學生營造學科氛圍。這部分內容可以包含學習活動區、教學工具區、人工智能體驗區、無人駕駛體驗區、神經網絡體驗區等區域，各地和學校可以根據自身需求量身定制。學生在學科實驗室中可以深度體驗人工智能實驗中的課程案例，起到教學與實踐相結合的作用。

謝作如：曾經有不少老師跟我反映，在高中實施《人工智能初步》模塊的教學普遍面臨一個尷尬的局面：沒有系統的實驗項目、沒有合適的實驗用書、缺乏專業的師資隊伍等，最終的結果是實驗教學難以落地，模塊學習目標難以達成。回憶我自己學習人工智能的經歷，正是借助于浙大的Mo平臺，邊學習邊完成一些經典的人工智能實驗，感覺學習的效果特別好，所以我覺得人工智能實驗非常需要合適的指導用書，了解到三位老師曾聯合編寫了人工智能配套實驗的相關指導用書，不知道三位老師在編寫過程中的體會是什么呢？

樊磊：人工智能配套實驗的指導用書，其實驗應能與現行信息技術教材的內容結合。例如，在《普通高中信息技術人工智能配套實驗指導用書》編寫前，編寫團隊詳細梳理了新課標中關于人工智能的相關內容和教學要求，既包括必修部分的，也包括絕大部分選擇性必修部分的。書中的實驗案例雖主要以人教-中圖版教材內容為基礎和原型，但實際上可以搭配，或者獨立于任何版本教材來使用，因為編寫者是將五個版本教材中的人工智能實踐活動都提取出來進行了分析，書中的案例不僅全部重新設計，而且可以看成是五個版本教材人工智能實驗內容的一個“最大公因子”（如果還算不上是“最小公倍數”的話），基本做到了對課程標準人工智能實踐方面要求的全覆蓋。

梁森山：在編寫過程中，我們有一個統一認識，人工智能配套實驗指導用書應與《人工智能初步》教材和《人工智能初步》教師教學用書一起，構成相對完備的“學科-教學-實驗”體系。同時，還提煉出了人工智能實驗教學的一般流程，即“實驗目標—原理與方法—實驗過程—總結交流”，這是信息技術（包括人工智能）實驗教學走向規范化的一個不可或缺的環節。

曾維義：通過編寫我們發現，與教材相比，人工智能配套實驗指導用書中的人工智能案例需要更完整（場景完整、代碼完整、數據完整、解釋完整等），而最大的困難是將案例中復雜的應用場景、算法和代碼進行簡化，將教學難度降低到適合普通高中學生的認知水平。

當然，實驗用書肯定還有很多問題，也缺少一些環節和實際教學的檢驗，但我相信實驗用書可以為高中開設有特色的人工智能課程提供一個可參照的范例。

曾維義：作為一線教育工作者，我最關心的還是人工智能實驗教學如何實施？實驗教學有哪些實施模式？

樊磊：前面我提到過，人工智能課程中的實踐環節涉及體驗、驗證與實現、應用與部署和探究等不同層次，一個個具體的實驗項目就是圍繞著不同層次的要求而設計的。中小學信息技術教材由于有目標、內容、篇幅和結構的要求，對人工智能內容大多點到為止，不可能展開闡述，涉及實踐性內容時更是很難關注到實驗目標、實驗環境和實驗過程這些關鍵因素。因此，若將人工智能作為一個嚴肅的、有份量的課程主題，僅有教材是遠遠不夠的。像實驗指導用書這樣的附加資源剛好可以彌補這方面的缺失，可以幫助教師在人工智能課程中將體驗、驗證與實現、應用與部署和探究等流程的各個環節做足、做全、做好，更全面更有效地達到課程的要求。

曾維義：實際教學還有一個不容忽視的問題，那就是評價機制，關于評價也是新課程改革的重要內容。從人工智能實驗教學的角度，如何對學生學習進行評價？

樊磊：新課改的一個重要特征是從面向知識技能轉向面向素養，素養是綜合素質，當然包括知識技能，但又不僅僅是這些（此處我們暫且不考慮素養的價值觀和責任感這方面）。樸素地講，體現一個人在某方面素養水平的重要尺度就是在遇到問題時他實際運用這方面知識技能的流暢程度。素養的養成是一個動態的、長期的和持續的過程，素養的評價也遠比單純的知識技能評價要復雜。因此，素養的評價肯定要更關注發展性、過程性和綜合性，而這些因素很難用傳統考試的方式來評估。前面說過，人工智能實驗涉及因素多，學生在完成實驗過程中的表現可以全面忠實地反映對信息技術知識技能的掌握運用程度，因此，人工智能實驗教學正好能為信息素養評價提供一個不錯的平臺和機會。

現在一些學校已經有針對實驗教學的管理平臺，它具備多元化、全過程跟蹤和記錄學生學習情況，產生學習行為大數據及智能分析數據做出學習決策推薦等功能。這些技術手段無疑為素養評價提供了更科學有效的支持。但是，達成素養評價的目標絕非一朝一夕的事情，還需要進行更多的研究和優化。