人工智能教育如何进校园
不久前，苏州工业园区举行了第七届“吴文俊人工智能科学技术奖”颁奖盛典，当记者问主办方代表“当前人工智能冲击最大的是哪个行业”时，中国工程院院士、中国人工智能学会理事长李德毅毫不犹豫地说，是教育！
2017年7月8日，国务院出台《新一代人工智能发展规划》指出，推动人工智能在教学、管理、资源建设等全流程应用；构建包含智能学习、交互式学习的新型教育体系。由此，在这个新时代，人工智能进学校上升为国家战略。
人工智能正快速进入教育领域
回顾我国人工智能进学校的历程，不难发现，人工智能进学校重要载体应该是智能机器人的编程教育。2001年中国科学技术协会在广州南沙科技馆举办了第一届全国青少年机器人竞赛；2004年教育部和中央电化教育馆也把“电脑机器人”作为竞赛项目列入全国中小学电脑作品制作活动中；2003年起，教育部确定在部分省市试行将机器人教育作为高中选修课，如“通用技术”选修模块的简易机器人制作和“信息技术”选修模块的人工智能初步供学生学习。
但是，在2014年以前，大部分学校只是以课外活动、兴趣小组、培训班等形式开展活动，与全面普及机器人教育还有很大的距离。2015年，我国中小学迎来了“创客元年”，很多学校设立了创客空间，基于智能机器人开展创客教育和STEAM教育。随着2015—2017年世界机器人大会在北京的举办，我国迎来了机器人的春天。
教育部高中信息技术课程标准修订组联席组长、北京师范大学教授黄荣怀指出，关于中小学开设人工智能课程的问题，自从《新一代人工智能发展规划》发布以后，已在《高中信息技术课程标准》的必修模块中增加了人工智能基础知识的内容，并修订了人工智能初步模块。他提出两点建议：一是在中小学，特别是义务教育阶段的机器人教育、创客教育、综合实践及相关比赛中与高中阶段进行调整和对接；二是整合企业和其他社会资源对中小学人工智能教师开展针对性培训。
“人工智能正快速进入教育领域，既是教育改革新工具，也是课程教学新内容。”教育部教育信息化专家组秘书长、华东师范大学教授任友群认为，人工智能对部分现有工种的取代和对新职位的创造将带来人才培养类型、培养内容以及供需等方面的巨大变化，并对深化教育体制改革产生深远影响。
任友群认为，应把人工智能列入必修内容，目标是素养培育，抓手是编程实践。这里要注意几点，一是要从人工智能基础知识教学入手，了解前沿领域发展情况，进行人工智能启蒙教育；二是要让每个学生学会与智能工具打交道，体验日常生活中的人工智能产品；三是要分学段实施不同层次的编程教学，学习用编程解决实际问题，培养计算思维、创新思维等信息时代的基本素养。
人工智能教育要重视伦理价值
中国基础教育质量监测协同创新中心网络平台部主任张生认为，人工智能教育要重视伦理价值取向的设计。人们对人工智能发展的热切关注，很大程度上基于对人类自身的关注。人类是否会被机器人取代？人类会不会成为人工智能的奴隶？其实质是人脑智能与人工智能，或者说人与机器人如何和谐共处的问题。教育不仅承载着改变思维方式的任务，还承载着塑造世界观、价值观的重大任务。人工智能伦理问题应在课程设计与实施中得到充分重视。诸如“自动驾驶车辆在马上要发生事故时，是优先保护路人还是乘客”“如何增加人工智能给人类带来的幸福，同时减少忧虑”此类的问题，将使学生在学科相关的真实问题情境中发展批判性思维，并学会从科学主义和人本主义结合的角度思考和解决问题。
中国教育科学研究院齐媛博士认为，人工智能课程应以儿童计算思维的发展为核心。近年来，“计算思维”已成为教育中的热点词汇，更有组织倡导计算思维是与读写算并列的第四种基本技能。编程语言是计算思维的物质外壳，是理解科技世界的一把钥匙，其实质是一种思考和理解方式。只有掌握这种语言才能与人工智能这种工具更好地沟通。随着技术的发展，编程语言的可接受年龄不断降低，这为人工智能进校园奠定了很好的基础。
记者这几年持续关注广州市教育信息中心“智创空间”创始人王同聚。作为我国最早一批从事智能机器人教育的教师，王同聚是我国人工智能进学校的亲历者。他说：“基于智能机器人开展创客教育和STEAM教育，在各自学校利用信息技术课和校本选修课等形式在学校开设智能机器人编程课程、组建课余活动兴趣小组，在部分年级开展基于智能机器人编程的人工智能普及课程，让人工智能课程进入了中小学生课堂，这是一条值得尝试、能改变传统教育模式的创新之路。”
人工智能对未来学校、教师和学生影响巨大
人工智能是对人的意识、思维的信息过程的模拟。基于人工智能的虚拟现实技术应用，可以让学生沉浸在历史和虚构的世界中，或者探索现实世界中难以融入的环境和科学对象。数字智慧阅读设备也会变得更加智能，将通过人工智能系统提供自动连接到补充信息库以及安置了不同语言的自动翻译系统，帮助学习新知识。
近年来，随着人工智能的崛起，越来越多的高校开设了人工智能专业，培养从事智能科学研究人才。人工智能涉及多个学科交叉领域，除带动本专业的发展外，还影响相关专业的快速发展，如脑科学研究、大数据技术、物联网、虚拟现实技术应用等。未来人工智能的发展不但会取代或变革现有的工作，还会创造很多新型的工作。因此，学校教育必须紧跟时代发展步伐，不断调整学科专业方向与人才培养目标，才能为社会培养更多的创新型人才。
也许到那个人工智能与传统教育的优势紧密结合之时，就是我们新时代教育创新发展“花开满枝”之日。（本报记者黄蔚）
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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