中小学人工智能教育，重在思维培养——访越疆科技副总裁、教育事业群总经理杨俊
今年9月1日，《开学第一课》如约而至。第四篇章中，航天英雄杨利伟与孩子们连线太空站，同唱《百年正青春》。舞台现场，由越疆科技带来的100台智能机器人DOBOTMagicianLite与5台CR10协作机器人组成红旗方阵，为杨利伟与孩子们助阵表演。科技感十足的创意舞台秀，充分展现出当前人工智能教育领域的创新成果与科技魅力。“这些科技元素的展现代表了一种时代精神，传递的是时代的创新力量，我们希望以此激发青少年对人工智能的兴趣，点亮他们的科技强国梦。”越疆科技副总裁、教育事业群总经理杨俊表示。
越疆科技携手央视2021《开学第一课》，在《百年正青春》节目中助阵表演
藏在机械臂中的教育思维
当今世界，人工智能成为国际竞争的新焦点、经济发展的新引擎，已上升到国家战略高度。然而，当前我国人工智能人才缺口巨大。AI赋能，教育先行。2017年，国务院印发的《新一代人工智能发展规划》，明确指出在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育。近年来，多地都在探索与推动中小学人工智能教育，为人工智能专业人才的培养发挥“奠基”作用。
“K12阶段的人工智能教育有其自身特点——以创新能力培养为核心，以兴趣培养与知识框架建立为主要内容，在此基础上注重培养学生的计算思维、工程思维、创新思维。基于这些诉求，应用于中小学课堂的人工智能教育硬件应具备兼容性、可拓展性、可搭建性等特点。”据杨俊介绍，此次在《开学第一课》中亮相的MagicianLite是越疆科技面向中小学人工智能教育领域研发的机械臂，它具有安全灵活、无限拓展及开放兼容等特点。机械臂体积精巧，易于部署，完美适应中小学实验桌尺寸，降低教学空间要求；支持碰撞检测，遇阻即停，确保学习和使用过程的安全性；末端工具可替换（如吸盘、柔性手爪、夹笔器等），可拓展性强，能够执行更多教学任务；具有丰富的拓展接口，可连接各种传感器及相关配件，扩大了学生创新应用的空间；兼容图形化编程、Python编程，满足全龄段学生的学习需求。
“MagicianLite被赋予了类似人的手、脚、脑、眼等器官的功能，模拟、延伸和拓展人的智能。相较人型机器人或人工智能小车，MagicianLite基于丰富的软硬件交互方式及多样化兼容拓展接口，可以搭建各种各样的工作场景，支持学生实现更多创意。”杨俊总结道。
入局K12人工智能教育赛道
目前，MagicianLite已应用于国内600多所中小学，越疆科技的人工智能教育课程也在深圳、上海、青岛、日照、贵州等多地中小学落地。从MagicianLite到人工智能教育课程，当被问及K12阶段人工智能教育培养目标时，杨俊认为在回答这个问题之前要先理解人工智能的内涵。“行业内部将人工智能简单地分为两大类：第一类是技术层，聚焦垂直领域技术，主要做算法与数据；第二类是应用层，探究如何把人工智能知识与技术应用于社会生活与生产中，从而改善我们的生活。我们所做的就是偏应用的实践，也更注重培养应用型人才。因此，我们认为K12阶段的人工智能教育并不是要从小培养算法人才，而是要提高孩子们的人工智能素养，激发他们的兴趣与热情，为下一个阶段的学习打下坚实的基础。”
立足国内中小学人工智能教育现状，越疆科技联合南京师范大学、北京师范大学、华东师范大学等师范院校的人工智能教育专家团队，构建了集“硬件、软件、课程体系、实验室建设、师资培训、国家赛事”于一体的人工智能教育体系，形成教育生态闭环。
