面向素養(yǎng)培育的人工智能體驗(yàn)式學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

褚金嶺　謝忠新

人工智能作為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的驅(qū)動(dòng)力量，正在深刻地改變著我們的生活和工作方式。目前，在中小學(xué)開(kāi)展人工智能教育，培養(yǎng)適應(yīng)未來(lái)社會(huì)的創(chuàng)新型人才已成為共識(shí)。人工智能作為一門新生學(xué)科，具有綜合性、實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)，給學(xué)生的學(xué)習(xí)、教師的教學(xué)都帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。體驗(yàn)式學(xué)習(xí)遵循學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，先行后知、以知導(dǎo)行，能促進(jìn)學(xué)生綜合素養(yǎng)的全面發(fā)展。本文基于“體驗(yàn)學(xué)習(xí)圈”理論，設(shè)計(jì)了面向計(jì)算思維培養(yǎng)的人工智能體驗(yàn)式學(xué)習(xí)圈模型，基于教學(xué)流程設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動(dòng)，并以“人臉識(shí)別”為例開(kāi)展教學(xué)實(shí)踐，以期為面向素養(yǎng)培育的人工智能教學(xué)提供教學(xué)理論支撐和實(shí)踐策略。

一、人工智能教育的現(xiàn)狀與教學(xué)挑戰(zhàn)

（一）人工智能教育與研究的現(xiàn)狀

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》將“人工智能初步”列為高中必修課程內(nèi)容，并將《人工智能初步》作為選擇性必修教材；《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》在第四學(xué)段（七至九年級(jí)）納入人工智能與智慧社會(huì)的內(nèi)容。至此，人工智能教育實(shí)現(xiàn)了我國(guó)初高中學(xué)段的全覆蓋。

在課標(biāo)的指引下，全國(guó)各地掀起了人工智能教育的熱潮。2018年以來(lái)，人工智能教材及十幾套人工智能讀本相繼出版。2019年，教育部確定北京、廣州、深圳、武漢和西安五個(gè)城市作為第一批人工智能教育試點(diǎn)城市，對(duì)三至八年級(jí)的學(xué)生開(kāi)展全面試點(diǎn)；上海市浦東新區(qū)、成都市青羊區(qū)、杭州市余杭區(qū)、南京市等地也開(kāi)展了區(qū)域?qū)用娴娜斯ぶ悄芙逃圏c(diǎn)。與此同時(shí)，中小學(xué)人工智能教育的實(shí)踐研究也十分火熱，中國(guó)知網(wǎng)相關(guān)文獻(xiàn)總量逐年上升。

（二）人工智能教學(xué)的問(wèn)題挑戰(zhàn)

中小學(xué)的人工智能教育已經(jīng)從興趣課程和社團(tuán)等形式，逐步進(jìn)入學(xué)校的學(xué)科教學(xué)之中，目前主要在信息技術(shù)課程中開(kāi)展。信息技術(shù)教師通常具有師范類院校的計(jì)算機(jī)專業(yè)和教育技術(shù)專業(yè)的教育背景，很多教師也是第一次接觸人工智能，專業(yè)知識(shí)匱乏，缺乏足夠的人工智能素養(yǎng)，尤其是課標(biāo)要求的計(jì)算思維核心素養(yǎng)，急需探索滿足核心素養(yǎng)培養(yǎng)需要的教學(xué)模式方法。從學(xué)生學(xué)習(xí)角度，由于缺乏必要的技術(shù)環(huán)境和學(xué)習(xí)策略，學(xué)習(xí)活動(dòng)難以組織，學(xué)生參與度低，深度體驗(yàn)不足，人工智能原理性知識(shí)難以理解。如何在人工智能課程中系統(tǒng)設(shè)計(jì)多元有效的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)活動(dòng)，從心理層面上滿足學(xué)生的需求，從而促進(jìn)他們對(duì)人工智能原理知識(shí)的理解，培育計(jì)算思維，成為當(dāng)前信息技術(shù)教師面臨的挑戰(zhàn)。

