小學(xué)人工智能課程體系的構(gòu)建與實踐

文/ 深圳市仙桐實驗小學(xué) 王仁宇

小學(xué)教育是基礎(chǔ)教育的重要組成部分，在小學(xué)階段進(jìn)行人工智能啟蒙教育對推動我國人工智能行業(yè)的普及化、專業(yè)化有重大的現(xiàn)實意義。因此，筆者所在的深圳市仙桐實驗小學(xué)（下文簡稱“仙桐小學(xué)”）開展了相關(guān)研究，從人工智能教育的現(xiàn)狀分析出發(fā)，構(gòu)建了具有學(xué)校特色的人工智能課程體系，并通過實踐驗證了體系的有效性，以期為其他教育工作者開展小學(xué)階段的人工智能教育提供借鑒與參考。

一、 我國人工智能教育的現(xiàn)狀及問題

在國內(nèi)基礎(chǔ)教育資源區(qū)域發(fā)展失衡的背景下，小學(xué)階段的人工智能教育發(fā)展存在著困難，主要包含以下方面。

1.課程設(shè)計片面

人工智能課程具有綜合性強、知識跨學(xué)科的特點，設(shè)計時既需要宏觀地進(jìn)行系統(tǒng)性頂層規(guī)劃，也需要考慮小學(xué)生的實際能力，滿足普及人工智能知識的教學(xué)目標(biāo)。

2.專業(yè)師資薄弱

科班出身的人工智能教師數(shù)量稀少，各校的人工智能課程一般是教師兼教。對教師來說，這是一項挑戰(zhàn)，他們不僅要承擔(dān)本學(xué)科的教學(xué)任務(wù)和日常的教務(wù)工作，還需要額外花精力去進(jìn)修、研究人工智能相關(guān)課程。

3.教育普及不均衡

國家與各地政府相繼發(fā)文后，各校陸續(xù)開展了人工智能課程，但大多數(shù)學(xué)校僅擇優(yōu)培養(yǎng)，忽略了對普通學(xué)生的普及教育。很多學(xué)生對人工智能并未有清晰的概念與理解，這與智能時代下國家的人才培養(yǎng)政策是相悖的。

二、人工智能課程體系的構(gòu)建

1.人工智能課程體系的總培養(yǎng)目標(biāo)

人工智能技術(shù)的推廣促進(jìn)人工智能時代的來臨。2017 年以來，國務(wù)院、各省市發(fā)布了人工智能規(guī)劃，人工智能教育的落實落地勢在必行。通過人工智能教育，可以給孩子帶來什么？

結(jié)合經(jīng)驗，仙桐小學(xué)明確培養(yǎng)目標(biāo)：“將學(xué)生培養(yǎng)成為在未來的生活中具有解決問題的能力，擁有自主人生，能夠時刻感受到幸福，能夠自信迎接人工智能時代到來的21世紀(jì)技能人才?！?/p>

2.人工智能課程建設(shè)的理論依據(jù)

根據(jù)學(xué)校的實際情況，仙桐小學(xué)選用“布魯納的螺旋式課程理論”作為人工智能課程建設(shè)的理論依據(jù)。

“布魯納的螺旋式課程理論”認(rèn)為課程的排列應(yīng)采取螺旋式的形態(tài)，即在小學(xué)低年級到中學(xué)階段的教學(xué)中，對于同一種基本概念，應(yīng)采用螺旋式反復(fù)上升排列。第一次螺旋是屬于動作的次元；第二次螺旋是屬于形象的次元；第三次螺旋是屬于符號的次元，螺旋隨著學(xué)生年紀(jì)、閱歷的增長，反復(fù)上升，幫助學(xué)生逐漸加深對知識的理解，最終熟練掌握。

小學(xué)低年段的人工智能課程不宜教授過深的知識，也不宜用單純的簡單機器人課程代替，這會導(dǎo)致學(xué)生無法銜接后續(xù)的高深內(nèi)容。因此，仙桐小學(xué)站在宏觀角度，采用了螺旋式課程理論。

3.人工智能課程開展的支持與保障

人工智能教育的順利實施倚靠學(xué)校的支持，仙桐小學(xué)提供了全面的保障。

獲得學(xué)校支持。校長及學(xué)校相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)以學(xué)校頂層設(shè)計為指引，重視科技教育。以學(xué)校規(guī)劃為抓手，繪制科創(chuàng)藍(lán)圖。全校合力支持人工智能教育活動的開展，并鼓勵各科教師提供技術(shù)指導(dǎo)并參與其中。

