擦亮新一代人工智能教育的底色

鐘柏昌　李惠乾

當(dāng)前，中小學(xué)人工智能課程主要依托信息科技課、機(jī)器人與創(chuàng)客教育社團(tuán)等方式開展。一直以來上述課程在內(nèi)容設(shè)計(jì)上存在交叉重合，導(dǎo)致人工智能教育的泛化。隨著新一代人工智能技術(shù)和教育平臺(tái)的豐富，人工智能課程應(yīng)當(dāng)與時(shí)俱進(jìn)，把學(xué)生利用人工智能技術(shù)解決真實(shí)問題的完整過程，并由此理解人工智能技術(shù)的本質(zhì)，作為人工智能教育的底色，體現(xiàn)人工智能課程的獨(dú)特教育價(jià)值和魅力，真正促進(jìn)學(xué)生人工智能素養(yǎng)的培養(yǎng)。令人高興的是，我們?cè)谥袊?guó)科協(xié)青少年科技中心、中國(guó)青少年科技教育工作者協(xié)會(huì)等單位共同主辦的2023 年全國(guó)青少年人工智能創(chuàng)新實(shí)踐交流展示會(huì)上，看到了一批（共17 個(gè)）具有代表性的人工智能創(chuàng)新教學(xué)案例，為中小學(xué)人工智能課程的健康發(fā)展帶來了諸多啟示。圖1 顯示了這17 個(gè)案例的所屬學(xué)段、內(nèi)容主題、人工智能技術(shù)類型和教學(xué)方式的分布關(guān)系，表明教師能夠面向多種主題場(chǎng)景，采用多類人工智能技術(shù)開展多元化的教學(xué)探索。本文將基于這些獲獎(jiǎng)案例的亮點(diǎn)與不足，探討教師應(yīng)當(dāng)如何在教學(xué)中擦亮人工智能教育的底色。

問題情境：體現(xiàn)人工智能技術(shù)優(yōu)勢(shì)

如同新課標(biāo)倡導(dǎo)真實(shí)性學(xué)習(xí)一樣，讓學(xué)生經(jīng)歷利用人工智能解決真實(shí)問題的完整過程也是新一代人工智能教育的核心要義。為此，問題情境的有效設(shè)計(jì)是重要前提。好的問題情境能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)建構(gòu)；而不當(dāng)?shù)膯栴}情境，雖能產(chǎn)生課堂互動(dòng)，卻難以喚醒學(xué)生的問題意識(shí)，甚至走向解決偽問題的歧途。當(dāng)前中小學(xué)人工智能教學(xué)多以問題或項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，教師在提出問題時(shí)能夠考慮到人工智能技術(shù)應(yīng)用的情境性、價(jià)值性與可行性，但對(duì)為何采用人工智能技術(shù)而不是其他信息技術(shù)解決這一問題，缺少說明或者分析不到位。

在“人工智能預(yù)測(cè)出行”案例中，教師通過3 個(gè)學(xué)習(xí)任務(wù)引入項(xiàng)目主題：任務(wù)1，思考如何緩解學(xué)校門口交通擁堵現(xiàn)象；任務(wù)2，探析學(xué)生的出行方式及其影響因素；任務(wù)3，通過案例分析對(duì)比傳統(tǒng)方法和人工智能技術(shù)在預(yù)測(cè)學(xué)生出行方面的差異，分析人工智能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)?；诖?，教師布置了“出行預(yù)測(cè)小助手”的設(shè)計(jì)與制作任務(wù)。總體而言，該問題情境緊扣真實(shí)問題解決，注重發(fā)揮人工智能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，有較好的參考價(jià)值。

