聚焦人工智能教育 助力學(xué)生創(chuàng)造未來(lái)

雷玲 趙文安

西安交通大學(xué)附屬小學(xué)（以下簡(jiǎn)稱“交大附小”），是一所有著豐厚文化底蘊(yùn)的現(xiàn)代化學(xué)校。其前身為1897年創(chuàng)辦于上海的南洋公學(xué)附屬小學(xué)堂。經(jīng)過(guò)百年的文化積淀，學(xué)校以塑造具有社會(huì)責(zé)任感的創(chuàng)新人才，著力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力為己任，傳承文化精髓，引領(lǐng)學(xué)校未來(lái)發(fā)展。

當(dāng)今世界已步入人工智能時(shí)代，著名的預(yù)言家凱文·凱利提出，人工智能將是未來(lái)一段時(shí)間最重要的技術(shù);而著名未來(lái)學(xué)家雷·庫(kù)茲韋爾更是預(yù)言，2030年人類將成為混合式機(jī)器人，進(jìn)入進(jìn)化的新階段。因此，以人工智能為代表的新一輪科技革命，有著改變國(guó)家間力量對(duì)比的趨勢(shì)。當(dāng)前，不論是發(fā)達(dá)國(guó)家還是發(fā)展中國(guó)家都在積極制定基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的人工智能發(fā)展戰(zhàn)略。交大附小近年來(lái)積極開(kāi)展人工智能教育的研究，制定了人工智能教育的發(fā)展戰(zhàn)略：讓附小每位學(xué)生從小接受人工智能教育，為國(guó)家培養(yǎng)人工智能后備人才，進(jìn)一步凸顯“數(shù)學(xué)”和“信息技術(shù)”“科學(xué)”這三門在人工智能教育中占有基礎(chǔ)地位的學(xué)科，把培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維、數(shù)學(xué)建模、深度學(xué)習(xí)的能力以及創(chuàng)造力作為人工智能教育的主要目標(biāo)。采用“培訓(xùn)先行、研發(fā)課程、社團(tuán)試點(diǎn)、課堂深入、賽事提升、區(qū)域示范”的實(shí)施策略，推行人工智能教育，培養(yǎng)新時(shí)代新型人才。

構(gòu)建校本課程，助推人工智能教育

我們的人工智能課程建設(shè)起步于2008年，當(dāng)年在四年級(jí)開(kāi)設(shè)了機(jī)器人校本課程，隨著創(chuàng)客教育和STEAM教育的深入開(kāi)展，我們開(kāi)設(shè)了編程課、3D打印體驗(yàn)課、3D與數(shù)學(xué)思維課、STEAM課等創(chuàng)新類校本課程。在實(shí)踐中我們逐漸認(rèn)識(shí)到，中小學(xué)的人工智能教育課程不能完全等同于機(jī)器人課程、編程課程、3D設(shè)計(jì)課程。機(jī)器人、編程、3D設(shè)計(jì)只是開(kāi)展人工智能教育必備的載體和工具，中小學(xué)的人工智能教育應(yīng)該有它獨(dú)特的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容。我們認(rèn)為，小學(xué)人工智能教育課程的主要內(nèi)容是讓學(xué)生了解人工智能的一些基本概念、增強(qiáng)智能意識(shí)、體驗(yàn)人工智能技術(shù)在生活中的應(yīng)用。在傳授知識(shí)的同時(shí)，致力于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，以計(jì)算思維為核心，迭代培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思維、批判思維等一系列思維能力。以人工智能教育為統(tǒng)領(lǐng)，我們整合了先前開(kāi)設(shè)的創(chuàng)新類課程，逐漸構(gòu)建了符合自身情況的人工智能教育校本課程體系。

我們的課程體系以編程課程為核心，在低年級(jí)主要開(kāi)設(shè)趣味編程課程，培養(yǎng)孩子們的興趣。在中年級(jí)開(kāi)設(shè)了智能硬件、機(jī)器人、STEAM課程，讓學(xué)生能夠通過(guò)編程控制智能硬件或機(jī)器人完成一些簡(jiǎn)單的任務(wù)，同時(shí)把編程和智能硬件結(jié)合，完成STEAM課程的相關(guān)任務(wù)，讓學(xué)生體驗(yàn)完成任務(wù)的快樂(lè)和自豪感。在高年級(jí)開(kāi)設(shè)了3D模型設(shè)計(jì)課和人工智能課程，旨在讓學(xué)生通過(guò)編程在3D模型設(shè)計(jì)課上把編程思維和設(shè)計(jì)思維有機(jī)結(jié)合，在人工智能課上用程序控制智能硬件體驗(yàn)人臉識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別等常見(jiàn)的人工智能技術(shù)，從而培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的鉆研精神和科學(xué)素養(yǎng)，為孩子們種下進(jìn)一步打開(kāi)科學(xué)大門的種子。

