中小學(xué)如何做好人工智能課程建設(shè)

■“關(guān)注中小學(xué)人工智能教育”·理論篇①

    開欄的話

當(dāng)前，生成式人工智能熱潮涌動，人工智能駛?cè)氚l(fā)展快車道。中小學(xué)校如何加強(qiáng)人工智能教育？如何把人工智能技術(shù)與教育教學(xué)深度融合？圍繞這些問題，智慧教育?？亻_設(shè)“關(guān)注中小學(xué)人工智能教育”專欄，約請專家、學(xué)者、局長、校長從不同角度展開討論。敬請關(guān)注。

隨著人工智能應(yīng)用場景日趨豐富，生活于其中的每一位成員不僅要會使用智能工具，更需要用符合智能時代的思維方式去理解與創(chuàng)造性解決問題，具備與智能工具協(xié)同創(chuàng)新的能力。

教育是面向未來培養(yǎng)人才的事業(yè)，課程是學(xué)校育人的核心場域。在推進(jìn)人工智能教育中，學(xué)校需要將人工智能課程建設(shè)作為學(xué)校智能教育的核心要素、教育教學(xué)活動開展的關(guān)鍵載體和學(xué)生人工智能核心素養(yǎng)全面發(fā)展的基礎(chǔ)；要充分認(rèn)識到，課程實施既是學(xué)生探索人工智能未來發(fā)展的過程，也是培養(yǎng)學(xué)生掌控人工智能與人類世界關(guān)系的責(zé)任感和使命感的過程。

    依據(jù)核心素養(yǎng)明確課程目標(biāo)

當(dāng)前，我國中小學(xué)人工智能教育處于探索階段，存在著課程價值取向不明確、課程內(nèi)容與人工智能領(lǐng)域的核心技術(shù)理念脫節(jié)、課程內(nèi)容組織缺乏邏輯連貫性、課程實踐脫離生活實際、課程評價尚未形成體系等問題。

面對以上問題，學(xué)校首先需明確課程目標(biāo)，這是人工智能課程建設(shè)的邏輯起點。2021年，中央電教館發(fā)布《中小學(xué)人工智能技術(shù)與工程素養(yǎng)框架》（以下簡稱《素養(yǎng)框架》），從人工智能與人類、人工智能與社會、人工智能技術(shù)、人工智能系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)4個領(lǐng)域提出了中小學(xué)生應(yīng)具備的核心素養(yǎng)。2022年教育部印發(fā)《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》），從信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會責(zé)任4個維度明確了課程核心素養(yǎng)基本要求。

《素養(yǎng)框架》和《課程標(biāo)準(zhǔn)》的發(fā)布不僅界定了中小學(xué)階段人工智能教學(xué)中“最有價值的內(nèi)容”，也明確了如何在中小學(xué)教學(xué)實踐中體現(xiàn)人工智能的核心價值和教學(xué)目標(biāo)。具體為：

一是明確人工智能技術(shù)能夠解決的問題，了解人工智能技術(shù)的基本原理、過程和實現(xiàn)方法，并能選擇最優(yōu)的人工智能工具或模型框架，進(jìn)而形成計算思維，具備利用人工智能技術(shù)解決問題的能力。二是能夠整合人工智能技術(shù)和其他學(xué)科知識解決復(fù)雜問題，具備人工智能系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)、人工智能系統(tǒng)的評估與維護(hù)能力，培養(yǎng)系統(tǒng)工程思維，確保人工智能技術(shù)服務(wù)于全體人類社會。三是培養(yǎng)和樹立科學(xué)合理的倫理觀，正確看待和處理人機(jī)關(guān)系。認(rèn)識人工智能與人類的關(guān)系、人工智能與社會的交互及對社會的影響，潛在的公平性問題、倫理問題、法律挑戰(zhàn)，樹立科學(xué)合理的倫理觀，保證人工智能健康、合法地發(fā)展。

圍繞核心素養(yǎng)構(gòu)建課程內(nèi)容

課程內(nèi)容不僅是育人目標(biāo)和課程目標(biāo)的關(guān)鍵載體，更是學(xué)科教學(xué)活動的核心要素。需要將課程內(nèi)容的構(gòu)建放置于時代意義、學(xué)科價值以及學(xué)生認(rèn)知能力的整體框架中進(jìn)行考量，關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)經(jīng)驗對內(nèi)容接納的可能性及科學(xué)技術(shù)學(xué)科特有的實踐特性，避免出現(xiàn)高深莫測的“虛幻”內(nèi)容或囿于某一特定軟硬件平臺的內(nèi)容。

