推動人工智能教育的普及已經(jīng)成為國際基礎(chǔ)教育發(fā)展的新趨勢。早在2017年，我國出臺的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》就提出了普及人工智能教育的路線圖[1]。教育部于2018年發(fā)布《教育信息化2.0行動計劃》，進一步要求完善課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)，充實適應(yīng)信息時代、智能時代發(fā)展需要的人工智能和編程課程內(nèi)容。隨后，《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》和《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》都將人工智能基礎(chǔ)知識納入了課程體系，后者還將人工智能作為組織課程內(nèi)容的六條邏輯主線之一，更加明確細(xì)化了人工智能模塊的定位。2024年11月，《教育部辦公廳關(guān)于加強中小學(xué)人工智能教育的通知》的發(fā)布，明確了中小學(xué)人工智能教育的實施路徑和主要任務(wù)及舉措，為中小學(xué)人工智能教育的普及推廣創(chuàng)造了新的機遇?；谖覈鴮θ斯ぶ悄苋瞬诺男枨笈c對人工智能課程的逐漸規(guī)范，深圳市教育局嘗試以《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》為基礎(chǔ)，融合本地特色，于2024年10月頒布了《深圳市義務(wù)教育人工智能課程綱要（修訂版）》（以下簡稱《綱要》），與教育部的最新文件精神高度契合。為貫徹落實國家和地方文件精神，本文從“怎么教”這個角度對《綱要》進行解讀，介紹人工智能課程應(yīng)采取的教學(xué)模式與方法、教學(xué)資源與工具，為人工智能課程的具體落地提供參考。

教學(xué)模式與方法的選擇

教學(xué)模式的類型及特點

本次《綱要》修訂依據(jù)專家團隊的研究成果，結(jié)合我國先行城市人工智能教育普及工作的寶貴經(jīng)驗，借助情境創(chuàng)設(shè)、任務(wù)驅(qū)動，采取項目式學(xué)習(xí)、游戲化學(xué)習(xí)、大單元教學(xué)、逆向工程教學(xué)、糾錯教學(xué)等教學(xué)模式，將人工智能最新成果如生成式人工智能融入課堂教學(xué)，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)自主、合作、探究的人工智能學(xué)習(xí)情境，體系化塑造學(xué)生人工智能素養(yǎng)。

由于人工智能教育較復(fù)雜，包含理論、實踐、應(yīng)用等多種知識內(nèi)容，因此難以僅采用單一的講授式教學(xué)法開展課程，需要采用多種教學(xué)模式，并根據(jù)不同的課程內(nèi)容目標(biāo)與要求，個性化地使用對應(yīng)的教學(xué)模式，以最大化發(fā)展學(xué)生的人工智能素養(yǎng)?！毒V要》提出人工智能的課程設(shè)計倡導(dǎo)“做中學(xué)”“用中學(xué)”與“創(chuàng)中學(xué)”，需融合觀察、體驗、模擬、創(chuàng)作等活動形式，這一要求與鐘柏昌等人提出的4I教學(xué)模式[2]——實驗?zāi)M型教學(xué)（Imitation）、趣味交互型教學(xué)（Interaction）、科學(xué)探究型教學(xué)（Inquiry）和發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)（Invention）相符合。由此，本文嘗試以4I教學(xué)模式分類法為參考，結(jié)合《綱要》的案例設(shè)計，介紹人工智能課程應(yīng)該如何教學(xué)。

實驗?zāi)M型教學(xué)模式是基于逆向工程理論，以模仿設(shè)計產(chǎn)品原型為主要任務(wù)，通過展現(xiàn)原型或讓學(xué)生體驗?zāi)繕?biāo)產(chǎn)品，模擬、再現(xiàn)與改進產(chǎn)品，以期培養(yǎng)學(xué)生人工智能基本技能的一種教學(xué)模式。例如，袁加欣等人提出了“體驗情境—反思觀察—總結(jié)內(nèi)化—創(chuàng)新分享”的教學(xué)模式，將產(chǎn)品案例導(dǎo)入課堂，讓學(xué)生在體驗情境環(huán)節(jié)充分感知，在反思觀察和總結(jié)內(nèi)化環(huán)節(jié)利用相關(guān)材料進行模仿制作，最后在創(chuàng)新分享環(huán)節(jié)自主修改程序腳本，展現(xiàn)作品，并將此模式應(yīng)用于中小學(xué)機器人課程中進行實踐探究[3]。

