基于計算思維培養(yǎng)的人工智能教育實踐研究

單海霞

【摘 要】本研究依托北京大學(xué)人工智能教育實驗室開發(fā)的平臺，創(chuàng)新課程教學(xué)思路，形成橫向聯(lián)系、縱向遞進的具有區(qū)域特色的人工智能教育課程，并通過主題項目案例設(shè)計與深入課堂實踐研究，推動順義區(qū)中小學(xué)人工智能教育實施，為一線教師特別是農(nóng)村學(xué)校教師開展人工智能教育進課堂提供參考和借鑒。

【關(guān)鍵詞】計算思維；人工智能；實踐研究

【中圖分類號】G434? ?【文獻標(biāo)識碼】A

【論文編號】1671-7384（2023）06-059-03

計算思維是《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》明確提出的信息科技課程核心素養(yǎng)之一。2017年7月，國務(wù)院發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出要在中小學(xué)開展人工智能教育。此后，教育部和北京市相繼公布了人工智能教育的相關(guān)文件，推動人工智能教育進校園。順義區(qū)根據(jù)相關(guān)要求，緊緊圍繞學(xué)生的信息科技課程核心素養(yǎng)培養(yǎng)，積極開展了以計算思維培養(yǎng)為核心的小學(xué)人工智能普及的教學(xué)探索。

區(qū)域內(nèi)人工智能教育存在的問題

在探索人工智能普及教學(xué)的過程中，許多小學(xué)遇到了“課程定位不清”“課程實施效果不明確”等問題，其具體表現(xiàn)如下。

一是將人工智能課程定位為技術(shù)課，過早地將大學(xué)時期甚至研究生階段才能學(xué)習(xí)的理論知識呈現(xiàn)到基礎(chǔ)知識不足的小學(xué)生面前。

二是將人工智能課程范疇無限擴大，將原本屬于3D打印、機器人、創(chuàng)客等教學(xué)的課程全部納入人工智能教學(xué)的范疇，造成學(xué)生對人工智能的理解偏差，如被調(diào)查的80%以上的小學(xué)生認(rèn)為“機器人就是人工智能”。

針對小學(xué)普遍存在的以上問題，為更好地做好信息科技教學(xué)工作，北京市順義區(qū)開展了“基于計算思維培養(yǎng)的人工智能教育實踐研究”。

小學(xué)人工智能教育的課程設(shè)計

隨著《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》等文件的出臺，順義區(qū)各小學(xué)開展了基于不同平臺的編程教學(xué)，當(dāng)前小學(xué)階段用得比較多的編程平臺有編程貓、Kittenblock、AIspark、慧編程等。在這些平臺的使用中發(fā)現(xiàn)，其中的AIspark編程平臺的作業(yè)管理與對學(xué)生的評價等功能特色，能夠?qū)τ嬎闼季S做量化評價，因此，本研究實踐階段主要依托AIspark編程平臺開展。

針對目前小學(xué)開展人工智能教育的實際，本研究依據(jù)北京大學(xué)人工智能教育實驗室開發(fā)的平臺提出了以計算思維培養(yǎng)為核心的小學(xué)人工智能教育的課程目標(biāo)模型（圖1），按照“感知AI→理解AI→應(yīng)用AI→創(chuàng)造AI”的體系進行了區(qū)域內(nèi)小學(xué)人工智能教育的課程設(shè)計。

參加實驗的小學(xué)在“走進人工智能”課程的基礎(chǔ)上設(shè)置了“AI積木編程”系列課程?！白哌M人工智能”課程讓學(xué)生從生活中常見的人臉識別、圖像識別、語音識別等人工智能入手，通過“玩中學(xué)”“做中學(xué)”的方式，讓學(xué)生全面了解人工智能的基本內(nèi)涵、發(fā)展歷史和核心應(yīng)用，培養(yǎng)人機協(xié)同意識，具體包括人工智能發(fā)展史、體驗機器學(xué)習(xí)、初識人臉識別、圖像識別、智能翻譯、智能語音等生活中的常見應(yīng)用。

