人工智能在中學信息技術教育中的探究與實踐

陳寧波

隨著以人工智能為代表的智能技術的蓬勃發(fā)展，人類社會的生產(chǎn)方式、生活方式和思維方式發(fā)生了改變，人類和人工智能機器正進入一個人類與機器協(xié)作、融合、共同發(fā)展的嶄新時代。2017年《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》發(fā)布，此次發(fā)布對于人工智能發(fā)展帶來的教育教學領域的挑戰(zhàn)和由此引發(fā)的教育教學改革，以及人工智能+教育的發(fā)展途徑進行了分析和展望。這些探討為中學信息技術的智能教育指明了發(fā)展方向。

國務院關于印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》（國發(fā)〔2017〕35號）要求全面提升我國智能化轉(zhuǎn)型速度，指明了未來人工智能發(fā)展的戰(zhàn)略部署和總體任務，掀起了人工智能技術應用的浪潮。人工智能是對人的意識、思維等信息過程的模擬。人工智能作為引領新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要驅(qū)動力，也為我們探尋教育的現(xiàn)代化提供了借鑒和參考?？倳洀娬{(diào)，“中國高度重視人工智能對教育的深刻影響，積極推動人工智能和教育深度融合，促進教育變革創(chuàng)新”。信息科技是現(xiàn)代科學技術領域的重要部分，2022年版的新課程方案落實了中央要求的將信息科技課程獨立出來，充分體現(xiàn)了中央對信息科技發(fā)展的重視。人工智能+中學信息技術教育教學將有效促進信息科技學科教育教學的變革創(chuàng)新。

一、現(xiàn)狀分析

人工智能正在推動經(jīng)濟社會各領域從數(shù)字化、網(wǎng)絡化向智能化加速躍升，引領新一輪科技革命。世界各國正在規(guī)劃或?qū)で笸ㄟ^人工智能提升國家的競爭力的方案。一些發(fā)達國家圍繞人工智能的核心技術規(guī)范、高端人才培養(yǎng)、人工智能標準出臺了相關政策和法律法規(guī)?！蛾P于全面深化新時代教師隊伍建設改革的意見》明確提出，教師要主動適應信息化、人工智能等新技術變革，積極有效開展教育教學。人工智能方向的教學研究和應用正日益受到重視，并在相關配套政策和激勵機制下取得了長足發(fā)展，如深圳的大疆教育。通過人工智能技術賦能教育教學改革，改進教學方法，提高教學質(zhì)量，促進學生發(fā)展，極具現(xiàn)實意義。人工智能與信息技術教育融合發(fā)展已經(jīng)成為信息技術教育領域重要的研究方向。

二、機遇與挑戰(zhàn)

毋庸置疑，人工智能的飛速發(fā)展對于人們的生產(chǎn)工作、日常生活、學習交流等領域產(chǎn)生了較大的影響，教育也必將產(chǎn)生相關反應，人工智能與教育的融合發(fā)展日趨加劇，必將由量變產(chǎn)生質(zhì)變，共同推動兩者的發(fā)展。作為新時代的教師，只有準確地認識其中的變與不變，科學地尋求應變方法，主動投身于這場變革中，在教育教學中融合人工智能相關技術、方法、思維，才能更好地支撐教育的高質(zhì)量發(fā)展。

（一）人工智能+教育，變革教育生態(tài)

隨著大數(shù)據(jù)技術的發(fā)展，教育資源得到了豐富，教育在人工智能技術的賦能下生機勃勃，教育效率得到飛速提升。在人工智能技術的支撐下，虛擬現(xiàn)實技術可以幫助學生在歷史課上走進虛擬的古代世界，在虛擬的世界中探尋古人的發(fā)展歷程；音樂課上，虛擬數(shù)字人帶領孩子們同聲高唱；體育課上，智能終端實時顯示學生運動時的心率、血壓和心肺功能的變化。借助虛擬現(xiàn)實技術，學生可以體驗行走宇宙，感受星河的魅力。教師借助人工智能的智能圖像識別技術進行智能閱卷，可以實現(xiàn)快速檢測卷子的空白處和疑似雷同處，有效減少教師的閱卷工作量，將教師從繁重的批改作業(yè)和閱卷工作中解放出來。此外，人機交互技術可以協(xié)助教師為學生開展在線答疑解惑。

在信息技術教學中，人工智能通過對學生在學習過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進行持續(xù)、客觀地分析，開展學生的差異化管理，針對學生學習實際和存在的不足開展有針對性的個性化輔助導學。教師可以通過大數(shù)據(jù)分析學生的學習行為、學習習慣、思維的形成過程等，針對學生的個性化需求因材施教地進行教學，以適應學生的個性發(fā)展需求，提高學生的學習興趣，提高學生主動學習的積極性，有效助力學生沉浸式地學習和深度學習，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，為創(chuàng)新人才培養(yǎng)做鋪墊。

（二）人工智能挑戰(zhàn)當前的教育生態(tài)

