人工智能啟蒙 賦能未來發(fā)展
——《小學(xué)人工智能啟蒙系列課程》的實踐與研究

王春華 上海民辦彭浦實驗小學(xué)

我們的生活中有很多有趣的問題：

幾十個陀螺同時參加比賽，怎么做到精準(zhǔn)計時，評出冠軍呢？

迪斯尼游樂場里，導(dǎo)游機器人怎么才能做到靈活行走和轉(zhuǎn)彎？

怎樣用電腦在班級中隨機抽取5 個小朋友參加校長下午茶？

新年義賣匯總錢款時，有幾百個硬幣，怎么方便地實現(xiàn)硬幣的分類收納呢？

這些問題，學(xué)生都能在我們學(xué)校開設(shè)的《人工智能啟蒙系列課程》中進行探索和實踐。這一課程在實施過程中，已經(jīng)實現(xiàn)全員普及、全年段覆蓋、全程自主研發(fā)。這是全校所有學(xué)生的普及課程，我們用每周一課時的探究課進行實踐。

課程做到一至五年級每個年段全覆蓋，5 年7 個系列，在合適的年段選擇合適的科目，符合學(xué)生年齡特點和認(rèn)知水平。

一、小學(xué)人工智能啟蒙課程研發(fā)的緣起

（一）基于時代挑戰(zhàn)

2017 年7 月，《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》中明確指出，要實施全民智能教育項目，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。

從“中國知網(wǎng)”數(shù)據(jù)庫搜索發(fā)現(xiàn)，從2008 年浙江師范大學(xué)第一篇關(guān)于中小學(xué)人工智能課程的論文，經(jīng)歷了十年的寂靜期后，到國務(wù)院35號文件發(fā)布后的2018年，中小學(xué)相關(guān)的研究成果呈井噴式增長。再從年段分布情況來看，面向小學(xué)的人工智能課程的議題占比僅次于中學(xué)，小學(xué)階段進行人工智能普及教育的問題已成為時代的需要。

（二）源于育人目標(biāo)

學(xué)校以“適應(yīng)教育”作為辦學(xué)理念，提出“為未來學(xué)習(xí)和發(fā)展做準(zhǔn)備”的目標(biāo)。那通過什么特色課程實現(xiàn)育人目標(biāo)呢？

在適應(yīng)教育的課程體系中，學(xué)校選擇了科學(xué)素養(yǎng)這一最具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域，在科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)中，面對信息社會、智能世界的需要，學(xué)校又選擇了人工智能啟蒙這一領(lǐng)域，讓學(xué)生學(xué)習(xí)、了解一些智能控制技術(shù)和人工智能技術(shù)的基礎(chǔ)知識成為一種必須，成為每一個人未來適應(yīng)智能社會的關(guān)鍵能力。

（三）始于學(xué)校優(yōu)勢

2006 年，學(xué)校正式成立“科學(xué)素養(yǎng)培育實驗項目”課題組。在15 年間的5 個發(fā)展階段中，學(xué)校于2016 年在上海市民辦教育協(xié)會“萌芽計劃”項目中獲得課題立項，將十多年研發(fā)的科學(xué)素養(yǎng)教育校本課程群中的一些相關(guān)課程更新、升級和擴充，梳理形成了“人工智能啟蒙教育校本系列課程”（見表1）。

（四）基于學(xué)生興趣

作為校本課程，學(xué)生對于這一課程的興趣與需求也是學(xué)校階段性評估的重要依據(jù)。在對學(xué)校全樣本的調(diào)研中，有67.8%的學(xué)生表示非常感興趣，30.08%的學(xué)生表示比較感興趣。從數(shù)據(jù)中了解，學(xué)生對于前沿的人工智能學(xué)習(xí)的興趣是非常高漲的，這為學(xué)校全員普及人工智能課程提供了準(zhǔn)確的學(xué)情基礎(chǔ)。

二、小學(xué)人工智能啟蒙課程的頂層設(shè)計

（一）課程的界定

《小學(xué)人工智能啟蒙課程》是面向小學(xué)階段全體少年兒童，以計算機編程、機器人控制和智能控制類創(chuàng)客制作為主要學(xué)習(xí)實踐對象的課程活動。這些課程雖然沒有觸及當(dāng)今真正的人工智能技術(shù)，但是學(xué)習(xí)內(nèi)容關(guān)聯(lián)到人工智能中最基礎(chǔ)的知識與技術(shù)，因此，稱之為“啟蒙課程”。

（二）課程培養(yǎng)目標(biāo)

1.激發(fā)小學(xué)生對人工智能技術(shù)與應(yīng)用的好奇心，認(rèn)識基礎(chǔ)的人工智能應(yīng)用。

2.初步掌握淺顯的機器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理等人工智能的相關(guān)知識和概念。