趣味交互型教學(xué)模式是基于游戲化教學(xué)理論，以開發(fā)有趣的人工智能相關(guān)聯(lián)機交互系統(tǒng)或產(chǎn)品為主要任務(wù)，在計算機端編寫和運行程序控制硬件端，通過硬件與計算機程序進行交互，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性的一種教學(xué)模式。例如，韓蕾等提出了GOMS模型指導(dǎo)下基于S4A平臺開展的趣味交互型機器人教學(xué)策略，為趣味交互型教學(xué)模式的構(gòu)建提供了參考路徑，GOMS模型是人機交互系統(tǒng)設(shè)計的重要理論，是對系列任務(wù)的目標(biāo)（Goals）、操作（Operations）、方法（Methods）和選擇規(guī)則（SelectionRules）進行描述，與交互系統(tǒng)、產(chǎn)品的設(shè)計過程相契合的一種方式[4]。

科學(xué)探究型教學(xué)模式是基于做中學(xué)理論，以學(xué)習(xí)科學(xué)知識、探究科學(xué)原理為主要任務(wù)，以開源硬件、機器人或智能平臺等作為載體和工具，開展科學(xué)探究，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力和問題解決能力的一種教學(xué)模式。例如，曹燕華等人構(gòu)建了中小學(xué)人工智能課程的SCCS教學(xué)模式，即社會認(rèn)知雙聯(lián)通教學(xué)模式（SocialandCognitive-ConnectednessSchemata）[5]，強調(diào)基于現(xiàn)代技術(shù)、支撐平臺，采用探究法、實驗法等多種教學(xué)法逐層展開對知識、原理的探究，使學(xué)生學(xué)習(xí)原理、建構(gòu)知識[6]。

發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)模式是基于TRIZ創(chuàng)新理論，以開發(fā)創(chuàng)意作品為主要任務(wù)，基于生活中的實際需求，進行創(chuàng)新設(shè)計、工程設(shè)計，引導(dǎo)學(xué)生開展創(chuàng)新實踐，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造能力的一種教學(xué)模式。例如，鐘柏昌等人構(gòu)建的4C教學(xué)模式[7]通過“聚類教學(xué)（Clustering）—概念提?。–onceptualizing）—關(guān)聯(lián)內(nèi)化（Correlating）—遷移創(chuàng)新（Changing）”4個層級逐層遞進的方式，引導(dǎo)學(xué)生在人工智能實踐中從明確問題、創(chuàng)設(shè)情境到最終完成作品創(chuàng)作，指向創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。此外，該學(xué)者提出的TRIP四類教學(xué)模式也以設(shè)計產(chǎn)品為目標(biāo)，將正向教學(xué)與逆向教學(xué)、作品開發(fā)取向與科學(xué)探究取向交叉整合[8]，最終實現(xiàn)產(chǎn)品的再造與升級。

教學(xué)流程及其方法

采用實驗?zāi)M型教學(xué)模式的教學(xué)內(nèi)容可以圍繞簡易的產(chǎn)品模仿展開，教學(xué)主要流程為體驗產(chǎn)品、產(chǎn)品解構(gòu)和復(fù)原、設(shè)計方案與制作原型。例如，在《綱要》的“人工智能概述”課程模塊中，教師采用逆向工程法，展示“手勢控制風(fēng)扇”作品樣例，引導(dǎo)學(xué)生通過應(yīng)用體驗，了解產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)和功能，學(xué)習(xí)手勢識別的基礎(chǔ)原理，進而討論交流，迭代設(shè)計出可選方案并進行原型制作，最后從多個維度評價學(xué)習(xí)效果，強化利用人工智能解決問題的實踐能動性。

采用趣味交互型教學(xué)模式的教學(xué)內(nèi)容可以圍繞趣味性內(nèi)容展開，教學(xué)主要流程為主題選擇、設(shè)計方案、實施方案與交互測試。例如，在《綱要》的“機器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)”課程模塊中，教師采用游戲化教學(xué)法，以“AI猜拳機器人”為項目主題，引導(dǎo)學(xué)生使用智能攝像頭錄入石頭、剪刀、布3種手勢的數(shù)據(jù)，制作簡易的猜拳機器人，并與之進行游戲交互，體驗機器學(xué)習(xí)的樂趣。在第七屆中小學(xué)人工智能教育展示活動上，有教師以“智慧花園”為主題，引導(dǎo)學(xué)生使用集成傳感器、執(zhí)行器、控制器等開源硬件和圖形化編程工具，完成一個可操作的智慧花園原型，并通過計算機程序和獲得的環(huán)境數(shù)據(jù)間的相互反饋進行澆水、灌溉等操作，讓學(xué)生在趣味中學(xué)習(xí)知識。