二、基于體驗(yàn)式學(xué)習(xí)的人工智能教學(xué)認(rèn)識(shí)與設(shè)想

（一）體驗(yàn)學(xué)習(xí)圈的內(nèi)涵

在杜威、勒溫、皮亞杰等學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，大衛(wèi)·庫(kù)伯創(chuàng)造性地提出四階段的體驗(yàn)學(xué)習(xí)圈環(huán)形結(jié)構(gòu)模型^[1]。在這個(gè)模型中，他把體驗(yàn)學(xué)習(xí)闡釋為一個(gè)體驗(yàn)循環(huán)過(guò)程：具體體驗(yàn)—反思觀察—抽象概括—行動(dòng)檢驗(yàn)，再到具體的體驗(yàn)，如此循環(huán)，讓學(xué)生經(jīng)歷一個(gè)認(rèn)知螺旋上升的學(xué)習(xí)過(guò)程^[2]。體驗(yàn)式學(xué)習(xí)作為一種在真實(shí)情境中基于直接經(jīng)驗(yàn)感知、思考、領(lǐng)悟、行動(dòng)的學(xué)習(xí)方式，被認(rèn)為可以幫助學(xué)生通過(guò)自身經(jīng)驗(yàn)來(lái)構(gòu)建知識(shí)，提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力。

（二）體驗(yàn)式學(xué)習(xí)對(duì)人工智能素養(yǎng)培育的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的講授式教學(xué)無(wú)法觸及學(xué)生的親身體驗(yàn)和深度理解，不適合培養(yǎng)學(xué)生人工智能的核心素養(yǎng)和實(shí)踐能力。體驗(yàn)學(xué)習(xí)圈理論超越了一直以來(lái)經(jīng)驗(yàn)與理性對(duì)立的二元論，實(shí)現(xiàn)了直接經(jīng)驗(yàn)與間接經(jīng)驗(yàn)的辯證統(tǒng)一^[3]。體驗(yàn)式學(xué)習(xí)包括感知、反思、抽象及實(shí)踐的過(guò)程，并以學(xué)生自身體驗(yàn)為核心，能夠調(diào)動(dòng)學(xué)生已有的認(rèn)知經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行概念與原理的學(xué)習(xí)，特別適用于綜合性、實(shí)踐性較強(qiáng)的人工智能學(xué)習(xí)。它首先讓學(xué)生投入一種新的體驗(yàn)，再停下來(lái)從對(duì)人類自身智能的觀察中反思，領(lǐng)悟理解所體驗(yàn)的內(nèi)容，然后到實(shí)踐檢驗(yàn)解決實(shí)際問(wèn)題的階段，再開(kāi)始新的體驗(yàn)循環(huán)。學(xué)生通過(guò)體驗(yàn)與領(lǐng)悟，實(shí)現(xiàn)人工智能知識(shí)的吸收、能力的提升、思維的鍛煉，在行動(dòng)檢驗(yàn)中實(shí)踐也能提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力，這也符合計(jì)算思維核心素養(yǎng)培育的要求。

（三）面向計(jì)算思維素養(yǎng)培育的人工智能體驗(yàn)學(xué)習(xí)圈

人工智能是計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)處理來(lái)模擬人類智能的技術(shù)，計(jì)算思維是人類個(gè)體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問(wèn)題解決方案的過(guò)程中產(chǎn)生的一系列思維活動(dòng)^[4]。因此，人工智能的教學(xué)內(nèi)容天然具有培養(yǎng)計(jì)算思維的優(yōu)勢(shì)。基于體驗(yàn)學(xué)習(xí)圈理論，注重學(xué)生的具體體驗(yàn)、反思觀察、抽象概括、行動(dòng)檢驗(yàn)的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)循環(huán)模式，適用人工智能原理性內(nèi)容和程序算法相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)，能讓學(xué)生自主建構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，親歷解決問(wèn)題的全過(guò)程，理解算法設(shè)計(jì)，培養(yǎng)計(jì)算思維這一信息技術(shù)課程所要培養(yǎng)（如圖1）。

三、面向素養(yǎng)培育的人工智能體驗(yàn)式學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)

（一）人工智能體驗(yàn)式學(xué)習(xí)活動(dòng)類型設(shè)計(jì)

學(xué)習(xí)活動(dòng)是學(xué)習(xí)者以及與之相關(guān)的學(xué)習(xí)群體為了達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)而進(jìn)行的所有操作的總和^[5]，學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)包括學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)任務(wù)、學(xué)習(xí)支持和學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)等要素^[6]。學(xué)習(xí)活動(dòng)類型的設(shè)計(jì)根據(jù)教學(xué)環(huán)境、教學(xué)內(nèi)容、學(xué)習(xí)對(duì)象的不同而多種多樣，一般有情境游戲、場(chǎng)景體驗(yàn)、頭腦風(fēng)暴、合作探究、自主反思、小組交流，等等。由于人工智能學(xué)科互動(dòng)性、操作性強(qiáng)，因此人工智能體驗(yàn)式學(xué)習(xí)活動(dòng)的設(shè)計(jì)需要一定的智能化設(shè)備和軟件支撐，也可以利用人們生活中已經(jīng)普及的人工智能產(chǎn)品。如計(jì)算機(jī)視覺(jué)中人臉識(shí)別照相機(jī)框出人臉的體驗(yàn)，人工智能語(yǔ)音處理中利用智能音箱的對(duì)話體驗(yàn)，機(jī)器學(xué)習(xí)中與ChatGPT的問(wèn)答體驗(yàn)，都能夠讓學(xué)生依靠自己的感官取得直接的經(jīng)驗(yàn)，激起對(duì)自身智能的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知，為之后的反思觀察、抽象概括等奠定學(xué)習(xí)基礎(chǔ)。

