基礎(chǔ)教育階段開展人工智能課程的路徑與方法

張?zhí)燧W

人工智能已經(jīng)越來越走近我們的生活和學(xué)習(xí)，而人工智能走近學(xué)校、課堂和學(xué)生目前更多的是一種體驗(yàn)。人工智能進(jìn)課程的核心問題是如何把AI從技術(shù)形態(tài)轉(zhuǎn)化為學(xué)生有興趣、可接受的教育形態(tài)。這就要求我們更為關(guān)注“興趣”“教育形態(tài)”和“轉(zhuǎn)化”三個關(guān)鍵詞。

讓學(xué)生有“興趣”就必須考慮構(gòu)建AI的應(yīng)用場景，讓學(xué)生親身感受場景中的應(yīng)用。這種貼合生活、聯(lián)系實(shí)際的體驗(yàn)會增強(qiáng)孩子們直觀的感受和客觀的理解，激發(fā)學(xué)生對于AI的興趣。

可接受的“教育形態(tài)”，是要將一些有較為成熟經(jīng)驗(yàn)的活動模式，如STEAM活動、創(chuàng)客教育等融合AI應(yīng)用場景，成為學(xué)生可接受的一般教育形態(tài)。這種教育形態(tài)不拘泥于某一類課程設(shè)計(jì)，在實(shí)踐中可以結(jié)合各地方校本課程、素拓課程、綜合實(shí)踐等方式開展。

最為難做的是“轉(zhuǎn)化”，因?yàn)樗抢碚摰膶?shí)踐，是設(shè)計(jì)的探索過程。目前還沒有較為成熟的開展經(jīng)驗(yàn)。特別要理性看待目前市場或器材廠商宣傳的人工智能課程，其中有些只是將一些編程和機(jī)器人硬件搭建在一起，包裝宣傳，往往欠缺真實(shí)的研究和理論實(shí)踐。

從宏觀上看，AI教育課程的構(gòu)建，需要一個整合性的應(yīng)用場景，這不僅用于學(xué)習(xí)導(dǎo)入，或者針對不同的知識點(diǎn)創(chuàng)設(shè)不同的情境，而且是要創(chuàng)設(shè)統(tǒng)領(lǐng)整個教學(xué)的情境，使之成為學(xué)生學(xué)習(xí)活動的真正載體。針對不同學(xué)段學(xué)生可以使用類似場景，但整合性的好處在于學(xué)習(xí)過程中沒有將具體場景割裂開，各個學(xué)段學(xué)生可以銜接有序地逐步學(xué)習(xí)，這是研究者特別要考慮的統(tǒng)籌問題。要體現(xiàn)真正的以學(xué)生為本，關(guān)注學(xué)生核心素養(yǎng)的提升。

如中國農(nóng)業(yè)大學(xué)附屬中學(xué)史忠祥老師的“人工智能在生活場景中的應(yīng)用”一課通過機(jī)器人小智，設(shè)計(jì)了人機(jī)交互在生活中應(yīng)用的場景，在場景中開展體驗(yàn)活動，針對不同學(xué)段設(shè)置相對應(yīng)的活動內(nèi)容。搭建三個有梯度的活動：機(jī)器人小智人機(jī)交互導(dǎo)入;討論將人工智能應(yīng)用到生活場景中的活動;編程實(shí)踐，學(xué)生設(shè)置意愿掛號員、餐廳服務(wù)員等角色，編制機(jī)器人小智的人工智能程序。這些活動每一項(xiàng)又可以繼續(xù)拓展，每一個場景都可以在生活中得到延伸，因此這樣的場景設(shè)計(jì)是有生命的，結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知將人工智能的案例應(yīng)用創(chuàng)新融合到課程當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和綜合培養(yǎng)。

從微觀上看，“轉(zhuǎn)化”也可以從目前一些研究的成果入手，通過一些抓手開展好實(shí)踐和研究。

充分利用AI開放平臺感受人工智能

AI本身不是行業(yè)是技術(shù)，它的基礎(chǔ)是算力、算法和數(shù)據(jù)。因此人工智能走近學(xué)生不是讓學(xué)生真正地研究人工智能的算力算法或?qū)W習(xí)其原理，而是在基礎(chǔ)教育階段更多地設(shè)計(jì)、體驗(yàn)并感受人工智能的應(yīng)用，使學(xué)生形成較為直觀真實(shí)的認(rèn)識，為以后的人生發(fā)展、適應(yīng)新時代社會節(jié)奏打好基礎(chǔ)。不能忽視的是人工智能中大數(shù)據(jù)的支撐，這些都不是基礎(chǔ)教育階段人力和物力可以解決的，因此在教育教學(xué)中教師可以站在巨人的肩膀上，應(yīng)用開源開放平臺直接面向用戶和應(yīng)用場景的系統(tǒng)，體驗(yàn)和應(yīng)用人工智能。如百度AI體驗(yàn)中心或騰訊AI體驗(yàn)中心，其人工智能場景應(yīng)用比較成熟的是語音識別和圖像識別，包括人臉識別、文字識別、物品識別等。教師和學(xué)生都可以在現(xiàn)行的小程序中體驗(yàn)和感受。