組建創(chuàng)客團隊。仙桐小學(xué)構(gòu)建了優(yōu)秀的創(chuàng)客教師團隊，形成了學(xué)校智庫。團隊分工明確，科組長負(fù)責(zé)各項創(chuàng)客及人工智能活動，推廣人工智能教育的普及；其他老師則分別負(fù)責(zé)自然教育、編程教育、影視作品創(chuàng)作、專業(yè)隊比賽訓(xùn)練、創(chuàng)客活動的記錄整理和宣傳等工作。

建立創(chuàng)客教室。學(xué)校建立了集多功能區(qū)于一身的創(chuàng)客教室，為學(xué)生進(jìn)行人工智能學(xué)習(xí)提供了專業(yè)化的場所。

豐富校企合作。當(dāng)前企業(yè)機構(gòu)在人工智能技術(shù)和教學(xué)資源方面有比較豐富的沉淀，加深企業(yè)與學(xué)校合作，能夠有效幫助學(xué)校提高教育資源利用率和教學(xué)質(zhì)量，助力學(xué)校加速人工智能教育課程的建設(shè)與實施。通過校企合作，能給學(xué)生提供豐富的課程和實踐機會，更好地推動人工智能人才培養(yǎng)的發(fā)展。

4.人工智能課程體系的構(gòu)建

第一梯度：年級普及化人工智能課程。

將學(xué)校的信息技術(shù)課程拆分成單雙周，和信息技術(shù)老師研討，將信息技術(shù)課程內(nèi)容用半個學(xué)期的課時進(jìn)行授課，另一半課時用來上人工智能普及化課程。每堂課都由專業(yè)的第三方人員進(jìn)行授課，本校老師協(xié)同配合。

授課對象為三至六年級學(xué)生，依照小學(xué)生發(fā)展水平和本校學(xué)生實際接受能力，分層級設(shè)計授課內(nèi)容。三年級學(xué)生主要利用諾寶機器人作為上課載體，讓學(xué)生初步擁有圖形化編程能力，并通過積木件的搭建鍛煉學(xué)生動手能力，加強其空間思維等；四年級學(xué)生則利用優(yōu)必選UKIT 套裝作為上課載體，著重培養(yǎng)傳感器的使用，利用主控和積木件的搭建，通過程序控制傳感器，教授控制機械的方法；五年級將結(jié)合四年級積木件和AIBOX（人工智能主控） 普及人工智能的概念及python 編程，通過具象化任務(wù)學(xué)習(xí)如何賦予一臺機器智慧和學(xué)習(xí)能力；六年級會完全依托AIBOX（人工智能主控）有意識地將圖形化編程引導(dǎo)到python 的編程語言中，通過語言編程解決基本的控制問題。

每學(xué)年會根據(jù)授課內(nèi)容和熱點時事布置項目式任務(wù)并進(jìn)行學(xué)習(xí)測評。

第二梯度：社團類人工智能教育課程。

社團課以每年級（3- 6 年級）開設(shè)一個年級社團為主，結(jié)合教材開展教學(xué)活動，并開設(shè)混合社團。無人機、3D 打印、創(chuàng)客馬拉松等混合社團可跨年級招生。所有社團人數(shù)在25 人左右為宜，社團活動每周一次，時長以一小時為準(zhǔn)。

由于三年級學(xué)生第一次接觸該領(lǐng)域內(nèi)容，所以社團開設(shè)基礎(chǔ)的編程課，以圖形化編程為主，力圖打好基礎(chǔ)；四年級學(xué)生的社團開設(shè)諾寶機器人深度課程，借此強化、鞏固所學(xué)內(nèi)容，并學(xué)習(xí)更加復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)和編程方式；五年級學(xué)生的社團則開設(shè)UKIT 深度課程，教授更多傳感器應(yīng)用方法及創(chuàng)造新型作品；六年級學(xué)生的社團則開設(shè)python強化班，針對有基礎(chǔ)和有能力的學(xué)生，主抓語言教學(xué)。