3.初步培養(yǎng)關(guān)鍵邏輯思維、敘事表達(dá)、圖形和代碼編程、創(chuàng)意設(shè)計、計算思維的實踐能力。

（三）小學(xué)研究領(lǐng)域

目前小學(xué)階段人工智能的啟蒙，國內(nèi)外實踐為四個方向：使用某些專業(yè)公司的產(chǎn)品或平臺的，并以體驗層次的學(xué)習(xí)使用為主；基于機器人控制和制作的學(xué)習(xí)；基于計算機方向的，其中以Scratch、Python 編程語言最多；基于創(chuàng)客類制作和STEM 教育活動的。我們學(xué)校從本校實際出發(fā)，選擇了以基礎(chǔ)的編程教育為主，融合機器人和創(chuàng)客教育，作為課程研發(fā)的領(lǐng)域。

三、小學(xué)人工智能啟蒙課程的架構(gòu)與實施

（一）架構(gòu)AI啟蒙系列課程（見圖1）

學(xué)校構(gòu)建了課程的整體框架：第一層為感知層，即校本普及課程；第二層為應(yīng)用層，即學(xué)科跨界活動；第三層為創(chuàng)新層，為學(xué)生選擇性的個性活動。

圖1

在感知層的校本普及課程中，架構(gòu)了5 年7 個科目的學(xué)習(xí)系列：趣味故事編程，模擬建構(gòu)入門，機器人結(jié)構(gòu)搭建，機器人編程控制，Processing 基礎(chǔ)，APP Inventor，3D打印與建?；A(chǔ)（見表2）。

表2

（二）AI啟蒙系列課程的研發(fā)實施

1.螺旋研發(fā)流程保障品質(zhì)

這7 個系列的課程研發(fā)，學(xué)習(xí)并綜合了泰勒的目標(biāo)模式、斯滕豪斯過程模式的課程編制理念，參照凱米斯行動研究法，最終形成適合學(xué)校的“螺旋式課程開發(fā)模式”。

2.動態(tài)生成課程迭代發(fā)展

四年間，課程走過了兩個階段的迭代生長，今天的2.0課程，從科目的結(jié)構(gòu)層次、主題的統(tǒng)整性方面形成一至五年級的系列，是課程內(nèi)容的量與質(zhì)共生維度的展開。聚焦啟蒙與系列兩個關(guān)鍵詞，將研究的重點放在課程結(jié)構(gòu)與學(xué)習(xí)方式上，而課程也從最初的低中高推進，形成知識模塊進而發(fā)展為全年段推進，形成課程體系、聚焦調(diào)整學(xué)習(xí)資源和優(yōu)化學(xué)習(xí)進程。

3.系列課程蘊含邏輯關(guān)聯(lián)

7 門課程蘊含內(nèi)在邏輯關(guān)聯(lián)，從圖形化編程入門向代碼編程發(fā)展，從簡單的結(jié)構(gòu)搭建開始向綜合的機器人編程控制發(fā)展，幫助學(xué)生完成從游戲語言、學(xué)習(xí)語言過渡到編程工作語言，為一部分對計算機編程有興趣有潛質(zhì)的學(xué)生打下進一步學(xué)習(xí)提高的基礎(chǔ)。

一、二年級入門階段，課程的主要目標(biāo)定位于激發(fā)興趣、培養(yǎng)興趣。三年級開始逐步轉(zhuǎn)向比較正式的編程基礎(chǔ)知識和基本技能的學(xué)習(xí)體驗和實踐操作。

4.學(xué)法支持實現(xiàn)個性發(fā)展

課程實施中，注重將學(xué)生帶入深度學(xué)習(xí)狀態(tài)，關(guān)注基于學(xué)生的課堂教學(xué)的變革，其學(xué)習(xí)質(zhì)量展現(xiàn)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，體現(xiàn)在教與學(xué)的規(guī)律中，體現(xiàn)在學(xué)生親身經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、體驗探索的過程中，體現(xiàn)在高階思維的培養(yǎng)中。

（1）學(xué)習(xí)支架，激發(fā)探索力

把復(fù)雜的學(xué)習(xí)任務(wù)加以分解，根據(jù)學(xué)生的學(xué)情，運用學(xué)習(xí)支架的教學(xué)策略，即提供提示和線索，幫助學(xué)生自己去理解，支撐學(xué)生積極建構(gòu)知識。通過情境任務(wù)，建立真實生活的關(guān)聯(lián)；實現(xiàn)思維可視、預(yù)設(shè)問題解決的流程；設(shè)置多重結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)個性實踐創(chuàng)意；創(chuàng)新活動應(yīng)用，形成學(xué)科有機鏈接。