2017年高考進行了一次人工智能高考測試，人工智能機器人在10分鐘完成了數(shù)學試卷，滿分為150分的卷子人工智能機器人獲得了105分的高分，測試結(jié)果一經(jīng)公布立刻引發(fā)了人們對當前教育的思考。人工智能正悄悄地改變我們的教育教學方式，并為多個領域帶來了挑戰(zhàn)，如何把握人工智能驅(qū)動下的未來教育，“培養(yǎng)什么人”的問題非常關鍵。這也成為教育者越來越關注的話題。

研究表明，人工智能技術在許多領域得到了長足發(fā)展和廣泛應用，但在認知智能方面仍待發(fā)展，目前人工智能尚不能代替教師，但可以有效提高教學效率。人工智能技術運用在教育教學、學生練習、考試測驗、多元評價等方面，可以有效幫助教師開展教學工作。在人工智能技術支持下的虛擬與現(xiàn)實融合的場景式、沉浸式教學可以幫助學生有效開展深度學習。人工智能賦能教育可以讓教學實施更有成效，教師應當主動擁抱人工智能帶來的變化，將人工智能與學科教學、學生發(fā)展結(jié)合起來認真探索、不斷總結(jié)。

三、人工智能時代教育發(fā)展

（一）人工智能教育如何進校園

自從《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》發(fā)布以后，人工智能作為教育教學創(chuàng)新工具和信息技術學科的教學內(nèi)容在教育領域不斷融合發(fā)展。教育信息化專家任友群認為人工智能將對教育的發(fā)展產(chǎn)生深遠影響，人工智能教育要從娃娃抓起，從基礎入手，開展人工智能的啟蒙教育；要幫助孩子們充分感受、體驗人工智能技術，學會應用人工智能技術；要在教學上分層次開展編程教學，幫助孩子學會用計算思維的方式發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，培養(yǎng)孩子的計算思維和創(chuàng)新思維。

信息技術課程強調(diào)學生計算思維的培養(yǎng)，課程中的編程語言是一把鑰匙，它通過計算思維來理解科技世界，因此掌握了編程語言可以更好地理解科技世界，更好地開發(fā)人工智能。為推動人工智能相關課程在中小學階段性的開展，我市在“三無”課程即無合適教材、無課程標準、無課程評價的背景下，組織開展中小學人工智能課程開發(fā)標準（試行）學習研討。邀請廈門大學多位專家教授和大疆教育講師開展理論與實踐相結(jié)合的人工智能學習培訓。定期開展人工智能沙龍活動，為人工智能課程進校園夯基累土。我市充分利用信息技術課程、人工智能沙龍活動、送教下?；顒印⑿１净顒雍腿斯ぶ悄芷占罢n程等形式開展人工智能相關課程的普及與推廣活動，讓人工智能課程走進中小學生課堂。

教育要做到立德樹人。在做好學生的計算思維和人工智能思維培養(yǎng)的同時，我們還要重視倫理價值取向的教育，在回答諸如“如何提升人工智能給人類帶來的幸福感，減少憂慮”此類問題的時候，學生運用批判性思維在虛擬與現(xiàn)實交錯的情境中進行實際問題的求解，在更高的站位、從科學和人文的角度審視這個問題，樹立基于人工智能社會適應自身發(fā)展的價值觀。

（二）信息技術支持下的人工智能教育

2021年底中國教育學會中小學信息技術教育專業(yè)委員會發(fā)布了《中小學人工智能課程開發(fā)標準（試行）》，中小學人工智能教育對于內(nèi)容和培養(yǎng)路徑終于有了明確的標準。教育部辦公廳《關于開展人工智能助推教師隊伍建設行動試點工作的通知》（教師廳〔2018〕7號）指出要推動教師主動適應、應用人工智能及其相關技術。通過人工智能開展一系列的教學研究和教學創(chuàng)新，創(chuàng)新人工智能方向的培養(yǎng)模式，培養(yǎng)造就一批具有新思維、新技術的創(chuàng)新型教師。我市教師主動適應人工智能融入學校教育的發(fā)展趨勢，以人工智能核心主題和核心實踐為課程內(nèi)容，幫助學習者推進人工智能學習工作，積極開展人工智能與學科融合的實踐活動，在此基礎上對人工智能與信息技術深度融合的新型教學模式進行實踐探究，并積累了一定量的創(chuàng)客類教育課程實踐經(jīng)驗，總結(jié)出了三個階段、十個任務的人工智能活動開展范式。

在準備階段，創(chuàng)設情境，提出問題；分組研討，確定主題；確定方案，合理分工。教師創(chuàng)設問題情境，引導學生開展研討，提出研究問題，學生分組調(diào)研、分析問題，通過論證解決問題，有助于培養(yǎng)學生的問題解決能力。各組根據(jù)項目主題對既定問題開展線下和線上調(diào)查，結(jié)合本組的興趣和特長選定項目。根據(jù)項目調(diào)查情況列出項目清單，匯總并整理出調(diào)查材料，開展交流研討。在教師引導下，學生根據(jù)項目的學習和實施難度、項目間知識與技能的關聯(lián)性進行排序，確定各組項目流程。各組對項目的科學性、合理性和創(chuàng)新性進行再論證，并研究確定項目計劃。依據(jù)計劃和個人特長對項目進行合理分工，責任到人。