在初中案例“中藥茶飲智能識(shí)別搭配小助手”中，教師創(chuàng)設(shè)了這樣的問題情境：首先指出許多學(xué)生在秋天出現(xiàn)咳嗽、咳痰等癥狀時(shí)，家長(zhǎng)會(huì)用菊花、金銀花、枸杞等中藥給學(xué)生泡中藥茶飲以緩解癥狀；接著教師提問學(xué)生自己在家想泡中藥茶飲又不知從何入手時(shí)應(yīng)該怎么辦；最后教師引出驅(qū)動(dòng)性問題“如何利用人工智能技術(shù)幫助我們認(rèn)識(shí)家中的中藥并根據(jù)藥性搭配茶飲？”看上去，這一問題的提出自然順暢，且利用人工智能技術(shù)搭配中藥茶飲也頗有新意，難能可貴。但也值得商榷，因?yàn)檫@個(gè)問題的核心是如何自動(dòng)識(shí)別中藥的品類，那是否必須利用人工智能技術(shù)？一方面，家里購(gòu)買的適用于泡制茶飲的中藥一般是常見品類，不僅種類有限，也較容易識(shí)別；另一方面，購(gòu)買的家用中藥一般都有中藥名稱和藥性說明，或者經(jīng)過簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)檢索也能獲得相關(guān)信息。如是，利用人工智能技術(shù)解決問題的必要性不足，無法讓學(xué)生真正體會(huì)人工智能的優(yōu)勢(shì)。如若教師將問題情境的重點(diǎn)設(shè)在茶飲搭配的效率和準(zhǔn)確度上，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比探析利用傳統(tǒng)方法與人工智能技術(shù)搭配茶飲的差異，便可能讓學(xué)生充分體會(huì)到人工智能的優(yōu)勢(shì)。

筆者曾撰文指出，技術(shù)應(yīng)用要尊重現(xiàn)實(shí)生活中的真實(shí)需求和解決問題的現(xiàn)實(shí)路徑，不能為用技術(shù)而虛設(shè)情境[1]。為此，教師在設(shè)計(jì)人工智能教學(xué)的問題情境時(shí)，需要真實(shí)體現(xiàn)人工智能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，引導(dǎo)學(xué)生批判性看待與選用人工智能技術(shù)，而不僅是停留于“能用則用”，或者片面求新、求異。

教學(xué)目標(biāo)：聚焦人工智能素養(yǎng)培養(yǎng)

相較于傳統(tǒng)的編程教育、機(jī)器人教育和創(chuàng)客教育，人工智能教育需要采用新的實(shí)踐平臺(tái)和創(chuàng)作工具。與此同時(shí)，人工智能素養(yǎng)培養(yǎng)成為中小學(xué)人工智能教學(xué)的出發(fā)點(diǎn)和最終旨?xì)w。作為教學(xué)的指南針，人工智能課程教學(xué)應(yīng)當(dāng)以素養(yǎng)為導(dǎo)向，緊密圍繞學(xué)生人工智能素養(yǎng)的培養(yǎng)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動(dòng)。反之，如果教學(xué)目標(biāo)停留于工具使用和技能訓(xùn)練，就難以塑造學(xué)生的人工智能認(rèn)知和思維，甚至混淆新一代人工智能技術(shù)和傳統(tǒng)信息技術(shù)的本質(zhì)區(qū)別。

以往的教學(xué)案例大多從三維目標(biāo)角度，或是圍繞信息科技／信息技術(shù)課程的四大核心素養(yǎng)設(shè)定教學(xué)目標(biāo)。雖然這兩種方式都有其合理性，但均不利于深入揭示人工智能素養(yǎng)的核心要素。如何在教學(xué)目標(biāo)中體現(xiàn)人工智能素養(yǎng)的核心要素呢？“嬰兒情緒識(shí)別系統(tǒng)”案例作出了有益的嘗試。在該案例中，教師參照《中小學(xué)人工智能課程指南》中的中小學(xué)人工智能核心素養(yǎng)[2]，以嬰兒情緒的智能識(shí)別為內(nèi)容主線，將智能意識(shí)、智能思維、智能應(yīng)用與創(chuàng)造、智能社會(huì)責(zé)任4 個(gè)要素融入教學(xué)目標(biāo)中。