（2）逆向設(shè)計教學(xué)，啟迪學(xué)生思維

課程最重要的是培養(yǎng)面向所有人的計算思維和跨學(xué)科視野。小學(xué)階段計算思維的算法并不是純粹的代碼和編程，而是培養(yǎng)學(xué)生把真實世界的問題理解為流程性的、可以有算法控制的、從輸入到輸出的轉(zhuǎn)換，從而學(xué)習(xí)邏輯推理、分解、算法、抽象、關(guān)聯(lián)與遷移。同時，在計算思維培養(yǎng)中融入跨學(xué)科視野，計算思維與數(shù)學(xué)、工程、科學(xué)、審美結(jié)合起來。在教學(xué)設(shè)計中，利用學(xué)習(xí)地圖，運用項目化學(xué)習(xí)中的逆向設(shè)計教學(xué)，即確定預(yù)期結(jié)果、確定合適的評估證據(jù)、設(shè)計學(xué)習(xí)體驗和教學(xué)，以指導(dǎo)有目的的行為朝預(yù)期結(jié)果發(fā)展。

（3）適應(yīng)性學(xué)習(xí)，提升元認(rèn)知

在2.0課程中很重要的探索就是不斷優(yōu)化完善學(xué)習(xí)資源。每一個單元的學(xué)習(xí)都是長周期的，學(xué)生可以根據(jù)自己的認(rèn)知風(fēng)格、學(xué)習(xí)能力，制定并執(zhí)行學(xué)習(xí)計劃，在完善的學(xué)習(xí)資源支撐下，自主安排學(xué)習(xí)活動和最佳學(xué)習(xí)內(nèi)容，并通過對自我的評價分析，不斷優(yōu)化完善自己的作品。

自主性、個性化、在情境中的適應(yīng)性改變，在學(xué)生不斷的新目標(biāo)、新知識、新理解、新行為、新改變中，獲得元認(rèn)知。

（三）打造AI啟蒙系列課程學(xué)習(xí)空間

深入某一領(lǐng)域的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，需要相應(yīng)結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)空間支持，于是科學(xué)中心三樓的主題式集約化創(chuàng)客中心應(yīng)運而生了：科學(xué)素養(yǎng)孵化中心、設(shè)計與制作車間、電子創(chuàng)客車間、機器人車間、創(chuàng)新實驗室；實驗區(qū)、小組討論區(qū)、科技新聞發(fā)布區(qū)、多屏投屏；實驗器材、工具箱、問題墻，滿足人工智能啟蒙學(xué)習(xí)探究的需要，從物理空間上滿足各個年齡階段、不同科目學(xué)習(xí)的需求。

四、小學(xué)人工智能啟蒙課程的成效與展望

（一）課程的實施成效

2018 年，學(xué)校這一課程獲得上海市民辦中小學(xué)首輪優(yōu)質(zhì)課程稱號，學(xué)生的學(xué)習(xí)也是令人期待的。

一年級的學(xué)生腦洞大開，圖形編程設(shè)計了創(chuàng)意的神舟飛天小故事。二年級學(xué)生在建構(gòu)模型與編程的過程中，用程序的循環(huán)實現(xiàn)計時功能，精準(zhǔn)評選出了陀螺比賽的冠軍。四年級的機器人編程課程中，學(xué)生用程序?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)游機器人的巡跡功能。五年級學(xué)生用3D 建模，設(shè)計了硬幣分揀機，使義賣的硬幣能被迅速分揀。學(xué)校小朋友設(shè)計的垃圾分類APP，2019年向全區(qū)中小學(xué)家庭發(fā)布。光盤行動中的記錄平臺、調(diào)味品智能統(tǒng)計等獲得了上海市科技創(chuàng)新大賽二等獎。學(xué)生自己設(shè)計的《基于錯題率分析的智能推送學(xué)習(xí)程序》等獲得了全國項目式學(xué)習(xí)評選的一等獎。

活用新科技并使之與生活結(jié)合的能力，已成為未來人才必備的三大關(guān)鍵能力之一。學(xué)生在五年的學(xué)習(xí)中，通過人工智能技術(shù)的啟蒙學(xué)習(xí)與使用，獲得了基礎(chǔ)的數(shù)字素養(yǎng)，在高階思維、創(chuàng)新合作等方面也有極大的提升。

（二）課程的未來展望

啟蒙有兩層含義：其一是開發(fā)蒙昧，讓初學(xué)者獲得基本的、入門的人工智能知識；其二是普及人工智能新知，讓孩子適應(yīng)并參與到智能社會的新變革中。

2019 年人工智能大會上，習(xí)近平總書記關(guān)于培養(yǎng)人工智能高端人才的重要論述，讓基礎(chǔ)教育階段開展人工智能啟蒙課程的我們倍感激勵！

展望3.0課程，學(xué)校將從單一課程研發(fā)進而向“人工智能+跨學(xué)科”創(chuàng)新學(xué)習(xí)模式的研究進軍。為未來學(xué)習(xí)和發(fā)展做準(zhǔn)備，學(xué)校一直努力探索和實踐著！我們相信人工智能啟蒙教育，必定讓學(xué)生在未來發(fā)展中收獲精彩無限！