中小学人工智能课程内容设计及实施案例分析
我国中小学人工智能教育取得飞速发展与瞩目成绩的同时，也存在以下几点主要问题。
其一，缺乏完善的课程体系，无论是国家课程还是校本课程，人工智能教育都是依托其他课程开展的，这导致了人工智能教育内容分量难以确定，目标难以明晰。横向来看，教学内容过于碎片化，学生难以构建相关知识体系；纵向来看，学段间的人工智能教育内容联系不够紧密，这既不利于学生循序渐进的知识与技能学习，也使得教师难以把握学情从而导致教学目标与教学效果之间的落差。此外，现阶段中小学人工智能教育的教材大多属于产品说明书或用户指南[4]。
二、中小学人工智能课程设计
表1中小学人工智能课程目标及内容架构
人工智能技术虽然复杂深奥，但是其应用广泛且贴近生活，知识内容间紧密联系，对学生而言并非是不可感知、无法构建的。以人工智能为依托培养学生的计算思维、智能素养也并非是难以实现的。教师如何设计人工智能课程内容以及课程间以何种方式组织就显得尤为重要。
（一）中小学人工智能课程内容设计案例
下面，以初中年级人工智能课程中的“智能灯”为例对中小学人工智能的课程内容设计做详细阐述。“智能灯”一课意在通过学生对于生活中常见情境下智能灯的设计了解其背后设计原理，能够通过模块化程序设计和python代码编写出智能灯的程序，激发学生对于人工智能在生活中应用的兴趣。“智能灯”课的具体课程内容设计如图1所示：
图1以“智能灯”为例的人工智能课程内容设计
1.问题提出，明确任务
问题提出：绿色、环保、节能、和谐是当今生活的主旋律，智能灯的出现深化了人类与灯光之间的关系。请同学们结合生活实际谈一谈你所了解的智能灯！
明确任务：明确智能灯的设计要求——内置监测外界光线强度传感器，当光敏值大于700时，灯自动打开，当光敏值小于700时，灯自动熄灭。
2.深入探究，设计展示
深入探究：请学生利用可视化工具，例如思维导图，深入理解智能灯的设计要求，分析其所需要的元器件并搭建其真实应用的简易场景。
设计展示：小组通过分工利用模块化程序语言和python语言对智能灯进行设计，调试形成小组作品，并对本组作品进行演示和分享，讨论这两种不同的计算机语言在应用时的异同之处。
3.总结反思，拓展提高
以思维导图的形式回顾智能灯设计的全过程。在实际生活中往往面临着更为复杂的情境，当外界光线昏暗，智能灯会自动给打开且不能自动关闭，这也造成了一种资源浪费。进而引发学生对智能灯更深入的思考，完善、改进作品设计，为之后的课程内容做好准备。
本案例从生活实际出发引发学生的学习兴趣，在内容设计过程中通过对可视化工具的利用帮助学生理清思维脉络，不仅重视学生对模块程序和计算机语言的学习利用，更是通过比较二者的语言风格加强学生对编程的深入理解，进而培养学生的计算思维。
（二）中小学人工智能课程组织案例
人工智能虽然是一个知识体系丰富的新兴技术领域，其内容架构设计包含人工智能基础、算法与编程、机器人与智能系统等多个模块。表面看起来是彼此独立、互不关联的内容，但实际上，无论是技术特点还是知识内容都是可联系、可互通的。忽视了课程内容间的联系、放弃将内容整合成为模块是无法将人工智能的原理与技术讲解透彻的，也无法将计算思维和智能的培养渗入课堂。因而，以综合任务为导向的模块化组织中小学人工智能课程不仅能够有效帮助学生构建人工智能知识体系，更有助于教师组织形式丰富、内容多样的系统课程，增加课堂趣味性、有效性。
以“模拟城市交通系统”为例组织相关课程内容。如图2所示，智能路灯、自动道闸、智能信号灯、环线巴士、无人加油站原本都是独立的课程内容，根据课程与生活实际的联系整合成模拟城市交通系统为主题的模块。教师利用5-10个课时实践此模块，引导学生设计完成模拟城市交通系统这个综合任务实践每课内容，帮助学生在体验人工智能的同时，创造性地应用人工智能解决实际问题。