在课程体系方面，越疆科技携手国家技术课标组及南京师范大学等专家团队共同研发了192课时的人工智能课程体系。该课程以系统学习人工智能知识体系为核心，把语言编程与机器人作为人工智能学习的基础，采用PBL项目式学习方式，引导学生从现实问题出发，通过模拟搭建人工智能应用场景展开探究式学习，最终完成知识建构与能力提升。
以产品撬动思维转变的过程是怎样发生的？杨俊以项目式教学案例“智能采摘”为例进行阐述。首先，要学会观察，观察哪些果实能摘、哪些果实不能摘，以及具体如何采摘；其次，利用3D建模设计末端执行器；再次，利用视觉识别技术，对水果的成熟程度、形状大小、生长位置等信息进行识别；最后，通过智能程序算法赋能机械臂完成对水果的采摘、分类等任务。“在从结构搭建、配件选择，到问题分解、问题解决的过程中，学生要学习并运用机器控制、视觉识别技术、三维设计建模、编程知识、现代农业等知识，其间学生的工程思维、计算思维、创新思维得到培养，空间想象能力、团队协作能力、动手实践能力和问题解决能力获得锻炼与提升。”此外，该课程资源里还包含垃圾分类、智选超市、智能饮吧、智能快递等上百种不同行业的人工智能应用场景，帮助学生了解各行业背景与发展，同时学习各人工智能应用系统背后的设计逻辑以及带来的社会和经济价值，增强学生人工智能意识，提升学生核心素养。
积极构建人工智能教育生态圈
国内中小学人工智能教育，如今还处在起步和探索阶段。作为人工智能教育领域的积极行动者，杨俊切身感受到当前亟须突破的瓶颈问题是缺少包含人工智能教育在内的国家层面的义务教育信息技术课程标准。“我认为这是起点，缺少国家课程标准，人工智能教育的普及性开展会遭遇许多现实困难。诸如：没有课时，场地不够，教师认识高度不够，教师专业储备不足，等等。一些地方为了推动人工智能教育，在地方性课程纲要中纳入人工智能相关内容。然而，与国家课程相比，地方性课程的约束力相对较低，很难产生较大范围的效益。”
基于这样的现状，越疆科技以地级市为基本单位，推进中小学人工智能教育的普及与落地。其中，越疆科技与山东省青岛市达成了深度合作。2020年4月，越疆科技与青岛市教育局签署合作协议。双方按照“资源共享、优势互补、互惠互赢”的原则，充分发挥各自的资源与技术优势，在中小学教育、职业教育以及人工智能赛事、人工智能师资培训等方面开展合作，与青岛正在开展的人工智能教育课程进行整合、完善、补充。“客观地讲，国内很多城市都在探索人工智能教育，但因各种各样的原因未能真正落实。因为其中不只是硬件与教材的问题，还需深度地介入教研教学、课程开发、教师评价，以及赛事组织。只有做得很垂直，才能把人工智能教育真正开展起来。现阶段我们希望通过与青岛的深入合作，打造高水平、示范性的人工智能教育先行城市，将其作为区域性人工智能教育样板，有效开展人工智能教育，切实提升学生的素养与能力，然后再积极地去做一些拓展。”杨俊表示。
许多学者曾提出要构建“人工智能教育生态圈”，如此人工智能教育才能打破时间与空间的限制，各个学校才能因地制宜开展更适合自己的课程。在这个教育生态圈中，学生、教师、学校、社会都是其重要组成部分。越疆科技作为人工智能企业，如何与学生、教师、学校及其他社会组织，实现联动协同、优势互补、合作共赢呢？在杨俊看来，企业要承担的作用是将社会真正的人才需求传递给学校。“越疆科技属于产教融合型企业，本身就会对接大量的先进制造业，所以我们对于智能制造业发展到什么样的程度、行业需要什么样的人才等，会有更具象化的理解。我们希望把这些信息传递出来。因为学校培养出来的人才是要对接社会的，以实际的生产场景指导人工智能的教育教学，才能保证学生学得不偏。”
