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      中小學如何做好人工智能課程建設

      發(fā)布時間:2024-05-18 作者:丁黎軍 郭炯 來源:中國教育報

      ■“關(guān)注中小學人工智能教育”·理論篇①

          開欄的話

      當前,生成式人工智能熱潮涌動,人工智能駛?cè)氚l(fā)展快車道。中小學校如何加強人工智能教育?如何把人工智能技術(shù)與教育教學深度融合?圍繞這些問題,智慧教育??亻_設“關(guān)注中小學人工智能教育”專欄,約請專家、學者、局長、校長從不同角度展開討論。敬請關(guān)注。

       

      隨著人工智能應用場景日趨豐富,生活于其中的每一位成員不僅要會使用智能工具,更需要用符合智能時代的思維方式去理解與創(chuàng)造性解決問題,具備與智能工具協(xié)同創(chuàng)新的能力。

      教育是面向未來培養(yǎng)人才的事業(yè),課程是學校育人的核心場域。在推進人工智能教育中,學校需要將人工智能課程建設作為學校智能教育的核心要素、教育教學活動開展的關(guān)鍵載體和學生人工智能核心素養(yǎng)全面發(fā)展的基礎(chǔ);要充分認識到,課程實施既是學生探索人工智能未來發(fā)展的過程,也是培養(yǎng)學生掌控人工智能與人類世界關(guān)系的責任感和使命感的過程。

          依據(jù)核心素養(yǎng)明確課程目標

      當前,我國中小學人工智能教育處于探索階段,存在著課程價值取向不明確、課程內(nèi)容與人工智能領(lǐng)域的核心技術(shù)理念脫節(jié)、課程內(nèi)容組織缺乏邏輯連貫性、課程實踐脫離生活實際、課程評價尚未形成體系等問題。

      面對以上問題,學校首先需明確課程目標,這是人工智能課程建設的邏輯起點。2021年,中央電教館發(fā)布《中小學人工智能技術(shù)與工程素養(yǎng)框架》(以下簡稱《素養(yǎng)框架》),從人工智能與人類、人工智能與社會、人工智能技術(shù)、人工智能系統(tǒng)設計與開發(fā)4個領(lǐng)域提出了中小學生應具備的核心素養(yǎng)。2022年教育部印發(fā)《義務教育信息科技課程標準(2022年版)》(以下簡稱《課程標準》),從信息意識、計算思維、數(shù)字化學習與創(chuàng)新、信息社會責任4個維度明確了課程核心素養(yǎng)基本要求。

      《素養(yǎng)框架》和《課程標準》的發(fā)布不僅界定了中小學階段人工智能教學中“最有價值的內(nèi)容”,也明確了如何在中小學教學實踐中體現(xiàn)人工智能的核心價值和教學目標。具體為:

      一是明確人工智能技術(shù)能夠解決的問題,了解人工智能技術(shù)的基本原理、過程和實現(xiàn)方法,并能選擇最優(yōu)的人工智能工具或模型框架,進而形成計算思維,具備利用人工智能技術(shù)解決問題的能力。二是能夠整合人工智能技術(shù)和其他學科知識解決復雜問題,具備人工智能系統(tǒng)設計與開發(fā)、人工智能系統(tǒng)的評估與維護能力,培養(yǎng)系統(tǒng)工程思維,確保人工智能技術(shù)服務于全體人類社會。三是培養(yǎng)和樹立科學合理的倫理觀,正確看待和處理人機關(guān)系。認識人工智能與人類的關(guān)系、人工智能與社會的交互及對社會的影響,潛在的公平性問題、倫理問題、法律挑戰(zhàn),樹立科學合理的倫理觀,保證人工智能健康、合法地發(fā)展。

      圍繞核心素養(yǎng)構(gòu)建課程內(nèi)容

      課程內(nèi)容不僅是育人目標和課程目標的關(guān)鍵載體,更是學科教學活動的核心要素。需要將課程內(nèi)容的構(gòu)建放置于時代意義、學科價值以及學生認知能力的整體框架中進行考量,關(guān)注學生學習經(jīng)驗對內(nèi)容接納的可能性及科學技術(shù)學科特有的實踐特性,避免出現(xiàn)高深莫測的“虛幻”內(nèi)容或囿于某一特定軟硬件平臺的內(nèi)容。

      結(jié)合《素養(yǎng)框架》和《課程標準》,學校人工智能課程內(nèi)容可以包括以下4類內(nèi)容:

