如何開展基礎教育階段人工智慧課程?

2021-01-16 澎湃新聞

以下文章來源於中小學信息技術教育，作者張天軼

中小學信息技術教育

教育信息化的好參謀教育技術應用的好幫手

人工智慧已經越來越走近我們的生活和學習，而人工智慧走近學校、課堂和學生目前更多的是一種體驗。人工智慧進課程的核心問題是如何把AI從技術形態轉化為學生有興趣、可接受的教育形態。這就要求我們更為關注「興趣」「教育形態」和「轉化」三個關鍵詞。

讓學生有「興趣」就必須考慮構建AI的應用場景，讓學生親身感受場景中的應用。這種貼合生活、聯繫實際的體驗會增強孩子們直觀的感受和客觀的理解，激發學生對於AI的興趣。

可接受的「教育形態」，是要將一些有較為成熟經驗的活動模式，如STEAM活動、創客教育等融合AI應用場景，成為學生可接受的一般教育形態。這種教育形態不拘泥於某一類課程設計，在實踐中可以結合各地方校本課程、素拓課程、綜合實踐等方式開展。

最為難做的是「轉化」，因為它是理論的實踐，是設計的探索過程。目前還沒有較為成熟的開展經驗。特別要理性看待目前市場或器材廠商宣傳的人工智慧課程，其中有些只是將一些編程和機器人硬體搭建在一起，包裝宣傳，往往欠缺真實的研究和理論實踐。

從宏觀上看，AI教育課程的構建，需要一個整合性的應用場景，這不僅用於學習導入，或者針對不同的知識點創設不同的情境，而且是要創設統領整個教學的情境，使之成為學生學習活動的真正載體。針對不同學段學生可以使用類似場景，但整合性的好處在於學習過程中沒有將具體場景割裂開，各個學段學生可以銜接有序地逐步學習，這是研究者特別要考慮的統籌問題。要體現真正的以學生為本，關注學生核心素養的提升。

如中國農業大學附屬中學史忠祥老師的「人工智慧在生活場景中的應用」一課通過機器人小智，設計了人機互動在生活中應用的場景，在場景中開展體驗活動，針對不同學段設置相對應的活動內容。搭建三個有梯度的活動：機器人小智人機互動導入；討論將人工智慧應用到生活場景中的活動；編程實踐，學生設置意願掛號員、餐廳服務員等角色，編制機器人小智的人工智慧程序。這些活動每一項又可以繼續拓展，每一個場景都可以在生活中得到延伸，因此這樣的場景設計是有生命的，結合學生的認知將人工智慧的案例應用創新融合到課程當中，實現系統設計和綜合培養。

從微觀上看，「轉化」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踐和研究。

充分利用AI開放平臺

感受人工智慧

AI本身不是行業是技術，它的基礎是算力、算法和數據。因此人工智慧走近學生不是讓學生真正地研究人工智慧的算力算法或學習其原理，而是在基礎教育階段更多地設計、體驗並感受人工智慧的應用，使學生形成較為直觀真實的認識，為以後的人生發展、適應新時代社會節奏打好基礎。不能忽視的是人工智慧中大數據的支撐，這些都不是基礎教育階段人力和物力可以解決的，因此在教育教學中教師可以站在巨人的肩膀上，應用開源開放平臺直接面向用戶和應用場景的系統，體驗和應用人工智慧。如百度AI體驗中心或騰訊AI體驗中心，其人工智慧場景應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。教師和學生都可以在現行的小程序中體驗和感受。

如北京市十一學校聶璐老師的「神奇的魔鏡」一課，基本設計是通過人工智慧用於作業批改和籤到的應用場景，引出本節課的人臉識別主題；引導學生畫像，形成人臉識別特徵觀察指標模型；應用騰訊AI開源開放平臺在線體驗人臉識別；了解基於開源平臺開發步驟並實踐籤到App開發過程。這一課充分利用人工智慧平臺，將學生探索與應用AI的過程化繁為簡，真正實現對人工智慧技術的探究與應用，讓AI技術快速便捷進入課堂成為可能。

通過編程學習探索

符合學生認知的人工智慧課程

首先要說明一個誤區：編程≠人工智慧。和傳統的編程不同，AI教育編程活動重點是如何應用AI開放平臺調用開源開放平臺的資源，創建自己的學習和探究活動。

基礎教育階段開設編程課程，本意不是培養程式設計師，或人人都會編程，而是讓學生通過編程體驗工程思維、邏輯運算等，培養學生的是計算思維。而計算思維與信息意識、數位化學習與創新和信息社會責任成為信息技術學科核心素養中四個核心要素。由此可見計算思維的重要性，簡單來講，具備計算思維的學生能夠總結利用計算機解決問題的過程與方法，並遷移到與之相關的其他問題解決中。熊璋教授也曾說：「計算思維是人的思維不是計算機的思維，是人的綜合性品質的一部分。」