图2“模拟城市交通系统”课程模块
三、中小学人工智能课程实施策略
（一）跨学科整合式教学
人工智能是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。它的涉及领域除了计算机科学外，更包括了生物学、心理学等。跨学科的整合能够将数学、生物、神经科学等多学科知识与人工智能知识相融合、渗透。在这个过程中，教师不仅能够利用其他学科知识帮助学生理解人工智能知识内容，更利用其他学科思维帮助学生培养计算思维的核心素养。跨学科整合式的教学是将人工智能学科与其他相关学科进行融合，以项目形式实践课程内容，利用人工智能技术创造性地解决实际生活问题。以“机器视觉”一课为例设计如下，这一课中，教师将人工智能中机器视觉的知识与神经科学相结合（如图3），以人是如何看到事物的为导入，进而类比解释机器是如何“看到”事物的。该教学设计在渗透了脑科学知识的基础上，帮助学生联系生活实际体验人工智能的应用与价值。
图3“机器视觉”与神经科学知识融合
（二）情境游戏化教学
由于中小学学生的认知水平存在局限性和差异性，以及人工智能领域知识特性，学生难以通过讲授和演示直接理解课程内容。人工智能技术的发展也为创设情境提供了条件，教师完全可以利用人工智能技术的应用反哺课堂教学，帮助学生增强学习的体验感，对人工智能技术形成直观、形象的理解。借助游戏化的角色、模式以及元素，为学生提供丰富、有趣的学习内容；通过机制、增益等策略，能够丰富学习者的经历和体验，同时提高学习者在活动中的参与率和巩固率[9]。因而，将情境的创设与游戏化学习相结合，有利于增强人工智能教学课堂的趣味性、个性化。例如东南大学举办的人工智能为主题的夏令活动中实施的“火灾演练”，要求学生扮演消防员在模拟灭火行动中完成救援。创设的火灾情境融合机器人小车巡线、FPV第一视角等教学内容。氛围营造、综合竞赛及消防员的角色扮演都极大激发了学生的课堂兴趣及参与感。该项目在实践中得到了学生与教师的一致肯定。该设计能够帮助学生将人工智能知识与生活实际相联系，建构开源硬件的知识体系。鼓励学生在游戏化式轻松的教学环境中大胆创新。从而达到培养学生核心素养与创新能力的目标。
表2“火灾演练”项目内容
面向中小学开展人工智能课程有利于学生了解现代科技发展、适应未来生活有着重要的意义。目前，我国中小学人工智能教育尚在探索发展阶段，无论是课程内容的设计还是其组织方式、或是教学策略均未成型，本研究希望借以案例的分析，促进研究者对中小学人工智能课程设计广泛、深入的思考。
参考文献
[1]国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知[EB/OL].
[2]教育部关于印发《教育信息化2.0行动计划》的通知
[3][7]谢忠新,曹杨璐,李盈.中小学人工智能课程内容设计探究[J].中国电化教育,2019(4):17-22.
[4]徐多,胡卫星,赵苗苗.困境与破局:我国机器人教育的研究与发展[J].现代教育技术,2017,27(10):94-99.
[5]周邵锦,王帆.K-12人工智能教育的逻辑思考:学生智慧生成之路——兼论K-12人工智能教材[J].现代教育技
术,2019,29(4):12-18.
[6]解月光,杨鑫,付海东.高中学生信息技术学科核心素养的描述与分级[J].中国电化教育,2017(5):8-14.
[8]李德毅.AI——人类社会发展的加速器[J].智能系统学报,2017,(5):583-589.
[9]祝智庭,魏非.教育信息化2.0:智能教育启程,智慧教育领航[J].电化教育研究,2018,39(9):5-16.