      第一,人工智能相關(guān)概念和發(fā)展歷程為核心的基礎(chǔ)內(nèi)容。以學生能夠理解和掌握的與生活實際相聯(lián)系的人工智能應用場景為背景,認識芯片、傳感器,理解數(shù)據(jù)和計算、問題表達與求解。第二,以人工智能算法、自然語言處理、計算機視覺、機器學習、深度學習、模型開發(fā)等為核心的技術(shù)內(nèi)容。結(jié)合語音識別、人臉識別、影像診斷、智能家居等讓學生理解人工智能技術(shù)及應用原理和實現(xiàn)過程,初步形成人工智能感性經(jīng)驗。第三,機器人、無人駕駛、智慧醫(yī)療等典型場景的應用內(nèi)容。從工業(yè)、醫(yī)療、交通、法律、教育等不同領(lǐng)域提取人工智能技術(shù)應用真實場景和典型案例,理解人工智能特有的問題解決方法,培養(yǎng)學生利用智能技術(shù)解決現(xiàn)實問題的意識和能力。第四,以人工智能社會與人文、人工智能安全和發(fā)展為核心的倫理內(nèi)容。呈現(xiàn)人工智能技術(shù)應用潛在的倫理挑戰(zhàn)以及對個人、社會等的潛在影響,關(guān)注人工智能技術(shù)引發(fā)的公平、安全、道德、法律等問題,引導學生辨析應用的利與弊,樹立正確的人工智能價值觀念,確?!凹夹g(shù)向善”。需要注意的是,以上4類內(nèi)容不應是單線性的依次排列、逐步實施的關(guān)系,而應是互為一體的融合。

      構(gòu)建知行合一的課堂實踐學習樣態(tài)

      人工智能學科的實踐特性決定了課程實施要結(jié)合學生認知規(guī)律和生活經(jīng)驗,依托真實問題和現(xiàn)實任務,體現(xiàn)真實性、挑戰(zhàn)性、進階性等特征。在人工智能課程教學中,應以應用類內(nèi)容為載體,以基礎(chǔ)類內(nèi)容為要素,以技術(shù)類內(nèi)容為支撐點,以倫理類內(nèi)容為反思點,統(tǒng)整各部分學習內(nèi)容,讓人工智能學習內(nèi)容與學生的真實世界相連接,構(gòu)建一個知行合一、生動實踐的課堂實踐學習樣態(tài)。

      一是選擇感知、體驗類案例進行觀摩,或?qū)⑷斯ぶ悄軐嵕绑w驗作為內(nèi)容,幫助學生形象感知、深入體會人工智能技術(shù)的功能和實際應用,培養(yǎng)學生對人工智能場景的觀察和理解能力,激發(fā)學生的學習興趣和創(chuàng)新能力。如語音識別技術(shù)在汽車駕駛、智能家居、智能助教、醫(yī)療助手等場景的應用,幫助學生感受泛在的人工智能技術(shù)應用、體會人工智能技術(shù)為人類生活帶來的便利;通過手機刷臉解鎖、人臉識別支付、虛擬自動駕駛室等實景體驗,助力學生理解智能交互,并能夠?qū)?shù)字世界與現(xiàn)實世界相結(jié)合。

      二是以問題鏈、啟發(fā)式對話等形式展示學習內(nèi)容,引導學生通過探索和思考來理解人工智能的概念和原理,增進對人工智能價值的思考和辨別能力。如將計算機視覺技術(shù)與人類視覺的形成進行類比,幫助學生理解攝像頭類似人的眼睛,感知外界環(huán)境,理解外界環(huán)境。在體驗、理解、實踐人工智能技術(shù)的過程中,合理設置人工智能有哪些應用,將產(chǎn)生什么影響,應該怎么應對等問題鏈,引導學生正確認識人工智能、深入思考人工智能價值、合理應對人工智能帶來的挑戰(zhàn)。

      三是基于“做中學”理念,開展項目式學習實踐。將課程內(nèi)容轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行、可操作的探究項目。如引導和組織學生設計智能機器人編程項目、智能語音助手開發(fā)項目或探索設計智能決策系統(tǒng)模型構(gòu)建項目,以項目為載體整合學生需要掌握的基礎(chǔ)知識、實踐能力和倫理態(tài)度,運用基本的身體動作、心智活動或人際關(guān)系促進認知結(jié)構(gòu)整合,形成采用模式思考、識別和處理新問題的能力。

      四是運用情景模擬營造文化氛圍的形式,加深學生對區(qū)域特色文化的認知和理解,培養(yǎng)學生具備人工智能與本土文化融合能力。如模擬本地文化遺產(chǎn)保護情景,引導學生將人工智能和本土文化相結(jié)合,通過設計文物保護監(jiān)測、文化遺產(chǎn)數(shù)字化展示、文化遺產(chǎn)保護規(guī)劃等,使學生了解并思考運用人工智能技術(shù)推動民俗文化發(fā)展。

