武汉中小学兴起人工智能课—中国教育和科研计算机网CERNET
学生接受程度超过预期配套设施和师资力量都在加强
水果湖二小AI课上，学生使用平板电脑和智能机器人搭建智能超市
光谷实验小学AI课
老师讲解刷脸支付的原理
人工智能时代已经来临，学习要从娃娃抓起。记者发现，去年11月，武汉市开始在部分中小学的三到八年级学生中试点人工智能课，它使用的是信息技术课的一半课时，一学期六节课，采用的教材也是全新的。
据介绍，武汉是全国最早在中小学中试水人工智能课的几个城市之一，相关教材的编写者有不少来自武汉。
小学生搭建智能超市
3月24日，湖北省武昌水果湖第二小学开展“中央电化教育馆人工智能教育实验校”武汉实验校研讨展示课。课上，学生们两两组合，在老师的指导下，先使用平板电脑进行模块化编程，再将智能机器人设备设置成识别模式，举起水果，录入价格，之后用相同的办法让机器人完成人脸支付。最简单的无人超市情境便被模拟了出来。极目新闻记者注意到，有的小组还给机器人增加了语音播报功能。
和水果湖二小一样，武汉经济技术开发区实验小学、武汉市育才第二小学、武汉市光谷第十五小学、武汉市常青树实验学校等也入选了“中央电化教育馆人工智能教育实验校”，全国拥有这一称号的小学仅30余所。
而在武汉百多所中小学里，人工智能课也已落地——去年11月，该市开始在这些学校试点人工智能课。以参与度最高的东湖高新区为例，全区45所中小学中有19所参与试点，其中不乏较偏远地区的光谷七初等。该区一项调研显示，85%的35岁以下信息技术课老师很愿意兼上人工智能课。
如今，这一新课程已掀起一波波研究热潮。
3月22日下午，在武汉市光谷实验小学505班的人工智能公开课《智能家居》上，孩子们先复习AI（人工智能）和LOT（物联网）的概念，进入互动环节后，他们对着智能音箱发号施令，玩起了老师做的有人脸识别功能的智能门模型，还跟随着视频畅想未来的智能家居生活……学生戴星翊说，这是他上的第5节人工智能课，内容很新。
3月24日，在武汉市汉阳区楚才小学三年级（4）班的人工智能课上，学生在老师的指导下组装迎宾机器人，有人甚至不看演示，就能把套件组装完成并自主排查问题。该校信息技术课教师丁志刚介绍，学校根据教材配备了两组配件，供低高年级的学生选用，孩子们都喜欢上这个课。
课堂原创内容占比大
据介绍，人工智能不仅涉及科学、技术、工程、艺术和数学，还深刻地涉及人文和哲学，特别是其中的科学观和方法论思想。面对新的挑战，老师们说，想把课备好不容易，即使有教材，也需加入大量原创内容。
水果湖二小信息中心主任王涛说，2019年该校已在三年级开设了AI课程，之后，学校以央馆配套实验教材为基础，结合部分供应商提供的配套教材，创编了适合该校学生学情的人工智能校本教材，在三、四年级铺开人工智能课，并成立了由5名来自语文、数学、科学、信息技术等不同学科背景老师组成的人工智能教研组。
“老师不仅要掌握人工智能基础知识和技术，还要有内容整合能力、资源选择与应用能力、课堂组织协调能力、任务设计能力、激励评估方式的选择能力。上第一次课前，大家利用暑期学了两个月技术，再备课、研课，多次打磨。现在，我们为了准备一节课也常要花一星期，有时要修改10多次教案。”水果湖二小人工智能教研组组长熊勇说，为此，学校对人工智能课实行“双师课堂”，由一名科学或信息技术老师搭配一名其他学科老师，共同完成教学。
在武汉的试点学校中，老师们也都投入了大量的精力。光谷实验小学教师丁洪说，他上的那节《智能家居》便糅合了五（上）教材的前3课的内容，“教材都是国内人工智能教育方面的大咖编的，他们选择的主题、方向很有价值，但我们学生的信息素养较高，可以接受本身有逻辑联系3课同上。”
