中小学人工智能课程内容设计及实施案例分析

教育部《教育信息化 2.0 行动计划》明确要求完善课程方案和课程标准，使中小学人工智能和编程课程内容能充分适应信息时代、智能时代发展需要。

作者：刘平瑶张利平夏小俊柏毅东南大学脑与学习科学系

文章发表于：中小学数字化教学 2020年第10期

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人工智能的科技浪潮已经席卷了社会发展的各个领域，引起经济结构、社会生活和工作方式的深刻变革，教育领域也不例外，人工智能技术正尝试重塑教育的新形态。国务院印发的《新一代人工智能发展规划》明确指出人工智能已经成为国际竞争的新焦点，我国应逐步开展全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育、建设人工智能学科[1]。教育部《教育信息化 2.0 行动计划》明确要求完善课程方案和课程标准，使中小学人工智能和编程课程内容能充分适应信息时代、智能时代发展需要[2]。《人工智能基础（高中版）》的出版，正式拉开 K-12 人工智能教育的序幕。中小学人工智能课程内容设计是影响中小学人工智能教育水平的关键因素，对中小学人工智能教育的发展具有重要意义。笔者从中小学人工智能教育现状出发，分析基础教育阶段其存在的问题，基于此，结合“智能灯”“模拟城市交通系统”案例详细阐述中小学人工智能课程内容设计和组织方式（以综合任务为导向模块化组织课程），并提出课程目标和内容架构及实施策略（跨学科情境游戏化教学）。

一、中小学人工智能课程现状及存在的问题

（一）国内中小学人工智能课程现状

我国中小学人工智能的课程主要依托国家课程、校本课程和校内外的教育活动开展的。

2003 年《普通高中技术课程标准（试行）》将“人工智能初步”作为选修模块直接纳入高中课程，与“多媒体技术应用”、“网络技术应用”、“数据管理技术”并列为高中信息技术课程的五个选修模块。《普通高中信息技术课程标准（2017 年版）》在原有课程标准的基础上进行了大幅度的修订，在保留原有选修模块的基础上在必修模块中增加了人工智能相关的内容。各地中小学利用学校自身优势资源将机器人教育、STEM 教育、创客教育与人工智能教育紧密结合起来，比如中国人民大学附属中学将人工智能教育内容和 STEAM 课程相结合，从感知、认知、创新三个层次构建了“STEAM+人工智能教育”校本课程体系[3]。东南大学脑与学习科学系与太仓市第一中学合作举办了多届以人工智能教育为主题的夏令营活动。除了正规的学校教育，以编程、机器人、STEM 为主题的校外培训机构对我国中小学人工智能教育的发展起到了推动作用。

（二）存在的问题

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]。

其二，无论是学校教育还是校外活动，都重视技能培养而忽视计算思维、智能素养的养成。人工智能教育的本质是一种通过智能技术与智能内容提高学生理解、应用和创新智能的智慧，发展自身的智能[5]。信息意识、计算思维、数字化实践能力、信息社会责任是学生需要具备的四个方面的信息技术核心素养[6]。因而，中小学的人工智能教育不能仅停留在编程技能、机器人拼装的浅显层面，而应把素养与智能的培养养成渗入人工智能教育之中。最后，人工智能领域涉及模式识别、知识表示、智能搜索、机器学习、深度神经网络等，这些知识内容对于基础教育阶段学生来说晦涩难懂，教师的教学方式和课程的实施方式则显得尤为重要。如何将人工智能技术过程可视化，帮助学生打开人工智能这个“黑匣子”，需要教师改变传统教学方式。

二、中小学人工智能课程设计

中小学生处于基础教育阶段，在这个阶段开展人工智能教育，重在以人工智能思维方式转变和思维能力提升为培养目标，以激发探索兴趣、理解基本思想为出发点[7]。李德毅[8]从内涵与外延两个方面将高等教育中的人工智能学科分为五大部分，其中内涵包括脑认识基础、机器感知与模式识别、自然语言处理与理解、知识工程，外延是指人工智能的具体应用，即机器人与智能系统。普通高中信息技术课程标准中将人工智能模块分为“人工智能基础”“简单人工智能应用模块开发”“人工智能技术的发展与应用”三部分内容。基于此，本文提出了如下表所示的中小学人工智能内容架构。内容模块设计考虑到学生认知发展的特点与学习特征，遵循着“整体统一，螺旋上升”的原则。三个阶段的课程在普及人工智能知识的基础上侧重点有所不同，因而在课程目标的设定上也有所侧重。人工智能课程开展的核心目标是为了培养学生的核心素养，即计算思维、数字化学习与创新、信息意识、信息社会与责任。在落实过程中，小学阶段着重于带领学生感悟人工智能，随着学生的认知发展，到了初中阶段，通过项目式活动的开展亲身感受人工智能魅力所在。而在高中阶段，则鼓励学生利用所积累的知识大胆创新。

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