（二）面向素養(yǎng)培育的人工智能體驗(yàn)式學(xué)習(xí)流程及對(duì)應(yīng)策略

體驗(yàn)學(xué)習(xí)圈的四個(gè)要素對(duì)應(yīng)了人工智能教學(xué)連續(xù)的教與學(xué)活動(dòng)流程，我們將其劃分為五個(gè)環(huán)節(jié)。環(huán)節(jié)一：教師創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，學(xué)生具體體驗(yàn)感知，可以小組合作探究，教師設(shè)計(jì)體驗(yàn)活動(dòng)記錄單；環(huán)節(jié)二：教師引導(dǎo)探究，學(xué)生觀察，反思探究原理，教師提供反思觀察結(jié)果記錄單；環(huán)節(jié)三：教師組織討論，學(xué)生自主探究歸納概括，領(lǐng)悟知識(shí)原理，教師設(shè)計(jì)輔助的原理講解微視頻、結(jié)果記錄單；環(huán)節(jié)四：教師明確實(shí)踐任務(wù)，學(xué)生實(shí)踐算法理解，開(kāi)展編程實(shí)踐，教師設(shè)計(jì)算法流程圖、程序支架等；環(huán)節(jié)五：教師總結(jié)反饋，學(xué)生領(lǐng)悟內(nèi)化，再為下個(gè)階段的體驗(yàn)做準(zhǔn)備。每個(gè)環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)活動(dòng)內(nèi)容都對(duì)應(yīng)體驗(yàn)學(xué)習(xí)圈的某個(gè)階段，進(jìn)而完成整個(gè)體驗(yàn)學(xué)習(xí)過(guò)程（如圖2）。

基于體驗(yàn)學(xué)習(xí)圈的學(xué)習(xí)活動(dòng)環(huán)節(jié)，教師可幫助學(xué)生通過(guò)體驗(yàn)交互深度參與學(xué)習(xí)過(guò)程，主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)人工智能原理的認(rèn)知，培養(yǎng)計(jì)算思維核心素養(yǎng)。教師在各學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中，要注重設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)記錄單，提供開(kāi)放性的學(xué)習(xí)資源，搭建學(xué)習(xí)支架，提升人工智能課程的教學(xué)效果。

四、“人臉識(shí)別”體驗(yàn)式教學(xué)實(shí)踐

人臉識(shí)別是計(jì)算機(jī)視覺(jué)最熱門的應(yīng)用，在人工智能領(lǐng)域是比較經(jīng)典的教學(xué)內(nèi)容。現(xiàn)以某版高中信息技術(shù)教材必修模塊一“數(shù)據(jù)與計(jì)算”第四章第一節(jié)“計(jì)算機(jī)視覺(jué)”初始課為例，具體呈現(xiàn)面向核心素養(yǎng)培養(yǎng)的體驗(yàn)學(xué)習(xí)圈學(xué)習(xí)流程。

（一）設(shè)計(jì)真實(shí)有效的人臉檢測(cè)體驗(yàn)環(huán)節(jié)

本課以人臉識(shí)別為主要內(nèi)容，讓學(xué)生類比人類人臉識(shí)別過(guò)程，理解計(jì)算機(jī)人臉識(shí)別的過(guò)程。學(xué)生在線體驗(yàn)開(kāi)放平臺(tái)，理解調(diào)用SDK（Software Development Kit）的算法流程，調(diào)整程序部分參數(shù)，自主實(shí)現(xiàn)人臉檢測(cè)程序功能?！熬唧w體驗(yàn)”環(huán)節(jié)可以被看作“感知”的過(guò)程，在該環(huán)節(jié)中，學(xué)生分小組體驗(yàn)照相機(jī)人臉檢測(cè)，根據(jù)教師設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)任務(wù)單探究計(jì)算機(jī)如何在圖像中找到人臉。學(xué)生利用計(jì)算機(jī)自帶的攝像頭，體驗(yàn)照相機(jī)對(duì)人臉的檢測(cè)，通過(guò)面部遮擋，探究計(jì)算機(jī)是通過(guò)檢測(cè)面部的哪些特征判斷是人臉的。教師為學(xué)生小組合作探究提供帶有攝像頭的計(jì)算機(jī)、實(shí)驗(yàn)記錄任務(wù)單（如圖3），并組織小組學(xué)生交流。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過(guò)對(duì)照相機(jī)的體驗(yàn)，理解面部特征對(duì)人臉識(shí)別的關(guān)鍵作用。學(xué)生依靠自身感官獲取直接經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算機(jī)通過(guò)分析圖像中是否存在眼睛、口、鼻等特征判斷并標(biāo)記人臉位置。該環(huán)節(jié)為之后人臉識(shí)別學(xué)習(xí)階段提供感知認(rèn)識(shí)，是整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程的準(zhǔn)備與基礎(chǔ)。