結(jié)合《素養(yǎng)框架》和《課程標(biāo)準(zhǔn)》，學(xué)校人工智能課程內(nèi)容可以包括以下4類內(nèi)容：

第一，人工智能相關(guān)概念和發(fā)展歷程為核心的基礎(chǔ)內(nèi)容。以學(xué)生能夠理解和掌握的與生活實際相聯(lián)系的人工智能應(yīng)用場景為背景，認(rèn)識芯片、傳感器，理解數(shù)據(jù)和計算、問題表達(dá)與求解。第二，以人工智能算法、自然語言處理、計算機(jī)視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、模型開發(fā)等為核心的技術(shù)內(nèi)容。結(jié)合語音識別、人臉識別、影像診斷、智能家居等讓學(xué)生理解人工智能技術(shù)及應(yīng)用原理和實現(xiàn)過程，初步形成人工智能感性經(jīng)驗。第三，機(jī)器人、無人駕駛、智慧醫(yī)療等典型場景的應(yīng)用內(nèi)容。從工業(yè)、醫(yī)療、交通、法律、教育等不同領(lǐng)域提取人工智能技術(shù)應(yīng)用真實場景和典型案例，理解人工智能特有的問題解決方法，培養(yǎng)學(xué)生利用智能技術(shù)解決現(xiàn)實問題的意識和能力。第四，以人工智能社會與人文、人工智能安全和發(fā)展為核心的倫理內(nèi)容。呈現(xiàn)人工智能技術(shù)應(yīng)用潛在的倫理挑戰(zhàn)以及對個人、社會等的潛在影響，關(guān)注人工智能技術(shù)引發(fā)的公平、安全、道德、法律等問題，引導(dǎo)學(xué)生辨析應(yīng)用的利與弊，樹立正確的人工智能價值觀念，確?！凹夹g(shù)向善”。需要注意的是，以上4類內(nèi)容不應(yīng)是單線性的依次排列、逐步實施的關(guān)系，而應(yīng)是互為一體的融合。

構(gòu)建知行合一的課堂實踐學(xué)習(xí)樣態(tài)

人工智能學(xué)科的實踐特性決定了課程實施要結(jié)合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律和生活經(jīng)驗，依托真實問題和現(xiàn)實任務(wù)，體現(xiàn)真實性、挑戰(zhàn)性、進(jìn)階性等特征。在人工智能課程教學(xué)中，應(yīng)以應(yīng)用類內(nèi)容為載體，以基礎(chǔ)類內(nèi)容為要素，以技術(shù)類內(nèi)容為支撐點，以倫理類內(nèi)容為反思點，統(tǒng)整各部分學(xué)習(xí)內(nèi)容，讓人工智能學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)生的真實世界相連接，構(gòu)建一個知行合一、生動實踐的課堂實踐學(xué)習(xí)樣態(tài)。

一是選擇感知、體驗類案例進(jìn)行觀摩，或?qū)⑷斯ぶ悄軐嵕绑w驗作為內(nèi)容，幫助學(xué)生形象感知、深入體會人工智能技術(shù)的功能和實際應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生對人工智能場景的觀察和理解能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力。如語音識別技術(shù)在汽車駕駛、智能家居、智能助教、醫(yī)療助手等場景的應(yīng)用，幫助學(xué)生感受泛在的人工智能技術(shù)應(yīng)用、體會人工智能技術(shù)為人類生活帶來的便利；通過手機(jī)刷臉解鎖、人臉識別支付、虛擬自動駕駛室等實景體驗，助力學(xué)生理解智能交互，并能夠?qū)?shù)字世界與現(xiàn)實世界相結(jié)合。