“AI積木編程”系列內(nèi)容以智能語音、智能翻譯技術(shù)為依托，使用AISpark等智能編程實驗工具，進行創(chuàng)意作品設(shè)計。

這些課程讓學(xué)生在應(yīng)用智能語音、人臉識別、智能翻譯、手勢識別等人工智能應(yīng)用功能進行作品創(chuàng)作的過程中，理解學(xué)習(xí)事件、控制、變量、順序結(jié)構(gòu)、選擇結(jié)構(gòu)、循環(huán)結(jié)構(gòu)等編程基本概念，培養(yǎng)使用人工智能技術(shù)進行創(chuàng)意設(shè)計的基本能力。

小學(xué)人工智能教育的課程實施

針對現(xiàn)階段區(qū)域內(nèi)人工智能教育存在的問題，來自順義城區(qū)和農(nóng)村的8所實驗學(xué)校組建了研究共同體，按照“專家引領(lǐng)、實踐應(yīng)用、創(chuàng)造應(yīng)用、形成特色”的模式開展實踐應(yīng)用研究。各實驗學(xué)校根據(jù)自身基礎(chǔ)條件和課時選擇的不同，形成了豐富的人工智能課程教學(xué)案例。

其中，北京市順義區(qū)西辛教育集團是一所代表性的實驗學(xué)校，該校通過校本課程建設(shè)、信息科技課程融合等方式，開展了不同形式的教學(xué)實踐研究。該校以校本特色課程體系建設(shè)為主體開設(shè)人工智能教育系列課程。

該校在小學(xué)二年級開設(shè)“走近人工智能”課程，在三年級開設(shè)“AI積木編程智能硬件”課程，在四年級開設(shè)“AI 積木編程啟蒙課”，在五年級開設(shè)“AI 積木編程互動游戲”課程并融入新課程理念。這些課程采用單元主題教學(xué)模式，由學(xué)生根據(jù)自己的興趣進行自主選擇，將現(xiàn)有的信息科技課程教學(xué)內(nèi)容與人工智能教育課程相結(jié)合，將信息科技課程的六條邏輯主線貫穿其中。

在教學(xué)實踐過程中，由各實驗學(xué)校組織有信息科技學(xué)科教學(xué)背景的教師組成了人工智能課程實踐應(yīng)用教研組，這些教師與人工智能教育課程設(shè)計專家一起通過線上線下結(jié)合的方式開展“研究共同體”模式的教研活動，并適時開展人工智能教育課程的教學(xué)觀摩活動。各校鼓勵教師們把自我學(xué)習(xí)、教學(xué)實踐和課題研究有機結(jié)合起來。

在課題研究中，順義區(qū)形成了一批區(qū)域內(nèi)人工智能教育優(yōu)質(zhì)示范課程資源，將“計算思維”培養(yǎng)深深融入課程的整體設(shè)計中。學(xué)生使用語言描述問題解決過程，使用流程圖結(jié)構(gòu)化表達解決問題的思路，通過人工智能模塊的編程平臺進行設(shè)計，動手制作完成作品，最后進行作品的效果評估，并迭代修訂自己的設(shè)計方案，這很好地呈現(xiàn)了課題研究的核心問題。

以“我的智能小家”單元主題課程為例，課程共包括4個課時。該單元的設(shè)計圍繞創(chuàng)新思維能力和信息科技學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)來進行，通過暢想智能家居到智能小家的編程實現(xiàn)，著力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力、計算思維以及信息意識（圖2）。

本課題在研究過程中形成了基于信息科技課程核心素養(yǎng)要求的具有區(qū)域特色的人工智能教育課程教學(xué)案例，帶動了全區(qū)學(xué)校人工智能教學(xué)的開展。

小學(xué)人工智能教育課程實施的評價及效果

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維顯得越發(fā)必要，開展基于計算思維培養(yǎng)的人工智能教育勢在必行。本研究共同體一方面促進了順義區(qū)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)與相關(guān)研究的開展；另一方面形成了優(yōu)質(zhì)示范課案例，為其他地區(qū)的人工智能教育發(fā)展提供了借鑒。

