小學(xué)人工智能教育課程校本化建構(gòu)與實(shí)施五年探索

[摘? ?要]基于人工智能課程配套昂貴、門(mén)檻較高、不利于普及化實(shí)施的情況，研究者結(jié)合蘇州市吳江區(qū)鱸鄉(xiāng)實(shí)驗(yàn)小學(xué)的實(shí)踐探索及校本教材《AI機(jī)器人創(chuàng)意搭建與mBlock5慧編程》中的課例，闡明如何建構(gòu)與實(shí)施項(xiàng)目化、趣味化、普及化的普惠型AI教育課程，并提出了當(dāng)前的人工智能教育尚需解決的問(wèn)題。

[關(guān)鍵詞]人工智能;校本課程;項(xiàng)目化;趣味化;普及化

人工智能帶來(lái)的商業(yè)變革已經(jīng)拉開(kāi)序幕，從語(yǔ)音助手到無(wú)人駕駛，從面部識(shí)別到智能家居，正在潛移默化地影響著人們生活的各個(gè)方面。人工智能在被賦予了商業(yè)屬性后，其發(fā)展速度更加突飛猛進(jìn)。讓青少年做好迎接人工智能時(shí)代的準(zhǔn)備，顯然已成為當(dāng)務(wù)之急。如果學(xué)校的課程教育還在墨守成規(guī)，那么所培養(yǎng)的學(xué)生將無(wú)法適應(yīng)未來(lái)的變化?；A(chǔ)教育階段急需能夠喚醒學(xué)生的好奇心、提供前沿科技鮮活體驗(yàn)、拓展學(xué)生視野、使學(xué)生獲得發(fā)現(xiàn)喜悅的人工智能創(chuàng)新課程。

一、開(kāi)展人工智能課程的背景

1.國(guó)內(nèi)外的人工智能教育

人工智能（Artificial Intelligence，簡(jiǎn)稱(chēng)AI）技術(shù)是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支。英國(guó)是較早設(shè)立人工智能基礎(chǔ)教育課程的國(guó)家之一，于2013年發(fā)布了國(guó)家計(jì)算機(jī)課程標(biāo)準(zhǔn)并使編程進(jìn)入了學(xué)校必修課。2016年，在美國(guó)的全民學(xué)編程周（Hour of Code Week），時(shí)任美國(guó)總統(tǒng)的奧巴馬親自編寫(xiě)了一段Java代碼并宣稱(chēng)要讓每個(gè)孩子在小學(xué)就具備簡(jiǎn)單的編程能力。日本從2016年開(kāi)始探討并深入展開(kāi)人工智能以及編程教育，并將小學(xué)人工智能教育的目標(biāo)定位于：幫助所有兒童建立這個(gè)時(shí)代需要的“人工智能思維”。

在中國(guó)，國(guó)務(wù)院于2017年印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中明確指出：在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育。國(guó)家科技部、中央電教館等也相繼啟動(dòng)了人工智能教育實(shí)驗(yàn)學(xué)校的申報(bào)評(píng)審工作。山東、河南等省份都出臺(tái)了關(guān)于推進(jìn)中小學(xué)人工智能教育的政策文件，成立了人工智能教育領(lǐng)導(dǎo)小組，并開(kāi)始建設(shè)人工智能教育試點(diǎn)校。《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確提出，將“人工智能初步”列入“選擇性必修模塊四”。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)基礎(chǔ)教育階段的人工智能課程已有十幾個(gè)版本。一些公司也相繼開(kāi)發(fā)并推出了一些人工智能課程，然而它們大多捆綁了一些昂貴的課程配套，設(shè)置了較高的資金門(mén)檻，不利于普及化實(shí)施。針對(duì)上述情況，筆者所在學(xué)校在實(shí)踐中研究開(kāi)發(fā)了人工智能教育校本課程，并在近五年的實(shí)施中取得了初步成效。

