人工智能背景下的中小學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)及課程開發(fā)初探

河南省鄭州市教育局實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝備管理中心(450000) 張 超鄭州師范學(xué)院附屬小學(xué)(450000) 賀紅曉

近幾年，技術(shù)的發(fā)展、政府的重視，讓人工智能迅速成為社會(huì)熱點(diǎn)。我國不少地方都已經(jīng)開始探索在義務(wù)教育階段開展人工智能教育，人工智能下的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室也應(yīng)運(yùn)而生。但是，由于各地基礎(chǔ)和條件各不相同，人工智能教育項(xiàng)目面臨諸多問題，如創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)沒有裝備標(biāo)準(zhǔn)可供借鑒，創(chuàng)新項(xiàng)目的軟件開發(fā)缺少教研部門參與的頂層設(shè)計(jì)，同時(shí)也少有與創(chuàng)新環(huán)境相配套的課程，致使創(chuàng)新項(xiàng)目的發(fā)展難以深入進(jìn)行。

中小學(xué)階段，正是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的關(guān)鍵時(shí)期。在有效培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力方面，創(chuàng)新教育發(fā)揮著重要作用。要使創(chuàng)新教育扎實(shí)開展、穩(wěn)步推進(jìn)，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)是基礎(chǔ)。因此，在各中小學(xué)建設(shè)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，是學(xué)校開展創(chuàng)新教育的首要條件。根據(jù)新課程的發(fā)展趨勢，結(jié)合我市中小學(xué)創(chuàng)新教育的實(shí)際狀況，進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)及課程開發(fā)勢在必行。

本文從我市中小學(xué)創(chuàng)新教育現(xiàn)狀出發(fā)，依托試點(diǎn)學(xué)校，為學(xué)校提供創(chuàng)新空間設(shè)計(jì)方案，使實(shí)驗(yàn)室空間建設(shè)更加符合學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的需要；同時(shí)，對(duì)不同學(xué)段、不同主題的創(chuàng)新課程進(jìn)行開發(fā)，進(jìn)一步引導(dǎo)培養(yǎng)學(xué)生自主探究、自我成長的能力，從而推動(dòng)以深入構(gòu)建培養(yǎng)學(xué)生“實(shí)踐創(chuàng)新”素養(yǎng)為根本目的的創(chuàng)新教育蓬勃發(fā)展。

1 加強(qiáng)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，為課程建設(shè)提供硬件支持

1.1 設(shè)計(jì)建設(shè)與升級(jí)改造相結(jié)合，打造優(yōu)質(zhì)學(xué)習(xí)空間

一方面在沒有創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的學(xué)校進(jìn)行項(xiàng)目設(shè)計(jì)，為學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)打造優(yōu)質(zhì)的學(xué)習(xí)空間；一方面對(duì)部分中小學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行升級(jí)與改造，扶持多樣化的校園創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)(見圖1～3)。同時(shí)，在相關(guān)課程專家的引領(lǐng)下，進(jìn)行基于創(chuàng)新空間的課程開發(fā)，為校園的發(fā)展提供有力的支撐，也為更多學(xué)校開展創(chuàng)新教育提供了資源和借鑒。

1.2 提供前沿技術(shù)支持，優(yōu)化裝備配置

為了充分發(fā)揮創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的功能，豐富創(chuàng)新課程的研發(fā)，先后引進(jìn)各種新技術(shù)及平臺(tái)，如:開源硬件平臺(tái) Arduino/Frizing、圖形化編程平臺(tái) Scratch、3D 打印平臺(tái) Printer、智能機(jī)器平臺(tái) Robot、互動(dòng)新媒體平臺(tái) Processing、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) DIS、物理引擎實(shí)驗(yàn)平臺(tái) Algodoo、物聯(lián)網(wǎng)+平臺(tái) ESP8266等。這些新技術(shù)和平臺(tái)的使用，有效促進(jìn)了創(chuàng)新課程的研發(fā)。目前，3D打印、機(jī)器人編程、圖形計(jì)算器等先進(jìn)技術(shù)和軟件在實(shí)驗(yàn)學(xué)校都得到了不同程度的應(yīng)用。

1.3 教學(xué)資源整合，為課程開發(fā)儲(chǔ)存資源

借助信息化手段對(duì)全市實(shí)驗(yàn)教學(xué)相關(guān)資源進(jìn)行收集，為各類創(chuàng)新課程的開發(fā)提供豐富的素材資源。如“實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新優(yōu)質(zhì)課平臺(tái)”“教師自制教(學(xué))具和學(xué)生小制作小發(fā)明平臺(tái)”“實(shí)踐教育優(yōu)質(zhì)課平臺(tái)”等管理平臺(tái)的開發(fā)，收集并篩選了一批我市中小學(xué)教師和學(xué)生的優(yōu)秀課例和作品，為多種類型的創(chuàng)客課程開發(fā)提供樣本。