      五是設計技術(shù)哲學和道德兩難性問題討論、技術(shù)問題引發(fā)的災難分析、人工智能相關(guān)科幻片評析等內(nèi)容,引導學生形成人工智能倫理意識和思考技術(shù)的問題習慣,以培養(yǎng)學生人工智能倫理認知能力。如通過研究算法失誤導致的醫(yī)療事故案例,引導學生認真思考技術(shù)問題可能帶來的災難性后果,探索提出改進和解決方案,啟發(fā)學生思考智能技術(shù)發(fā)展中如何保持人機關(guān)系的平衡,理性看待人工智能技術(shù)與人類社會的互動、共生、協(xié)同、依存等關(guān)系。

      課程開發(fā)者應當動態(tài)把握人工智能發(fā)展趨勢,結(jié)合學校及地區(qū)條件,選取合適的教學材料,積極改造或自主編寫課程內(nèi)容。同時根據(jù)課程內(nèi)容的呈現(xiàn)需要,創(chuàng)新與內(nèi)容相匹配的教學方法,合理規(guī)劃不同類別內(nèi)容的比例,讓人工智能課程內(nèi)容適切學生實際生活中的人工智能應用需求,適應學生對于復雜問題的認知層次,最終實現(xiàn)從素養(yǎng)要求到課堂實踐的有效轉(zhuǎn)化。

      (作者丁黎軍系西北師范大學教育技術(shù)學院講師,郭炯系西北師范大學教育技術(shù)學院院長)

       

      ■基層案例

      創(chuàng)設多維任務玩轉(zhuǎn)智能飛行

      李紅梅

      SMAC(Social——社交化,Mobile——移動化,Analytic——大數(shù)據(jù)分析,Cloud——云計算)拓展課程是重慶市沙坪壩區(qū)樹人景瑞小學人工智能校本課程之一。我在接觸智能飛行課程后,一直在思考如何設計課程,讓學生收獲更多知識。

      開課初期,我問學生為什么選擇這門課程,一石激起千層浪?!俺σ?,重慶舉辦大型光影無人機焰火表演,其中無人機表演的壯美山水我太喜歡啦?!薄拔蚁胫?000架無人機矩陣表演是怎么弄出來的?!被趯W生們的興趣,我查閱了無人機相關(guān)內(nèi)容、咨詢了學校信息技術(shù)教師,最終確定課程以無人機為載體,以能說出無人機飛行原理、飛行安全常識、無人機的組成部分,能手動操控無人機,能編程操控無人機(重點),能編隊飛行(難點)的手、眼、腦一體教育為目標,設計了集拍攝、操控和編程為一體的智能飛行課程。課程為期16周,共計16課時。

      課程初期理論學習中,我利用網(wǎng)絡空間建立“飛行知識我知道”共享文件夾,讓學生借助移動終端,自主查閱資料,用圖片、視頻和文字的形式記錄并上傳至網(wǎng)絡學習空間,為整個項目的實施打下理論基礎(chǔ)。學生經(jīng)過利用遙控器控制無人機按指定的路線飛行、通過障礙等基礎(chǔ)訓練后,在編程飛行環(huán)節(jié),我引導學生先觀察給定的飛行路徑,設計飛行路線并畫在草稿本上,再利用軟尺等工具,測量每個障礙物間的距離,最后用軟件進行編程。學生們積極分享他們的編程思路:“我是這樣想的,先起飛,到達任務1進行懸停,再到達任務2原地旋轉(zhuǎn)180°,再依次完成任務3和4,最后在指定地點降落。”“我跟你不太一樣,我設計的是,起飛后先通過任務3和4穿過豎圈和橫圈,因為這是我擅長的任務,可以多得分,再依次通過任務1和2,最后降落。”經(jīng)過不斷的編程、試飛和調(diào)試,學生完成了一個又一個任務,通過了一個又一個挑戰(zhàn)路線,在不斷的挑戰(zhàn)中成長。

      下一環(huán)節(jié),進入本課程的難點,編隊飛行。這個環(huán)節(jié)學生要同時對多架無人機進行編程,并控制多架無人機執(zhí)行同一個任務。我引導學生用逆推的方法來思考:先確定好要編隊造型,如在空中呈現(xiàn)一個“大”字。再根據(jù)這個造型確定無人機的數(shù)量和每個編號無人機的最終位置,最后根據(jù)無人機的最終位置來確定無人機的起點位置和飛行路徑。雖然這個環(huán)節(jié)對于小學生來說,有一定難度,但經(jīng)過與教師的交流、與同學的合作,最終學生們完成了一些簡單造型的編隊飛行,如在空中呈現(xiàn)一個愛心,并在學校的第11屆科技節(jié)中精彩展示編隊飛行,得到了一致好評。

      數(shù)字技術(shù)和資源為這門課提供了有力的支撐,教學方式的改變、平臺資源的運用、各類技術(shù)的融合,讓學生在自己感興趣的世界中不斷探索,讓我向一專多能的教師轉(zhuǎn)型邁出了一大步。

      (作者單位系重慶市沙坪壩區(qū)樹人景瑞小學)

      《中國教育報》2024年05月18日第3版 

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