由此引申到AI編程教育活動應當也是以培養學生的思維為目標，探索符合學生認知的利用人工智慧解決問題的思維和能力，進而逐步成為人的綜合性品質的一部分。這裡可以利用的編程軟體有很多，其中特別要關注的方向是能夠將圖形化編程與AI開源平臺插件相連接，構建編程環境下的人工智慧場景體驗。

其有兩個優勢：一是能夠將編程基礎知識和技能遷移，快速上手學習和研究，並且編程中的邏輯思維與人工智慧相關知識相近或相通，易於學生參與人工智慧活動課程當中。目前在學校能夠開展人工智慧相關活動的人員基本上是信息技術學科教師，他們具備紮實的教學研究經驗和編程教學實踐，無論是小學、初中還是高中都能結合學生情況制定相關學案，因此從人才應用上看應當發揮信息技術學科優勢，做好人工智慧課程研究和實踐工作。

二是目前在基礎教育階段很多地區普遍開展創客教育或STEAM教學活動，往往以項目學習的方式展開，在學習內容上機器人教學、開源硬體應用和編程教學或三者結合的相關內容佔了大部分比重，因此將編程活動與人工智慧插件或平臺相銜接，更利於其融合到創客教育活動當中。把AI融於項目學習中從這幾方面著手都是比較好的思路：AI研究與創新——深入動手做研究；AI小項目試驗——跨學科實踐應用；AI思維與興趣——中小學普及教育。

人工智慧的應用方向

基於Scratch平臺研發的圖形化編程軟體Kittenblock，其基本操作均是學生比較容易上手學習的積木式拼搭編程方式；最大的特點是結合了相關功能拓展的插件尤其是面部識別、文字翻譯、百度AI平臺、機器學習模塊等人工智慧開放平臺插件。這就極大地豐富了學生體驗、設計和學習人工智慧相關內容的形式，拓展了學習空間，如圖1；並且通過思維導圖的開放式設計，在頭腦風暴中實現拓展應用，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計現實應用場景，讓學生完成人工智慧語音識別編程案例學習。

如製作實時翻譯App，為出國旅遊、工作、學習帶來方便。具體活動有引導學生設計情境，規劃製作目標；根據情境設計解決問題方式，尋找AI技術的融合點；根據相關需求的融合點編寫程序。此編程利用語音識別和機器翻譯插件。

（2）從人臉識別、物品識別、文字識別的三個過程中逐步設計現實應用場景。如學校人員防控面部識別應用。具體活動有創建學校人臉資料庫；人臉識別，記錄數據，添加進資料庫；識別人臉搜索資料庫核對；系統輸出結果，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）機器學習。機器像人一樣思考和學習一直是人工智慧應用的目標和方向。在Kittenblock軟體中特別設置了MachineLearning的機器學習插件，為學生體驗和編寫機器學習的相關程序提供了方便和可能。通過攝像頭的視頻識別，讓系統記憶一些物品或人臉特徵，然後在一些場景下給予人反饋。

如系統識別垃圾屬性完成垃圾分類指導工作。人工智慧幫助識別垃圾分類：機器學習，識別記錄每一樣垃圾的類型；數據記錄，將垃圾信息導入信息庫；當識別到垃圾類型時，機器語音提示結果。此編程利用視頻識別、機器學習和語音合成插件，如圖4。

人工智慧並不神秘，在這個時代我們的中小學生應該從小具備見識、了解甚至掌握一些人工智慧原理。在基礎教育階段開展人工智慧進課程的研究，要利用一切當前應用的場景和資源，創設適合學校、教師和學生操作和開展的人工智慧活動，逐漸在這些活動中尋找與當前學科課程相適應且能夠銜接的內容，結合不同學校實際摸索建設具備時代性和差異化的人工智慧課程。總之，人工智慧從科研走向應用，又在應用中啟發我們的教育，探索人工智慧的教育形態是未來我們長期研究的重要方向。

（內容來源：《中小學信息技術教育》雜誌2020年第12期《基礎教育階段開展人工智慧課程的路徑與方法》一文，作者/張天軼，單位/天津市紅橋區教師進修學校）