小學(xué)人工智能課程體系的構(gòu)建與實(shí)踐

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(duì)推動(dòng)我國(guó)人工智能行業(yè)的普及化、專(zhuān)業(yè)化有重大的現(xiàn)實(shí)意義。因此，筆者所在的深圳市仙桐實(shí)驗(yàn)小學(xué)（下文簡(jiǎn)稱(chēng)“仙桐小學(xué)”）開(kāi)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(guò)實(shí)踐驗(yàn)證了體系的有效性，以期為其他教育工作者開(kāi)展小學(xué)階段的人工智能教育提供借鑒與參考。

一、我國(guó)人工智能教育的現(xiàn)狀及問(wèn)題

在國(guó)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(jì)片面

人工智能課程具有綜合性強(qiáng)、知識(shí)跨學(xué)科的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)際能力，滿足普及人工智能知識(shí)的教學(xué)目標(biāo)。

2.專(zhuān)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(duì)教師來(lái)說(shuō)，這是一項(xiàng)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(guó)家與各地政府相繼發(fā)文后，各校陸續(xù)開(kāi)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(duì)普通學(xué)生的普及教育。很多學(xué)生對(duì)人工智能并未有清晰的概念與理解，這與智能時(shí)代下國(guó)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(shí)代的來(lái)臨。2017年以來(lái)，國(guó)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(shí)落地勢(shì)在必行。通過(guò)人工智能教育，可以給孩子帶來(lái)什么？

結(jié)合經(jīng)驗(yàn)，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(lái)的生活中具有解決問(wèn)題的能力，擁有自主人生，能夠時(shí)刻感受到幸福，能夠自信迎接人工智能時(shí)代到來(lái)的21世紀(jì)技能人才。”

2.人工智能課程建設(shè)的理論依據(jù)

根據(jù)學(xué)校的實(shí)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(jí)到中學(xué)階段的教學(xué)中，對(duì)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(dòng)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(hào)的次元，螺旋隨著學(xué)生年紀(jì)、閱歷的增長(zhǎng)，反復(fù)上升，幫助學(xué)生逐漸加深對(duì)知識(shí)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(guò)深的知識(shí)，也不宜用單純的簡(jiǎn)單機(jī)器人課程代替，這會(huì)導(dǎo)致學(xué)生無(wú)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(kāi)展的支持與保障

人工智能教育的順利實(shí)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(zhǎng)及學(xué)校相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)以學(xué)校頂層設(shè)計(jì)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(dòng)的開(kāi)展，并鼓勵(lì)各科教師提供技術(shù)指導(dǎo)并參與其中。

組建創(chuàng)客團(tuán)隊(duì)。仙桐小學(xué)構(gòu)建了優(yōu)秀的創(chuàng)客教師團(tuán)隊(duì)，形成了學(xué)校智庫(kù)。團(tuán)隊(duì)分工明確，科組長(zhǎng)負(fù)責(zé)各項(xiàng)創(chuàng)客及人工智能活動(dòng)，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(zhuān)業(yè)隊(duì)比賽訓(xùn)練、創(chuàng)客活動(dòng)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(zhuān)業(yè)化的場(chǎng)所。

豐富校企合作。當(dāng)前企業(yè)機(jī)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(shí)施。通過(guò)校企合作，能給學(xué)生提供豐富的課程和實(shí)踐機(jī)會(huì)，更好地推動(dòng)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(jí)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(gè)學(xué)期的課時(shí)進(jìn)行授課，另一半課時(shí)用來(lái)上人工智能普及化課程。每堂課都由專(zhuān)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(duì)象為三至六年級(jí)學(xué)生，依照小學(xué)生發(fā)展水平和本校學(xué)生實(shí)際接受能力，分層級(jí)設(shè)計(jì)授課內(nèi)容。三年級(jí)學(xué)生主要利用諾寶機(jī)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(guò)積木件的搭建鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力，加強(qiáng)其空間思維等;四年級(jí)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(guò)程序控制傳感器，教授控制機(jī)械的方法;五年級(jí)將結(jié)合四年級(jí)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(guò)具象化任務(wù)學(xué)習(xí)如何賦予一臺(tái)機(jī)器智慧和學(xué)習(xí)能力;六年級(jí)會(huì)完全依托AIBOX（人工智能主控）有意識(shí)地將圖形化編程引導(dǎo)到python的編程語(yǔ)言中，通過(guò)語(yǔ)言編程解決基本的控制問(wèn)題。

每學(xué)年會(huì)根據(jù)授課內(nèi)容和熱點(diǎn)時(shí)事布置項(xiàng)目式任務(wù)并進(jìn)行學(xué)習(xí)測(cè)評(píng)。

