小學(xué)階段開設(shè)人工智能教育的教學(xué)設(shè)計研究

摘 要：文章以小學(xué)人工智能教育概述為切入點，分析人工智能教育能夠培養(yǎng)學(xué)生信息素養(yǎng)及創(chuàng)新精神。以此為基礎(chǔ)，結(jié)合小學(xué)人工智能教育現(xiàn)狀，明確人工智能課程仍存在缺乏完整課程體系、重技能輕思維培養(yǎng)的問題，并提出人工智能教育的教學(xué)設(shè)計及實施措施。

關(guān)鍵詞：小學(xué)階段;人工智能教育;教學(xué)設(shè)計

一、 引言

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，人們對“智能”提出了更高要求，從邏輯演算、數(shù)學(xué)運算、演繹推理，到要求機器擁有“創(chuàng)造性”，推動著人工智能的發(fā)展，對人類社會具有重要作用。人工智能作為引領(lǐng)未來教育的新興技術(shù)，對教育具有方方面面的影響，特別是國務(wù)院于2017年印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》提出，中小學(xué)應(yīng)當設(shè)置相關(guān)人工智能課程，逐步推廣建設(shè)人工智能學(xué)科，以適應(yīng)智能化、信息化時代要求。因此，小學(xué)應(yīng)開展系統(tǒng)性人工智能教育，培養(yǎng)小學(xué)生信息素養(yǎng)。

二、 小學(xué)人工智能教育概述

現(xiàn)階段，人工智能教育出現(xiàn)一系列相關(guān)概念，包含智能教育、人工智能學(xué)科教育、人工智能教育、人工智能+教育、人工智能專題教育等，盡管此類概念在外延與內(nèi)涵方面存在一定差異，但其內(nèi)容指向性主要如下：通過人工智能專項教育，提高人的人工智能素質(zhì)，指向人工智能學(xué)習(xí)層面，通過培養(yǎng)學(xué)生人工智能原理、知識、體驗及實踐技術(shù)，利用技術(shù)解決實際問題。該教育將人工智能作為教育教學(xué)形態(tài)，包含實施小學(xué)人工智能課程、全民人工智能科普、高等教育設(shè)置人工智能專業(yè)等，從而培養(yǎng)諸多擁有合作精神與創(chuàng)新能力的人工智能人才。

三、 小學(xué)人工智能教育教育現(xiàn)狀

人工智能課程最初來源于英國20世紀80年代，以選修課模式出現(xiàn)，為學(xué)生簡單介紹有關(guān)人工智能的知識。直至2013年開展全面教育改革，中國將原本信息技術(shù)課程修訂完善為計算課程，教學(xué)目標也轉(zhuǎn)變?yōu)榕囵B(yǎng)學(xué)生計算機思維。并且，中國2003年啟動中小學(xué)人工智能教育計劃，通過多年發(fā)展，小學(xué)階段人工智能教育課程，多為信息技術(shù)課程中應(yīng)用人工智能教學(xué)內(nèi)容，未能形成系列的人工智能教育課程。中國近幾年認識到教育與人工智能融合重要性，進行規(guī)劃布局，部分教師與學(xué)校也投入至人工智能課程教育中。人工智能課程作為涉及諸多領(lǐng)域的學(xué)科，盡管獲得國家政策支持，進行大力發(fā)展推廣，國內(nèi)人工智能課程卻仍有諸多不足，主要體現(xiàn)在以下方面。

（一）缺乏完整課程體系

無論是校本課程還是國家課程，人工智能教學(xué)均以其他課程為依托開展，使教師難以確定教學(xué)分量，教學(xué)目標不清晰?？v向而言，小學(xué)各學(xué)段之間教學(xué)內(nèi)容缺乏緊密聯(lián)系，不利于學(xué)生由淺至深、循序漸進學(xué)習(xí)技能知識，教師也無法有效把握學(xué)情，使得教學(xué)目標和效果存在較大落差。橫向而言，教學(xué)內(nèi)容碎片化，難以使學(xué)生構(gòu)建知識體系。并且，學(xué)生人工智能“教材”，多為用戶指南或產(chǎn)品說明書。

（二）重技能輕思維培養(yǎng)

小學(xué)階段，人工智能教學(xué)無論是校外活動還是學(xué)校教育，均更為注重培養(yǎng)學(xué)生技能，對發(fā)展學(xué)生智能素養(yǎng)、計算思維則不夠重視。以本質(zhì)而言，人工智能教育主要是通過智能內(nèi)容與技術(shù)，提高學(xué)生應(yīng)用、理解與創(chuàng)新的課程，應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生數(shù)字化實踐能力、計算思維、信息意識及信息社會責(zé)任，需在教育教學(xué)中滲透信息技術(shù)核心素養(yǎng)，不能僅停留于機器人拼裝、編程技能等淺顯內(nèi)容。

