肖海明 朱秋庭 王占秋

《2019全球AI人才報(bào)告》公布了全球最新的AI人才數(shù)據(jù)，中國在21個(gè)世界公認(rèn)的頂級(jí)人工智能會(huì)議上發(fā)表論文的研究人員為2725人，排名世界第二，而排名第一的美國則為15747人，幾乎為我國的6倍。面對國際上日趨緊張的科技競爭趨勢，發(fā)展新一代人工智能已經(jīng)成為我國的重要國家戰(zhàn)略，人工智能領(lǐng)域人才培養(yǎng)是我國獲得人工智能基礎(chǔ)理論的重大突破、發(fā)展人工智能技術(shù)和推動(dòng)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的重要基礎(chǔ)。

自2017年7月國務(wù)院發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，明確要在中小學(xué)開設(shè)人工智能相關(guān)課程以來，教育部和各省市教育行政管理部門發(fā)布了一系列文件，推動(dòng)“人工智能教育進(jìn)校園”。通過對教育部和全國34個(gè)?。ㄊ小⒆灾螀^(qū)）教育行政管理部門公開在網(wǎng)站上的文件進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，截至2019年11月，全國各地共發(fā)布要求中小學(xué)開設(shè)人工智能相關(guān)課程或者鼓勵(lì)中小學(xué)實(shí)施人工智能教育的政策文件、工作計(jì)劃和通知文件多達(dá)257份，其中北京、山東、福建、廣東、河南等省市則直接明確了人工智能教育試點(diǎn)（實(shí)驗(yàn)）區(qū)或者試點(diǎn)（實(shí)驗(yàn)）校的通知文件。

部分學(xué)校依托自有師資力量或者通過購買企業(yè)服務(wù)、與企業(yè)合作開發(fā)等方式，進(jìn)行了有意義的探索。但對該部分學(xué)校的人工智能課程進(jìn)行深入分析發(fā)現(xiàn)，學(xué)校對中小學(xué)人工智能教育有一定的理解偏差，主要表現(xiàn)在以下兩方面：一是將中小學(xué)人工智能課程定位為純粹的技術(shù)課程，過早地將大學(xué)時(shí)期甚至研究生階段才能學(xué)習(xí)的理論知識(shí)呈現(xiàn)到基礎(chǔ)知識(shí)儲(chǔ)備不足、認(rèn)知能力尚待發(fā)展的中小學(xué)生面前，導(dǎo)致學(xué)生對人工智能的學(xué)習(xí)失去興趣，或者變成了一小批有特長學(xué)生的專屬學(xué)習(xí)內(nèi)容;二是將人工智能課程范疇無限擴(kuò)大，在未給學(xué)生正確的人工智能基本概念的情況下，將積木拼搭、機(jī)器人、3D打印、創(chuàng)客教育等統(tǒng)統(tǒng)納入人工智能課程的范疇，造成學(xué)生對人工智能的理解偏差，在受訪的學(xué)生中，80%以上認(rèn)為“機(jī)器人就是人工智能”。

中小學(xué)人工智能教育課程體系

針對目前中小學(xué)校實(shí)施人工智能教育普遍遇到的困難和出現(xiàn)的一系列問題，本研究根據(jù)北京大學(xué)學(xué)習(xí)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室提出的以計(jì)算思維培養(yǎng)為核心的中小學(xué)人工智能教育目標(biāo)模型，按照感知AI—理解AI—應(yīng)用AI—?jiǎng)?chuàng)造AI的體系進(jìn)行了中小學(xué)的人工智能課程體系設(shè)計(jì)。其框架如圖1。

小學(xué)設(shè)置“走進(jìn)人工智能”課程和“AI積木編程”系列課程，初高中設(shè)置“Python與人工智能”系列課程。

“走進(jìn)人工智能”讓學(xué)生從生活中常見的人臉識(shí)別、圖像識(shí)別、語音識(shí)別軟硬件入手，通過“玩中學(xué)”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(jī)協(xié)同意識(shí)，具體包括人工智能發(fā)展史、體驗(yàn)機(jī)器學(xué)習(xí)、初識(shí)人臉識(shí)別、圖像識(shí)別、智能翻譯、智能語音等生活中常見的應(yīng)用，并簡單了解其實(shí)現(xiàn)過程?！癆I積木編程”系列課程以智能語音、智能翻譯技術(shù)為依托，使用AISpark智能編程實(shí)驗(yàn)工具進(jìn)行創(chuàng)意作品設(shè)計(jì)。在應(yīng)用智能語音、人臉識(shí)別、智能翻譯、手勢識(shí)別等人工智能應(yīng)用進(jìn)行作品創(chuàng)作過程中，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，掌握使用人工智能技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)的基本能力。如圖2為學(xué)生上課情景。