2 積極推進(jìn)創(chuàng)新課程開發(fā)，為創(chuàng)新教育的落地提供依托

人工智能(Artificial Intelligence)，英文縮寫為AI，它是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。人工智能可以對(duì)人的意識(shí)、思維的信息進(jìn)行過程的模擬。人工智能從誕生以來，理論和技術(shù)日益成熟，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大，可以設(shè)想，未來人工智能帶來的科技產(chǎn)品，將會(huì)帶來人類生活的極大改變。

人工智能的核心是編程和智能硬件，因此人工智能的課程開發(fā)主要與這2個(gè)方面有關(guān)。由于中小學(xué)生受認(rèn)知和能力所限，開始接受的人工智能課程大部分是人工智能中最基礎(chǔ)和最直觀的課程，例如基礎(chǔ)編程、基礎(chǔ)的智能硬件、簡單機(jī)器人、人工智能體驗(yàn)等。在這些課程中，編程課程往往作為評(píng)價(jià)其發(fā)展水平的核心指標(biāo)?；谌斯ぶ悄鼙尘跋碌膭?chuàng)新課程開發(fā)與實(shí)施也是從以上方面著手研究。下面，以我市某小學(xué)的“人工智能背景下的創(chuàng)新課程”研發(fā)及實(shí)施為例加以闡述。

2.1 人工智能背景下創(chuàng)客課程基本理念

人工智能背景下創(chuàng)新課程基本理念是:著力培養(yǎng)面向未來的創(chuàng)新型人才。

主要包括以下幾個(gè)方面:

(1)尊重個(gè)性:尊重學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展，以科技為導(dǎo)向，用世界一流的學(xué)科融合教育模式，幫助學(xué)生按照自己的興趣、潛力實(shí)現(xiàn)個(gè)體的最優(yōu)發(fā)展，培養(yǎng)具有仁愛精神、獨(dú)立意志、社會(huì)擔(dān)當(dāng)、終身學(xué)習(xí)能力和幸福感的地球公民。

(2)學(xué)科結(jié)合:順應(yīng)傳統(tǒng)學(xué)科教育，查缺補(bǔ)漏，互為補(bǔ)充。將技術(shù)、科學(xué)、工程、編程、造物、勞技、體育、生活、藝術(shù)(音樂、美術(shù))等學(xué)科融合教育理念融入其中，激發(fā)孩子的學(xué)習(xí)興趣，提高動(dòng)手和邏輯思維能力，培養(yǎng)探索和思考精神，促使學(xué)生知識(shí)內(nèi)化。

(3)個(gè)性定制:未來教育是個(gè)性定制的，以尊重個(gè)性為中心，以 “項(xiàng)目制”“主題式”教學(xué)方式，配合“導(dǎo)師制”“學(xué)院制”“走班制”“蜂窩型”資源配置，建立情感信任，打破學(xué)科邊界，課程融合聯(lián)接，培養(yǎng)學(xué)生掌握知識(shí)的能力和自主思考解決問題及動(dòng)手實(shí)踐的能力。

(4)面向未來:培養(yǎng)面向未來的創(chuàng)新型人才是目的，學(xué)科融合教育是方式，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)應(yīng)用是支撐，跨學(xué)科融合的個(gè)性化定制是主導(dǎo)，培養(yǎng)具備服務(wù)社會(huì)、國際視野的地球公民是追求。

2.2 人工智能背景下創(chuàng)新課程目標(biāo)設(shè)定

(1)普及創(chuàng)新教育素養(yǎng):全校學(xué)生普及創(chuàng)客基本素養(yǎng)；

(2)培養(yǎng)創(chuàng)新教育名師:培養(yǎng)出優(yōu)秀的創(chuàng)新教育導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)；

(3)打造創(chuàng)新空間:打造具有學(xué)校特色的校園創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)空間；

(4)開發(fā)校本課程:開發(fā)出具有本校文化特色的校本課程體系；

(5)形成創(chuàng)新教育標(biāo)桿:使學(xué)校成為區(qū)域內(nèi)的創(chuàng)新教育標(biāo)桿學(xué)校。

2.3 人工智能背景下創(chuàng)新課程內(nèi)容選擇

本課程體系的內(nèi)容主要包括5個(gè)部分:創(chuàng)新思維培養(yǎng)課程、軟件編程課程、智能硬件課程、結(jié)構(gòu)與工具課程和演講及分享課程。