如北京市十一學(xué)校聶璐老師的“神奇的魔鏡”一課，基本設(shè)計(jì)是通過人工智能用于作業(yè)批改和簽到的應(yīng)用場景，引出本節(jié)課的人臉識別主題;引導(dǎo)學(xué)生畫像，形成人臉識別特征觀察指標(biāo)模型;應(yīng)用騰訊AI開源開放平臺在線體驗(yàn)人臉識別;了解基于開源平臺開發(fā)步驟并實(shí)踐簽到App開發(fā)過程。這一課充分利用人工智能平臺，將學(xué)生探索與應(yīng)用AI的過程化繁為簡，真正實(shí)現(xiàn)對人工智能技術(shù)的探究與應(yīng)用，讓AI技術(shù)快速便捷進(jìn)入課堂成為可能。

通過編程學(xué)習(xí)探索符合學(xué)生認(rèn)知的人工智能課程

首先要說明一個誤區(qū)：編程≠人工智能。和傳統(tǒng)的編程不同，AI教育編程活動重點(diǎn)是如何應(yīng)用AI開放平臺調(diào)用開源開放平臺的資源，創(chuàng)建自己的學(xué)習(xí)和探究活動。

基礎(chǔ)教育階段開設(shè)編程課程，本意不是培養(yǎng)程序員，或人人都會編程，而是讓學(xué)生通過編程體驗(yàn)工程思維、邏輯運(yùn)算等，培養(yǎng)學(xué)生的是計(jì)算思維。而計(jì)算思維與信息意識、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新和信息社會責(zé)任成為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)中四個核心要素。由此可見計(jì)算思維的重要性，簡單來講，具備計(jì)算思維的學(xué)生能夠總結(jié)利用計(jì)算機(jī)解決問題的過程與方法，并遷移到與之相關(guān)的其他問題解決中。熊璋教授也曾說：“計(jì)算思維是人的思維不是計(jì)算機(jī)的思維，是人的綜合性品質(zhì)的一部分。”

由此引申到AI編程教育活動應(yīng)當(dāng)也是以培養(yǎng)學(xué)生的思維為目標(biāo)，探索符合學(xué)生認(rèn)知的利用人工智能解決問題的思維和能力，進(jìn)而逐步成為人的綜合性品質(zhì)的一部分。這里可以利用的編程軟件有很多，其中特別要關(guān)注的方向是能夠?qū)D形化編程與AI開源平臺插件相連接，構(gòu)建編程環(huán)境下的人工智能場景體驗(yàn)。其有兩個優(yōu)勢：一是能夠?qū)⒕幊袒A(chǔ)知識和技能遷移，快速上手學(xué)習(xí)和研究，并且編程中的邏輯思維與人工智能相關(guān)知識相近或相通，易于學(xué)生參與人工智能活動課程當(dāng)中。目前在學(xué)校能夠開展人工智能相關(guān)活動的人員基本上是信息技術(shù)學(xué)科教師，他們具備扎實(shí)的教學(xué)研究經(jīng)驗(yàn)和編程教學(xué)實(shí)踐，無論是小學(xué)、初中還是高中都能結(jié)合學(xué)生情況制定相關(guān)學(xué)案，因此從人才應(yīng)用上看應(yīng)當(dāng)發(fā)揮信息技術(shù)學(xué)科優(yōu)勢，做好人工智能課程研究和實(shí)踐工作。二是目前在基礎(chǔ)教育階段很多地區(qū)普遍開展創(chuàng)客教育或STEAM教學(xué)活動，往往以項(xiàng)目學(xué)習(xí)的方式展開，在學(xué)習(xí)內(nèi)容上機(jī)器人教學(xué)、開源硬件應(yīng)用和編程教學(xué)或三者結(jié)合的相關(guān)內(nèi)容占了大部分比重，因此將編程活動與人工智能插件或平臺相銜接，更利于其融合到創(chuàng)客教育活動當(dāng)中。把AI融于項(xiàng)目學(xué)習(xí)中從這幾方面著手都是比較好的思路：AI研究與創(chuàng)新——深入動手做研究;AI小項(xiàng)目試驗(yàn)——跨學(xué)科實(shí)踐應(yīng)用;AI思維與興趣——中小學(xué)普及教育。