“Python與人工智能”系列課程以應(yīng)用Python語言進(jìn)行人工智能項(xiàng)目編程實(shí)踐為核心，內(nèi)容涉及了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)爬取、機(jī)器學(xué)習(xí)算法使用、語音識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)、人臉識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過解決學(xué)科問題和生活中的實(shí)際問題，進(jìn)行人工智能的底層探索和創(chuàng)造，進(jìn)一步提升學(xué)生的計(jì)算思維。圖3為學(xué)生常用的一些人工智能平臺(tái)模塊。

實(shí)驗(yàn)學(xué)校實(shí)踐應(yīng)用結(jié)果

來自北京、江蘇、山東、廣東的100多所實(shí)驗(yàn)學(xué)校，按照專家引領(lǐng)、實(shí)踐應(yīng)用、創(chuàng)造應(yīng)用、形成特色的模式開展了實(shí)踐應(yīng)用研究。根據(jù)學(xué)校的自身基礎(chǔ)條件和課時(shí)選擇的不同，形成了各具特色的課程實(shí)施模式。其中，北京市順義區(qū)西辛小學(xué)教育集團(tuán)和北京市陳經(jīng)綸中學(xué)崇實(shí)分校是兩所具有代表性的實(shí)驗(yàn)學(xué)校。學(xué)校通過校本課程建設(shè)、信息技術(shù)課程融合、社團(tuán)課三種方式，開展了不同形式的實(shí)踐應(yīng)用研究。

西辛小學(xué)基于幸福田園教育理念，以校本特色課程體系建設(shè)為主體開設(shè)人工智能課程，在學(xué)校六大學(xué)院課程的“科技學(xué)院”中設(shè)置人工智能系列課程。2年級(jí)開設(shè)“走進(jìn)人工智能”課程;3年級(jí)開設(shè)“AI積木編程”智能硬件課程，由學(xué)生根據(jù)自己的興趣進(jìn)行自主選擇;4年級(jí)開設(shè)“AI 積木編程”啟蒙課;5年級(jí)“AI 積木編程互動(dòng)游戲”則采用融入信息技術(shù)課程的方式，采用主題單元教學(xué)模式，壓縮現(xiàn)有的信息技術(shù)課程教學(xué)任務(wù)達(dá)成所需的課時(shí)量，每學(xué)期節(jié)省出6個(gè)課時(shí)開設(shè)人工智能編程課程。

北京市陳經(jīng)綸中學(xué)崇實(shí)分校是一所九年一貫制學(xué)校，學(xué)校按照系統(tǒng)化培養(yǎng)學(xué)生人工智能素養(yǎng)的目標(biāo)，在小學(xué)和初中同時(shí)開設(shè)人工智能課程。小學(xué)以學(xué)校的低段課程改革為依托，在2年級(jí)開設(shè)“走進(jìn)人工智能”社團(tuán)課;3年級(jí)選擇每周的智感科技課程時(shí)間，以長短課結(jié)合方式開設(shè)“走進(jìn)人工智能”;小學(xué)4-6年級(jí)則依托綜合實(shí)踐活動(dòng)課程開設(shè)“AI積木編程”啟蒙課和“AI積木編程互動(dòng)游戲設(shè)計(jì)制作”。初一年級(jí)和初二年級(jí)利用綜合實(shí)踐活動(dòng)課程時(shí)間開設(shè)“邁進(jìn)代碼的世界”課程，讓學(xué)生通過項(xiàng)目實(shí)踐進(jìn)行Python與人工智能應(yīng)用學(xué)習(xí)和實(shí)踐。