东南大学百研工坊：21世纪是我国创新型人才培养的关键期。东南大学百研工坊（儿童发展与教育研究所）结合信息技术、生物医学工程、脑科学技术，进行青少年科学素养的国际比较研究和学生核心概念掌握水平的评测系统的研究与开发，我们的目标是：（1）面向中小学学生综合能力发展的steam研究；（2）通过实证教育研究，探究科学素养的本质及有效的培养途径；（3）将科学素养的传统评测方法与现代信息技术相结合，探究基于ECD模型的学生科学素养评测方法研究；（4）运用ERP、EEG和眼动等脑科学技术，开展对学生核心概念熟练掌握程度的评测研究。
责编：罗培
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人工智能创新设计与实践课程介绍
课程名称：人工智能创新设计与实践
人工智能的快速发展将整个社会带入了一个智能化、自动化的时代，生活中产品，从设计、生产、运输、营销到应用的各个阶段，或多或少存在着人工智能的痕迹。人们在享受人工智能带来的便捷生活的同时，却缺少对它更加深入的了解。作为这个时代的学生，一定程度的了解和掌握人工智能技术可以更好的面对社会和自身专业的发展趋势，把握未来更多的发展机会。
站在人工智能风口上，在人工智能新工科、新基建和“双创”教育背景下，《人工智能创新设计与实践》课程应运而生。这是一门以成果为导向的面向电类专业学生开展创新创业项目的人工智能通识课。课程探索人工智能行业链条上的核心应用；挖掘电类专业学生创新项目的智能化需求；整合技术设计出独特的人工智能产品，进行人工智能在工业、商业场景的应用创新。
课程面向电类专业，实现人工智能+X人才培养模式，为多专业创新创业项目实现从端到云的人工智能赋能，培养具备端侧到云的人工智能技术应用能力的学生，使课程成为“新工科”人才的培育载体，更好地适应智能时代创新创业的开展。
普及人工智能课程
一、案例概述
日前，国务院发布了《新一代人工智能发展规划》，规划指出，实施全民人工智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程、推广编程教育、支持开展人工智能竞赛。
近年来，我校高度重视人工智能教育在学校创新教育中的发展，先后兴建了AI人工智能体验馆、编程与开源电子等场馆设施。2019年11月作为首批成员单位加入“小学人工智能课程教学应用实践共同体”项目的研究。
随着硬件设施的不断完善和课题研究的开展，围绕人工智能图形化编程普及教育、人工智能与开源硬件应用以及人工智能相关课程的研究也随之展开。项目牵头单位（湖北省第二师范学院）协调组织相关专家和兄弟单位多次到校考察交流，对学校在各学段普及人工智能课程给予高度肯定，根据专家及共同体兄弟单位的建议并结合学校实际情况，提出我校具体实施方案：
从三年级开始普及人工智能图形化编程课程，普及人工智能概念、场景体验，五年级普及人工智能与开源硬件的融合应用，六年级重在人工智能机器人实操应用。通过人工智能系列课程的开展，切实让每个孩子能享受到学校在人工智能创新教育方面的“普及、普适、普惠”红利。
二、案例实施与成效
（一）实施背景
1.人工智能课程实施前后对比
以前，信息技术教学中注重相关常规软件的学习与应用，涉及人工智能相关课程很少。现在，在完成信息技术常规课程的同时，将人工智能图形化编程引入课堂，教师开展以主题式、项目式教学模式研究，学生在教师带领下，通过人工智能相关课程的学习，提高逻辑思维、创意设计等方面的综合素养。
2.人工智能教育普及过程中遇到的困难