社團課程均由學(xué)校創(chuàng)客團隊規(guī)劃和設(shè)計并聘請專業(yè)的校外老師進(jìn)行授課。

第三梯度：專業(yè)競賽隊人工智能訓(xùn)練。

每學(xué)年會有關(guān)于人工智能類的比賽，以賽事安排為準(zhǔn)，組建臨時專業(yè)隊為宜，提前招募基礎(chǔ)較好的學(xué)生進(jìn)行高強度短期的集中競賽訓(xùn)練。以教師指導(dǎo)為輔，學(xué)生實踐訓(xùn)練為主，力圖提升學(xué)生對競賽相關(guān)的整體知識融合和實踐應(yīng)用的能力，激發(fā)創(chuàng)新挑戰(zhàn)精神。賽后學(xué)生則回歸正常的校園生活中。

三、 在實踐中檢驗人工智能課程體系

1.人工智能課程體系第一梯度的實施

2020- 2021 學(xué)年下學(xué)期，仙桐小學(xué)正式開展人工智能普及化課程。在校領(lǐng)導(dǎo)的推動下，三年級的電腦課程進(jìn)行了拆分。普及課程中，選用積木件和主控編程的內(nèi)容進(jìn)行授課。

2021 年9 月，仙桐實驗小學(xué)加強推動人工智能普及化課程，將三、四年級的電腦課進(jìn)行拆分。教師通過對人工智能基礎(chǔ)內(nèi)容的動手搭建和編程學(xué)習(xí)，培養(yǎng)了學(xué)生的空間思維能力、動手能力、編程思維能力、邏輯思維能力和團隊合作能力，讓學(xué)生對人工智能知識有了基礎(chǔ)的認(rèn)識。

經(jīng)過一年的授課，全校學(xué)生對人工智能教育的接觸增多，對人工智能的熱情增加。

2.人工智能課程體系第二梯度的實施

開展3 個三至五年級專屬社團課、1 個創(chuàng)客馬拉松課程，以及相關(guān)社團課。（例如3D 打印筆、激光切割機、無人機等）每個社團人數(shù)在20- 25 人。

學(xué)校利用多種多樣的社團課，向?qū)θ斯ぶ悄苷n程有興趣的學(xué)生提供了更深入的探究與學(xué)習(xí)機會，讓學(xué)生的興趣得以實現(xiàn)與發(fā)展，既拓寬了他們的知識面，也鍛煉了他們的綜合能力。

例如“，諾寶創(chuàng)客”社團面向四年級學(xué)生，以小組合作形式進(jìn)行學(xué)習(xí)。該社團課程選用的器材，有豐富的傳感器和結(jié)構(gòu)積木件和易于學(xué)生提升邏輯的圖形化編程，社團內(nèi)容側(cè)重于人工智能知識的理解和實踐應(yīng)用能力，引導(dǎo)式的教學(xué)方式讓學(xué)生能夠思考更多、探索更多，整體提升學(xué)生對人工智能的理解與綜合運用能力。

3.人工智能課程體系第三梯度的實施

學(xué)校本著以賽促學(xué)的目的，提供了多種人工智能相關(guān)活動。

以“超變戰(zhàn)場比賽隊”為例，接到比賽通知后，經(jīng)學(xué)校批準(zhǔn)，通過教師推薦和社團選拔組成專項比賽訓(xùn)練隊。每天下午四點至七點半開展高強度訓(xùn)練，選手先研讀比賽規(guī)則、了解比賽內(nèi)容，接著根據(jù)比賽任務(wù)搭建機器人，最后進(jìn)行高強度模擬賽事訓(xùn)練，并在每次模擬賽后進(jìn)行總結(jié)、改裝、優(yōu)化等。長久的訓(xùn)練換來的是獲得勝利那一刻的榮耀，最終隊員獲得第36 屆深圳市青少年科技創(chuàng)新大賽冠軍，并直通國賽獲得一等獎的好成績。

經(jīng)過五年來各種活動的鍛煉，學(xué)生不僅在綜合素質(zhì)上得到了巨大的提升，也在各國家、省、市、區(qū)各類比賽中獲得榮譽，展現(xiàn)自信。老師們也通過人工智能教育的活動，在專業(yè)領(lǐng)域上取得了不同的成就。學(xué)校更是成為學(xué)生學(xué)習(xí)先進(jìn)科技知識的主陣地，整個學(xué)?？萍挤諊鷿夂?，積極組織學(xué)生參加相關(guān)活動，并連續(xù)三年在大創(chuàng)客節(jié)獲優(yōu)秀組織獎。