中小學教師人工智能教學能力提升探索

馮敬益 劉波 謝景明

摘? ?要

人工智能技術(shù)對國家的發(fā)展起到了重要作用。中小學階段的人工智能教育可以為學生的信息素養(yǎng)打下良好的基礎(chǔ)，然而師資力量面臨著較大挑戰(zhàn)。本文通過對中小學人工智能教育研究現(xiàn)狀與問題的分析，從實施組織架構(gòu)與培養(yǎng)模式兩個角度出發(fā)，提出通過多主體協(xié)作來提高師資培養(yǎng)的組織實施能力，以成果為導向來解決師資水平參差不齊、學習時間難以統(tǒng)一的問題，并構(gòu)建了“4+1”中小學人工智能教師培訓內(nèi)容體系。

關(guān)鍵詞

人工智能? 多主體? 成果導向? 師資培養(yǎng)

目前，我國中小學數(shù)量超過了20萬所，中小學人工智能師資力量面臨著較大的缺口。因此，解決當前師資不足的一個有效途徑是培養(yǎng)現(xiàn)有的中小學信息技術(shù)教師。

一、中小學開展人工智能教育研究的現(xiàn)狀與問題

1.國內(nèi)外現(xiàn)狀

2005年，美國學者Koehler和Mishra提出了整合技術(shù)的學科教學知識TPACK，整合技術(shù)的教師知識能力發(fā)展遵循相同的曲線，都包含認識、接受、適應(yīng)、探索和進階應(yīng)用五個階段，被認為是全新的教師知識能力結(jié)構(gòu)框架，得到了全球?qū)W者的廣泛關(guān)注，相關(guān)研究包括TPACK理論框架、TPACK測量和基于TPACK的教師信息技術(shù)應(yīng)用能力培養(yǎng)實踐等[1]。2018年5月，美國人工智能學會和CSTA聯(lián)手成立并發(fā)布了面向所有孩子的“AI4K12”人工智能教育項目，其主要目標是制定類似于國家計算機教育的K-12人工智能國家指南，提出了人工智能基礎(chǔ)教育的五大概念，分別是感知、表示、推理、學習、自然交互以及社會影響，其突出特點是既覆蓋人工智能的主要技術(shù)領(lǐng)域，又能夠讓教育工作者與實際相結(jié)合開展人工智能的相關(guān)教學。其中，麻省理工學院的教師在美國中學面向中學生開展了為期一周半的人工智能倫理課程，并為4～6歲兒童提供了具有人工智能技術(shù)的機器人學習套件[2]。由聯(lián)合國教科文組織與美國國際教育技術(shù)協(xié)會、思科、英特爾和微軟等機構(gòu)廠商協(xié)商制定了信息和通信技術(shù)能力框架ICTCFT，并定期更新。該框架規(guī)定了教師在專業(yè)實踐中需融入的技術(shù)能力，以便在數(shù)字時代與學生一起形成批判性意識、知識和能力。該框架強調(diào)數(shù)字技術(shù)在以下六個關(guān)鍵知識領(lǐng)域的作用：理解教育中的信息通信技術(shù)、課程與評估、教學法、信息通信技術(shù)、組織與管理及教師專業(yè)學習[3]。

與國外先進國家相比，我國新一代人工智能教育的開展程度相差并不大，從中小學到高等院校都在積極探討如何對學生有效開展人工智能教育。開展人工智能教育的形式有：國家課程及以“機器人教育”“創(chuàng)客教育”“STEM教育”“人工智能教育”等命名的校本課程和校內(nèi)教育活動各類與信息技術(shù)教育相關(guān)的科技創(chuàng)新競賽活動，和校外培訓機構(gòu)開展的編程、機器人、創(chuàng)客、STEM、無人機及人工智能等主題教育活動[4]。李志義提出解決中小學人工智能課程師資問題的方法是通過鼓勵高校教師當兼職教師、在校老師培訓提升以及高校開設(shè)培養(yǎng)面向中小學人工智能教育師資的專業(yè)[5]。