采用科學(xué)探究型教學(xué)模式的教學(xué)內(nèi)容可以圍繞科學(xué)性知識展開，教學(xué)主要流程為明確問題、開展實驗、分析結(jié)果與探究原理。例如，在《綱要》的“人工智能技術(shù)基礎(chǔ)”課程模塊中，教師要引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識算力的重要性，以及不同處理器在運算速度等方面的差異。因此，教師通過人工智能開發(fā)平臺提供的算力服務(wù)，指導(dǎo)學(xué)生使用大型數(shù)據(jù)集進行模型訓(xùn)練，并比較不同處理器下的模型訓(xùn)練時間，從而根據(jù)得到的結(jié)果學(xué)習(xí)算力及模型訓(xùn)練的內(nèi)涵。同樣，在“機器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)”課程模塊中，通過設(shè)計一些簡單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實驗，讓學(xué)生基于數(shù)據(jù)集訓(xùn)練模型，感受訓(xùn)練次數(shù)不同、算法選擇不同等設(shè)置對模型的影響，從而引導(dǎo)學(xué)生理解深度學(xué)習(xí)的含義與特征，認(rèn)識深度學(xué)習(xí)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系。

采用發(fā)明創(chuàng)造型教學(xué)模式的教學(xué)內(nèi)容可以圍繞創(chuàng)意物品展開，教學(xué)主要流程為情境創(chuàng)設(shè)、設(shè)計方案、制作原型、測試與調(diào)試。例如，《綱要》

中涉及到“人工智能技術(shù)基礎(chǔ)”和“機器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)”課程模塊的“智能分揀系統(tǒng)”案例，教師設(shè)置相關(guān)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生進行方案設(shè)計，接著通過收集素材，結(jié)合訓(xùn)練集與開源代碼訓(xùn)練模型，最后完成智能分揀系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，并根據(jù)實際應(yīng)用需求，結(jié)合真實情境，對系統(tǒng)進行迭代優(yōu)化。又如，在2023年全國青少年人工智能創(chuàng)新實踐交流展示會上，有教師提出了“中藥茶飲智能識別搭配小助手”案例，通過創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計方案，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，最終完成項目制作。

教學(xué)資源與工具的選用

人工智能教育的開展，既需要合適的教學(xué)模式與方法指引，也離不開豐富的資源支持。教學(xué)資源是一切可以用于教育、教學(xué)的條件，包括物質(zhì)、自然、社會及媒體條件，是教學(xué)材料與信息的來源。《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》明確指出，要配備數(shù)量合理、配置適當(dāng)?shù)膶嶒炘O(shè)備，建設(shè)適應(yīng)教學(xué)需要的數(shù)字化教學(xué)資源[9]。《綱要》將資源細(xì)分為3個維度，分別是教學(xué)資源、平臺資源和空間資源。

人工智能課程教學(xué)資源主要包含教師教學(xué)材料、學(xué)生學(xué)習(xí)材料和實踐課程軟硬件環(huán)境等。教師教學(xué)材料、學(xué)生學(xué)習(xí)材料是師生進行教學(xué)和學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，通過這些教學(xué)材料，師生得以了解人工智能課程的最新要求與動態(tài)，并由此展開教學(xué)；實踐課程軟硬件環(huán)境是人工智能課程實施的依托，學(xué)生通過體驗與實操，才能真正通達人工智能教育的核心。

必要的智能化教學(xué)平臺是人工智能課程實施的基礎(chǔ)保障，學(xué)生可在平臺上查找資源、模擬訓(xùn)練等。學(xué)?？山Y(jié)合自身條件與實際教學(xué)需求，配備計算機、軟件等基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，以及人工智能智慧教育平臺，例如虛擬仿真實驗室、機器學(xué)習(xí)自定義模型訓(xùn)練平臺、人工智能編程平臺等，以滿足個性化教學(xué)、項目式學(xué)習(xí)等需求。

