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                                                              中小學如何做好人工智能課程建設

                                                              發布時間:2024-05-18 作者:丁黎軍 郭炯 來源:中國教育報

                                                              ■“關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,人工智能駛入發展快車道。中小學校如何加強人工智能教育?如何把人工智能技術與教育教學深度融合?圍繞這些問題,智慧教育??亻_設“關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造性解決問題,具備與智能工具協同創新的能力。

                                                              教育是面向未來培養人才的事業,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鍵載體和學生人工智能核心素養全面發展的基礎;要充分認識到,課程實施既是學生探索人工智能未來發展的過程,也是培養學生掌控人工智能與人類世界關系的責任感和使命感的過程。

                                                                  依據核心素養明確課程目標

                                                              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、課程內容與人工智能領域的核心技術理念脫節、課程內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,中央電教館發布《中小學人工智能技術與工程素養框架》(以下簡稱《素養框架》),從人工智能與人類、人工智能與社會、人工智能技術、人工智能系統設計與開發4個領域提出了中小學生應具備的核心素養。2022年教育部印發《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、數字化學習與創新、信息社會責任4個維度明確了課程核心素養基本要求。

                                                              《素養框架》和《課程標準》的發布不僅界定了中小學階段人工智能教學中“最有價值的內容”,也明確了如何在中小學教學實踐中體現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能夠解決的問題,了解人工智能技術的基本原理、過程和實現方法,并能選擇最優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解決問題的能力。二是能夠整合人工智能技術和其他學科知識解決復雜問題,具備人工智能系統設計與開發、人工智能系統的評估與維護能力,培養系統工程思維,確保人工智能技術服務于全體人類社會。三是培養和樹立科學合理的倫理觀,正確看待和處理人機關系。認識人工智能與人類的關系、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,樹立科學合理的倫理觀,保證人工智能健康、合法地發展。

                                                              圍繞核心素養構建課程內容

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

                                                              結合《素養框架》和《課程標準》,學校人工智能課程內容可以包括以下4類內容:

                                                              第一,人工智能相關概念和發展歷程為核心的基礎內容。以學生能夠理解和掌握的與生活實際相聯系的人工智能應用場景為背景,認識芯片、傳感器,理解數據和計算、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、模型開發等為核心的技術內容。結合語音識別、人臉識別、影像診斷、智能家居等讓學生理解人工智能技術及應用原理和實現過程,初步形成人工智能感性經驗。第三,機器人、無人駕駛、智慧醫療等典型場景的應用內容。從工業、醫療、交通、法律、教育等不同領域提取人工智能技術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,培養學生利用智能技術解決現實問題的意識和能力。第四,以人工智能社會與人文、人工智能安全和發展為核心的倫理內容。呈現人工智能技術應用潛在的倫理挑戰以及對個人、社會等的潛在影響,關注人工智能技術引發的公平、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向善”。需要注意的是,以上4類內容不應是單線性的依次排列、逐步實施的關系,而應是互為一體的融合。

                                                              構建知行合一的課堂實踐學習樣態

                                                              人工智能學科的實踐特性決定了課程實施要結合學生認知規律和生活經驗,依托真實問題和現實任務,體現真實性、挑戰性、進階性等特征。在人工智能課程教學中,應以應用類內容為載體,以基礎類內容為要素,以技術類內容為支撐點,以倫理類內容為反思點,統整各部分學習內容,讓人工智能學習內容與學生的真實世界相連接,構建一個知行合一、生動實踐的課堂實踐學習樣態。

                                                              一是選擇感知、體驗類案例進行觀摩,或將人工智能實景體驗作為內容,幫助學生形象感知、深入體會人工智能技術的功能和實際應用,培養學生對人工智能場景的觀察和理解能力,激發學生的學習興趣和創新能力。如語音識別技術在汽車駕駛、智能家居、智能助教、醫療助手等場景的應用,幫助學生感受泛在的人工智能技術應用、體會人工智能技術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,并能夠將數字世界與現實世界相結合。

                                                              二是以問題鏈、啟發式對話等形式展示學習內容,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,感知外界環境,理解外界環境。在體驗、理解、實踐人工智能技術的過程中,合理設置人工智能有哪些應用,將產生什么影響,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。

                                                              三是基于“做中學”理念,開展項目式學習實踐。將課程內容轉化為可執行、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、智能語音助手開發項目或探索設計智能決策系統模型構建項目,以項目為載體整合學生需要掌握的基礎知識、實踐能力和倫理態度,運用基本的身體動作、心智活動或人際關系促進認知結構整合,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,加深學生對區域特色文化的認知和理解,培養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保護情景,引導學生將人工智能和本土文化相結合,通過設計文物保護監測、文化遺產數字化展示、文化遺產保護規劃等,使學生了解并思考運用人工智能技術推動民俗文化發展。

                                                              五是設計技術哲學和道德兩難性問題討論、技術問題引發的災難分析、人工智能相關科幻片評析等內容,引導學生形成人工智能倫理意識和思考技術的問題習慣,以培養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療事故案例,引導學生認真思考技術問題可能帶來的災難性后果,探索提出改進和解決方案,啟發學生思考智能技術發展中如何保持人機關系的平衡,理性看待人工智能技術與人類社會的互動、共生、協同、依存等關系。

                                                              課程開發者應當動態把握人工智能發展趨勢,結合學校及地區條件,選取合適的教學材料,積極改造或自主編寫課程內容。同時根據課程內容的呈現需要,創新與內容相匹配的教學方法,合理規劃不同類別內容的比例,讓人工智能課程內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,最終實現從素養要求到課堂實踐的有效轉化。

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

                                                               

                                                              ■基層案例

                                                              創設多維任務玩轉智能飛行

                                                              李紅梅

                                                              SMAC(Social——社交化,Mobile——移動化,Analytic——大數據分析,Cloud——云計算)拓展課程是重慶市沙坪壩區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內容、咨詢了學校信息技術教師,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絡學習空間,為整個項目的實施打下理論基礎。學生經過利用遙控器控制無人機按指定的路線飛行、通過障礙等基礎訓練后,在編程飛行環節,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180°,再依次完成任務3和4,最后在指定地點降落?!薄拔腋悴惶粯?,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?!苯涍^不斷的編程、試飛和調試,學生完成了一個又一個任務,通過了一個又一個挑戰路線,在不斷的挑戰中成長。

                                                              下一環節,進入本課程的難點,編隊飛行。這個環節學生要同時對多架無人機進行編程,并控制多架無人機執行同一個任務。我引導學生用逆推的方法來思考:先確定好要編隊造型,如在空中呈現一個“大”字。再根據這個造型確定無人機的數量和每個編號無人機的最終位置,最后根據無人機的最終位置來確定無人機的起點位置和飛行路徑。雖然這個環節對于小學生來說,有一定難度,但經過與教師的交流、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,如在空中呈現一個愛心,并在學校的第11屆科技節中精彩展示編隊飛行,得到了一致好評。

                                                              數字技術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型邁出了一大步。

                                                              (作者單位系重慶市沙坪壩區樹人景瑞小學)

                                                              《中國教育報》2024年05月18日第3版 

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