本研究將以計算思維培養(yǎng)為核心的人工智能教育融入信息科技課程教學(xué)，提出了以計算思維培養(yǎng)為核心的小學(xué)人工智能課堂教學(xué)的一般流程：互動游戲?qū)搿橄竽Ｐ汀灾髟O(shè)計→創(chuàng)意設(shè)計→成果分享。該流程有較強的實踐導(dǎo)向，對一線教師的教學(xué)具有一定的理論參考價值。

順義區(qū)形成了一批人工智能教育優(yōu)質(zhì)示范課程，加強了與其他區(qū)的相關(guān)經(jīng)驗交流。如在2022年，研究組成員馬崢代表順義區(qū)赴昌平區(qū)開展了人工智能與編程結(jié)合的教學(xué)示范課——“歡迎來到我的課堂”。該課讓學(xué)生感知生活中常見的人臉識別，初步理解了人臉識別的基本過程包括建立人臉庫、人臉的關(guān)鍵特征提取和匹配與預(yù)測性輸出，并且使用AISpark平臺進行了人工智能的應(yīng)用實踐，設(shè)計了屬于自己的人工智能人臉識別程序。這讓學(xué)生在充滿趣味的課堂上，以項目式學(xué)習(xí)方式整體感知、理解、應(yīng)用了人臉識別。其中的核心內(nèi)容計算思維培養(yǎng)融入這節(jié)課的整體設(shè)計中，學(xué)生們使用自然語言描述問題解決過程，使用流程結(jié)構(gòu)化表達解決問題的思路，通過帶有人工智能能力的編程學(xué)習(xí)平臺進行創(chuàng)作，實踐自己的問題解決思路，最后進行解決方案的效果評估，并迭代修訂自己的問題解決方案。

另一位研究組成員王蕾執(zhí)教的“AISpark 召喚神獸”一課也在全國游戲化教學(xué)交流會上進行了展示。同時，研究組其他成員將研究所得撰寫為論文，投稿到“全球華人計算機教育應(yīng)用大會”，其中的多篇文章得到錄用，并在工作坊進行發(fā)表；或?qū)⒄n題研究成果形成的論文投稿到“2020年中國教育技術(shù)協(xié)會教育游戲?qū)I(yè)委員會學(xué)術(shù)年會”，文章被錄用后，進行了在線發(fā)表。這些都為其他學(xué)校開展人工智能教學(xué)實踐提供了經(jīng)驗與借鑒。

以計算思維培養(yǎng)為核心的人工智能教育展望

人工智能教育已經(jīng)成為教育熱點，也是當(dāng)前的一個社會熱點，推進人工智能教育對于我國長期的人工智能人才培養(yǎng)具有重要的基礎(chǔ)性作用。同時，開展人工智能教育也是發(fā)展教師和學(xué)生的信息素養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生的科技學(xué)習(xí)興趣和培養(yǎng)綜合創(chuàng)新能力的重要手段。

本研究提出的“基于計算思維培養(yǎng)的人工智能教育實踐研究”依托北京大學(xué)人工智能教育實驗室開發(fā)的平臺，圍繞學(xué)生的計算思維發(fā)展，在實驗學(xué)校開展了應(yīng)用研究。相關(guān)數(shù)據(jù)分析表明，以計算思維培養(yǎng)為核心的人工智能教育課程的實施對于整體提升實驗學(xué)校學(xué)生的計算思維具有積極作用。但是，目前的研究中還存在影響不同年級的教學(xué)效果差異的機制不明確以及數(shù)據(jù)結(jié)果的穩(wěn)定性有待驗證等問題。

未來，針對當(dāng)前研究中存在的不足，順義區(qū)將繼續(xù)通過數(shù)據(jù)分析并結(jié)合師生訪談、課堂觀察和教學(xué)內(nèi)容分析等研究方式，探究在人工智能教育課程實施過程中影響學(xué)生計算思維發(fā)展的因素，開發(fā)更多的以計算思維培養(yǎng)為核心的人工智能教育課程，建立以計算思維培養(yǎng)為核心的人工智能教育的影響機制模型，推動小學(xué)人工智能教育的科學(xué)實施。

注：本文系北京市教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度課題“區(qū)域?qū)嵤┮杂嬎闼季S培養(yǎng)為核心的小學(xué)人工智能教育實踐研究”（課題編號：CDDB2020353）的研究成果