人工智能教育课程哪里来？师资如何解决？网上下载的课程只能东拼西凑缺乏系统性。这是编程普及教学中遇到的实际困难。同时，现有三名信息技术教师只能完成常规课程和信息设备维护工作，对编程教学也缺乏深入了解。
（二）实施方案
1.普及人工智能基础课程教学，做好规划设计（1）明确人工智能基础课程目标
人工智能课程通过AI的故事使学生了解人工智能发展史上几个标志性事件的历史脉络；智能语音部分让学生了解语音唤醒，掌握使用语音唤醒编程模块控制机器人运动，能够综合运用外观、声音等模块；图像识别课程让学生了解人脸识别，理解人脸识别的流程，动手实践掌握人脸识别的方法。为学生提供探究式体验氛围，学生通过平板设备对周围环境进行智能管控，设计属于自己独有的智能家居场景。
通过普及图形化编程软件，让学生了解模块化程序；通过游戏化课程设计，培养学生学习兴趣；学生经过对图形化模块编程的学习，积累相关知识，为五、六年级学习人工智能与开源硬件和机器人课程打下坚实基础。
（2）落实各年级课程学习任务
人工智能课程教学不能将所有孩子放在同一起跑线上，应按不同年龄阶段的学习特点来实施教学任务。三、四年级学生以认识了解图形化编程基础模块，用小学生喜爱的卡通形象，趣味性强的游戏画面进行编程启蒙；五年级的学生在学好图形化编程模块的基础上，进行对条件语句、简单的变量关系的应用学习。六年级着重训练学生逻辑思维、变量语句、场景设置等方面的知识内容。
（3）整合线上线下课程资源，形成课程体系
在课程设置上注重知识的难易程度，由浅入深逐步推进。课程来源上，教师运用湖北第二师范学院教学资源平台免费提供的人工智能相关系列教程，并结合教学实际归纳出不同阶段学生该掌握的知识结构：
基础入门:了解人工智能相关基础知识，学习图形化编程从零基础到入门的课程。通过教师讲授带领学生一起走进人工智能，和老师一起合作完成简单有趣的实例，轻轻松松掌握人工智能和图形化编程基础知识。通过本阶段的学习，孩子们掌握人工智能基本概念，各个类别指令的使用技巧，在自己理解的基础上，能够制作出简单的动画故事情景，小游戏，数学演算，贺卡，音乐等。
实战操练：教师对图形化编程的基础知识进行整合运用，设计由浅入深的小游戏教程。通过本阶段的学习，孩子们将会对人工智能程序运用有更深刻的认识，并能够用模块化程序制作较为完整的小游戏和具备一定故事情节的动画故事。同时孩子们会掌握软件编程核心技能之循环，条件判断，变量，列表，消息等，具备初步的软件编程思维和锻炼孩子们的逻辑思维能力。
分组协助：教师提供较为复杂的动画故事或经典小游戏，带领学生分组分析创作。通过本阶段的学习，让孩子们初步认识到团队合作的重要性，增强孩子们团队合作的意识，以及团队合作中遇到问题如何解决的基本能力。同时锻炼孩子们的想象力，思考力，创作力和解决问题的能力。
深入研究：教师和孩子们一起分析变量、算法及逻辑推理关系，启发学生大胆实践，通过学生想一想、试一试、辩一辩等教学环节弄清编程的逻辑顺序，帮助他们理清学习思路。
人工智能课程在各学段的普及推广让学生对人工智能的发展创新及学习产生了浓厚的兴趣。孩子们通过在课堂上看一看教师演示讲解、同学之间探讨学一学、自己动手做一做、编程高手争当小老师讲一讲等教学环节，培养了他们的逻辑思维能力、抽象思维能力等方面的素养，也为以后的创新课程学习打下了良好的基础。
2.人工智能与开源硬件结合，激发学生创新能力
（1）图形化编程知识点相衔接，开展人工智能开源课程
经过前期图形化编程的普及学习，学生已经能够较为熟练的操作，只有将图形化编程与开源硬件进行有效结合，学生的思维能力才能得到直观呈现。Mind+编程与Arduino硬件的的有效结合，让学生编程思维变得可见。