通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生將初步具備如下人工智能素養(yǎng)：

了解人工智能對(duì)社會(huì)發(fā)展的作用，具有主動(dòng)解決問題、掌握核心技術(shù)的意識(shí)（智能意識(shí)）

針對(duì)待解決的問題，能夠?qū)⑵浞纸鉃槿舾尚∪蝿?wù)，合理設(shè)計(jì)相關(guān)算法（比如表情或哭聲檢測(cè)）并通過編程實(shí)現(xiàn)（智能思維）

能描述典型圖像分類算法的實(shí)現(xiàn)過程，學(xué)會(huì)訓(xùn)練和優(yōu)化圖像分類模型，并能根據(jù)實(shí)際需要配置適當(dāng)?shù)沫h(huán)境、參數(shù)及自然交互方式等（智能思維）

了解特定領(lǐng)域（如機(jī)器學(xué)習(xí)）人工智能應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)工具和開發(fā)平臺(tái)，通過搭建簡(jiǎn)單的人工智能應(yīng)用模塊，親歷設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單智能系統(tǒng)的基本過程與方法（智能應(yīng)用與創(chuàng)造）

認(rèn)識(shí)算法對(duì)解決問題的重要性，懂得合理的使用和保護(hù)嬰兒的人臉和聲音等隱私數(shù)據(jù)，知道發(fā)展人工智能應(yīng)遵循的倫理、道德、安全問題，合理地與人工智能開展互動(dòng)（智能社會(huì)責(zé)任）

總體而言，以上5 個(gè)教學(xué)目標(biāo)指向清晰，綜合表現(xiàn)了學(xué)生在人工智能學(xué)習(xí)過程中形成的知識(shí)與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀，并凸顯了項(xiàng)目式學(xué)習(xí)在體系化塑造學(xué)生人工智能素養(yǎng)方面的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，盡管教師已有意識(shí)地增強(qiáng)了語言表達(dá)的規(guī)范性，但仍然存在模糊的表述，不利于理解、測(cè)量與評(píng)價(jià)。例如“了解人工智能對(duì)社會(huì)發(fā)展的作用，具有主動(dòng)解決問題、掌握核心技術(shù)的意識(shí)”可修改為“能舉例描述人工智能對(duì)社會(huì)發(fā)展的作用，并說出主動(dòng)解決問題、掌握核心技術(shù)的必要性和重要意義”；而“了解特定領(lǐng)域（如機(jī)器學(xué)習(xí)）人工智能應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)工具和開發(fā)平臺(tái)”可修改為“能列出2 ～ 3 個(gè)常見的人工智能應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)工具和平臺(tái)”。

此外，還有兩種情況值得教師留意。一是在教學(xué)目標(biāo)中將人工智能平臺(tái)操作、制作人工智能數(shù)據(jù)集、開發(fā)人工智能科技創(chuàng)新作品等具體目標(biāo)與人工智能素養(yǎng)目標(biāo)并列呈現(xiàn)，表明教師尚未準(zhǔn)確把握人工智能素養(yǎng)的內(nèi)涵及構(gòu)成要素，割裂了工具使用與素養(yǎng)提升之間的有機(jī)關(guān)系。二是在教學(xué)目標(biāo)中同時(shí)列出信息科技核心素養(yǎng)目標(biāo)和生物核心素養(yǎng)目標(biāo)，卻沒有具體描述人工智能素養(yǎng)目標(biāo)。面向真實(shí)問題解決的人工智能課程教學(xué)，必然涉及多學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)，但主次要分清，人工智能本身的內(nèi)容應(yīng)該是第一位的。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)：彰顯人工智能內(nèi)在本質(zhì)