（二）引導(dǎo)反思觀察的人臉識(shí)別機(jī)制探究

該環(huán)節(jié)教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)體驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行深層次思考，強(qiáng)化體驗(yàn)效果。人工智能建立在人類智能的基礎(chǔ)上，最有效的反思方法無(wú)疑是探究人類自身對(duì)于該項(xiàng)智能的反應(yīng)機(jī)制。人臉識(shí)別是人類嬰兒時(shí)期即有的本領(lǐng)，在具體學(xué)習(xí)過(guò)程中學(xué)生通過(guò)體驗(yàn)的結(jié)論，進(jìn)一步觀察并反思人類對(duì)人臉的識(shí)別過(guò)程是怎樣的。人通常會(huì)用瓜子臉、柳葉眉、櫻桃口等特征描繪一個(gè)人的長(zhǎng)相。這個(gè)環(huán)節(jié)教師設(shè)計(jì)“我來(lái)畫同學(xué)”學(xué)習(xí)活動(dòng)，讓學(xué)生通過(guò)觀察同學(xué)面部，思考提取眼睛、口、鼻特征的作畫過(guò)程，將人類瞬間完成的人臉識(shí)別分解為系列步驟，探究人類對(duì)人臉識(shí)別的過(guò)程，再將該過(guò)程反思遷移到計(jì)算機(jī)對(duì)人臉識(shí)別的過(guò)程（如圖4）。

設(shè)計(jì)意圖：教師搭建游戲支架，讓學(xué)生體驗(yàn)人類人臉識(shí)別的過(guò)程，引導(dǎo)他們遷移計(jì)算機(jī)視覺(jué)識(shí)別過(guò)程，培養(yǎng)計(jì)算思維的抽象能力、分解能力、遷移能力。教師設(shè)計(jì)人臉識(shí)別過(guò)程的記錄單，為學(xué)生搭建思考的步驟支架，灰色區(qū)域是留出空白需要學(xué)生來(lái)填寫的。該反思觀察環(huán)節(jié)教師設(shè)計(jì)“畫同學(xué)”學(xué)習(xí)活動(dòng)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)對(duì)人臉識(shí)別進(jìn)行解構(gòu)，實(shí)現(xiàn)體驗(yàn)內(nèi)涵的“縮小”，為進(jìn)一步領(lǐng)悟抽象的間接經(jīng)驗(yàn)提供基礎(chǔ)。

（三）關(guān)注抽象概括的人臉檢測(cè)算法理解

算法的優(yōu)劣決定程序的好壞，人臉識(shí)別也有不同的算法，最好的人臉識(shí)別算法能夠在一秒鐘內(nèi)識(shí)別出一千萬(wàn)人而不會(huì)出錯(cuò)。這個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生在前面對(duì)人臉檢測(cè)的親身體驗(yàn)、反思觀察的基礎(chǔ)上，進(jìn)行歸納，運(yùn)用計(jì)算思維將計(jì)算機(jī)在人臉上畫框的檢測(cè)過(guò)程，抽象分解為定位、畫框的算法步驟，完成學(xué)習(xí)記錄單（如圖5）。人工智能開(kāi)放平臺(tái)為我們提供了人臉檢測(cè)工具開(kāi)發(fā)包SDK。學(xué)生可以調(diào)用平臺(tái)提供的SDK，借助平臺(tái)的算法能力來(lái)獲得對(duì)人臉的定位信息，再根據(jù)定位信息繪制人臉檢測(cè)框。