2.存在問題分析

第一，師資方面。人工智能科班出身的教師稀缺?，F(xiàn)有的授課教師缺乏對人工智能學科知識體系的整體把握，不熟悉行業(yè)的應(yīng)用技術(shù)，使得他們難以根據(jù)學生的學習特點來開展人工智能教學活動。第二，培訓方面?，F(xiàn)有的師資培訓覆蓋面不足，只有少部分的教師有機會參加人工智能技術(shù)的培訓。在培訓內(nèi)容上，選取的內(nèi)容較寬泛，聚焦的深度不夠。第三，技術(shù)方面。人工智能技術(shù)發(fā)展快，涉及知識面廣，理論與應(yīng)用較為深奧，學習起來難度較大。要求教師掌握人工智能技術(shù)的要領(lǐng)，并將其消化傳授給學生，具有較大的挑戰(zhàn)性。第四，教學資源方面。現(xiàn)有直接用于授課的教學資源較少并且陳舊。教師需要花費大量的時間去查找資料、調(diào)試、驗證與設(shè)計教案。第五，培訓時間方面。中小學教師承擔著學校的信息化課程授課，日常工作較為繁忙，難以抽出時間來接受長時間的脫崗培訓。第六，基礎(chǔ)方面。不同教師的學習基礎(chǔ)不一樣，將他們分在同一個短期的培訓班中，教學效果難以取得兼顧和平衡。

因此，做好中小學教師人工智能教學能力提升工作，為他們提供系統(tǒng)的培訓、技術(shù)支持以及教學資源服務(wù)，已成為急須解決的問題。

二、中小學教師人工智能教學能力提升方案

1.多主體協(xié)作的實施框架

針對目前中小學人工智能師資培訓單一、組織效率不高等問題，本研究通過在實踐中探索改進，提出了多主體協(xié)作開展中小學人工智能師資提升的實施框架，如圖1所示。該框架自下而上，分為實施基礎(chǔ)、實施主體和實施內(nèi)容三部分。

下面對多主體協(xié)作的中小學人工智能師資提升實施框架的特點、各參與方所扮演的角色進行分析：

（1）打下扎實的實施基礎(chǔ)

開展高質(zhì)量的中小學人工智能師資培訓是一項系統(tǒng)工程，需要發(fā)揮校、企、院、會等利益相關(guān)方的優(yōu)勢，進行任務(wù)合理的分工，為開展培訓組織工作打下扎實的實施基礎(chǔ)。各個主體的角色具體如下：市教育局發(fā)揮主管單位作用，提供政策、資金方面的支持;市教育研究院發(fā)揮理論研究強，管理全市中小學教研活動的優(yōu)勢，提供信息技術(shù)教學法支持;市教育學會發(fā)揮組織協(xié)調(diào)能力，提供業(yè)務(wù)與調(diào)研支持;企業(yè)發(fā)揮其掌握最新的人工智能應(yīng)用技術(shù)的優(yōu)勢，提供一線企業(yè)人工智能技術(shù)應(yīng)用案例與實驗設(shè)備;中小學發(fā)揮作為基層單位負責具體實施的作用，積極輸送教師參與培訓，并在培訓后對教師轉(zhuǎn)化實施所學知識提供良好的條件;高校發(fā)揮人工智能學科研究與實踐的優(yōu)勢，提供師資力量支持。

（2）創(chuàng)建協(xié)作多方的實施主體

在多方主體的支持下，成立一個能夠協(xié)作多方的負責具體實施的主體，依托所創(chuàng)建的人工智能教育師資研訓基地，共同推廣人工智能教育在K12和中等職業(yè)教育中的開展，推進人工智能師資力量培養(yǎng)、人工智能科普教育、信息智能人才培養(yǎng)、人工智能教育研究和相關(guān)的職業(yè)技能鑒定等項目的開展。

（3）開展多樣化的人工智能師資提升行動

搭建人工智能師資研訓基地網(wǎng)站，發(fā)布相關(guān)通知，分享技術(shù)動態(tài)與教學資源。在人工智能師資培訓上，做到常規(guī)化、制度化。開展的形式不只局限于單純的人工智能技術(shù)培訓，還開展人工智能教學方法研討、教學資源開發(fā)等，多維度地為教師開展人工智能教學提供支持服務(wù)。

2.基于OBE的成果導向教育

美國學者Spady于1981年提出了以成果為導向的培養(yǎng)理念（Outcome based education，簡稱OBE）。經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)形成了成熟的理論體系，該理論成為了歐美發(fā)達國家主流的教學理念，為新工業(yè)革命背景下工程教育追求卓越指明了方向[6]。成果導向教育允許學習者在統(tǒng)一的培養(yǎng)模式中，遵照能力本位，按照其各自的差異性開展個性化的學習。教師能夠較好地掌握學習者不同的個體學習狀態(tài)，及時調(diào)整教學活動，采用不同的方式方法讓學習者達到“成功”，并進一步促進他們更加成功地開展學習。這種模式非常適合中小學教師學習基礎(chǔ)差異較大，學習時間難以統(tǒng)一的情況。

