海淀區(qū)中小學(xué)人工智能教育發(fā)展之路

馬濤　趙峰等

摘要：《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》和高中2017版《信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》提出了在中小學(xué)進(jìn)行人工智能教育的要求。海淀區(qū)的人工智能教育注重學(xué)科方向性，注重人工智能教育的核心內(nèi)容與核心素養(yǎng)定位，注重基于人工智能核心內(nèi)容的課堂活動(dòng)設(shè)計(jì)，注重基于人工智能思維方式的課堂活動(dòng)組織實(shí)施，努力建設(shè)出方向正確、核心內(nèi)容突出、具有海淀特色的人工智能教育課程體系，促進(jìn)海淀區(qū)中小學(xué)人工智能教育健康發(fā)展。

關(guān)鍵詞：人工智能教育;學(xué)科核心素養(yǎng);課堂結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著我國《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》和高中2017版《信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》“人工智能初步”模塊的頒布，人工智能逐步進(jìn)人了教育領(lǐng)域，從信息化產(chǎn)品中人工智能的呈現(xiàn)，到人工智能作為課堂教學(xué)的內(nèi)容，對(duì)各個(gè)教育場(chǎng)景產(chǎn)生著影響。海淀區(qū)內(nèi)高校林立，科研院所眾多，中關(guān)村高科技園區(qū)也地處海淀，同時(shí)海淀基礎(chǔ)教育具有比較悠久的信息技術(shù)教育積累，具有探索人工智能教育的優(yōu)勢(shì)。

一、對(duì)人工智能教育的認(rèn)識(shí)

人工智能是體現(xiàn)高新技術(shù)的科技方向，一方面體現(xiàn)了科技領(lǐng)域的快速發(fā)展，另一方面體現(xiàn)了基于人工智能應(yīng)用的思維方式轉(zhuǎn)變。

1.人工智能科技領(lǐng)域的發(fā)展：人工智能科技進(jìn)步在算法方面逐漸成熟和普及，啟發(fā)式搜索和決策樹等核心算法的應(yīng)用逐步增多，貝葉斯推理、分類器、馬爾可夫模型等理論方法更是推進(jìn)了深度學(xué)習(xí)的實(shí)現(xiàn)。中小學(xué)的學(xué)科知識(shí)體系中，由于知識(shí)爆炸產(chǎn)生的新知識(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)“知識(shí)下放”現(xiàn)象，大學(xué)課程的部分知識(shí)會(huì)進(jìn)人中學(xué)階段課程內(nèi)容中。所以，來自于大學(xué)人工智能學(xué)科知識(shí)體系的部分內(nèi)容，也可能會(huì)成為中小學(xué)人工智能教育的學(xué)習(xí)內(nèi)容。

2.人工智能層面的思維方式轉(zhuǎn)變：在中小學(xué)教育中，除了學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)，學(xué)生的學(xué)科能力、學(xué)科思維、學(xué)科素養(yǎng)也需要在學(xué)習(xí)期間不斷培養(yǎng)、增長。人工智能作為今后解決學(xué)習(xí)、生活問題的一種方式，有其自身的方法與思維方式，教會(huì)學(xué)生能夠以人工智能的思維方式看待知識(shí)應(yīng)用與社會(huì)發(fā)展，有利于培養(yǎng)新時(shí)代的接班人和國家建設(shè)者。在人工智能教育體系中，人工智能作為學(xué)習(xí)本體，可以在課堂的情境創(chuàng)設(shè)、知識(shí)學(xué)習(xí)、練習(xí)實(shí)踐、拓展應(yīng)用等環(huán)節(jié)實(shí)施教育，引導(dǎo)學(xué)生親歷人工智能解決問題的相關(guān)過程，引發(fā)應(yīng)用人工智能解決問題的思維意識(shí)培養(yǎng)。

由于人工智能的興起，人工智能在教育中的應(yīng)用也會(huì)出現(xiàn)明顯增長。人工智能注重人類感知功能和決策功能，人工智能的聽覺、視覺、理解、決策等特點(diǎn)能夠提升現(xiàn)有信息系統(tǒng)的智能性，從而實(shí)現(xiàn)以人工智能功能為主要呈現(xiàn)方式的教育環(huán)境信息系統(tǒng)功能提升。在這類功能實(shí)現(xiàn)中，人工智能應(yīng)用多以“黑箱”方式呈現(xiàn)給基礎(chǔ)用戶，注重其功能，而不會(huì)過多呈現(xiàn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。所以，以人工智能促進(jìn)教育信息化發(fā)展這類內(nèi)容，目前暫不作為中小學(xué)人工智能教育課程的內(nèi)容。