設(shè)計(jì)意圖：教師提供國(guó)內(nèi)人工智能開(kāi)放平臺(tái)的人臉檢測(cè)功能以及開(kāi)放的學(xué)習(xí)技術(shù)文檔供學(xué)生自主探究，讓學(xué)生觸碰到人工智能算法原理，在開(kāi)放平臺(tái)上進(jìn)行真實(shí)的實(shí)踐，從而培養(yǎng)計(jì)算思維的抽象能力、算法能力。這個(gè)環(huán)節(jié)是教學(xué)的難點(diǎn)，以算法的設(shè)計(jì)理解培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力。由于人臉檢測(cè)算法復(fù)雜且具有綜合性，對(duì)于高中生有一定的難度，教師設(shè)計(jì)了算法排序的支架，抓住重點(diǎn)步驟，并允許小組交流，讓每位學(xué)生都能夠完成抽象概括出人臉識(shí)別算法邏輯的心理過(guò)程，培養(yǎng)計(jì)算思維的算法能力。

（四）利用程序創(chuàng)編的實(shí)踐實(shí)現(xiàn)行動(dòng)檢驗(yàn)

經(jīng)歷了以上三個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生對(duì)人臉識(shí)別機(jī)制有了理解，對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行人臉檢測(cè)的算法有了一定領(lǐng)悟?？紤]到學(xué)生的實(shí)際情況及教學(xué)目標(biāo)要求，行動(dòng)檢驗(yàn)環(huán)節(jié)應(yīng)弱化編程代碼，注重程序設(shè)計(jì)的體驗(yàn)感與成就感。教師事先在小組計(jì)算機(jī)上安裝好Python程序、 Pillow庫(kù)、百度Python SDK等，創(chuàng)建人臉檢測(cè)應(yīng)用，并提供完整的人臉檢測(cè)程序和任務(wù)單（如圖6）。學(xué)生根據(jù)代碼段的解釋，對(duì)應(yīng)算法的順序閱讀理解代碼，明晰計(jì)算機(jī)執(zhí)行人臉檢測(cè)的過(guò)程與原理。學(xué)生在本地計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序，以實(shí)踐行動(dòng)檢驗(yàn)人臉檢測(cè)算法的實(shí)現(xiàn)。教師還提供了深度體驗(yàn)代碼編寫的拓展任務(wù)，學(xué)生可以調(diào)整參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多人臉檢測(cè)，自主選擇體驗(yàn)環(huán)境拍攝的照片來(lái)查看識(shí)別結(jié)果。

設(shè)計(jì)意圖：行動(dòng)檢驗(yàn)環(huán)節(jié)體驗(yàn)借助人工智能開(kāi)放能力，讓學(xué)生能夠創(chuàng)編改造自己的程序，增強(qiáng)學(xué)習(xí)成就感，同時(shí)也讓學(xué)生聯(lián)系生活實(shí)際，了解法律法規(guī)，建立技術(shù)與實(shí)際生活的聯(lián)系。

五、總結(jié)與啟示

體驗(yàn)學(xué)習(xí)圈由具體到抽象，將直接經(jīng)驗(yàn)與間接經(jīng)驗(yàn)辯證統(tǒng)一，提供一個(gè)以體驗(yàn)為核心的互動(dòng)學(xué)習(xí)模式，非常符合人工智能學(xué)科的學(xué)習(xí)特點(diǎn)。具體體驗(yàn)、反思觀察、抽象概括和行動(dòng)檢驗(yàn)四個(gè)階段的交互循環(huán)，有利于培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、分解、抽象、算法、評(píng)估能力，對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)極富教學(xué)價(jià)值。由于不同于傳統(tǒng)教學(xué)方式，建議教師在實(shí)施該模式時(shí)要注意以下幾點(diǎn)。一是以學(xué)生為主體，基于學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動(dòng)目標(biāo)、提供學(xué)習(xí)資源；二是設(shè)計(jì)學(xué)案導(dǎo)學(xué)，為學(xué)生各個(gè)環(huán)節(jié)學(xué)習(xí)活動(dòng)提供明確的任務(wù)導(dǎo)向；三是設(shè)計(jì)多元化學(xué)習(xí)支架，如游戲支架、問(wèn)題支架、表格的步驟支架、排序支架等，與學(xué)生理解階段相匹配；四是關(guān)注過(guò)程，多元評(píng)價(jià)學(xué)生活動(dòng)，教師評(píng)價(jià)方式也要相應(yīng)做出改變。

注：本文系上海市教育科研項(xiàng)目“區(qū)域中小學(xué)人工智能教育生態(tài)構(gòu)建研究”（項(xiàng)目編號(hào)：C2021093）的研究成果。

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（作者褚金嶺系上海市浦東教育發(fā)展研究院教師，上海市浦東新區(qū)信息科技學(xué)科骨干教師；謝忠新系上海市浦東教育發(fā)展研究院教育信息技術(shù)部主任，信息科技學(xué)科正高級(jí)教師、特級(jí)教師）

責(zé)任編輯：牟艷娜