基于計算思維培養的人工智能教育實踐研究

單海霞

【摘 要】本研究依托北京大學人工智能教育實驗室開發的平臺，創新課程教學思路，形成橫向聯系、縱向遞進的具有區域特色的人工智能教育課程，并通過主題項目案例設計與深入課堂實踐研究，推動順義區中小學人工智能教育實施，為一線教師特別是農村學校教師開展人工智能教育進課堂提供參考和借鑒。

【關鍵詞】計算思維；人工智能；實踐研究

【中圖分類號】G434? ?【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2023）06-059-03

計算思維是《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》明確提出的信息科技課程核心素養之一。2017年7月，國務院發布《新一代人工智能發展規劃》，提出要在中小學開展人工智能教育。此后，教育部和北京市相繼公布了人工智能教育的相關文件，推動人工智能教育進校園。順義區根據相關要求，緊緊圍繞學生的信息科技課程核心素養培養，積極開展了以計算思維培養為核心的小學人工智能普及的教學探索。

區域內人工智能教育存在的問題

在探索人工智能普及教學的過程中，許多小學遇到了“課程定位不清”“課程實施效果不明確”等問題，其具體表現如下。

一是將人工智能課程定位為技術課，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不足的小學生面前。

二是將人工智能課程范疇無限擴大，將原本屬于3D打印、機器人、創客等教學的課程全部納入人工智能教學的范疇，造成學生對人工智能的理解偏差，如被調查的80%以上的小學生認為“機器人就是人工智能”。

針對小學普遍存在的以上問題，為更好地做好信息科技教學工作，北京市順義區開展了“基于計算思維培養的人工智能教育實踐研究”。

小學人工智能教育的課程設計

隨著《新一代人工智能發展規劃》等文件的出臺，順義區各小學開展了基于不同平臺的編程教學，當前小學階段用得比較多的編程平臺有編程貓、Kittenblock、AIspark、慧編程等。在這些平臺的使用中發現，其中的AIspark編程平臺的作業管理與對學生的評價等功能特色，能夠對計算思維做量化評價，因此，本研究實踐階段主要依托AIspark編程平臺開展。

針對目前小學開展人工智能教育的實際，本研究依據北京大學人工智能教育實驗室開發的平臺提出了以計算思維培養為核心的小學人工智能教育的課程目標模型（圖1），按照“感知AI→理解AI→應用AI→創造AI”的體系進行了區域內小學人工智能教育的課程設計。

參加實驗的小學在“走進人工智能”課程的基礎上設置了“AI積木編程”系列課程。“走進人工智能”課程讓學生從生活中常見的人臉識別、圖像識別、語音識別等人工智能入手，通過“玩中學”“做中學”的方式，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、智能語音等生活中的常見應用。

“AI積木編程”系列內容以智能語音、智能翻譯技術為依托，使用AISpark等智能編程實驗工具，進行創意作品設計。

這些課程讓學生在應用智能語音、人臉識別、智能翻譯、手勢識別等人工智能應用功能進行作品創作的過程中，理解學習事件、控制、變量、順序結構、選擇結構、循環結構等編程基本概念，培養使用人工智能技術進行創意設計的基本能力。

小學人工智能教育的課程實施

針對現階段區域內人工智能教育存在的問題，來自順義城區和農村的8所實驗學校組建了研究共同體，按照“專家引領、實踐應用、創造應用、形成特色”的模式開展實踐應用研究。各實驗學校根據自身基礎條件和課時選擇的不同，形成了豐富的人工智能課程教學案例。

其中，北京市順義區西辛教育集團是一所代表性的實驗學校，該校通過校本課程建設、信息科技課程融合等方式，開展了不同形式的教學實踐研究。該校以校本特色課程體系建設為主體開設人工智能教育系列課程。

該校在小學二年級開設“走近人工智能”課程，在三年級開設“AI積木編程智能硬件”課程，在四年級開設“AI 積木編程啟蒙課”，在五年級開設“AI 積木編程互動游戲”課程并融入新課程理念。這些課程采用單元主題教學模式，由學生根據自己的興趣進行自主選擇，將現有的信息科技課程教學內容與人工智能教育課程相結合，將信息科技課程的六條邏輯主線貫穿其中。