二、海淀區(qū)中小學(xué)信息技術(shù)課程的基礎(chǔ)與現(xiàn)狀

海淀區(qū)自二十世紀(jì)八十年代開始進(jìn)行中小學(xué)信息技術(shù)教育以來，師資、設(shè)施、課程等均有了長足發(fā)展和深厚積淀，中小學(xué)信息技術(shù)課程內(nèi)容既包含程序設(shè)計(jì)、應(yīng)用軟件、數(shù)字藝術(shù)設(shè)計(jì)等偏軟件內(nèi)容，也包含創(chuàng)客、機(jī)器人等偏硬件內(nèi)容。程序設(shè)計(jì)的算法基礎(chǔ)、創(chuàng)客和機(jī)器人的硬件功能實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)、應(yīng)用軟件的解決問題基礎(chǔ)，均為開展人工智能教育奠定了基礎(chǔ)。

海淀區(qū)義務(wù)教育階段信息技術(shù)教育教材采用海淀區(qū)自主編寫的《信息技術(shù)》，課程體系以引導(dǎo)學(xué)生解決問題、自主探究軟件使用、梳理工作流程的方式呈現(xiàn)，以促進(jìn)思維方法的培養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生信息素養(yǎng)的提升，也符合新的信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的基本要求。

在海淀區(qū)現(xiàn)有信息技術(shù)學(xué)科教育的基礎(chǔ)上開設(shè)人工智能課程，面臨著具備人工智能教學(xué)能力的師資不足、教學(xué)資源不足、相關(guān)參考案例不足等問題，全面開設(shè)中小學(xué)人工智能課程的難度較大。但海淀區(qū)同時(shí)也具備一定的優(yōu)勢(shì)，近年海淀區(qū)補(bǔ)充了一定數(shù)量的具備計(jì)算機(jī)專業(yè)能力的碩士、博士進(jìn)入信息技術(shù)教師行列，結(jié)合海淀區(qū)內(nèi)高校和科研院所的專業(yè)資源，在海淀區(qū)中小學(xué)開設(shè)了大量的選修課和大學(xué)先修課，一些教學(xué)內(nèi)容和資源已經(jīng)指向了人工智能教育方面的內(nèi)容。由此，海淀區(qū)確定了以人工智能教育研究、區(qū)域示范引領(lǐng)及教師培訓(xùn)、部分學(xué)校先行試點(diǎn)為工作方向，研究人工智能教育目標(biāo)和方向，積累課堂實(shí)施案例，促進(jìn)師資成長。自2017年至今已積累了一定的成果，為今后大面積推進(jìn)中小學(xué)人工智能教育做好了準(zhǔn)備工作。海淀區(qū)人工智教育研究工作方向如圖1所示。

人工智能的實(shí)現(xiàn)需要有一定的編程能力、算法思想和人工智能應(yīng)用場(chǎng)景體會(huì)，也需要有一定的硬件輔助實(shí)現(xiàn)。因此人工智能課程在海淀區(qū)的開設(shè)，需充分利用現(xiàn)有信息技術(shù)課程基礎(chǔ)，發(fā)揮學(xué)生應(yīng)用軟件使用優(yōu)勢(shì)、編程能力優(yōu)勢(shì)、硬件操作優(yōu)勢(shì)，依托海淀區(qū)信息技術(shù)學(xué)科地方課程資源，研究人工智能課程的總體架構(gòu)，將原有信息技術(shù)課程的知識(shí)積累與人工智能課程的功能相結(jié)合。由此海淀區(qū)設(shè)定了以圖2內(nèi)容為基礎(chǔ)的人工智能教學(xué)內(nèi)容與支撐基礎(chǔ)，明確了人工智能核心方向、發(fā)展方式、核心算法、功能實(shí)現(xiàn)等內(nèi)容。其中，實(shí)現(xiàn)人工智能功能的程序編寫訓(xùn)練，將以程序設(shè)計(jì)課為基礎(chǔ);編程中應(yīng)用的算法，將以程序設(shè)計(jì)與數(shù)學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ);在進(jìn)行人工智能感知的視覺、聽覺功能中，將以移動(dòng)終端的攝像頭和麥克風(fēng)實(shí)現(xiàn)，或以個(gè)人電腦上的攝像頭、麥克風(fēng)配以相應(yīng)的軟件實(shí)現(xiàn)，同時(shí)在編程時(shí)調(diào)用外部人工智能接口，以實(shí)現(xiàn)人工智能的聽覺、視覺功能;而當(dāng)產(chǎn)生人工智能的認(rèn)知與決策后，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作反饋功能會(huì)以現(xiàn)有創(chuàng)客、機(jī)器人課程內(nèi)容實(shí)現(xiàn)。