實(shí)驗(yàn)學(xué)校為解決學(xué)校人工智能課程師資不足的問題，積極動(dòng)員組織有理工科或者信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)背景的教師組成“人工智能課程實(shí)踐應(yīng)用教研組”，與人工智能教育課程設(shè)計(jì)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(dòng)，并適時(shí)開展人工智能課程教學(xué)觀摩活動(dòng)，鼓勵(lì)教師們把自我學(xué)習(xí)、教學(xué)實(shí)踐和課題研究有機(jī)結(jié)合起來。

為評估課程實(shí)施的有效性，實(shí)驗(yàn)學(xué)校應(yīng)用北京大學(xué)學(xué)習(xí)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室計(jì)算思維測評系統(tǒng)對實(shí)驗(yàn)班和對照班進(jìn)行計(jì)算思維發(fā)展前后測。該測評從問題評估、問題分解、邏輯思考、模型抽象、總結(jié)歸納5個(gè)維度對學(xué)生的計(jì)算思維發(fā)展進(jìn)行量化評估。圖4為西辛小學(xué)四年級(jí)學(xué)生的測試結(jié)果。

計(jì)算思維測評結(jié)果發(fā)現(xiàn)，西辛小學(xué)三、四年級(jí)實(shí)驗(yàn)班學(xué)生的計(jì)算思維發(fā)展水平在5個(gè)維度上均顯著高于對照班，并且在相同等級(jí)的測評中，獲得A和B等級(jí)的學(xué)生在班級(jí)中所占的比例也遠(yuǎn)高于對照班。而五年級(jí)實(shí)驗(yàn)班和對照班的計(jì)算思維測評結(jié)果，在不同維度上的提升效果則有不同，從5個(gè)維度上的平均得分來看，問題分解、總結(jié)歸納維度得到了顯著提升，模型抽象、邏輯思考、問題評估方面沒有發(fā)生顯著變化。從對教師、學(xué)生的訪談分析和課堂觀察結(jié)果分析看，出現(xiàn)該結(jié)果的原因可能是由于五年級(jí)課程內(nèi)容的難度區(qū)分度較低，五年級(jí)的人工智能編程課程對于學(xué)生來說相對簡單，導(dǎo)致計(jì)算思維提升的效果不明顯。教師教學(xué)風(fēng)格的差異性是否也造成了學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展的水平不同也還需進(jìn)一步探索研究。

研究展望

人工智能的概念自1956年達(dá)特茅斯會(huì)議被提出以來，已經(jīng)經(jīng)歷了60多年的發(fā)展，2016年AlphaGo大戰(zhàn)李世石事件之后，人工智能開始走進(jìn)大眾視野。大部分教育工作者對人工智能的認(rèn)知停留在概念認(rèn)知或者生活中常見的一些應(yīng)用上，對于系統(tǒng)性的人工智能教育的認(rèn)知基本處于空白，所以在學(xué)校推進(jìn)人工智能教育的過程中，普遍遇到了一些困難。

本研究提出的中小學(xué)人工智能教育課程體系基于北京大學(xué)學(xué)習(xí)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的中小學(xué)人工智能教育目標(biāo)模型，圍繞學(xué)生的計(jì)算思維發(fā)展，在實(shí)驗(yàn)學(xué)校開展了應(yīng)用實(shí)踐研究。當(dāng)前得到的數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，以計(jì)算思維培養(yǎng)為核心的人工智能教育課程的實(shí)施對于整體提升實(shí)驗(yàn)學(xué)校學(xué)生的計(jì)算思維具有顯著的積極作用。不過，目前的研究中還存在不同年級(jí)的效果出現(xiàn)差異的影響機(jī)制不明確以及數(shù)據(jù)結(jié)果的穩(wěn)定性有待驗(yàn)證等問題。所以，未來針對當(dāng)前研究中存在的不足，將繼續(xù)通過數(shù)據(jù)分析結(jié)合師生訪談、課堂觀察和教學(xué)視頻分析等研究方式，探究在人工智能教育課程實(shí)施過程中，影響學(xué)生計(jì)算思維發(fā)展的因素，建立以計(jì)算思維培養(yǎng)為核心的人工智能教育的影響機(jī)制模型，推動(dòng)中小學(xué)人工智能教育的科學(xué)、有效實(shí)施。

作者單位：1.中國教育技術(shù)協(xié)會(huì)教育游戲?qū)Ｎ瘯?huì) 2.北京市順義區(qū)西辛小學(xué)教育集團(tuán)