推進中小學(xué)人工智能實驗教學(xué)新探索

樊 磊

首都師范大學(xué)教授，普通高中信息技術(shù)課標組核心成員，人民教育出版社-中國地圖出版社出版的《普通高中信息技術(shù)教科書》聯(lián)合總主編。

梁森山

教育部教育裝備研究與發(fā)展中心副研究員。

曾維義

重慶市江北區(qū)教師進修學(xué)院中學(xué)信息技術(shù)教研員，重慶市學(xué)科名師，中國地圖出版社出版的《普通高中教科書信息技術(shù)人工智能配套實驗指導(dǎo)用書》執(zhí)行主編。

謝作如

浙江省溫州中學(xué)人工智能實驗室負責人，特級教師。

人工智能發(fā)展會不會再次進入低谷？人工智能課程在中小學(xué)會不會像很多其他曾經(jīng)流行一時的新技術(shù)課程一樣曇花一現(xiàn)？我們需要找準定位，多方推進，逐步構(gòu)建更合理的人工智能課程生態(tài)。

背景：人工智能課程實施離不開教學(xué)環(huán)境

曾維義：2017年，國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，把全面推進新一代人工智能提升到國家戰(zhàn)略高度。2019年，普通高中信息技術(shù)新課程全面實施，其中涉及的人工智能相關(guān)內(nèi)容備受關(guān)注和期待。從我國基礎(chǔ)教育信息技術(shù)課程演進過程的視角看，新課標、新教材的科學(xué)屬性日益凸顯。實驗一直是科學(xué)類課程的重要支柱之一，理應(yīng)成為高中信息技術(shù)特別是人工智能教學(xué)的組成部分。但是，由于種種原因，在實際教學(xué)中，實驗教學(xué)仍然沒有受到應(yīng)有的重視。

樊老師，您能否從新課標的要求，以及推進新教材實施的角度，為我們分析一下其中原因？

樊磊：普通高中信息技術(shù)課程標準及教材中包括人工智能的內(nèi)容并非第一次。我們都知道，在2003年版課程標準中，就有“人工智能初步”的選修模塊，而且在2007年也正式出版了相應(yīng)的教材。但那時人工智能尚未走出低潮，人工智能的思想、方法和應(yīng)用的影響還十分有限，教材的內(nèi)容過時、陳舊，缺少可操作性，加之2003版課標并未在必修部分對人工智能有具體要求，諸多外部環(huán)境和內(nèi)在因素的共同影響，使普通高中人工智能的教學(xué)先天不足，未起步即夭折。

2017版信息技術(shù)課程標準是在新一代信息技術(shù)迅猛發(fā)展、人工智能理論與應(yīng)用取得全面突破的大背景下制訂完成的，在中小學(xué)普及新一代信息技術(shù)教育，尤其是人工智能教育，既是社會發(fā)展的大勢所趨，也是國家培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才的必需，這件事情的意義無論怎么強調(diào)都不過分。高中信息技術(shù)新課標在必修部分及選擇性必修部分，都對人工智能（包括新一代人工智能）提出了具體要求。2019年，教育部將經(jīng)審查通過的五個版本新課標教材（人教-中圖版、浙教版、粵教版、滬教版、教科版）列入全國普通高中教材目錄，標志著高中的新課程改革正式進入課程實施階段，也標志著人工智能內(nèi)容正式進入中小學(xué)國家課程。

但是，（新一代）人工智能綜合性極強，發(fā)展極迅速，涉及面極廣，進入國家課程并不意味著一定能達到預(yù)期目標，也不代表能健康持續(xù)地發(fā)展。人工智能發(fā)展會不會再次進入低谷？人工智能課程在中小學(xué)會不會像很多其他曾經(jīng)流行一時的新技術(shù)課程一樣曇花一現(xiàn)？我們需要找準定位，多方推進，逐步構(gòu)建更合理的人工智能課程生態(tài)。具體地講，我認為當前我們特別需要關(guān)注以下幾個方面：

1.明確人工智能在中小學(xué)信息素養(yǎng)教育中的作用和地位，將提高人工智能教育的水平作為加強和規(guī)范信息技術(shù)課程建設(shè)的重要途徑和標志性成果。

2.信息技術(shù)新課程的落地實施是一個循序漸進的過程，不可能一步到位，應(yīng)優(yōu)先保證與人工智能相關(guān)內(nèi)容的落實，并以此帶動課程的全面實施。

3.根據(jù)人工智能教學(xué)的要求，逐步構(gòu)建起面向未來的、較完善的教學(xué)支持環(huán)境和實驗教學(xué)規(guī)范，為整個信息技術(shù)課程，乃至其他課程提供可以參考的現(xiàn)代技術(shù)課堂范例。