人工智能的應(yīng)用方向

基于Scratch平臺研發(fā)的圖形化編程軟件Kittenblock，其基本操作均是學(xué)生比較容易上手學(xué)習(xí)的積木式拼搭編程方式;最大的特點(diǎn)是結(jié)合了相關(guān)功能拓展的插件尤其是面部識別、文字翻譯、百度AI平臺、機(jī)器學(xué)習(xí)模塊等人工智能開放平臺插件。這就極大地豐富了學(xué)生體驗(yàn)、設(shè)計(jì)和學(xué)習(xí)人工智能相關(guān)內(nèi)容的形式，拓展了學(xué)習(xí)空間，如圖1;并且通過思維導(dǎo)圖的開放式設(shè)計(jì)，在頭腦風(fēng)暴中實(shí)現(xiàn)拓展應(yīng)用，如圖2。

（1）從文字翻譯、語音合成、語音識別這三個過程逐步設(shè)計(jì)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場景，讓學(xué)生完成人工智能語音識別編程案例學(xué)習(xí)。

如制作實(shí)時翻譯App，為出國旅游、工作、學(xué)習(xí)帶來方便。具體活動有引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)情境，規(guī)劃制作目標(biāo);根據(jù)情境設(shè)計(jì)解決問題方式，尋找AI技術(shù)的融合點(diǎn);根據(jù)相關(guān)需求的融合點(diǎn)編寫程序。此編程利用語音識別和機(jī)器翻譯插件。

（2）從人臉識別、物品識別、文字識別的三個過程中逐步設(shè)計(jì)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場景。如學(xué)校人員防控面部識別應(yīng)用。具體活動有創(chuàng)建學(xué)校人臉數(shù)據(jù)庫;人臉識別，記錄數(shù)據(jù)，添加進(jìn)數(shù)據(jù)庫;識別人臉?biāo)阉鲾?shù)據(jù)庫核對;系統(tǒng)輸出結(jié)果，說出識別人員姓名。此編程利用視頻識別、人臉識別插件，如圖3。

（3）機(jī)器學(xué)習(xí)。機(jī)器像人一樣思考和學(xué)習(xí)一直是人工智能應(yīng)用的目標(biāo)和方向。在Kittenblock軟件中特別設(shè)置了MachineLearning的機(jī)器學(xué)習(xí)插件，為學(xué)生體驗(yàn)和編寫機(jī)器學(xué)習(xí)的相關(guān)程序提供了方便和可能。通過攝像頭的視頻識別，讓系統(tǒng)記憶一些物品或人臉特征，然后在一些場景下給予人反饋。

如系統(tǒng)識別垃圾屬性完成垃圾分類指導(dǎo)工作。人工智能幫助識別垃圾分類：機(jī)器學(xué)習(xí)，識別記錄每一樣垃圾的類型;數(shù)據(jù)記錄，將垃圾信息導(dǎo)入信息庫;當(dāng)識別到垃圾類型時，機(jī)器語音提示結(jié)果。此編程利用視頻識別、機(jī)器學(xué)習(xí)和語音合成插件，如圖4。

人工智能并不神秘，在這個時代我們的中小學(xué)生應(yīng)該從小具備見識、了解甚至掌握一些人工智能原理。在基礎(chǔ)教育階段開展人工智能進(jìn)課程的研究，要利用一切當(dāng)前應(yīng)用的場景和資源，創(chuàng)設(shè)適合學(xué)校、教師和學(xué)生操作和開展的人工智能活動，逐漸在這些活動中尋找與當(dāng)前學(xué)科課程相適應(yīng)且能夠銜接的內(nèi)容，結(jié)合不同學(xué)校實(shí)際摸索建設(shè)具備時代性和差異化的人工智能課程。總之，人工智能從科研走向應(yīng)用，又在應(yīng)用中啟發(fā)我們的教育，探索人工智能的教育形態(tài)是未來我們長期研究的重要方向。

參考文獻(xiàn)

蔣鳴和. 2019年度全國教師信息素養(yǎng)提升現(xiàn)場交流活動蔣鳴和教授解讀[J]. 中國信息技術(shù)教育，2019（17）.