人工智能教育是一项长期系统性工程。目前，越疆科技正在打造覆盖中小学教育、职业教育及高等教育的全链式人工智能教育体系，积极推进人工智能多层次人才培养。“我们强调终身教育、终身学习的概念，这也是未来智能时代需要的学习能力。”杨俊总结道。
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来源|本文刊于《教育家》杂志2021年10月刊第2期，原标题《AI赋能，为教育带来更多可能——访越疆科技副总裁、教育事业群总经理杨俊》
作者|王梦茜邢方红
设计|朱强
统筹|周彩丽
《教育家》杂志2022年征订
深圳市仙桐实验小学：以人工智能课程普及化培养科技创新英才
坐落在仙湖之畔，梧桐山麓的深圳市仙桐实验小学创建于2014年，2020年送走第一届毕业生。就是这样一所年轻的学校，在建校的短短七年间就创造了科创教育的一个个神奇数字：科创学子获国家级奖5项、省级奖4项、市级奖39项、区级奖361项。创客老师国家级荣誉4次、省级荣誉3次、市级荣誉18次、区级荣誉23次。在2020年世界机器人大赛总决赛斩获一等奖，在广东省中小学劳动教育暨信息素养提升实践活动中获一等奖，在深圳学生创客节（2019）、深圳学生创客节（2020）、第十九届深圳市青少年机器人竞赛中均将冠军囊括怀中，并连续三年在深圳市罗湖区创客节中包揽“学校优秀组织奖”、“十佳校长奖”、“十佳辅导员奖”称号。学校还获批成为第二批深圳市100所创客实践室，三名学生获得2020年度深圳市中小学“明日创客之星”称号。
作为一所年仅七岁的新校，创客教师团队平均年龄26岁，创客空间仅60.48平方米，为何能在科创教育方面取得如此耀眼的成绩？“一方面得益于罗湖区教育局对科创教育的高度重视，另一方面基于仙桐团队对培养学生未来人生胜任力的前瞻举措。学校年轻教师多，历任校长和校领导都非常重视科创教育，学校通过依托优秀的教师团队，探索校企结合，将人工智能课程在学校进行普及化，同时因材施教形成有梯度的科创人才培养计划。”仙桐实验小学现任校长包乐美介绍称。
加强顶层设计全面普及人工智能教育
随着人工智能技术在全球应用的逐渐广泛，近年来，国务院及教育部相继出台政策，提出构建人工智能多层次教育体系，在中小学阶段引入人工智能普及教育。
建校之初，深圳市仙桐实验小学的创客团队就开始思考，通过人工智能教育，到底可以给孩子带来什么？在“自信教育”的学校文化引领下，秉持“让每个生命都有梦想让每个梦想都有舞台”的办学理念，最终目标确定为：将学生培养成在未来生活中具有解决问题能力，拥有自主人生，能够时刻感受到幸福，自信迎接人工智能时代到来的21世纪技能人才。
人工智能教育的实施落地并不是一蹴而就的，合理的规划是必要前提。2017年，仙桐实验小学就制定了学校《创客三年规划》，早早将人工智能教育纳入学校科技教育的未来发展方向。
《创客三年规划》中，确立了“基础搭建——电器元件——人工智能”的发展模式，并在早期将科创教育内容和各级比赛相结合，促进团队自身实践能力有了长足提升。
随着创客实践室活动的深入开展，仙桐实验小学科组长、创客类活动负责人王仁宇老师发现如果目光只放在各级比赛中，那么受益的只是比赛队伍和一小部分人群，没有普惠到每一位仙桐学子，和创客教育的普及还有一定距离，从2019年开始，他就带领团队展开新一轮的思考：到底怎么做才能更好的将人工智能教育带给每一位仙桐学子。