四、 小學(xué)人工智能教育的教學(xué)設(shè)計

小學(xué)階段開設(shè)人工智能教育，可培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識與獨立思考能力，對于發(fā)展學(xué)生解決問題能力、數(shù)學(xué)邏輯能力、自然語言能力及動手能力具有積極促進作用?，F(xiàn)階段，面臨怎樣系統(tǒng)化、科學(xué)化開展人工智能教育，將其融入至課堂，筆者以下將從教學(xué)目標和內(nèi)容設(shè)計出發(fā)，探索構(gòu)建人工智能教育框架。

（一）教學(xué)目標設(shè)計

以皮亞杰認知發(fā)展理論而言，小學(xué)階段學(xué)生能夠內(nèi)化感知動作，且在具體內(nèi)容支持下，能夠?qū)崿F(xiàn)簡單抽象邏輯思維。人工智能教學(xué)設(shè)計，可從認知、理解、應(yīng)用、實踐、創(chuàng)新幾方面出發(fā)，實現(xiàn)人工智能思維方式和課程培養(yǎng)目標的融合。

（二）課程內(nèi)容設(shè)計

學(xué)生對知識接受能力、認知能力均有所不同，開設(shè)人工智能教育中，應(yīng)當結(jié)合不同年級小學(xué)生的心理、思維邏輯等特點，以人工智能知識普及為基礎(chǔ)，增強學(xué)生對人工智能的感悟，令其了解人工智能對學(xué)習(xí)、生活的影響及未來積極作用，掌握人工智能特點，進而調(diào)動學(xué)生探究熱情。在課程安排中，可從以下方面出發(fā)。

1. 認識人工智能

海辛格提出，人們對創(chuàng)新存在“選擇性認知”的情況，即個人對某創(chuàng)新存在需求，才會與創(chuàng)新信息主動接觸，只有一個人了解創(chuàng)新存在，且對其具有一定認知與了解，方能產(chǎn)生創(chuàng)新需求。因此，人工智能教育中，學(xué)生初步與人工智能課程接觸，應(yīng)當以認識、了解為主，特別是小學(xué)低年級學(xué)生，大腦較為興奮，難以長時間集中注意力，擁有發(fā)達的形象思維，卻缺乏抽象思維。因此，此時可采取探究、合作方式，通過寓教于樂，讓學(xué)生在游戲中進行新知識學(xué)習(xí)。例如，可根據(jù)“人機大戰(zhàn)”故事，1997年圖靈做出的“深藍”智能擊敗國際象棋冠軍，讓學(xué)生初步認識人工智能，明確人工智能含義及發(fā)展歷程。并且，教師可利用Logo語言，鼓勵學(xué)生自由操控“小海龜”，了解自身行為造成的結(jié)果，增強認知;或是在現(xiàn)實生活中講解智能小工具應(yīng)用案例，感受人工智能為生活帶來的便利。

2. 感悟人工智能

通過上階段學(xué)習(xí)，學(xué)生對人工智能產(chǎn)生新的看法與認知，此時應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建正確學(xué)習(xí)目標，掌握有效學(xué)習(xí)方法，以此對自身時間合理安排。在感悟人工智能方面，可通過“看、聽、說、想、動”的方式，讓學(xué)生結(jié)合生活案例，了解機器怎樣學(xué)會模仿人，體驗人工智能用途。例如，機器學(xué)會“看”中，可舉例“植物達人”App，通過拍照、掃描即可識別花草樹木;機器學(xué)會“聽”中，可舉例AI翻譯嬰兒哭聲，能夠根據(jù)嬰兒哭聲對嬰兒表達含義進行判斷;機器會“說”“想”中，可舉例智能語音助手，如Cortana、Alexa、Siri、谷歌智能助手，以此感受機器的“思考”“說話”;機器會“動”，可舉例智能遙控小車、智能電視等。通過調(diào)動學(xué)生觸覺、視覺與聽覺，感受人工智能扮演的重要角色，學(xué)生能夠感悟、認識人工智能，為后續(xù)學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

3. 嘗試人工智能

小學(xué)人工智能教學(xué)課堂中，教師不能僅讓學(xué)生單純的進行感知與認識，還應(yīng)當在體驗與感悟中，培養(yǎng)其計算思維。課堂教學(xué)中，可引入Scratch編程等圖形化編程軟件，為學(xué)生滲透、啟蒙算法及編程思想。教師引導(dǎo)學(xué)生利用簡單的工具軟件，創(chuàng)作自己的人工智能作品。如，可讓學(xué)生編寫“會說話的燈泡”任務(wù)，機器接收“開燈”指令后，即可亮起燈泡，且同時輸出“燈已經(jīng)為您打開”的語音;機器接收“關(guān)燈”指令后，即可關(guān)閉電燈，且同時輸出“燈已經(jīng)為您關(guān)閉”語音。通過簡單地方式，讓學(xué)生實現(xiàn)初步編程體驗，感受創(chuàng)造與學(xué)習(xí)樂趣。