2.人工智能校本課程的五年探索

2020年5月，歷經(jīng)多年實(shí)驗(yàn)研究所構(gòu)建的校本化教材《AI機(jī)器人創(chuàng)意搭建與mBlock5慧編程》由人民郵電出版社正式出版發(fā)行（見(jiàn)圖1）。期間經(jīng)歷了課程規(guī)劃、社團(tuán)實(shí)施、反復(fù)迭代、優(yōu)化出版、全面實(shí)施等諸多環(huán)節(jié)，雖然過(guò)程十分曲折，但該課程事實(shí)上已成為廣受學(xué)生歡迎和家長(zhǎng)認(rèn)可的校本課程。研究者將人工智能課程穿插在六年級(jí)的信息技術(shù)課堂上，面向所有六年級(jí)學(xué)生普及實(shí)施。參加過(guò)一些人工智能課，親身體驗(yàn)了AI的神奇魅力之后，許多學(xué)生紛紛詢(xún)問(wèn)：這樣的課還有多少？

二、人工智能校本課程的構(gòu)建與實(shí)施

1.課程配套定位于普惠性，以利推廣實(shí)施

針對(duì)一些人工智能教材動(dòng)輒幾十萬(wàn)的資金配套高門(mén)檻，AI課程的建構(gòu)首先應(yīng)基于普惠性原則，選擇性?xún)r(jià)比較高的開(kāi)源硬件，結(jié)合其提供的AI模塊控件編寫(xiě)程序以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意。普班化教學(xué)以25套器材（2人一套）計(jì)算，總投入不超過(guò)5萬(wàn)元。由于硬件開(kāi)源，因此如果學(xué)校有類(lèi)似的STEM課程配套開(kāi)源硬件，也可以部分替代，這樣就大幅度減少了資金投入。另外，普班化在持續(xù)實(shí)施的過(guò)程中難免還會(huì)有器材耗損方面的投入，而開(kāi)源硬件的使用亦可大幅減少后續(xù)資金的追加。

在大幅降低資金障礙的同時(shí)，要避免陷入類(lèi)似興趣小組或科技小組等形式的“小眾教育”，積極探索建構(gòu)基于課程的普惠性AI教育形態(tài)。如在課程中既有初級(jí)難度的平臺(tái)互動(dòng)體驗(yàn)篇及機(jī)器學(xué)習(xí)編程篇，也有中級(jí)水平的語(yǔ)音圖像智辨篇和顏色障礙慧識(shí)篇，還有跟學(xué)校AI社團(tuán)配套的AI智慧編程進(jìn)階篇。對(duì)于普惠性的解讀，不能簡(jiǎn)單地理解成僅僅是普班化教學(xué)，既不能將AI教育僅僅定位于社團(tuán)小組，亦不可僅注重普班化教學(xué)實(shí)施而忽略社團(tuán)小組的分層培養(yǎng)作用。普班化教學(xué)實(shí)施的剛性措施是將AI課程列入學(xué)校課程表，五年級(jí)的STEM創(chuàng)新社團(tuán)、六年級(jí)的STEM精英社團(tuán)是人工智能教育因材施教的重要體現(xiàn)。事實(shí)上，在AI課程的普班化教學(xué)實(shí)施過(guò)程中，這些社團(tuán)成員也將作為“小老師”，成為教學(xué)支持系統(tǒng)的重要組成部分。

2.內(nèi)容建構(gòu)注重真實(shí)體驗(yàn)，便于學(xué)生融入

現(xiàn)有的一些人工智能課程存在盲目拔高的現(xiàn)象，將一些如“卷積網(wǎng)絡(luò)”“貝葉斯模型”等專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)及高數(shù)公式推演充斥其中，硬件層面很少涉及，很少有學(xué)生能親自操作體驗(yàn)的項(xiàng)目案例，或是僅將網(wǎng)上可以搜索到的一些信息資源簡(jiǎn)單重組，完成的僅是從線(xiàn)上到線(xiàn)下的簡(jiǎn)單搬運(yùn)過(guò)程。按照新課標(biāo)要求，人工智能課程在形式上要多樣化，指向研究性、項(xiàng)目式、探索式活動(dòng)等，要讓學(xué)生在案例實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，從而提升其人工智能素養(yǎng)。上述課程顯然存在不同程度的目標(biāo)背離。