4.加強對學(xué)科教師的專業(yè)指導(dǎo)，既要包括人工智能方面的理論性和技術(shù)性指導(dǎo)，也應(yīng)包括實施人工智能教學(xué)，以及創(chuàng)建開發(fā)適用基礎(chǔ)教育目標的自主可控教育教學(xué)資源等方面的指導(dǎo)。

我們很高興地看到，新課標發(fā)布以后，上面所說的幾個方面有了不少實質(zhì)性進展。想想在2018年底的時候，我們能有多少硬件、數(shù)據(jù)、平臺和學(xué)習資源可用于高中教學(xué)？要設(shè)計適合某版教材的人工智能實驗室，有哪些選擇？現(xiàn)在的情況確實有改觀，但距離保證新標準、新課程、新教材的實施，差距還相當大。

曾維義：樊老師的洞察，也說出了很多老師的想法，他們在課程落地實施過程中更能切身感受到各種條件的制約和現(xiàn)實困境。我也是一線教師，所以特別能理解。

梁老師，您能否從人工智能實驗裝備和教學(xué)條件保障等方面談一談，我們?yōu)槭裁匆y而上，在人工智能課程的開設(shè)中強調(diào)實驗教學(xué)？實驗教學(xué)對人工智能來講有什么教育意義？

梁森山：首先強調(diào)，《普通高中信息技術(shù)課程標準（2017年版）》（以下簡稱新課標）和《普通高中課程方案（2017年版）》（以下簡稱新課程方案）中，關(guān)于實驗和條件保障的要求非常清晰明確。新課程方案增設(shè)“條件保障”專題模塊，指出“普通高中課程實施是一個系統(tǒng)工程，各地應(yīng)根據(jù)普通高中課程實施的需要，因地制宜制定相應(yīng)的政策，提供有力的條件保障”。具體措施分為三項，分別是“加強教師隊伍建設(shè)”“加強教學(xué)設(shè)施建設(shè)”和“加強經(jīng)費保障”。新課標專門用一節(jié)內(nèi)容具體細化新課程方案中“加強教學(xué)設(shè)施建設(shè)”的要求，原文論述如下：“對于信息技術(shù)課程而言，必要的基礎(chǔ)設(shè)施、基本設(shè)備是課程實施的物質(zhì)基礎(chǔ)。普通高中學(xué)校要根據(jù)學(xué)生人數(shù)的多少、教學(xué)課時的需求，設(shè)立能滿足各模塊教學(xué)需要的信息技術(shù)教室和信息技術(shù)實驗室，配備數(shù)量合理、配置適當?shù)挠嬎銠C和相應(yīng)的實驗設(shè)備，并配備滿足各模塊教學(xué)需要的軟件及網(wǎng)絡(luò)設(shè)施?！?/p>

不難看出，實驗教學(xué)是高中信息技術(shù)課程不可或缺的重要組成部分，對學(xué)生信息素養(yǎng)的提升具有不可替代的作用。一方面，實驗教學(xué)為發(fā)展學(xué)生利用計算思維（特別是抽象、模塊化及分解等問題求解方法）設(shè)計、實現(xiàn)解決方案的能力提供了自主、探究、協(xié)作的學(xué)習場域;另一方面，實驗操作是數(shù)字化學(xué)習與創(chuàng)新能力提升的必經(jīng)路徑，離開了動手操作，創(chuàng)新就無從談起。

我在這里轉(zhuǎn)述新課程方案和新課標原文，最想說明的是，信息技術(shù)課程的頂層設(shè)計還是比較合理完整的，但在實際教學(xué)過程中肯定會遇到各種問題，我希望各地能夠結(jié)合當?shù)氐木唧w情況，廣泛吸納社會機構(gòu)及企業(yè)的資源，因地制宜，合理利用，加快推進課程落地。用新課標的說法，就是“借助數(shù)字化學(xué)習環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生體驗數(shù)字化學(xué)習與創(chuàng)新活動，通過整合其他學(xué)科的學(xué)習任務(wù)，幫助學(xué)生學(xué)會運用數(shù)字化工具（如移動終端、開源硬件、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習平臺、編程軟件、應(yīng)用軟件等）表達思想、建構(gòu)知識”。關(guān)于一線實際教學(xué)的具體情況和需求，曾老師和謝老師可能比我們更清楚，也更有發(fā)言權(quán)。

謝作如：任何實驗教學(xué)的開展都離不開某種形式的實驗室。目前，國家層面暫時沒有出臺中小學(xué)一貫的人工智能實驗室建設(shè)的標準或指導(dǎo)性文件，絕大多數(shù)學(xué)校在開設(shè)課程時都比較迷茫。前段時間，我們學(xué)校也開始建設(shè)人工智能實驗室，同樣是“摸著石頭過河”。樊老師和梁老師對實驗室建設(shè)有什么建議？