人工智能課程受到了學(xué)生的歡迎，不僅激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，還提升了學(xué)生的創(chuàng)造力。例如，低年級(jí)學(xué)生的創(chuàng)意編程作品《植樹(shù)造林》，把環(huán)保的理念，通過(guò)編程把植樹(shù)造林的場(chǎng)景作可視化的展現(xiàn)，學(xué)生的問(wèn)題解決能力、計(jì)算思維能力、創(chuàng)造力都得到了提升，同時(shí)體驗(yàn)了編程之美。在高年級(jí)學(xué)生的創(chuàng)意作品《智能飲料機(jī)》的創(chuàng)作過(guò)程中，老師引導(dǎo)學(xué)生用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)件，用編程控制傳感件、控制件、水泵完成智能飲料機(jī)的制作，解決了生活中的真實(shí)問(wèn)題，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，不僅學(xué)生的動(dòng)手能力得到提升，其計(jì)算思維、設(shè)計(jì)思維、發(fā)散思維、工程思維、創(chuàng)新思維也都得到了很好的發(fā)展。

今年九月，我們將在小學(xué)全面開(kāi)設(shè)人工智能課程。1～2年級(jí)采用自主研發(fā)的校本課程，3～6年級(jí)采用教育部教育裝備研究與發(fā)展中心聯(lián)合北京、武漢、廣州、西安、深圳五地教科院所共同研發(fā)的“中小學(xué)人工智能教學(xué)用書”。該套用書全面整合最前瞻、最權(quán)威的適合中小學(xué)的人工智能教育內(nèi)容，契合23個(gè)本科人工智能本科專業(yè)課程模塊，并已在社團(tuán)活動(dòng)和“錢學(xué)森班”試用，效果良好。

建設(shè)活動(dòng)空間，營(yíng)造人工智能教育軟硬環(huán)境

美國(guó)新媒體聯(lián)盟發(fā)布的《地平線報(bào)告》曾三次提出：學(xué)習(xí)空間的重構(gòu)與重新設(shè)計(jì)，可能成為教育變革的關(guān)鍵趨勢(shì)之一。要有效實(shí)施人工智能課程，就要大力建設(shè)全新的適合開(kāi)展人工智能教育的活動(dòng)空間，這個(gè)空間應(yīng)成為以學(xué)生為中心的智能學(xué)習(xí)環(huán)境，成為培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)情感最合適的地方。為此，我們?cè)诳臻g方面進(jìn)行了科學(xué)的區(qū)域劃分，包含AI學(xué)習(xí)區(qū)、AI活動(dòng)區(qū)、AI展示區(qū)、AI工具區(qū)，融入了智能感知技術(shù)、學(xué)習(xí)分析技術(shù)、情感計(jì)算技術(shù)。這些活動(dòng)空間在孩子們探求真知的過(guò)程中，成為他們學(xué)習(xí)的樂(lè)園。為了滿足孩子們的更多需求，我們先后建立了樂(lè)高機(jī)器人教室、創(chuàng)客工坊、3D打印實(shí)驗(yàn)室、VR/AR教室、STEAM教室，為學(xué)生學(xué)習(xí)助力。

為使學(xué)生有更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，目前我們正在建設(shè)更“智能化”的人工智能教育活動(dòng)空間。該活動(dòng)空間的AI學(xué)習(xí)區(qū)，配備智慧黑板，可以實(shí)時(shí)記錄監(jiān)測(cè)人工智能教室的使用情況，教師機(jī)裝有“基于教學(xué)過(guò)程評(píng)價(jià)的大數(shù)據(jù)測(cè)評(píng)系統(tǒng)”。我們?cè)O(shè)計(jì)了可移動(dòng)的自由組合桌椅，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到面的溝通結(jié)合，方便小組教學(xué)和互動(dòng)討論。AI活動(dòng)區(qū)還配備了各種智能裝備，如自主編程的人機(jī)對(duì)話機(jī)器人，可以帶賓客們參觀、講解。AI展示區(qū)增加了“幸運(yùn)大轉(zhuǎn)盤”，把一個(gè)個(gè)作品放在轉(zhuǎn)盤的不同指針區(qū)域，通過(guò)電機(jī)和馬達(dá)以及程序的設(shè)計(jì)控制，在探究不同智能模塊的作品時(shí)就顯示不同的指針區(qū)域，并旋轉(zhuǎn)到最低端，實(shí)用有趣，方便學(xué)生拿取學(xué)習(xí)。AI工具區(qū)的儲(chǔ)物柜設(shè)計(jì)采用語(yǔ)音智能控制，只需輕輕地說(shuō)一聲，“請(qǐng)找出Arduino主控板”，第三層左數(shù)第二個(gè)柜子的LED燈就會(huì)亮，說(shuō)明Arduino主控板就在這里了。語(yǔ)音控制儲(chǔ)物柜的應(yīng)用，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的編程能力，還可以給學(xué)生帶來(lái)學(xué)習(xí)的快樂(lè)，讓他們養(yǎng)成從哪里取放回哪里的好習(xí)慣。