从某种意义上说，这是对原有的信息技术课的升级。如信息技术课六年级的教材中还有Flash内容，而该软件各大网站都已不再支持。随着人工智能课的“上场”，类似的过时的、落后学生信息素养的信息技术课将被删减或压缩。
但因为太新，人工智能课尚无课程标准和评价标准。东湖高新区信息技术教研员李媛说，依据校情班情，每位老师的人工智能课都应具有个人风格，每节课加什么内容进去，如何有效串联，以及如何处理它和传统的信息技术课的关系，都需要反复琢磨。
另一方面，培训师资也很缺乏。水果湖二小校长刘小杰介绍，该校多次邀请相关科技公司为老师进行培训，内容涵盖人工智能课程体系与教学模式、AI编程实践、人工智能课程设计及实施策略、人工智能教学实践等；也努力争取机会送老师们外出集中学习。
武汉多位信息技术教研员也说，国内大学也就是近几年才开设人工智能相关专业，目前在中小学上人工智能课的老师都不是科班出身的，急需培训学习。但目前能同时掌握知识架构、熟悉课堂教学、动手能力强的专业师资很少。比较可取的一种办法是，由优秀的创客老师和一些大学的人工智能学院的专家合作设计课程，但这需要一段时间。目前，一线老师们主要还得在学中教、教中学，除了常规的校级教研，区级、市级教研都需要提高频次。
学生盼多动手操作
人工智能课对硬件的要求也很高。丁洪上公开课时便遭遇了尴尬：他试了十多次，智能音箱才连上手机，耽误了好几分钟。课后，李媛分析，这可能是现场听课老师开启蓝牙的手机过多造成的，“人工智能课可能发生各种意外，更需要老师有随机应变能力。”
上课教室要网络通畅，有时能应用手机投屏，有时要用电子平板……这些可以通过智慧教室解决。但老师们说，目前最缺的，还是教材配套设备。
光谷实验小学505班学生戴星翊，这样比较传统的信息技术课和人工智能课：机房课（即一般在计算机房上的信息技术课）动手操作的机会多，人工智能课互动性比较强，如果二者能结合就好了。
“我们需要实物，让每个学生都能摸到设备。”光谷实验小学校长助理李静介绍，24日，学校已引进一批实验器材，搭建了实验平台，安装了一个服务器，今后学生可以通过它访问AI实验室、点进去体验人脸识别等的过程。
楚才小学副校长邓冲说，该校的人工智能课上得比较顺利，但他在教学中发现，学生的创造力比想象的还高，人工智能配件的程序设置相对有些死板，如果能给学生更多自由发挥空间，教学效果会更好。汉阳区教育局相关负责人介绍，目前全区的10个人工智能试点校可以充分进行人工智能通识教学和可视化操作体验，没有建设专用人工智能实验室的学校，目前主要利用信息技术课程结合试点教材内容，开展人工智能通识教学，后续配套相关活动器件和平台后，就可以进行体验操作了。
“人工智能教师应该是助学者、规划设计者、引领者，他们要向学生提供体验和感知，以此培养学生的计算思维。学生不是单纯地在老师的指导下做任务，更应获得能力和素养的提升。”武汉市教育科学研究院现代教育技术中心主任雷刚说，老师在授课时还应关注和培养学生形成严谨和规范的行为方式、倾听的习惯和分享的意识；在小组合作中培养人际交往、组织、沟通能力，动手实践能力，解决问题的思维方式以及利用技术工具展开学习的能力，“这些能力在以后的学习和生活中都能用到。”（楚天都市报极目新闻记者张屏国倩向一帆摄影：楚天都市报极目新闻记者黄士峰）
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
推荐关注：韦钰院士公众号
可鑫的科学漫步
介绍有关神经教育学、神经信息工程和科学教育的相关信息
推荐书籍
滑动查看更多>>>返回搜狐，查看更多