空間資源的開發(fā)也是重點，人工智能實驗室建設(shè)是人工智能實踐課程建設(shè)的重要組成部分，應(yīng)分區(qū)布置，使之功能明晰、規(guī)整有序，一般應(yīng)包括配備互動白板、投影設(shè)備等的教學(xué)區(qū)，布局適宜、資源豐富的學(xué)習(xí)區(qū)，配備常用設(shè)備、工具和人工智能開發(fā)板等的工作坊區(qū)，并設(shè)立設(shè)備儲存柜、貨架和抽屜等的設(shè)備存放區(qū)。

中小學(xué)人工智能教育可劃分為體驗級、理解級、應(yīng)用級、綜合級[10]，每個層級的目標(biāo)與要求是逐層深入的，對應(yīng)使用的人工智能教學(xué)資源與工具也會有所不同，教師可根據(jù)不同學(xué)段進行對應(yīng)設(shè)計與選用。

第一學(xué)段（1—2年級）：游戲化、互動性資源

此學(xué)段的學(xué)生處于認(rèn)識數(shù)字與培養(yǎng)數(shù)感的初級階段，人工智能的知識儲備較為薄弱，關(guān)鍵是激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能的興趣，建立學(xué)生對人工智能的初步認(rèn)知；不宜涉及較為抽象的人工智能技術(shù)基礎(chǔ)、機器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)模塊相關(guān)內(nèi)容，所以未對應(yīng)任一層級。

教師要充分考慮學(xué)生當(dāng)前階段的活動經(jīng)驗和生活經(jīng)驗，選用以游戲化和互動性為主要特點、以故事和動畫為載體的教學(xué)資源，介紹人工智能的含義和基本特征，激發(fā)學(xué)生對人工智能的興趣。例如，教師可在學(xué)習(xí)區(qū)放置各類學(xué)習(xí)資源，展示案例，引導(dǎo)學(xué)生通過智能語音助手收聽寓言故事、查詢天氣預(yù)報等，并幫助學(xué)生與之進行交互活動，感受人工智能，體會人工智能給生活帶來的便利；可在教學(xué)區(qū)組織學(xué)生通過白板、電腦等設(shè)備分享交流對身邊人工智能應(yīng)用案例的觀察記錄，以觀察日志、視頻解說、繪畫創(chuàng)作等表達方式探討人工智能對生活、社會的影響，深化學(xué)生對人工智能的認(rèn)識。

第二學(xué)段（3—4年級）：人工智能仿真平臺和智能傳感器

3—4年級的學(xué)生認(rèn)知發(fā)展處于具象思維階段，已經(jīng)具備一定的動手能力，所以對應(yīng)第一層級——體驗級。體驗級的教學(xué)內(nèi)容并未真正涉及人工智能的核心算法與模型，不要求學(xué)生訓(xùn)練模型，只需借助編程體驗工具認(rèn)識人工智能，對應(yīng)的認(rèn)知水平為記憶。

教師可逐步引入人工智能仿真平臺和智能傳感器等教學(xué)資源，通過情境創(chuàng)設(shè)、案例分析、項目體驗等方式，引導(dǎo)學(xué)生在解決問題的過程中掌握人工智能中數(shù)據(jù)采集與處理的方法，深化對人工智能的認(rèn)知。例如，在配備常用設(shè)備、工具和人工智能開發(fā)板的工作坊區(qū)，引導(dǎo)學(xué)生使用智能攝像頭從多類背景、多個角度錄入石頭、剪刀、布3種手勢的數(shù)據(jù)，制作簡易的“AI猜拳機器人”，認(rèn)識數(shù)據(jù)和機器學(xué)習(xí)的基本概念；在教學(xué)區(qū)結(jié)合動畫視頻向?qū)W生演示自動駕駛汽車是如何識別交通標(biāo)志的，引導(dǎo)學(xué)生體會人工智能的感知能力、學(xué)習(xí)能力與決策能力；使用互動白板、音響系統(tǒng)，講解“聽覺傳感器”，并通過類比人類聽覺系統(tǒng)的工作過程，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)機器感知的基本原理和應(yīng)用特征。