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)以其開放性、靈活性和生成性特點(diǎn)，已成為當(dāng)前主流的人工智能教學(xué)模式之一。大多數(shù)教師在設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)方案時(shí)，能夠體現(xiàn)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的主要環(huán)節(jié)（需求分析、方案設(shè)計(jì)、作品實(shí)現(xiàn)與測(cè)試、作品分享與評(píng)價(jià)），同時(shí)注重“教—學(xué)—評(píng)”一體化的要求。在內(nèi)容選擇與任務(wù)設(shè)計(jì)方面，教師也能夠區(qū)分新一代人工智能教育與傳統(tǒng)創(chuàng)客教育、機(jī)器人教育的區(qū)別，在項(xiàng)目任務(wù)中突出了數(shù)據(jù)集制作、模型訓(xùn)練、模型推理、模型部署與應(yīng)用等知識(shí)的學(xué)習(xí)，彰顯了人工智能模擬人類智能處理任務(wù)的本質(zhì)。

例如在前述“中藥茶飲智能識(shí)別搭配小助手”案例中，教師將學(xué)習(xí)項(xiàng)目劃分為9 個(gè)模塊：①初識(shí)人工智能；②分析問題，設(shè)計(jì)方案；③制作數(shù)據(jù)集；④訓(xùn)練分類模型；⑤探究提升模型準(zhǔn)確性的方法；⑥優(yōu)化模型并推理測(cè)試；⑦人工智能多模態(tài)部署；⑧項(xiàng)目?jī)?yōu)化與迭代；⑨項(xiàng)目分享、評(píng)價(jià)與拓展。可見該案例非常重視學(xué)生經(jīng)歷數(shù)據(jù)集制作、模型訓(xùn)練、模型推理、模型部署與應(yīng)用的完整過程，有利于學(xué)生在解決問題的過程中理解人工智能的本質(zhì)。然而，我們發(fā)現(xiàn)在小學(xué)和高中項(xiàng)目案例中同樣能找到相似的學(xué)習(xí)內(nèi)容和相同的技術(shù)工具。例如小學(xué)案例“校園路口‘小交警”的主要內(nèi)容也是學(xué)習(xí)圖像分類、人工智能數(shù)據(jù)集制作、人工智能模型推理與訓(xùn)練、人工智能應(yīng)用部署等。再如高中案例“神農(nóng)百草”將學(xué)習(xí)項(xiàng)目分為圖像分類、數(shù)據(jù)集制作、模型訓(xùn)練與推理、模型轉(zhuǎn)換與應(yīng)用部署測(cè)試、硬件設(shè)計(jì)及項(xiàng)目應(yīng)用部署等環(huán)節(jié)。在不同的學(xué)段采取同樣的學(xué)習(xí)內(nèi)容和技術(shù)工具，就單個(gè)案例而言是合理的，但就整個(gè)人工智能教育體系而言顯然存在明顯的重復(fù)式學(xué)習(xí)，乃至某種形式的千篇一律。

人工智能素養(yǎng)的培養(yǎng)是一個(gè)復(fù)雜抽象的過程，人工智能教育需要循序漸進(jìn)、層層深入，以保障素養(yǎng)培育的針對(duì)性和有效性。筆者曾撰文提出6 層人工智能教育進(jìn)階模型，從低階到高階分別為人工智能功能體驗(yàn)、人工智能模型理解、人工智能模型應(yīng)用、人工智能模型綜合、人工智能要素重組和人工智能算法創(chuàng)新[3]。其中前5 層面向中小學(xué)生，第6 層面向高校學(xué)生。教師可根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平狀況和具體的問題情境特點(diǎn)，采用不同抽象程度的人工智能創(chuàng)作工具，分層分類設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生在解決問題的過程中逐層探索人工智能的技術(shù)思想。