樊磊：從課改精神及其他一些綱領(lǐng)性文件的總目標和要求來看，未來的實驗教學(xué)必定會成為新形態(tài)課堂教學(xué)不可分割的一部分，形式更靈活的學(xué)科教室可能會代替常規(guī)的實驗室成為實驗教學(xué)的新形態(tài)和主戰(zhàn)場。在這方面，人工智能與信息技術(shù)的實驗教學(xué)具有天然的優(yōu)勢，也容易發(fā)展成為一個亮點。

我認為，人工智能實驗室或?qū)W科教室的設(shè)備和環(huán)境配置，應(yīng)能滿足新教材中所涉及的各種不同類型項目實踐的基本要求，包括體驗和了解特定人工智能應(yīng)用、檢驗和實現(xiàn)基本算法、搭建簡單的人工智能應(yīng)用等。說起來很簡單，但實際上中小學(xué)的人工智能實驗類別繁多（體驗性實驗、驗證性實驗、應(yīng)用性實驗和探究性實驗等），難易跨度大，設(shè)備平臺數(shù)據(jù)多樣復(fù)雜，使用者之間差異巨大且難以管理，與大學(xué)專業(yè)實驗室建設(shè)幾乎沒有可比性，因此真正實施起來確實非常困難。我們很需要積累經(jīng)驗，就像謝老師所說的，需要有一個“摸著石頭過河”的階段。

梁森山：人工智能實驗室應(yīng)當具備一定的通用性、特色性、開放性。高中階段因為有正式的課程標準，也針對人工智能提出具體要求，因此實驗室的建設(shè)多少還是有理有據(jù)的。在義務(wù)教育階段新課程標準實施之前，學(xué)?？筛鶕?jù)現(xiàn)有條件和課程目標，新建人工智能實驗室，或者在原有計算機教室、創(chuàng)客實驗室、機器人實驗室等現(xiàn)有設(shè)施基礎(chǔ)上進行升級改造，打造融合教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)模式和設(shè)施設(shè)備為一體的新型人工智能特色教學(xué)環(huán)境，為師生創(chuàng)造安全、健康、互動、有趣的學(xué)習情境，達成激發(fā)學(xué)生人工智能學(xué)習興趣、提升學(xué)生創(chuàng)作能力和動手能力的目的。

一般來說，面向科普的人工智能實驗室可以劃分為信息化教學(xué)平臺、基礎(chǔ)實驗教學(xué)軟硬件平臺、實驗教學(xué)用書及人工智能實驗基礎(chǔ)設(shè)施，用于為學(xué)生了解人工智能基礎(chǔ)知識、學(xué)習人工智能編程，培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計動手能力提供教學(xué)實驗場景。

營造必要的教學(xué)場景是非常必要的，教育裝備事業(yè)的發(fā)展越來越重視教學(xué)環(huán)境建設(shè)，可以為學(xué)生營造學(xué)科氛圍。這部分內(nèi)容可以包含學(xué)習活動區(qū)、教學(xué)工具區(qū)、人工智能體驗區(qū)、無人駕駛體驗區(qū)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)體驗區(qū)等區(qū)域，各地和學(xué)?？梢愿鶕?jù)自身需求量身定制。學(xué)生在學(xué)科實驗室中可以深度體驗人工智能實驗中的課程案例，起到教學(xué)與實踐相結(jié)合的作用。

謝作如：曾經(jīng)有不少老師跟我反映，在高中實施《人工智能初步》模塊的教學(xué)普遍面臨一個尷尬的局面：沒有系統(tǒng)的實驗項目、沒有合適的實驗用書、缺乏專業(yè)的師資隊伍等，最終的結(jié)果是實驗教學(xué)難以落地，模塊學(xué)習目標難以達成?；貞浳易约簩W(xué)習人工智能的經(jīng)歷，正是借助于浙大的Mo平臺，邊學(xué)習邊完成一些經(jīng)典的人工智能實驗，感覺學(xué)習的效果特別好，所以我覺得人工智能實驗非常需要合適的指導(dǎo)用書，了解到三位老師曾聯(lián)合編寫了人工智能配套實驗的相關(guān)指導(dǎo)用書，不知道三位老師在編寫過程中的體會是什么呢？

樊磊：人工智能配套實驗的指導(dǎo)用書，其實驗應(yīng)能與現(xiàn)行信息技術(shù)教材的內(nèi)容結(jié)合。例如，在《普通高中信息技術(shù)人工智能配套實驗指導(dǎo)用書》編寫前，編寫團隊詳細梳理了新課標中關(guān)于人工智能的相關(guān)內(nèi)容和教學(xué)要求，既包括必修部分的，也包括絕大部分選擇性必修部分的。書中的實驗案例雖主要以人教-中圖版教材內(nèi)容為基礎(chǔ)和原型，但實際上可以搭配，或者獨立于任何版本教材來使用，因為編寫者是將五個版本教材中的人工智能實踐活動都提取出來進行了分析，書中的案例不僅全部重新設(shè)計，而且可以看成是五個版本教材人工智能實驗內(nèi)容的一個“最大公因子”（如果還算不上是“最小公倍數(shù)”的話），基本做到了對課程標準人工智能實踐方面要求的全覆蓋。