人工智能教育課程的實(shí)施除了要有適合上課的人工智能活動(dòng)空間，還必須要有“強(qiáng)大”的裝備。學(xué)校目前三到六年級(jí)的人工智能課程配套的裝備有兩種：人工智能教育機(jī)器人、可拆裝智能機(jī)器人套件。人工智能教育機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)智能語(yǔ)音交互、人臉識(shí)別、物體識(shí)別等，適合學(xué)生了解人工智能的常見(jiàn)概念，體驗(yàn)人工智能技術(shù)在實(shí)際生活中的應(yīng)用?？刹鹧b智能機(jī)器人套件可以實(shí)現(xiàn)“小尾巴”機(jī)器人、智能澆花系統(tǒng)、分揀機(jī)器人等機(jī)器人的一些功能，跟教學(xué)用書所需的機(jī)器人搭建完全配套。學(xué)生還可通過(guò)圖形化編程，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行智能控制，這些裝備對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，新鮮又十分有趣，學(xué)生們都非常樂(lè)意體驗(yàn)。一至二年級(jí)的人工智能課程的內(nèi)容是自主研發(fā)的，主要偏重圖形化編程知識(shí)的傳授。

變革學(xué)習(xí)方式，引導(dǎo)學(xué)生自主探究

引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能這門課程，僅僅靠課程和裝備是不夠的。為此，我們變革傳統(tǒng)教學(xué)方式，采用線上線下混合教學(xué)模式，豐富學(xué)生學(xué)習(xí)的途徑。現(xiàn)在已經(jīng)推出了兩種線上學(xué)習(xí)平臺(tái)。一種是中小學(xué)人工智能項(xiàng)目組研發(fā)的“AI教育云平臺(tái)”，另一種是學(xué)校自主研發(fā)的“慕課學(xué)習(xí)平臺(tái)”。該平臺(tái)已經(jīng)購(gòu)買和自主研發(fā)了很多與中小學(xué)人工智能教育相關(guān)的課程，可以輔助學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能的相關(guān)知識(shí)。

學(xué)校還不斷研發(fā)適合學(xué)生自主學(xué)習(xí)人工智能課程的“人工智能課程學(xué)習(xí)App”。該App運(yùn)用“知識(shí)森林”的理論，把知識(shí)的傳授看作由課程、主題、分面、知識(shí)碎片四個(gè)維度構(gòu)成（主題主要指知識(shí)點(diǎn)，分面是指知識(shí)點(diǎn)的各個(gè)方面，知識(shí)碎片就是指具體的知識(shí)）。通過(guò)構(gòu)建“知識(shí)森林”云平臺(tái)，對(duì)知識(shí)點(diǎn)和知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系進(jìn)行標(biāo)記形成課程的知識(shí)體系。在“知識(shí)森林”云平臺(tái)的支撐下，人工智能課程學(xué)習(xí)App可以對(duì)人工智能教學(xué)用書的任一頁(yè)進(jìn)行掃描，自動(dòng)提取出每頁(yè)知識(shí)點(diǎn)的關(guān)鍵詞，從而通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)形成一棵知識(shí)樹(shù)。知識(shí)樹(shù)上有該知識(shí)點(diǎn)的分面和該知識(shí)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的其他知識(shí)點(diǎn)，點(diǎn)擊各知識(shí)點(diǎn)就會(huì)出現(xiàn)對(duì)各知識(shí)點(diǎn)的“文字”和“視頻”的解讀。例如，人工智能教學(xué)用書“投其所好的信息”這一課的某頁(yè)有一個(gè)知識(shí)點(diǎn)“智能推送”，當(dāng)用“人工智能課程學(xué)習(xí)App”去掃描這一頁(yè)的時(shí)候，就會(huì)自動(dòng)識(shí)別出“智能推送”這個(gè)詞，App會(huì)通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在學(xué)生面前呈現(xiàn)一棵知識(shí)樹(shù)，知識(shí)樹(shù)上有“智能推送”的定義、原理、應(yīng)用，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊相關(guān)內(nèi)容，學(xué)生們就可以自主進(jìn)行學(xué)習(xí)。