為了盡量做到內(nèi)容“淺而準(zhǔn)”，案例要既有實(shí)操性，又與學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)技能水平相匹配。在該課程的28個(gè)課例中，每節(jié)課都有操作任務(wù)，學(xué)生將在程序編寫(xiě)乃至外圍硬件的融合運(yùn)用中經(jīng)歷反復(fù)失敗直至成功的體驗(yàn)，在迭代演進(jìn)過(guò)程中模擬科學(xué)家探索未知領(lǐng)域的心路旅程。以“智能辨色分揀機(jī)器人”為例，首先介紹物流行業(yè)的智能分揀系統(tǒng)，然后提出“制作一個(gè)能自動(dòng)辨色分揀的機(jī)器人”的任務(wù)（見(jiàn)圖2）。這就需要學(xué)生熟悉顏色傳感器的性能參數(shù)，要設(shè)計(jì)分揀裝置的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，并用3D建模打印進(jìn)行原型再現(xiàn)及調(diào)試，最后還要編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化實(shí)施。期間的每個(gè)子任務(wù)的目標(biāo)達(dá)成都需要反復(fù)確認(rèn)，逐步靠近設(shè)計(jì)目標(biāo)?；谡鎸?shí)生活情境的問(wèn)題使學(xué)生沉浸其中，有效激發(fā)了學(xué)生的好奇心及想象力。

3.結(jié)構(gòu)維度指向多元，展現(xiàn)AI技術(shù)前沿風(fēng)采

人工智能是一個(gè)綜合性交叉領(lǐng)域，在某種程度上已經(jīng)超出了信息科學(xué)原有的邊界。如阿里巴巴與騰訊都推出了智能試衣間，以及文化產(chǎn)業(yè)方面的寫(xiě)稿機(jī)器人、作詩(shī)機(jī)器人，再到音樂(lè)創(chuàng)作者、旅游介紹員等;海爾歐洲工廠(chǎng)已實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)車(chē)間黑燈化，即全程無(wú)人操作;螞蟻信服正在逐步開(kāi)展AI信貸業(yè)務(wù)。AI應(yīng)用正在深入人們工作和生活的各個(gè)方面。但是一些公司站位的人工智能課程跟以往的機(jī)器人課程類(lèi)似，存在硬件壁壘，軟硬件方面均有排他性，兼容性差且價(jià)格較高。因此，普及型人工智能課程需要更多開(kāi)源、更多兼容、更具普惠性。

人工智能校本課程更多地指向了學(xué)生素養(yǎng)的提升。例如，為了讓學(xué)生全方位體驗(yàn)并領(lǐng)略AI技術(shù)的前沿風(fēng)采，以手機(jī)中的人工智能APP為起點(diǎn)，從“聽(tīng)歌識(shí)曲”“智能規(guī)劃”“形色識(shí)花”等已成為生活一部分的智能應(yīng)用開(kāi)始，讓學(xué)生走近百度、騰訊等人工智能平臺(tái)并初步進(jìn)行嘗試體驗(yàn)，鼓勵(lì)學(xué)生在IBM沃森人工智能平臺(tái)注冊(cè)，基于項(xiàng)目訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)并在其熟悉的Scratch中調(diào)用機(jī)器學(xué)習(xí)控件編制識(shí)別游戲程序，另外還利用mBlock5慧編程機(jī)器學(xué)習(xí)模塊，軟硬件結(jié)合完成了“智分垃圾箱”“智行拉桿箱”等人工智能項(xiàng)目（見(jiàn)圖3、圖4）。