在包乐美校长的指导下，2020年，王仁宇老师和创客团队一起制定了仙桐实验小学第二个《创客三年规划》。明确要将创客活动构建成以“基础搭建——编程控制——人工智能”为核心的创客体系，再辅以3D打印、无人机控制、机械制造等课程，形成多元化，分层次的课程内容，这也是王仁宇老师提出的“航母群”课程结构。
规划中提到，科创团队会开发适合三到六年级学子学习的人工智能课程，并将其普及到每一个学生身上；构建一个良性的培养机制，打造一支可持续发展的比赛队伍；完善创客发展生态链，把学校打造成罗湖乃至深圳创客教育实践基地，成为交流之所、活动之地。
注重因材施教形成学生梯度培养计划
仙桐实验小学人工智能培养体系一共有三个梯度。其中以人工智能普及课程作为基底，以社团课作为骨干力量，以比赛队作为核心竞争力的培养计划。
在2020年上半年科创团队利用放学后的时间，成立了人工智能普及课程实验班四个，每个班12名学生分别上不同的课程内容用于为开设适合学生的内容做前期准备。
2020年下半年起，仙桐实验小学以“一年一门”的计划在全校开展人工智能普及课，也是罗湖区第一个将人工智能教育进行普及化的学校。到目前，仙桐实验小学已经在三、四两个年级开展了人工智能普及课。教师团队针对信息技术课进行合理优化，在保证完成教材大纲制定内容的前提下，变成一周信息技术课一周人工智能普及化课程的模式，将人工智能教育普惠到每一位仙桐学子。
仙桐实验小学人工智能课程建设选用“布鲁纳的螺旋式课程理论”作为依据，每个年级，每个课程内容并不是照搬照抄市面上已有的课程进行简单的授课，而是根据当下科技的最新技术以及实验班的效果反馈后，自行设计的课程大纲依照小学生发展水平和仙桐实验小学学生实际接受能力，分层级设计不同授课内容。
“小学低年段的人工智能课程不宜教授过深的知识，也不宜用单纯的简单机器人课程代替，这会导致学生无法衔接后续的高深内容。因此，我们采用了布鲁纳的螺旋式课程理论，将眼光放的更远，不仅考虑现阶段的学习，也为学生未来地系统学习做了打算。”王仁宇介绍称。
学校本着“以赛促学、以赛促练”的出发点，积极参加各类各项由教育部认证的官方赛事。每当处于一个赛事准备的周期，学校就会从普及课及社团课中挑选表现优异并适合该类赛事的学生成立专门的比赛队，针对学生的工程设计、逻辑思维、临场应变等综合能力进行短期、集中的训练，通常以教师指导为辅，学生实践训练为主，提升学生对竞赛相关的整体知识融合和实践应用的能力，激发创新挑战精神。
仙桐实验小学人工智能课程体系的建立，既为国家人工智能事业的发展提供了源源不断的新鲜血液；又因材施教，使学生的特长得到最大化的发展；同时也为了学校参加各级各类比赛提供更全面的人选，能让学生在竞赛过程中展示自我，挑战创新。
校企深度合作学校科创教育开辟新路
对于大部分中小学来说，单靠本校教师开展人工智能教育，无论从时间还是精力上来说都比较困难，而当前企业和机构在人工智能技术和教学资源方面有比较丰富的积累和沉淀。因此，由第三方机构介入，并依照学校设计的教学计划进行授课是一条很好的路径。仙桐实验小学就很好的走在这条合作共赢的道路上。
在教材使用上，学校和校外企业联合成立人工智能课程专项小组，校内教师可以更方便借鉴成熟的教材内容，而企业根据学校授课中的效果及授课教师的意见可以更好完善教材，彼此之间达到理论和实践的统一。同时，通过创新技术与应用，也有效帮助学校提高教育资源利用率和教学质量，助力学校加速人工智能教育课程的建设与实施。