在教學實踐過程中，由各實驗學校組織有信息科技學科教學背景的教師組成了人工智能課程實踐應用教研組，這些教師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教育課程的教學觀摩活動。各校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。

在課題研究中，順義區形成了一批區域內人工智能教育優質示范課程資源，將“計算思維”培養深深融入課程的整體設計中。學生使用語言描述問題解決過程，使用流程圖結構化表達解決問題的思路，通過人工智能模塊的編程平臺進行設計，動手制作完成作品，最后進行作品的效果評估，并迭代修訂自己的設計方案，這很好地呈現了課題研究的核心問題。

以“我的智能小家”單元主題課程為例，課程共包括4個課時。該單元的設計圍繞創新思維能力和信息科技學科核心素養的培養來進行，通過暢想智能家居到智能小家的編程實現，著力培養學生的創新思維能力、計算思維以及信息意識（圖2）。

本課題在研究過程中形成了基于信息科技課程核心素養要求的具有區域特色的人工智能教育課程教學案例，帶動了全區學校人工智能教學的開展。

小學人工智能教育課程實施的評價及效果

隨著信息技術的發展，培養學生的計算思維顯得越發必要，開展基于計算思維培養的人工智能教育勢在必行。本研究共同體一方面促進了順義區學生學科核心素養培養與相關研究的開展；另一方面形成了優質示范課案例，為其他地區的人工智能教育發展提供了借鑒。

本研究將以計算思維培養為核心的人工智能教育融入信息科技課程教學，提出了以計算思維培養為核心的小學人工智能課堂教學的一般流程：互動游戲導入→抽象模型→自主設計→創意設計→成果分享。該流程有較強的實踐導向，對一線教師的教學具有一定的理論參考價值。

順義區形成了一批人工智能教育優質示范課程，加強了與其他區的相關經驗交流。如在2022年，研究組成員馬崢代表順義區赴昌平區開展了人工智能與編程結合的教學示范課——“歡迎來到我的課堂”。該課讓學生感知生活中常見的人臉識別，初步理解了人臉識別的基本過程包括建立人臉庫、人臉的關鍵特征提取和匹配與預測性輸出，并且使用AISpark平臺進行了人工智能的應用實踐，設計了屬于自己的人工智能人臉識別程序。這讓學生在充滿趣味的課堂上，以項目式學習方式整體感知、理解、應用了人臉識別。其中的核心內容計算思維培養融入這節課的整體設計中，學生們使用自然語言描述問題解決過程，使用流程結構化表達解決問題的思路，通過帶有人工智能能力的編程學習平臺進行創作，實踐自己的問題解決思路，最后進行解決方案的效果評估，并迭代修訂自己的問題解決方案。

另一位研究組成員王蕾執教的“AISpark 召喚神獸”一課也在全國游戲化教學交流會上進行了展示。同時，研究組其他成員將研究所得撰寫為論文，投稿到“全球華人計算機教育應用大會”，其中的多篇文章得到錄用，并在工作坊進行發表；或將課題研究成果形成的論文投稿到“2020年中國教育技術協會教育游戲專業委員會學術年會”，文章被錄用后，進行了在線發表。這些都為其他學校開展人工智能教學實踐提供了經驗與借鑒。

以計算思維培養為核心的人工智能教育展望

人工智能教育已經成為教育熱點，也是當前的一個社會熱點，推進人工智能教育對于我國長期的人工智能人才培養具有重要的基礎性作用。同時，開展人工智能教育也是發展教師和學生的信息素養，激發學生的科技學習興趣和培養綜合創新能力的重要手段。

本研究提出的“基于計算思維培養的人工智能教育實踐研究”依托北京大學人工智能教育實驗室開發的平臺，圍繞學生的計算思維發展，在實驗學校開展了應用研究。相關數據分析表明，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積極作用。但是，目前的研究中還存在影響不同年級的教學效果差異的機制不明確以及數據結果的穩定性有待驗證等問題。

未來，針對當前研究中存在的不足，順義區將繼續通過數據分析并結合師生訪談、課堂觀察和教學內容分析等研究方式，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，開發更多的以計算思維培養為核心的人工智能教育課程，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，推動小學人工智能教育的科學實施。

注：本文系北京市教育科學“十三五”規劃2020年度課題“區域實施以計算思維培養為核心的小學人工智能教育實踐研究”（課題編號：CDDB2020353）的研究成果