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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加快人工智能技术在档案管理工作中的应用
近年来，人工智能技术呈井喷式发展，在诸多领域引发变革，成为各国政府、产业界、科研机构及消费市场竞相追逐的国家战略级科技技术，并已深入人们工作、生活的方方面面，在提高生活质量、增强工作效率、推动社会发展等方面发挥着巨大作用。
我国高度重视人工智能技术发展，从国家层面、行业层面、地方层面纷纷制定人工智能相关政策，积极推动人工智能技术发展及其落地应用。档案行业在战略转型的过程中，也积极拥抱人工智能技术，目前，已有部分档案部门率先开展基于人工智能技术的应用与研究工作，并取得一定成果。
从人工智能技术发展现状与档案行业迫切需求等角度来看，人工智能技术目前主要可应用于档案数据化、分类与划控、档案影像修复着色、智能安防4类工作场景中。
一是档案数据化工作领域。“数据化”是近年来在档案行业被反复提及的热门词汇。档案数据化旨在将图像、声像等档案中的内容识别成计算机可编辑、处理、分析、检索的信息。档案数据化工作又可具体分为纸质档案数字化副本OCR（光学字符识别）、照片档案数据化、录音档案数据化、录像档案数据化4种场景。
在国家档案局大力实施“存量数字化、增量电子化”战略的背景下，全国各级档案馆（室）存量档案数字化工作成效显著。截至2019年年底，全国各级综合档案馆馆藏档案数字化副本量已达1407.8万GB。部分地区档案部门在完成纸质档案数字化工作的基础上，纷纷启动了档案OCR全文识别工作。国家档案局因势利导，于2019年12月出台《纸质档案数字复制件光学字符识别（OCR）工作规范》，标志着该项工作在档案行业已全面启动。基于人工智能技术的OCR在简体印刷文字方面的识别率已达98%以上，为档案部门持续开展OCR工作提供了技术保障。
近年来，语音识别技术发展迅速，基于标准普通话的语音识别率已达97%以上。人脸识别技术也不断成熟，已广泛应用于安防、金融认证等方面。与此同时，随着影像技术的不断发展，存储成本降低，数字录音、数字录像档案存量不断增长。档案部门也积极探索数字录音、数字录像档案的数据化工作，并基于人工智能技术开展相关研究，取得较大进展。浙江省档案馆与科大讯飞公司联合开展了国家档案局科技项目《人工智能技术在音视频档案整理利用中的应用研究》，通过综合运用语音识别、人脸识别等技术实现语音全文数据化、人物智能聚合等，项目成果于2020年9月3日正式发布。
二是分类与划控工作领域。归档分类和划控鉴定是两种工作场景，但从技术角度来看，有相同之处，因此，笔者将这两者归为一类进行阐述。分类与赋予保管期限工作一直是档案管理领域的基础性工作，但由于重视程度不够、专业人员匮乏等原因，该工作一直是部分基层档案部门面临的比较棘手的问题。通过人工智能技术辅助缺乏经验的档案管理工作人员开展归档分类工作，可解决基层档案部门的难点问题，提高归档效率与准确性，具有一定的实用价值。
划控鉴定工作难度大、风险高、责任大，且相关专家人数少，标准不统一，在一定程度上阻碍了档案的开放工作。新修订的档案法已正式实施，本次修订的重大内容之一是缩短了档案开放期限、扩大了开放主体、拓宽了开放渠道和方式，并对不按规定开放的责任追究等作出具体规定，此举必将进一步促进档案的开放工作。
当前，已有档案部门率先开展基于人工智能技术的研究与应用工作，如中国移动通信集团江苏有限公司基于TextCNN（利用卷积神经网络对文本进行分类的算法）人工智能算法开展档案保管期限鉴定工作；安徽省档案局与科大讯飞公司联合开展了国家档案局科技项目《人工智能技术在档案划控上的应用》，辅助档案管理人员开展档案划控鉴定工作。
三是档案影像修复着色工作。在新中国成立70周年之际，中央档案馆公布了迄今关于开国大典时间最长、内容最完整的彩色录像档案，在网络上引起了巨大轰动，该彩色录像档案被各大媒体转载报道，仅24小时浏览量就达到3.2亿次。同期上映的电影《决战时刻》斥巨资将开国大典黑白影像修复为4K彩色影像，也同样引起了较大的社会反响。虽然修复着色后的档案影像在一定程度上改变了其原貌，甚至无法再将其作为档案，但是在信息时代下，清晰彩色的历史影像不仅能增强人们对历史的好奇心和兴趣，激发人们的民族自豪感，还能充分发挥档案在爱国主义宣传、教育等方面的作用。因此，档案影像修复着色工作具有一定的社会效益。国家档案局档案科学技术研究所研究二室已在该领域开展相关实验并申报课题，下一步，将在基于人工智能技术的档案影像修复着色领域持续开展应用研究。
四是智能安防工作。当前，智能安防技术已发展得十分成熟，从2005年开始启动的平安城市建设，到2011年启动的智慧城市建设，以及天网工程、“雪亮工程”等安防重点项目处处可见人工智能技术的影子。作为智慧档案馆的一部分，许多档案部门已将智能安防系统纳入规划、建设内容之中。当前，先进的智能安防系统多采用集人脸识别、步态识别、人体特征识别、语音识别等于一体的多模态识别技术，进一步提高了智能安防系统的安全等级，为档案安防工作提供更好的技术保障。
当下，人工智能技术的发展已日趋成熟，简体印刷文字OCR识别、标准普通话语音识别等功能基本可直接应用于档案工作。在现阶段的人工智能技术条件下，要拓宽更多的应用场景还需进一步开展算法优化、模型设计及训练等适配工作，并投入一定成本。为适应时代发展，应进一步发掘人工智能技术在档案管理工作中的应用场景，加强对人工智能技术的研究与应用，尽快建立健全相关标准，着力打造“会技术，懂档案”的复合型人才队伍，科学运用新一代信息技术加速档案事业战略转型工作。
原载于《中国档案报》2021年1月14日总第3628期第三版