三、中小學(xué)人工智能教育的課程設(shè)置

1.人工智能教育目標(biāo)框架

海淀區(qū)的教育網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)中心參與了《中國互聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)白皮書之人工智能教育發(fā)展報(bào)告（基礎(chǔ)教育）》的編寫工作，總結(jié)梳理了人工智能教育在中小學(xué)各學(xué)段的能力目標(biāo)和內(nèi)容框架設(shè)計(jì)，初步制訂了人工智能能力培養(yǎng)目標(biāo)框架，如表1所示。

2.人工智能教育能力分層

在每一學(xué)段的學(xué)生培養(yǎng)中，按照傳統(tǒng)的學(xué)生能力層次，可以將學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能的能力劃分為了解、理解、掌握三個(gè)層次，每個(gè)層次的學(xué)習(xí)內(nèi)容框架設(shè)計(jì)如下：

了解：通過對(duì)人工智能的感知、體驗(yàn)、討論、分辨、描述等方式，了解人工智能的基本特征和應(yīng)用渠道。

理解：在了解的基礎(chǔ)上，通過學(xué)習(xí)程序設(shè)計(jì)提高計(jì)算思維能力，從識(shí)別、解釋、運(yùn)用、主動(dòng)選擇等層面加深對(duì)人工智能的原理、途徑的理解。

掌握：在理解的基礎(chǔ)上，通過對(duì)人工智能核心算法的學(xué)習(xí)、開發(fā)工具和開發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)人工智能的實(shí)際應(yīng)用模塊的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)簡(jiǎn)單人工智能的掌握和應(yīng)用。

3.人工智能教育課程內(nèi)容

基于上述能力和目標(biāo)的課程框架設(shè)置，海淀區(qū)人工智能教育課程內(nèi)容設(shè)定如表2所示。

4.人工智能教育師資培養(yǎng)

海淀區(qū)信息技術(shù)學(xué)科教研經(jīng)過多年的推動(dòng)和積累，教師授課素質(zhì)普遍較高，其中教學(xué)基本功、學(xué)科基本理念、課堂組織實(shí)施等教學(xué)能力均能達(dá)到較高的水平。

在人工智能教育課程實(shí)施中，為了加強(qiáng)師資隊(duì)伍建設(shè)，海淀區(qū)教育科學(xué)研究院技術(shù)中心建設(shè)了人工智能實(shí)驗(yàn)室，并開設(shè)了多期培訓(xùn)班，在教師基本教學(xué)能力基礎(chǔ)上，加強(qiáng)人工智能的知識(shí)學(xué)習(xí)、了解人工智能技術(shù)應(yīng)用、熟悉人工智能環(huán)境構(gòu)建、人工智能周邊應(yīng)用（虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、3D編程）、人工智能在教育中的應(yīng)用等內(nèi)容的學(xué)習(xí)，逐步加強(qiáng)人工智能師資的專業(yè)知識(shí)水平。

四、海淀區(qū)中小學(xué)人工智能課程實(shí)施案例

海淀區(qū)在推動(dòng)人工智能教育的過程中，根據(jù)海淀區(qū)的課程設(shè)置方案在小學(xué)、初中、高中進(jìn)行了基于內(nèi)容和能力培養(yǎng)的課堂實(shí)施，探索課堂的教學(xué)案例、組織實(shí)施、課堂評(píng)價(jià)、學(xué)生范例等內(nèi)容，為人工智能教育普及推廣奠定基礎(chǔ)。

1.小學(xué)起始課的學(xué)生區(qū)分人工智能能力

海淀區(qū)翠微小學(xué)在小學(xué)人工智能課程的起始課上，設(shè)計(jì)了三節(jié)課的單元式課堂結(jié)構(gòu)，如表3所示。

課堂從體驗(yàn)人工智能應(yīng)用引發(fā)學(xué)生對(duì)人工智能的識(shí)別，從識(shí)別中加深人工智能特征與內(nèi)涵的認(rèn)識(shí)。再通過編寫語音識(shí)別的人機(jī)對(duì)話程序，提升計(jì)算思維的培養(yǎng)。同時(shí)結(jié)合人工智能的發(fā)展，思考人工智能的價(jià)值，辯證地看待人工智能的作用。