为了给仙桐学子提供多元化的人工智能类课程选择，王仁宇老师和创客团队提出了“航母群”课程结构的设计。
人工智能普及课程就是“航母”，单独的航母是没有很好的战斗力的，只有搭配巡洋舰、驱逐舰、护卫舰、潜艇、补给舰等等才能形成灵活机动、综合作战能力强的团队。而这些搭配的战斗单元就是仙桐实验小学校企合作的创客社团，其中有普及课程的深化内容，也有无人机、3D打印、激光切割、创客马拉松等多个混合社团，组成一个丰富多样的社团体系。给仙桐学子提供更多接触了解科技领域的机会。
“仙桐丰富多彩的创客教育课程种类，培养了孩子的空间思维能力、动手能力、编程思维能力、逻辑思维能力和团队合作能力，最关键的是人工智能课程由学校老师和专业机构的教师同时授课，深受孩子们喜欢，我们不用再额外花钱到校外机构学。”仙桐实验小学的一位家长代表称。
创客激发活力学生内生长源源不竭
“比赛的内在成长是无形的！我们当然希望获得好的成绩，同时我们更看重的是通过训练、比赛，学生在做人做事、自主解决问题、团队协作、抗压等方面的全面成长”科创团队李捷老师表示。
2020届毕业生李梓盛作为最早的一批仙桐科创学子，三年级开始参加训练和比赛，当年就站上了省级比赛的领奖台，轻易获得的成绩让他一度变得自负。在暂停了一段训练后，他对创客有了更深的认识和情感，重新归队，整个人发生了很大变化，变得踏实，有担当，乐于助人。在小学的后半阶段，他不断突破自己，在各级赛事上屡屡带队刷新属于他们的记录。升入在中学后成为科创的骨干，带领团队斩获了2021年深圳市冠军。
“2020世界机器人大赛——青少年机器人设计大赛”深圳选拔赛，11月8日比赛，10月19日学校成立专业队，三周高强度的系统训练。每天，队员都自发训练到晚上七点以后，为了一个设想的实现，往往都是几个小时全身心投入其中。
“选拔赛当天，我们其中队员的设备临时出现故障，但我并不担心，因为我相信他们可以自主解决。”王仁宇老师称，事实证明，在规定的时候内，该队员快速调整心态，迅速更换了零件和程序，快速地解决了问题，且越战越勇，最后在全市各小学组代表队中脱颖而出，获得“2020世界机器人大赛——青少年机器人设计大赛”深圳选拔赛RoboGenius——超变战场小学组全市总决赛冠军，并获得参加”2020世界机器人大赛——青少年机器人大赛全国赛直通卡。
为了启迪学生的创新思维，同时培养实践能力，训练过程中老师从来不会告诉学生所谓的‘标准答案’，而是会介绍比赛规则并给他们一些引导，具体的创意都是他们自己根据小组讨论碰撞出来的。这大概就是孩子们临危不乱，觉得反击、赢得胜利的秘诀吧！
在刚刚结束的2021年“罗湖区中小学第四届大创客节”中，仙桐学子在其中一个赛项中获得了冠军，然而在比赛中队员和对手在赛场中产生了冲突，李捷老师在赛后和队员进行了一番谈心，队员深刻认识到“以后比赛就算是输，也要堂堂正正的输，而不是和别人产生冲突，不然就算赢了，也不会被别人认可”家长也在赛后发朋友圈说道“特别感谢这两次比赛，一次输了比赛，赢了赞誉；一次赢了比赛，却输了认可。对于孩子来说，这两次经历都是特别珍贵的礼物。人生不是只有比赛，先做人再做事，而做人，首要是保持谦卑。”
仙桐实验小学人工智能课程面向全体学生，普及课程和社团课程并行发展，让学生不仅在综合素质上得到了全面提升，也在日后的生活中找到了自信。学校更是成为了学生学习先进科技知识的主阵地，真正走好、走稳人工智能专业人才的培养之路，为祖国的人工智能事业发展添砖加瓦。
【撰文】叶淑萍王仁宇
【配图】仙桐实验小学供图
【作者】
【来源】南方报业传媒集团南方+客户端