第二梯度：社團(tuán)類(lèi)人工智能教育課程。

社團(tuán)課以每年級(jí)（3-6年級(jí)）開(kāi)設(shè)一個(gè)年級(jí)社團(tuán)為主，結(jié)合教材開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，并開(kāi)設(shè)混合社團(tuán)。無(wú)人機(jī)、 3D打印、創(chuàng)客馬拉松等混合社團(tuán)可跨年級(jí)招生。所有社團(tuán)人數(shù)在25人左右為宜，社團(tuán)活動(dòng)每周一次，時(shí)長(zhǎng)以一小時(shí)為準(zhǔn)。

由于三年級(jí)學(xué)生第一次接觸該領(lǐng)域內(nèi)容，所以社團(tuán)開(kāi)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(jí)學(xué)生的社團(tuán)開(kāi)設(shè)諾寶機(jī)器人深度課程，借此強(qiáng)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(jí)學(xué)生的社團(tuán)則開(kāi)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(jí)學(xué)生的社團(tuán)則開(kāi)設(shè)python強(qiáng)化班，針對(duì)有基礎(chǔ)和有能力的學(xué)生，主抓語(yǔ)言教學(xué)。

社團(tuán)課程均由學(xué)校創(chuàng)客團(tuán)隊(duì)規(guī)劃和設(shè)計(jì)并聘請(qǐng)專(zhuān)業(yè)的校外老師進(jìn)行授課。

第三梯度：專(zhuān)業(yè)競(jìng)賽隊(duì)人工智能訓(xùn)練。

每學(xué)年會(huì)有關(guān)于人工智能類(lèi)的比賽，以賽事安排為準(zhǔn)，組建臨時(shí)專(zhuān)業(yè)隊(duì)為宜，提前招募基礎(chǔ)較好的學(xué)生進(jìn)行高強(qiáng)度短期的集中競(jìng)賽訓(xùn)練。以教師指導(dǎo)為輔，學(xué)生實(shí)踐訓(xùn)練為主，力圖提升學(xué)生對(duì)競(jìng)賽相關(guān)的整體知識(shí)融合和實(shí)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(shí)踐中檢驗(yàn)人工智能課程體系

1.人工智能課程體系第一梯度的實(shí)施

2020-2021學(xué)年下學(xué)期，仙桐小學(xué)正式開(kāi)展人工智能普及化課程。在校領(lǐng)導(dǎo)的推動(dòng)下，三年級(jí)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(shí)驗(yàn)小學(xué)加強(qiáng)推動(dòng)人工智能普及化課程，將三、四年級(jí)的電腦課進(jìn)行拆分。教師通過(guò)對(duì)人工智能基礎(chǔ)內(nèi)容的動(dòng)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(dòng)手能力、編程思維能力、邏輯思維能力和團(tuán)隊(duì)合作能力，讓學(xué)生對(duì)人工智能知識(shí)有了基礎(chǔ)的認(rèn)識(shí)。

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

2.人工智能課程體系第二梯度的實(shí)施

開(kāi)展3個(gè)三至五年級(jí)專(zhuān)屬社團(tuán)課、1個(gè)創(chuàng)客馬拉松課程，以及相關(guān)社團(tuán)課。（例如3D打印筆、激光切割機(jī)、無(wú)人機(jī)等）每個(gè)社團(tuán)人數(shù)在20-25人。

學(xué)校利用多種多樣的社團(tuán)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(jī)會(huì)，讓學(xué)生的興趣得以實(shí)現(xiàn)與發(fā)展，既拓寬了他們的知識(shí)面，也鍛煉了他們的綜合能力。

例如，“諾寶創(chuàng)客”社團(tuán)面向四年級(jí)學(xué)生，以小組合作形式進(jìn)行學(xué)習(xí)。該社團(tuán)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(tuán)內(nèi)容側(cè)重于人工智能知識(shí)的理解和實(shí)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(duì)人工智能的理解與綜合運(yùn)用能力。

3.人工智能課程體系第三梯度的實(shí)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(dòng)。

以“超變戰(zhàn)場(chǎng)比賽隊(duì)”為例，接到比賽通知后，經(jīng)學(xué)校批準(zhǔn)，通過(guò)教師推薦和社團(tuán)選拔組成專(zhuān)項(xiàng)比賽訓(xùn)練隊(duì)。每天下午四點(diǎn)至七點(diǎn)半開(kāi)展高強(qiáng)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(jī)器人，最后進(jìn)行高強(qiáng)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(zhǎng)久的訓(xùn)練換來(lái)的是獲得勝利那一刻的榮耀，最終隊(duì)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(guó)賽獲得一等獎(jiǎng)的好成績(jī)。

經(jīng)過(guò)五年來(lái)各種活動(dòng)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(guó)家、省、市、區(qū)各類(lèi)比賽中獲得榮譽(yù)，展現(xiàn)自信。老師們也通過(guò)人工智能教育的活動(dòng)，在專(zhuān)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(shí)的主陣地，整個(gè)學(xué)?？萍挤諊鷿夂瘢e極組織學(xué)生參加相關(guān)活動(dòng)，并連續(xù)三年在大創(chuàng)客節(jié)獲優(yōu)秀組織獎(jiǎng)。

責(zé)任編輯 黃博彥