課堂中學(xué)生能夠以小學(xué)生的思維方式和認(rèn)知水平進(jìn)行人工智能的體驗(yàn)，通過編程體現(xiàn)“計(jì)算思維”培養(yǎng)，通過人機(jī)對(duì)話程序編寫的方法學(xué)習(xí)與功能實(shí)現(xiàn)體現(xiàn)“數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新”的培養(yǎng)，通過識(shí)別人工智能和辯證看待人工智能體現(xiàn)“信息意識(shí)”和“信息社會(huì)責(zé)任的培養(yǎng)。借助三節(jié)課的學(xué)生單元活動(dòng)，逐步滲透小學(xué)階段信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。

2.初中編程調(diào)用人工智能SDK和API

海淀區(qū)十一學(xué)校在初中人工智能課程中，使用App Inventor編程環(huán)境，設(shè)計(jì)了兩節(jié)課的人臉識(shí)別App制作，課堂結(jié)構(gòu)如表4所示。

課堂以編寫移動(dòng)App程序?qū)崿F(xiàn)人工智能功能，在生活實(shí)際中實(shí)現(xiàn)人工智能解決問題，通過調(diào)用外部開放平臺(tái)的人工智能接口實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別功能，引發(fā)學(xué)生構(gòu)建人工智能場(chǎng)景、實(shí)現(xiàn)人工智能功能、引發(fā)創(chuàng)新應(yīng)用的意識(shí)培養(yǎng)。

課堂中能夠結(jié)合初中生熟悉的移動(dòng)App使用經(jīng)驗(yàn)，通過App Inventor編程實(shí)現(xiàn)“計(jì)算思維”培養(yǎng)，借助App Inventor編程調(diào)用外部接口的人工智能功能實(shí)現(xiàn)“數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新”的培養(yǎng)，通過人臉識(shí)別向量提取的數(shù)字化過程實(shí)現(xiàn)“信息意識(shí)”培養(yǎng)，通過在生活中合理應(yīng)用人工智能實(shí)現(xiàn)“信息社會(huì)責(zé)任”培養(yǎng)。使用兩節(jié)課的人臉識(shí)別App制作，實(shí)現(xiàn)基于人工智能的初中信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)。

3.高中人工智能基本算法的學(xué)習(xí)

海淀區(qū)人民大學(xué)附屬中學(xué)在高中人工智能課程中，貼近高中課程標(biāo)準(zhǔn)的“人工智能初步”模塊要求，以“機(jī)器視覺的大腦之卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”的單元主題設(shè)計(jì)了六課時(shí)的課堂結(jié)構(gòu)，如表5所示。

課堂從構(gòu)建CNN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特征提取、卷積核、特征圖等人工智能核心算法人手，引導(dǎo)學(xué)生了解人工智能的基本構(gòu)成方法，并通過操作實(shí)踐實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺，從機(jī)器視覺引出無人駕駛汽車的視覺判斷功能。

課堂中使用Python編程并調(diào)用外部人工智能識(shí)別模塊，實(shí)現(xiàn)植物識(shí)別、動(dòng)物識(shí)別、菜品識(shí)別、車型識(shí)別等功能，通過Python編程實(shí)現(xiàn)“計(jì)算思維”培養(yǎng)，通過自主學(xué)習(xí)卷積核與特征圖的使用實(shí)現(xiàn)“數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新”的培養(yǎng)，通過自主學(xué)習(xí)卷積理解、視覺實(shí)現(xiàn)功能實(shí)現(xiàn)“信息意識(shí)”培養(yǎng)，通過機(jī)器視覺的作用與應(yīng)用實(shí)現(xiàn)“信息社會(huì)責(zé)任”的培養(yǎng)。使用六節(jié)課的自動(dòng)駕駛中的視覺判斷，實(shí)現(xiàn)基于人工智能的高中信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)。

五、結(jié)語

在面對(duì)人工智能教育的熱潮中，海淀區(qū)的人工智能教育注重學(xué)科方向性，從人工智能教育的核心內(nèi)容與核心素養(yǎng)定位、基于人工智能核心內(nèi)容的課堂活動(dòng)設(shè)計(jì)、基于人工智能思維方式的課堂活動(dòng)組織實(shí)施方面進(jìn)行探索和實(shí)踐，努力建設(shè)出方向正確、核心內(nèi)容突出、具有海淀特色的人工智能教育課程體系，促進(jìn)海淀區(qū)中小學(xué)人工智能教育健康發(fā)展。