根據(jù)成果導向的“反向設(shè)計”理論，從中小學人工智能教師需求出發(fā)確定培養(yǎng)目標，由培養(yǎng)目標確定培養(yǎng)培訓內(nèi)容體系，然后確定教學策略和學習評價。

（1）確定培養(yǎng)目標

根據(jù)人工智能技術(shù)的發(fā)展及國家對中小學生人工智能能力的要求，梳理出中小學人工智能教師的培養(yǎng)目標為：具有一定的人工智能基本理論知識，能夠應(yīng)用主流工具開發(fā)簡易的圖像、語音、語義等人工智能應(yīng)用，能夠設(shè)計符合中小學生學習特點的體驗化人工智能教案。考慮到中小學人工智能教師的角色要求是只需懂得中小學層次的人工智能教育，并不需要達到人工智能程序員或者研究者的程度，因此這里的“簡易”是指能夠體現(xiàn)出人工智能技術(shù)特征的簡單應(yīng)用，區(qū)別于專業(yè)公司開發(fā)的人工智能應(yīng)用產(chǎn)品。

（2）構(gòu)建培訓內(nèi)容體系

構(gòu)建“4+1”培訓內(nèi)容體系，以達成學習成果。每個培訓單元應(yīng)能映射到培養(yǎng)目標的能力。圖2所設(shè)計的中小學人工智能教師培訓內(nèi)容體系得到5大學習成果，其中縱向1至4的學習成果體現(xiàn)了由初級到高級的階段，在橫向1至4的每個學習成果達成后，都應(yīng)在該學習成果基礎(chǔ)之上，能夠進一步達到學習成果5，即能夠設(shè)計對應(yīng)的符合中小學生學習特點的人工智能教案。要求教案內(nèi)容直觀，體現(xiàn)較強的互動性，內(nèi)容容易被理解和易于被體驗。

（3）確定教學策略

根據(jù)“4+1”中小學人工智能教師培訓內(nèi)容體系，按照教學內(nèi)容、專題、難度等分期組織不同的培訓班開展培訓。每個培訓班都有具體的學習目標。將學員的學習過程劃分為不同的階段，學員可以根據(jù)自己的能力情況選擇不同的培訓，從而使得他們可以利用不同的時間參加不同的培訓班，但最終都能具有相同的相應(yīng)層次的人工智能教學能力。教學方式分“線上+線下”的混合方式。采用“以學生為中心的”培養(yǎng)模式，教學案例應(yīng)具有分層性、遞進性，由淺入深。

（4）培訓效果評價

與傳統(tǒng)的只關(guān)注學習時間、學習內(nèi)容和學習方式不同，培訓效果評價聚集在中小學教師的學習成果上。與中小學教師個人的歷史學習進步情況做對比，評價其達成的人工智能教學能力內(nèi)涵。根據(jù)掌握程度，給予不熟練、優(yōu)秀等評定等級。

三、實施效果

本文從多主體協(xié)作、以成果為導向兩個角度出發(fā)，提出了一種面向中小學人工智能師資培養(yǎng)的模式，并在實踐應(yīng)用中證明了能夠較好地提高中小學人工智能師資培養(yǎng)的效率。它的特點和優(yōu)勢如下：

（1）多主體協(xié)作開展培訓組織工作

改變了傳統(tǒng)單一的實施主體力量不足，培訓覆蓋面不夠，培養(yǎng)手段單一的缺點。將中小學教師人工智能培訓有關(guān)的各方力量組織起來，形成合力。發(fā)布了鼓勵中小學教師接受培訓的政策文件，使得培訓具有持續(xù)性和系統(tǒng)性，受益群體更廣。

（2）以成果為導向開展培訓實施工作

明確了中小學教師的人工智能培養(yǎng)目標和學習成果，建立了系統(tǒng)化的以“學習者為中心”的培養(yǎng)模式，設(shè)計了分層的培訓內(nèi)容體系，有效地解決了中小學教師基礎(chǔ)不同，學習時間不同的難點問題。

參考文獻

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[6] 李志義，朱泓，劉志軍，等.用成果導向教育理念引導高等工程教育教學改革[J].高等工程教育研究，2014（02）：29-34.

[作者：馮敬益（1978-），男，廣東廣州人，廣州市信息工程職業(yè)學校軟件與信息技術(shù)專業(yè)，高級講師，碩士;劉波（1968-），男，湖北鐘祥人，華南師范大學計算機學院，教授，博士;謝景明（1977-），男，廣東湛江人，廣州番禺職業(yè)技術(shù)學院信息工程學院，副教授，博士;黃宇光（1967-），男，廣東廣州人，廣州市信息工程職業(yè)學校，高級講師。]

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