硬件壁壘的破除與軟件平臺(tái)的跨越，讓課程創(chuàng)意策劃可以天馬行空地不受局限。例如“智伴藍(lán)精靈”運(yùn)用了MXPVT-VBS7100嵌入式物聯(lián)網(wǎng)音頻產(chǎn)品工程板，其中一些繼電器、LED、舵機(jī)、光環(huán)板等來(lái)自五家以上不同公司，而最終在慧編程智能程序的調(diào)控下模仿小米音箱，還巧妙地實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)意互動(dòng)及智能問(wèn)答功能。

4.項(xiàng)目注重趣味引領(lǐng)，跨學(xué)科融合培養(yǎng)高階思維

人工智能本身具有深度融合性、高度交叉性和極度復(fù)雜性，其兼具技術(shù)屬性和社會(huì)屬性的特點(diǎn)，決定了多學(xué)科交叉融合的特征。對(duì)學(xué)生而言，抽象的人工智能算法的相關(guān)知識(shí)比較枯燥，合理的與實(shí)際問(wèn)題相鏈接的項(xiàng)目化活動(dòng)則有利于激發(fā)學(xué)生的好奇心與參與熱情，使探索變得更為主動(dòng)而有源動(dòng)力。但是現(xiàn)有的人工智能教材在硬件層面較少涉及，重點(diǎn)均瞄準(zhǔn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的算法設(shè)計(jì)，整個(gè)邏輯過(guò)程缺少全流程的展現(xiàn)。

為了避免讓學(xué)生陷入“唯算法”的枯燥燒腦模式，需要把高深的數(shù)學(xué)公式轉(zhuǎn)化為形象化的語(yǔ)言，讓學(xué)生在人工智能的項(xiàng)目化實(shí)境中領(lǐng)悟人工智能的基本思路，達(dá)到啟發(fā)思維、培養(yǎng)興趣之目的。為此，教師們開(kāi)發(fā)了一些需要跨學(xué)科融合來(lái)解決問(wèn)題的看似“高大上”的項(xiàng)目：“智能義掌”預(yù)設(shè)的情境是給上肢殘疾人士安裝可以語(yǔ)音控制的“義肢”（見(jiàn)圖5）;“神工一號(hào)”是天津大學(xué)研制的全球首臺(tái)適用于全肢體中風(fēng)康復(fù)的“純意念控制”人工神經(jīng)機(jī)器人系統(tǒng)，它能夠真正實(shí)現(xiàn)大腦皮層與肌肉活動(dòng)的同步耦合，做到身隨意動(dòng)、思行合一。在學(xué)生觀(guān)看了相關(guān)視頻資料后，教師再將“降維”處理的“智能語(yǔ)音義掌”項(xiàng)目任務(wù)布置給學(xué)生。學(xué)生需要將其分解成手關(guān)節(jié)的組成以及運(yùn)動(dòng)原理、3D模型的建構(gòu)及打印、關(guān)節(jié)動(dòng)力系統(tǒng)調(diào)試、光環(huán)板程序控制等分支問(wèn)題，而許多子問(wèn)題的解決都沒(méi)有成熟的答案可供復(fù)制，需要學(xué)生跨越學(xué)科壁壘搜集整合資料并給出最佳方案，之后還要反復(fù)調(diào)試以趨近預(yù)設(shè)目標(biāo)。正是由于方案的非良構(gòu)，使得路徑的生成具有復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性的特征，期間破壁思維、發(fā)散思維、創(chuàng)新思維、計(jì)算思維、設(shè)計(jì)思維、工程思維等高階思維能力也在方案的逐漸清晰中潛移默化地得到了培養(yǎng)。