在實施階段，創(chuàng)意設計，資料匯總，設計算法，調(diào)試完善，開展研究性學習。學生依據(jù)設計思維的5個步驟即同理心、需求定義、創(chuàng)意構(gòu)思、原型實現(xiàn)、實際測試，有序開展項目的系統(tǒng)設計。根據(jù)設計收集、整理共享文件包并組織組員進行學習和完善。根據(jù)計算思維的流程即分解、抽象、算法、調(diào)試、迭代、泛化等對項目進行創(chuàng)意算法設計，采用圖形化編程軟件進行編程，在數(shù)字化工具的輔助下完善項目。通過設計研究性記錄表、建立項目文件夾、建立UMU網(wǎng)絡研究記錄課程等渠道，引導學生翔實記錄項目研究過程中發(fā)現(xiàn)問題、探究記錄、關鍵資料、實驗結(jié)論、操作步驟等過程性材料，以便進行項目管理。開展研究性學習交流有助于培養(yǎng)學生的邏輯思維和系統(tǒng)思維。

在總結(jié)階段，制作項目文檔，匯報交流，多元評價。參考省級智能設計大賽的文檔格式，對項目背景、團隊分工、主要硬件清單、作品制作過程、成品介紹、使用說明、演示視頻等逐一進行介紹。通過匯報展示進行思維碰撞，有利于學生的思維培養(yǎng)。同時，開展多元評價，拓展思維，促進學生發(fā)展。

（三）人工智能教育如何培養(yǎng)未來人才

人工智能賦能教育使得高質(zhì)量的泛在學習成為可能。此外，人工智能使得認知不僅在個體的思考中，還存在于人人溝通、人機交互中。通過虛擬智能設備的賦能，使得學習者與學習者、學習者與導師、學習者與人工智能之間的關系發(fā)生了變化，在線上和線下、虛擬與現(xiàn)實之間的交互切換中改變了原有的教育形態(tài)和學習形態(tài)。

為適應智能時代人才培養(yǎng)要求，必須著手構(gòu)建相應課程教材體系，推動教學改革，切實轉(zhuǎn)變學校人才培養(yǎng)方式。這主要包括三個方面：一是基于學生發(fā)展核心素養(yǎng)，圍繞人才培養(yǎng)重新建構(gòu)課程新樣態(tài)，基于新樣態(tài)建構(gòu)學習與生活邏輯統(tǒng)一的全新的課程體系。二是從培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)以及創(chuàng)新型、復合型、應用型人才培養(yǎng)的需要出發(fā)，豐富教材種類，增強教材的適應性，遴選教學材料。三是聚焦學生發(fā)展核心素養(yǎng)，充分利用各種智能設備，將線上學習與線下學習、集中學習與分散學習、課堂學習與場館學習等多種學習方式結(jié)合起來，創(chuàng)造更加適合每一名學生所需的教育，改進教學方式。

人工智能大時代來臨時，從兒童開始做AI教育，讓孩子“玩中學，做中學”，培養(yǎng)其對人工智能的濃厚興趣，孩子們將在人工智能時代游刃有余，如魚得水。我市開設的人工智能活動中，孩子們時而在無人機的單機操作或編隊飛行中體悟編程帶來的樂趣，時而在機甲大師的對戰(zhàn)中領悟團隊學習的重要。在核心主題與實踐的引導下，通過創(chuàng)設真實或虛擬現(xiàn)實的任務情境開展項目式學習，采用任務驅(qū)動、層層遞進的方式，引導學生解決實際問題，有效提高學生的學習興趣，增強學生學習的代入感。通過項目式活動與具體案例，傳播人工智能學科知識，實現(xiàn)四個目標的培養(yǎng)：人工智能意識—提升對人工智能技術的敏感度與理解力；技術應用能力—實踐與探究人工智能技術的應用價值；實踐創(chuàng)新思維—激發(fā)人工智能技術的實踐創(chuàng)新思維；智能社會責任—樹立適應智能社會發(fā)展的責任意識。通過實踐活動，孩子們拓寬了學習的深度和廣度，培養(yǎng)了自主探究能力，拓展了思維空間，為創(chuàng)新思維的培養(yǎng)做足鋪墊。

四、結(jié)語

國家智慧教育平臺匯集了海量的數(shù)據(jù)資源，語音識別、視覺識別等技術世界領先，這些都是我國發(fā)展“人工智能+教育”具備的良好基礎和獨特優(yōu)勢。我們也應看到人工智能技術與教育教學的發(fā)展仍有很大的空間，相關政策和激勵機制的制定應跟上科技飛速發(fā)展的腳步。人工智能賦能信息技術教育仍然是一個需要長期深入研究且充滿潛力和挑戰(zhàn)的探究領域。在技術賦能的時代，我們應堅守傳道、授業(yè)、解惑的本心，理性思考，把握規(guī)律，理解技術，用好技術，努力提高自身的專業(yè)素養(yǎng)和人工智能技術水平，借助人工智能技術做好教育教學工作，推動人工智能與教育教學的融合共發(fā)展，培養(yǎng)新時代的創(chuàng)新人才。