(1)創(chuàng)新思維培養(yǎng)課程:含有創(chuàng)新方法課程、思維練習(xí)課程等；

(2)軟件編程課程:以Scratch圖形化編程工具為核心，學(xué)習(xí)編程的基本技術(shù)與算法；

(3)智能硬件課程:以樂動(dòng)模塊系列傳感器、控制器為主要內(nèi)容，學(xué)習(xí)智能硬件原理及應(yīng)用；

(4)結(jié)構(gòu)與工具課程:以3D建模和3D打印為主要學(xué)習(xí)內(nèi)容，了解結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)化工具；

(5)演講及分享課程:以學(xué)生作品分享、成果路演為主要形式，學(xué)習(xí)分享的方法與技巧。

2.4 人工智能背景下創(chuàng)新課程實(shí)施基本介紹

(1)課程開設(shè)對(duì)象：2～5年級(jí)全體學(xué)生。

(2)課程開設(shè)場所：學(xué)校微機(jī)教室和校園創(chuàng)新空間。

(3)課程所需教學(xué)設(shè)備：初級(jí)實(shí)驗(yàn)箱、樂動(dòng)魔盒、樂動(dòng)魔塊、課程資源、基礎(chǔ)工具、智能造物耗材等。

(4)授課形式：不同年級(jí)的授課形式見表1。

表1 授課形式

結(jié)合學(xué)校實(shí)際需求及學(xué)生能力特點(diǎn)，以普及式班級(jí)教學(xué)和社團(tuán)課相結(jié)合的授課形式。學(xué)生通過學(xué)習(xí)編程的基礎(chǔ)知識(shí)技能，智能硬件和結(jié)構(gòu)的知識(shí)，掌握基本的編程能力和通過社團(tuán)活動(dòng)課再進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力、作品設(shè)計(jì)能力及綜合運(yùn)用能力。

(5)課時(shí)安排與任課教師

課時(shí)安排:大班教學(xué)課直接使用《信息技術(shù)》《綜合實(shí)踐》的課時(shí)，每周1節(jié)；社團(tuán)課為社團(tuán)課時(shí)，每周四下午2節(jié)課后。

任課教師:《信息技術(shù)》教師、《小學(xué)科學(xué)》教師、《綜合實(shí)踐》教師。

2.5 人工智能背景下創(chuàng)客課程實(shí)施形式

2.5.1 大班普及課授課內(nèi)容及安排

普及性的大班課程是以一個(gè)班為教學(xué)單位，其授課地點(diǎn)為學(xué)校微機(jī)教室。大班普及課開課年級(jí)為4～5年級(jí)，每個(gè)學(xué)期都有對(duì)應(yīng)的課程，共4個(gè)模塊。

2.5.2 社團(tuán)課授課內(nèi)容與安排

本課程作為學(xué)校的社團(tuán)課，授課地點(diǎn)為學(xué)校微機(jī)教室或?qū)W校的校園創(chuàng)客空間。社團(tuán)課開課年級(jí)為2～5年級(jí)。其中3年級(jí)下、4年級(jí)、5年級(jí)都將以活動(dòng)的形式展開。

3 開展各類創(chuàng)客活動(dòng)，促進(jìn)師生創(chuàng)新協(xié)同發(fā)展

3.1 收集師生優(yōu)秀創(chuàng)客成果，展示師生創(chuàng)新能力

(1)學(xué)生作品設(shè)計(jì)文稿見圖4～5。

(2)教師作品展示見圖6～8。

3.2 組織師生參加各類創(chuàng)客比賽，增加創(chuàng)客教育生命力

開展研究的最終目的是促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展，為此，我們組織了項(xiàng)目學(xué)校的師生參加河南省和鄭州市中小學(xué)教師自制教具及學(xué)生小制作、小發(fā)明等相關(guān)創(chuàng)客類的評(píng)比，以激發(fā)師生的創(chuàng)造力與創(chuàng)新力。

在研究過程中，實(shí)驗(yàn)教師都能基于實(shí)踐，在深入落實(shí)課程改革的同時(shí)，結(jié)合學(xué)校、學(xué)生及個(gè)人實(shí)際情況，對(duì)實(shí)驗(yàn)課例的教學(xué)進(jìn)行全方位的創(chuàng)新，形成具備實(shí)驗(yàn)學(xué)校特色的人工智能背景下的創(chuàng)新教育課程實(shí)施方案。如我市某高中的“法庭科學(xué)實(shí)驗(yàn)課程”、某初中的“初中生簡明科學(xué)教程”、某小學(xué)的“人工智能背景下的創(chuàng)客課程”等。這些創(chuàng)客課程的開發(fā)，為我市各級(jí)各類學(xué)校特色創(chuàng)客課程的開發(fā)提供了可供借鑒的樣本，具有積極地意義。