（2）明确课程目标，建立课程体系
课程的总目标是提高小学生的逻辑思维能力、动手实践能力以及创新能力，进而培养和提升学生的STEAM素养，强调学生在直接经验和亲身经历的基础上，通过观察、思考、设计、制作、实验等活动获得丰富的学习体验。同时，课程强调多学科知识的融合，让学生应用学科知识去解决生活中的实际问题，提高学生分析问题、解决问题的能力。
课程设置上，从Arduino硬件入手，学生先通过图形设计、智能切割、3D打印组装如台灯、学习用具、房屋、汽车等实物，然后以小组为单位进行模块化编程来进行智能模块设计，再选择对应的开源器材来实现创意、造物、智能物联。培养学生基于问题、基于项目、基于设计的学习方式，引导学生协作创新、互动分享，提高学生跨学科学习能力。
3.组建人工智能精英社团，提升学生个性化发展
学校将学有余力的学生招进社团进行系统化辅导，培养孩子们的特长爱好，也打造一支能代表水一小人工智能竞技水平的队伍。在社团学习中，鼓励学生“思维有多远，路就有多远”，提倡多看、多想、多动手、多问为什么、多将自己的想法与同伴交流，从而打开那个远方的心与路。教师还组织学生走出去与校外的人工智能高手“碰一碰”、“过过招”，这样以赛代练增强孩子们的信心，同时也找出自身不足为下一步学习提供方向。
学校通过scratch编程设计比赛选拔一批思维敏捷、勇于创新的“程序高手”进入更高一级别的创客社团进行提高学习。每周一下午第三节四年级开设了scratch编程社团；每周四下午第三节五、六年级开设了编程与开源电子、3D打印及AI应用社团。
4.双师教学，提高课堂效率
在人工智能与开源硬件教学中引入双师教学模式，提高教学及管理效能。课堂上，教师之间相互统筹协调，主讲教师开展课堂授课，辅讲教师辅助主讲教师做好设备管理、知识点疑难解答、记录活动过程。课后教师之间相互交流，对教学中出现的问题对进行归纳总结，为以后的教学优化提供保障。
5.加强人工智能课程教学教研，提高师资素养
（1）教研活动落到实处
开展每周一次的人工智能相关课程的教研活动，从课程的教材分析、教学目标、教学流程、课件制作、学生反馈等环节入手。形成教材研讨—教学流程—媒体应用—课堂实践—成员单位研讨—总结推广的精品课程模式。通过反复研讨、试教、实践打磨出具有代表性的人工智能精品课程。
（2）规范教研活动记录管理
将每一次教研活动、课堂研讨、学生活动、交流展示、小结分析等过程资料进行数据化管理，做到过程有记录、研究有依据。
6.加强合作交流，提高团队素质
将国内知名人工智能、创新教育企业引进来，整合企业的先进设备、优质师资和课程体系，结合学校实际需求进行3D创客（IME3D）、开源电子（DF）、人工智能(科大讯飞)等方面的教学与培训研究。形成学校主导、校企共建、合作共赢的模式。通过企业的技术优势来培训一批有创新意识的师资队伍，为我校人工智能的普及运用打下坚实基础。
7.以赛代练，崭露头角
我校师生积极参与各级人工智能创意大赛。卢炜昌老师执教的《智能家居之智能照明》获得省赛一等奖；学生参与省电脑制作活动大赛和全国中小学信息技术创新与实践大赛（NOC大赛）获得一等奖3名，二等奖1名，三等奖4名。
三、前景展望
虽然我校在人工智能教育方面取得了一些成效，但在人工智能应用上还和共同体兄弟单位存在较大差距。在以后的工作中，我们将进一步加强与共同体单位的沟通交流，学习兄弟单位关于人工智能教育的先进理念；培养一批在人工智能教育上有创新意识的师资队伍；建立属于我校特色的人工智能课程及教学资源，做好人工智能教育综合评价；为人工智能教育促进学生综合素质提升打下坚实基础。
2021年4月