第三學(xué)段（5—6年級）：實體開源硬件與集成化的智能模型訓(xùn)練工具

5—6年級學(xué)生認(rèn)知發(fā)展處于從具象思維到抽象思維的過渡時期，思維比較活躍，所以對應(yīng)第二、第三層級——理解級、應(yīng)用級。理解級的教學(xué)內(nèi)容需要學(xué)生經(jīng)歷人工智能模型的開發(fā)過程，重點、難點在于通過不斷調(diào)整數(shù)據(jù)集改進模型，對應(yīng)的認(rèn)知水平為理解；應(yīng)用級要求學(xué)生運用模型制作智能交互系統(tǒng)，生成的數(shù)據(jù)集也會更為復(fù)雜，對應(yīng)的認(rèn)知水平為應(yīng)用。

教師可運用上機實驗、模擬、仿真、搭建簡易系統(tǒng)等方式，引入實體開源硬件與集成化的智能模型訓(xùn)練工具等教學(xué)資源，讓學(xué)生掌握人工智能的關(guān)鍵技術(shù)與實現(xiàn)方式。例如，借助在線人工智能平臺和模擬仿真工具，引導(dǎo)學(xué)生采用生成式人工智能工具，通過編寫及優(yōu)化提示語的方式，完成“AI生成繪畫”，以可視化的方式學(xué)習(xí)人工智能關(guān)鍵技術(shù)，培養(yǎng)創(chuàng)新思維與實踐能力；借助在線人工智能平臺和簡易工作坊區(qū)開發(fā)工具，結(jié)合查閱的資料，進行數(shù)據(jù)收集與整理、分類與標(biāo)注，利用內(nèi)置處理器完成模型訓(xùn)練和推理，制作“果園采摘機器人”，學(xué)會應(yīng)用人工智能技術(shù)解決真實問題。

第四學(xué)段（7—8年級）：人工智能教學(xué)平臺與實驗室

7—8年級學(xué)生思維能力與動手能力較強，所以對應(yīng)第三、第四層級——應(yīng)用級、綜合級。相較于應(yīng)用級，綜合級需要學(xué)生分解實際項目問題并形成問題鏈，靈活運用所積累知識解決問題，對應(yīng)的認(rèn)知水平為分析。

教師可設(shè)置演示、類比、分析、實驗等任務(wù)，依托人工智能教學(xué)平臺與實驗室等教學(xué)資源，幫助學(xué)生理解機器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)的實現(xiàn)方式，并引導(dǎo)學(xué)生基于生活情境，通過項目式作品開發(fā)實踐學(xué)習(xí)人工智能關(guān)鍵技術(shù)的基本原理與應(yīng)用方法，提升人工智能時代的責(zé)任意識。例如，通過教學(xué)資源進行前期知識累積，利用網(wǎng)絡(luò)收集所需圖片等素材，引導(dǎo)學(xué)生正確劃分?jǐn)?shù)據(jù)集，并借助人工智能平臺上的開源代碼訓(xùn)練模型，實現(xiàn)對流水線產(chǎn)品的分揀功能，完成“智能分揀系統(tǒng)”的設(shè)計與開發(fā)，提高學(xué)生的人工智能應(yīng)用能力，學(xué)會解決實際情境中的復(fù)雜問題；設(shè)計一些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實驗，引導(dǎo)學(xué)生借助人工智能平臺和工具設(shè)備等資源，動手訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，如基于MNIST數(shù)據(jù)集訓(xùn)練LeNet模型，基于CIFAR-100數(shù)據(jù)集訓(xùn)練VGGNet模型，并比較“手寫數(shù)字識別”和“鳶尾花分類”案例，加深對深度學(xué)習(xí)和機器學(xué)習(xí)的理解。

綜上，需根據(jù)不同學(xué)段學(xué)生的特點，以及教學(xué)內(nèi)容與定位，比較分析每個學(xué)段的學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)業(yè)要求，選取合適的資源工具，完成相應(yīng)學(xué)習(xí)任務(wù)。

小結(jié)

對于基礎(chǔ)教育而言，如何合理設(shè)計人工智能課程，特別是解決“怎么教”的問題，成為當(dāng)前教育改革的重要議題。本文將教學(xué)模式與資源工具的選用劃分了多個層級，旨在引導(dǎo)學(xué)生逐層遞進、由淺入深地學(xué)習(xí)人工智能，希望由此破解人工智能教育的教學(xué)實踐困境，也期待能與廣大學(xué)者共同討論與改進，推動基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的人工智能教育發(fā)展。