4. 實現(xiàn)人工智能

學(xué)生通過認識、感悟與體驗的活動，已經(jīng)親身感受到人工智能的魅力，這時教師可進一步加強學(xué)生認知，結(jié)合學(xué)生特點，立足于人工智能某編程知識點，編程中鞏固知識的同時，培養(yǎng)學(xué)生實踐能力與創(chuàng)新思維，使學(xué)生了解圖形化編程，設(shè)計較為復(fù)雜的人工智能作品，完成制作，培養(yǎng)學(xué)生計算思維。

五、 小學(xué)人工智能教育實施策略

（一）情景化教學(xué)

小學(xué)生受限于自身認知及個體差異，加上人工智能知識較為特殊，教師僅通過演示、講授的方式，學(xué)生難以有效理解和掌握課程內(nèi)容。因此，教師可采取創(chuàng)設(shè)情境的方式。人工智能本身為教師提供條件，可利用人工智能反哺課堂，增強學(xué)生學(xué)習(xí)體驗，能夠直觀、形象了解人工智能技術(shù)。教師還可以采取游戲化角色、元素、模式，為學(xué)生提供更為有趣、豐富的內(nèi)容，通過激勵機制、增益策略等，實現(xiàn)多樣化課堂教學(xué)，增強課堂趣味性。例如，在人工智能“火災(zāi)演練”主題教學(xué)中，可安排部分學(xué)生扮演消防員，部分學(xué)生扮演受困人員，模擬滅火救援行動，火災(zāi)情境創(chuàng)設(shè)應(yīng)用了FPV、機器人車巡線等內(nèi)容。該方法有效激發(fā)學(xué)生興趣，增強其參與感，提高教學(xué)效果。

（二）跨學(xué)科交叉教學(xué)

人工智能主要是開發(fā)、研究用于擴展、模擬人的智能的方法、理論、技術(shù)、應(yīng)用系統(tǒng)的新興技術(shù)科學(xué)，涉及諸多學(xué)科，包含計算機科學(xué)、心理學(xué)、生物學(xué)等。通過跨學(xué)科教學(xué)，能夠促進生物、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識融入至人工智能知識。教師在此過程中，不僅需要借助其他學(xué)科知識，助力學(xué)生加深對人工智能的理解，還要利用跨學(xué)科思維，培養(yǎng)學(xué)生計算思維素養(yǎng)。通過跨學(xué)科整合，能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)學(xué)科和人工智能的融合，采取項目課程教學(xué)模式，合理應(yīng)用人工智能技術(shù)解決問題。例如，機器視覺教學(xué)中，教師可將機器視覺結(jié)合神經(jīng)科學(xué)，以“人怎樣看到事物”作為導(dǎo)入問題，類比為學(xué)生解釋機器怎樣“看到”周圍事物。教師通過恰當教學(xué)設(shè)計，滲透人工智能技能、知識的同時，也能聯(lián)系生活實際，使學(xué)生感受到人工智能價值。

六、 結(jié)語

綜上所述，小學(xué)階段設(shè)置人工智能課程，且將其納入小學(xué)教育體系，對于培養(yǎng)人工智能人才及發(fā)展信息技術(shù)教育具有積極作用。因此，教師應(yīng)當結(jié)合小學(xué)人工智能課程實際情況，通過合理的教學(xué)目標與課程內(nèi)容設(shè)計，構(gòu)建小學(xué)人工智能課程體系。教師課堂教學(xué)采取情景化教學(xué)、跨學(xué)科教學(xué)等教學(xué)方法，從而提高人工智能教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻：

[1]焦振洲，于曉雅.小學(xué)信息技術(shù)課程滲透人工智能教育的探索與實施：以“輸入與人工智能”教學(xué)為例[J].中小學(xué)信息技術(shù)教育，2021（5）：49-51.

[2]韓濤.基于STEAM教育理念的小學(xué)人工智能教學(xué)運用[J].中小學(xué)電教：教學(xué)，2021（4）：65-66.

[3]柳棟，馬濤，容梅，徐彤，等.中小學(xué)人工智能課程群建設(shè)的一種跨領(lǐng)域開放框架[J].中國電化教育，2020（12）：16-21+28.

[4]張珊珊，杜曉敏，張安然.中小學(xué)開展人工智能教育的挑戰(zhàn)、重點和策略[J].中國電化教育，2020（11）：67-72+96.

[5]劉平瑤，張利平，夏小俊，等.中小學(xué)人工智能課程內(nèi)容設(shè)計及實施案例分析[J].中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)，2020（10）：70-73.

作者簡介：

薛憲立，福建省漳州市，漳浦縣實驗小學(xué)。