5.線(xiàn)上線(xiàn)下齊頭并進(jìn)，著力區(qū)域推進(jìn)AI課程實(shí)施

在圍棋領(lǐng)域，AI被嵌入了一種“意志”，即在圍棋這個(gè)游戲上打敗人類(lèi)或其他對(duì)手。要著力推進(jìn)AI課程，也需要一種意志的添加。在過(guò)去的一年中，學(xué)校采用現(xiàn)有的線(xiàn)上線(xiàn)下平臺(tái)多途徑持續(xù)推廣的工作取得了初步成效。比如依托江蘇省智慧云平臺(tái)建立的周迎春網(wǎng)絡(luò)名師工作室，集合了全省近兩百位信息技術(shù)骨干教師，江蘇省鄉(xiāng)村骨干教師培育站、蘇州市鄉(xiāng)村骨干教師培育站及區(qū)名師工作室等五十多位來(lái)自各學(xué)校的業(yè)務(wù)骨干，采用講座、公開(kāi)課及各種沙龍等主要活動(dòng)形式。2020年，“基于項(xiàng)目的人工智能創(chuàng)新課程創(chuàng)設(shè)研究”在省教科院獲得立項(xiàng)，十余所學(xué)校集群聚力研究，力爭(zhēng)在人工智能課程的區(qū)域推進(jìn)工作方面取得突破性進(jìn)展。自《AI機(jī)器人創(chuàng)意搭建與mBlock5慧編程》出版以來(lái)，短短兩個(gè)月，就在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上售出近三千冊(cè)，這足以說(shuō)明普適性的能給學(xué)生帶來(lái)發(fā)現(xiàn)喜悅及豐富體驗(yàn)的人工智能課程是受歡迎的，也是缺乏的。對(duì)此，江蘇教育信息化微信公眾號(hào)、蘇州教育電視臺(tái)對(duì)上述活動(dòng)進(jìn)行了專(zhuān)門(mén)推送或報(bào)道。

三、人工智能教育尚需解決的問(wèn)題

中小學(xué)生的人工智能科普教育已箭在弦上，但國(guó)內(nèi)中小學(xué)人工智能教育在頂層設(shè)計(jì)、師資培養(yǎng)、模式創(chuàng)新及理念跟進(jìn)層面，還存在以下一些問(wèn)題。一是我國(guó)已出臺(tái)了《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》，但還缺少初中及小學(xué)階段的相應(yīng)課程標(biāo)準(zhǔn);二是學(xué)校和教師在教學(xué)中過(guò)多地講授編程知識(shí)或算法內(nèi)容，不符合多數(shù)學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)和興趣;三是小學(xué)階段人工智能教學(xué)的目標(biāo)主要應(yīng)定位在“激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，體驗(yàn)人工智能產(chǎn)品功能，掌握簡(jiǎn)單工具的應(yīng)用，培養(yǎng)問(wèn)題意識(shí)和計(jì)算思維能力”;四是中小學(xué)人工智能課程主要依托編程教育和機(jī)器人教育開(kāi)展，在課程實(shí)施過(guò)程中，很多教師存在偏重學(xué)生的操作技能，忽視學(xué)生的計(jì)算思維、創(chuàng)造能力以及人文素養(yǎng)的傾向;五是人工智能教育師資嚴(yán)重缺乏，需要從師資培養(yǎng)及進(jìn)修培訓(xùn)層面進(jìn)行制度化安排。

此外，AI技術(shù)日新月異，顯然已成為體現(xiàn)各國(guó)國(guó)力的新賽道，然而我國(guó)人工智能方面的人才總量嚴(yán)重不足。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國(guó)頂尖AI人才只有美國(guó)的十分之一，著力加強(qiáng)人工智能基礎(chǔ)學(xué)科建設(shè)已刻不容緩。

筆者所在學(xué)校在小學(xué)人工智能課程的構(gòu)建實(shí)施及區(qū)域推進(jìn)過(guò)程中做出了一些努力，取得了一些階段性的成效，當(dāng)然也存在一些諸如課時(shí)、適配師資相對(duì)不足等問(wèn)題。教師們還要堅(jiān)持不懈地努力，不畏困難，勇于實(shí)踐。假以時(shí)日，人工智能教育的普及化本土化實(shí)施必定會(huì)取得更多可資借鑒的經(jīng)驗(yàn)與成果。

（責(zé)任編輯? ?郭向和）