梁森山：在編寫過程中，我們有一個統(tǒng)一認識，人工智能配套實驗指導(dǎo)用書應(yīng)與《人工智能初步》教材和《人工智能初步》教師教學(xué)用書一起，構(gòu)成相對完備的“學(xué)科-教學(xué)-實驗”體系。同時，還提煉出了人工智能實驗教學(xué)的一般流程，即“實驗?zāi)繕恕砼c方法—實驗過程—總結(jié)交流”，這是信息技術(shù)（包括人工智能）實驗教學(xué)走向規(guī)范化的一個不可或缺的環(huán)節(jié)。

曾維義：通過編寫我們發(fā)現(xiàn)，與教材相比，人工智能配套實驗指導(dǎo)用書中的人工智能案例需要更完整（場景完整、代碼完整、數(shù)據(jù)完整、解釋完整等），而最大的困難是將案例中復(fù)雜的應(yīng)用場景、算法和代碼進行簡化，將教學(xué)難度降低到適合普通高中學(xué)生的認知水平。

當然，實驗用書肯定還有很多問題，也缺少一些環(huán)節(jié)和實際教學(xué)的檢驗，但我相信實驗用書可以為高中開設(shè)有特色的人工智能課程提供一個可參照的范例。

曾維義：作為一線教育工作者，我最關(guān)心的還是人工智能實驗教學(xué)如何實施？實驗教學(xué)有哪些實施模式？

樊磊：前面我提到過，人工智能課程中的實踐環(huán)節(jié)涉及體驗、驗證與實現(xiàn)、應(yīng)用與部署和探究等不同層次，一個個具體的實驗項目就是圍繞著不同層次的要求而設(shè)計的。中小學(xué)信息技術(shù)教材由于有目標、內(nèi)容、篇幅和結(jié)構(gòu)的要求，對人工智能內(nèi)容大多點到為止，不可能展開闡述，涉及實踐性內(nèi)容時更是很難關(guān)注到實驗?zāi)繕恕嶒灜h(huán)境和實驗過程這些關(guān)鍵因素。因此，若將人工智能作為一個嚴肅的、有份量的課程主題，僅有教材是遠遠不夠的。像實驗指導(dǎo)用書這樣的附加資源剛好可以彌補這方面的缺失，可以幫助教師在人工智能課程中將體驗、驗證與實現(xiàn)、應(yīng)用與部署和探究等流程的各個環(huán)節(jié)做足、做全、做好，更全面更有效地達到課程的要求。

曾維義：實際教學(xué)還有一個不容忽視的問題，那就是評價機制，關(guān)于評價也是新課程改革的重要內(nèi)容。從人工智能實驗教學(xué)的角度，如何對學(xué)生學(xué)習進行評價？

樊磊：新課改的一個重要特征是從面向知識技能轉(zhuǎn)向面向素養(yǎng)，素養(yǎng)是綜合素質(zhì)，當然包括知識技能，但又不僅僅是這些（此處我們暫且不考慮素養(yǎng)的價值觀和責任感這方面）。樸素地講，體現(xiàn)一個人在某方面素養(yǎng)水平的重要尺度就是在遇到問題時他實際運用這方面知識技能的流暢程度。素養(yǎng)的養(yǎng)成是一個動態(tài)的、長期的和持續(xù)的過程，素養(yǎng)的評價也遠比單純的知識技能評價要復(fù)雜。因此，素養(yǎng)的評價肯定要更關(guān)注發(fā)展性、過程性和綜合性，而這些因素很難用傳統(tǒng)考試的方式來評估。前面說過，人工智能實驗涉及因素多，學(xué)生在完成實驗過程中的表現(xiàn)可以全面忠實地反映對信息技術(shù)知識技能的掌握運用程度，因此，人工智能實驗教學(xué)正好能為信息素養(yǎng)評價提供一個不錯的平臺和機會。

現(xiàn)在一些學(xué)校已經(jīng)有針對實驗教學(xué)的管理平臺，它具備多元化、全過程跟蹤和記錄學(xué)生學(xué)習情況，產(chǎn)生學(xué)習行為大數(shù)據(jù)及智能分析數(shù)據(jù)做出學(xué)習決策推薦等功能。這些技術(shù)手段無疑為素養(yǎng)評價提供了更科學(xué)有效的支持。但是，達成素養(yǎng)評價的目標絕非一朝一夕的事情，還需要進行更多的研究和優(yōu)化。