教學(xué)實(shí)施：保障人工智能教學(xué)條件

相較于傳統(tǒng)科目，人工智能教學(xué)需要具備良好的人工智能軟硬件資源和穩(wěn)定流暢的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，且對(duì)師生的專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備和數(shù)字素養(yǎng)要求較高。當(dāng)前，多數(shù)教師能夠成功地將項(xiàng)目計(jì)劃付諸實(shí)踐，并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行有效探索。例如在“智能植物考察之旅”案例中，教師為學(xué)生提供了平板電腦、“生動(dòng)科學(xué)”增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件、掌控板、土壤濕度傳感器、攝像頭和圖像分類模塊等軟硬件資源，并輔以學(xué)習(xí)任務(wù)單，指導(dǎo)學(xué)生對(duì)植物考察旅途中遇到的植物進(jìn)行智能識(shí)別，并模擬種子的萌芽和生長(zhǎng)過程。而“用人工智能設(shè)計(jì)‘劇本殺”案例則指導(dǎo)學(xué)生利用“商量SenseChat”“秒畫SenseTime”等生成式人工智能（AIGC）工具進(jìn)行文本和圖像創(chuàng)作，帶領(lǐng)學(xué)生解鎖“人機(jī)共創(chuàng)”的新玩法。

然而由于缺乏必要的條件，部分案例停留于構(gòu)想與模擬階段，還有一部分案例雖然能夠勉強(qiáng)實(shí)施，但淺層化教學(xué)現(xiàn)象比較突出，甚至出現(xiàn)“爛尾工程”。在“生活中的果物識(shí)別”案例中，教師在總結(jié)首輪實(shí)施效果時(shí)指出，由于學(xué)習(xí)項(xiàng)目對(duì)學(xué)生的實(shí)踐能力要求較高，部分學(xué)生僅能依照教程完成示例任務(wù)，難以較好地結(jié)合生活實(shí)際創(chuàng)作新的人工智能作品，且由于缺乏課時(shí)，學(xué)生未能完成硬件部署任務(wù)。又如“人工智能預(yù)測(cè)出行”案例指出，教學(xué)實(shí)施中遇到服務(wù)器訪問量限制，導(dǎo)致部分學(xué)生無法登錄平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)體驗(yàn)。為此，我們特別建議教師一方面要積極爭(zhēng)取學(xué)校的支持，另一方面要做到因時(shí)、因課、因人制宜，在實(shí)際條件范圍內(nèi)設(shè)計(jì)具有可行性的學(xué)習(xí)任務(wù)。

教學(xué)評(píng)價(jià)：開展有依據(jù)的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)

教學(xué)評(píng)價(jià)是檢驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)達(dá)成情況的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是實(shí)現(xiàn)“教—學(xué)—評(píng)”一體化的應(yīng)然要求。人工智能教學(xué)強(qiáng)調(diào)“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”，獲取學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的“證據(jù)”，開展證據(jù)導(dǎo)向的素養(yǎng)評(píng)價(jià)是人工智能教學(xué)評(píng)價(jià)的重點(diǎn)[4]。

除個(gè)別案例外，大多數(shù)教學(xué)案例都設(shè)置了學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)任務(wù)模塊，體現(xiàn)出該教師對(duì)人工智能教學(xué)評(píng)價(jià)的重視。在評(píng)價(jià)內(nèi)容方面，教師設(shè)計(jì)了作品評(píng)價(jià)、學(xué)習(xí)過程評(píng)價(jià)和人工智能素養(yǎng)評(píng)價(jià)。在評(píng)價(jià)方式方面，教師積極開展學(xué)生自評(píng)、互評(píng)及教師評(píng)價(jià)的多元主體評(píng)價(jià)，并將過程性評(píng)價(jià)與總結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合，充分發(fā)揮評(píng)價(jià)對(duì)人工智能教學(xué)的導(dǎo)向功能。然而，在評(píng)價(jià)依據(jù)方面，大多數(shù)教師沒有說明評(píng)價(jià)依據(jù)來源，評(píng)價(jià)量表的設(shè)計(jì)較為主觀。筆者曾撰文構(gòu)建了人工智能素養(yǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，包括人工智能知識(shí)、人工智能情感和人工智能思維3 個(gè)一級(jí)指標(biāo)，以及若干個(gè)二級(jí)指標(biāo)和三級(jí)指標(biāo)[5]，可供教師參考借鑒。

參考文獻(xiàn)

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