中小學人工智能教育的在線學習探索

肖海明 杜曉敏

一場突如其來的疫情，階段性地改變了人們的生活和學習方式。社會各界高度關(guān)注疫情發(fā)展，同時紛紛探索各自領(lǐng)域特殊時期的“線上化”和“開放共享”方案。教育事關(guān)國計民生，是社會各界關(guān)注的焦點，教育部就“停課不停學”政策多次發(fā)文，網(wǎng)課相關(guān)話題屢上熱搜。線上學習成了全國師生非常時期適應新變化的常態(tài)，舉國上下出現(xiàn)了史無前例的在線學習熱潮。

面對國際上日趨緊張的科技競爭趨勢，發(fā)展新一代人工智能已經(jīng)成為我國的重要國家戰(zhàn)略。對北京、山東、江蘇、湖北、廣東5個省份40多所學校進行調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，學校對于人工智能教育的重視程度普遍提高，已經(jīng)意識到人工智能技術(shù)和知識“進課程、進教材、進課堂、進教案”的重要性。

但疫情之下，學校延期開學，人工智能教育遭遇困難，主要表現(xiàn)在教師線上培訓資源不足、學生自主學習資源匱乏、人工智能學生創(chuàng)作實驗工具質(zhì)量良莠不齊、在家學習效果評價困難幾個問題。響應停課不停學的號召，智能火花人工智能教育基于北京大學學習科學實驗室中小學人工智能教育目標體系，緊緊圍繞計算思維發(fā)展，公益性開放共享支持了教師和學生雙主體協(xié)同提升人工智能素養(yǎng)的教學資源，以期解決學校實施人工智能教育的難點，推動疫情期間北京、江蘇、山東、內(nèi)蒙古、重慶、廣東等12個省市區(qū)的中小學人工智能教育實踐學校“停課不停學”。

以計算思維培養(yǎng)為核心的中小學人工智能教育模型

2006年周以真教授在美國計算機權(quán)威刊物Communications of the ACM發(fā)表Computational Thinking一文，引發(fā)了全球基礎(chǔ)和高等教育者對于計算思維的理論研究和培養(yǎng)學生計算思維的實踐研究的高度關(guān)注。周以真教授認為，“計算思維是運用計算機科學的基礎(chǔ)概念（即思想和方法）去求解問題，設(shè)計系統(tǒng)和理解人類行為”。

我國2018年1月發(fā)布的最新版《普通高中信息技術(shù)課程標準》中明確了信息技術(shù)學科的四大核心素養(yǎng)分別為“信息意識、計算思維、數(shù)字化學習與能力、信息社會責任”。對計算思維和具有計算思維的學生的能力表現(xiàn)進行了清晰的描述。北京大學學習科學實驗室以學生的計算思維為核心，融入游戲化學習理念，提出了中小學人工智能教育的目標模型，認為通過人工智能教育課程的學習，學生應當了解人工智能的基礎(chǔ)知識、掌握基本的人工智能應用技能，學會與智能工具打交道;通過以計算思維培養(yǎng)為核心的實踐活動，搭建人工智能系統(tǒng)，創(chuàng)造人工智能應用解決實際問題;培養(yǎng)學生對于人工智能發(fā)展的文化理解、對以人工智能為代表的科學技術(shù)的學習興趣和綜合性的創(chuàng)新能力。

在學習內(nèi)容的建構(gòu)上，基于布魯姆分類層次理論和皮亞杰的兒童認知發(fā)展階段理論，實驗室提出課程內(nèi)容應按照“感知AI—理解AI—應用AI—創(chuàng)造AI”的體系來進行內(nèi)容設(shè)計。根據(jù)小學、初中和高中學生的認知特點不同，實驗室進一步提出“小學：興趣啟蒙，玩中學”“初中：興趣培養(yǎng)，做中學”“高中：興趣引導，創(chuàng)中學”的教學理念。以項目式學習融入游戲化學習方法，建構(gòu)了“互動游戲?qū)搿橄竽Ｐ汀灾髟O(shè)計—創(chuàng)意設(shè)計—成果分享”的整體教學模式。為更好指導教師以學習者為中心引導學生的以計算思維為核心的人工智能創(chuàng)作實驗，進一步提煉出“定位目標—自然語言描述實現(xiàn)邏輯—結(jié)構(gòu)化流程表達—程序?qū)崿F(xiàn)—調(diào)試分享”的學生學習流程。