建構(gòu)評(píng)價(jià)機(jī)制，力促學(xué)生個(gè)性發(fā)展

人工智能教育課程實(shí)施的效果如何，應(yīng)該有一套科學(xué)的評(píng)價(jià)機(jī)制，傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)機(jī)制已不能適應(yīng)人工智能教育課程評(píng)價(jià)的需求。為此，我們把第四代評(píng)價(jià)理論、基于成效的教學(xué)理論及混合學(xué)習(xí)理論作為開(kāi)展人工智能教育的重要理論依據(jù)。我們引進(jìn)了國(guó)際上先進(jìn)的CDIO評(píng)價(jià)模式，把理論、實(shí)踐、創(chuàng)新合為一體，著眼于培養(yǎng)學(xué)生的工程能力。采用CDIO模式能有效地對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能教育課程的過(guò)程進(jìn)行評(píng)價(jià)。依據(jù)CDIO模式，我們制定了人工智能教育課程具體評(píng)價(jià)內(nèi)容。

這種評(píng)價(jià)機(jī)制運(yùn)用在實(shí)際教學(xué)中已經(jīng)兩年，它大大激發(fā)了學(xué)生潛能，促進(jìn)了學(xué)生個(gè)性化發(fā)展。例如，運(yùn)用這種評(píng)價(jià)機(jī)制，遴選出了不同年級(jí)、不同性別、不同個(gè)性的孩子組成團(tuán)隊(duì)，參加全國(guó)中小學(xué)創(chuàng)意大賽。團(tuán)隊(duì)提交的《草原集水大師》項(xiàng)目，利用紗窗網(wǎng)使霧水凝結(jié)成小水滴，通過(guò)過(guò)濾系統(tǒng)使霧水變成飲用水，解決了牧民的生活用水問(wèn)題。

目前，我們正在與西安交通大學(xué)人工智能教育實(shí)驗(yàn)室合作共同研發(fā)“基于大數(shù)據(jù)的智能評(píng)測(cè)系統(tǒng)”，以實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能課程的動(dòng)態(tài)跟蹤和評(píng)測(cè)，同時(shí)也計(jì)劃使用“青少年創(chuàng)新能力大數(shù)據(jù)測(cè)評(píng)系統(tǒng)”，對(duì)學(xué)生的創(chuàng)造力進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)。

人工智能正在深刻影響社會(huì)發(fā)展的未來(lái)走向，《未來(lái)簡(jiǎn)史》的作者尤瓦爾·赫拉利在書中寫道：未來(lái)已來(lái)，未來(lái)超越想象。我們期待人工智能對(duì)教育的改革帶來(lái)超越想象的良效，也期待交大附小能在這輪教育改革的浪潮中，長(zhǎng)風(fēng)破浪，站立潮頭。首先，我們將加大教師培訓(xùn)的力度，構(gòu)建一支能夠勝任人工智能課程的優(yōu)秀的教師隊(duì)伍;同時(shí)，配合“西安市人工智能課程研究中心”，聯(lián)合西安教科所做好區(qū)域內(nèi)各校的人工智能教育的相關(guān)培訓(xùn)工作。其次，協(xié)調(diào)好國(guó)家課程、地方課程、校本課程的關(guān)系，確保有一定的課時(shí)量，讓人工智能教育的課程持續(xù)在1-6年級(jí)實(shí)施。與此同時(shí)，做好人工智能技術(shù)與學(xué)科的深度融合，借助人工智能技術(shù)使學(xué)生更好地理解學(xué)習(xí)內(nèi)容，更多地進(jìn)行動(dòng)手實(shí)踐。

我們相信，未來(lái)，人工智能無(wú)處不在，人工智能將會(huì)促進(jìn)教育產(chǎn)生更加深刻的變革。面對(duì)未來(lái)，讓每位孩子都擁有美好的未來(lái)，我們義無(wú)反顧、責(zé)無(wú)旁貸！