“抗疫有我，公益開放”——應用智能火花云平臺開展中小學人工智能在線教育

疫情期間，智能火花啟動“守護健康，抗疫有我”的公益教育計劃，提供適用于中小學生的人工智能線上教育配套資源，助力人工智能教育停課不停學。

線上開放的人工智能教育資源，基于北京大學學習科學實驗室人工智能教育目標模型，按照“感知AI—理解AI—應用AI—創(chuàng)造AI”的學習進階體系，定位于以學習者為中心的學習理念，圍繞“提升教師和學生的人工智能教育素養(yǎng)”的核心目標，以“支持教師引領(lǐng)下的學生自主學習”為平臺應用原則，充分考慮在線教育面向中小學生要兼顧體系化和趣味化的特點，面向教師和學生兩大群體提供線上教育資源，包括科普微課、自主學習微課、課程直播課、AI線上創(chuàng)作實驗平臺、計算思維測評、教師教研平臺，建構(gòu)了一個立體多維的人工智能在線教學支持體系。

為實現(xiàn)讓學生感知人工智能的目標，結(jié)合游戲化教學理念，通過趣味性的科普微課展開人工智能實際應用案例的講解，對適齡學生進行人工智能啟蒙，激發(fā)學生深入學習人工智能的興趣。在感知人工智能的過程中，通過人工智能實現(xiàn)原理的剖析和適合兒童的游戲化表達，讓學生理解人工智能的基礎(chǔ)原理，領(lǐng)會人工智能帶給我們?nèi)祟惖乃伎挤绞降臎_擊。

為實現(xiàn)學生應用人工智能的教學目標，圍繞教師的線上“教”和學生的線上“學”，提供雙主體的支持模式，為教師開放系列化的教師培訓資源，讓教師清晰理解每個項目主題的教學目標、教學內(nèi)容、實踐要求和評價方式，并結(jié)合直播培訓，由高校科研人員為教師開展線上答疑，實現(xiàn)“翻轉(zhuǎn)式線上教研”。為支持學生在教師在線引導下開展創(chuàng)作實踐和自主學習，平臺為學生開放了系列學習微課，微課按照故事導入、問題分解、模型抽象、創(chuàng)作實踐、拓展提升和總結(jié)遷移的順序排列，不斷推動和激發(fā)學生深入思考和進行AI創(chuàng)作實踐。例如，學生在創(chuàng)作“AI聲控新風模擬系統(tǒng)”一課中，不僅應用了人工智能的語音識別技術(shù)以實現(xiàn)通過識別人的聲音和通過人臉識別技術(shù)檢測人臉來觸發(fā)系統(tǒng)運行，還了解了新風系統(tǒng)的工程結(jié)構(gòu)、通風對于疫情防治作用等知識，并且培養(yǎng)了學生保護環(huán)境、維持個人生活環(huán)境整潔健康的意識，同時激發(fā)了學生對于應用人工智能技術(shù)解決生活實際問題的興趣。

針對學生學習效果的評價，線上開放平臺為教師提供了學生作品的智能分析功能，同時基于北京大學學習科學實驗室計算思維測評體系，開放了線上計算思維測評平臺，從問題分解、問題評估、模型抽象、邏輯思考、總結(jié)歸納5個維度評估學生計算思維發(fā)展情況。

總結(jié)展望

中小學人工智能教育已經(jīng)成為一個研究熱點，也是當前的一個社會熱點，推進中小學人工智能教育對于我國長期的人工智能人才培養(yǎng)具有重要的基礎(chǔ)性作用。這次疫情，促使我們探索開展圍繞教師和學生雙主體的線上人工智能教學實踐。疫情期間，智能火花人工智能教育云平臺已經(jīng)為來自北京、江蘇、山東、內(nèi)蒙古、重慶、廣東等12個省市區(qū)的600多名教師開展了系列培訓，支持學校開設(shè)了1200多個課時的直播互動課和自主學習。通過后臺測評數(shù)據(jù)分析，以計算思維培養(yǎng)為核心的人工智能在線教學實施對于整體提升學生的計算思維具有顯著的積極作用。

在中小學人工智能線上教學實踐的過程中，我們也發(fā)現(xiàn)了諸多問題。面對突如其來的疫情，很多老師倉促轉(zhuǎn)入線上教學，對于信息技術(shù)工具的使用還不熟練;面對冷冰冰的攝像頭和屏幕，教師們失去了面對活生生的學生時的那份自然，各種尷尬場面出現(xiàn)在在線課堂中;師生之間的空間分隔，也造成了大量信息在網(wǎng)絡(luò)傳輸過程中丟失，師生之間的實時反饋也變得困難;部分教師在線上課堂照搬線下課堂講授模式，無法吸引自制力較差的小學生，其課堂效果自然大打折扣。

冬天終將過去，春天必將到來，我們終將戰(zhàn)勝疫情，回歸正常的學習和生活。但疫情也會帶給我們很多思考，在這次疫情過去后，我們相信信息技術(shù)融合教育教學創(chuàng)新，將釋放更大的活力，打破人工智能教育的線上線下學習界限的泛在學習模式將成為未來人工智能進校園的探索方向。

作者單位：中國教育技術(shù)協(xié)會教育游戲?qū)Ｎ瘯?? 山東濰坊市教育信息化研究院