二是以問題鏈、啟發(fā)式對話等形式展示學(xué)習(xí)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生通過探索和思考來理解人工智能的概念和原理，增進(jìn)對人工智能價值的思考和辨別能力。如將計算機(jī)視覺技術(shù)與人類視覺的形成進(jìn)行類比，幫助學(xué)生理解攝像頭類似人的眼睛，感知外界環(huán)境，理解外界環(huán)境。在體驗、理解、實踐人工智能技術(shù)的過程中，合理設(shè)置人工智能有哪些應(yīng)用，將產(chǎn)生什么影響，應(yīng)該怎么應(yīng)對等問題鏈，引導(dǎo)學(xué)生正確認(rèn)識人工智能、深入思考人工智能價值、合理應(yīng)對人工智能帶來的挑戰(zhàn)。

三是基于“做中學(xué)”理念，開展項目式學(xué)習(xí)實踐。將課程內(nèi)容轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行、可操作的探究項目。如引導(dǎo)和組織學(xué)生設(shè)計智能機(jī)器人編程項目、智能語音助手開發(fā)項目或探索設(shè)計智能決策系統(tǒng)模型構(gòu)建項目，以項目為載體整合學(xué)生需要掌握的基礎(chǔ)知識、實踐能力和倫理態(tài)度，運(yùn)用基本的身體動作、心智活動或人際關(guān)系促進(jìn)認(rèn)知結(jié)構(gòu)整合，形成采用模式思考、識別和處理新問題的能力。

四是運(yùn)用情景模擬營造文化氛圍的形式，加深學(xué)生對區(qū)域特色文化的認(rèn)知和理解，培養(yǎng)學(xué)生具備人工智能與本土文化融合能力。如模擬本地文化遺產(chǎn)保護(hù)情景，引導(dǎo)學(xué)生將人工智能和本土文化相結(jié)合，通過設(shè)計文物保護(hù)監(jiān)測、文化遺產(chǎn)數(shù)字化展示、文化遺產(chǎn)保護(hù)規(guī)劃等，使學(xué)生了解并思考運(yùn)用人工智能技術(shù)推動民俗文化發(fā)展。

五是設(shè)計技術(shù)哲學(xué)和道德兩難性問題討論、技術(shù)問題引發(fā)的災(zāi)難分析、人工智能相關(guān)科幻片評析等內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生形成人工智能倫理意識和思考技術(shù)的問題習(xí)慣，以培養(yǎng)學(xué)生人工智能倫理認(rèn)知能力。如通過研究算法失誤導(dǎo)致的醫(yī)療事故案例，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真思考技術(shù)問題可能帶來的災(zāi)難性后果，探索提出改進(jìn)和解決方案，啟發(fā)學(xué)生思考智能技術(shù)發(fā)展中如何保持人機(jī)關(guān)系的平衡，理性看待人工智能技術(shù)與人類社會的互動、共生、協(xié)同、依存等關(guān)系。

課程開發(fā)者應(yīng)當(dāng)動態(tài)把握人工智能發(fā)展趨勢，結(jié)合學(xué)校及地區(qū)條件，選取合適的教學(xué)材料，積極改造或自主編寫課程內(nèi)容。同時根據(jù)課程內(nèi)容的呈現(xiàn)需要，創(chuàng)新與內(nèi)容相匹配的教學(xué)方法，合理規(guī)劃不同類別內(nèi)容的比例，讓人工智能課程內(nèi)容適切學(xué)生實際生活中的人工智能應(yīng)用需求，適應(yīng)學(xué)生對于復(fù)雜問題的認(rèn)知層次，最終實現(xiàn)從素養(yǎng)要求到課堂實踐的有效轉(zhuǎn)化。

（作者丁黎軍系西北師范大學(xué)教育技術(shù)學(xué)院講師，郭炯系西北師范大學(xué)教育技術(shù)學(xué)院院長）

■基層案例

創(chuàng)設(shè)多維任務(wù)玩轉(zhuǎn)智能飛行

李紅梅

SMAC（Social——社交化，Mobile——移動化，Analytic——大數(shù)據(jù)分析，Cloud——云計算）拓展課程是重慶市沙坪壩區(qū)樹人景瑞小學(xué)人工智能校本課程之一。我在接觸智能飛行課程后，一直在思考如何設(shè)計課程，讓學(xué)生收獲更多知識。

開課初期，我問學(xué)生為什么選擇這門課程，一石激起千層浪?！俺σ?，重慶舉辦大型光影無人機(jī)焰火表演，其中無人機(jī)表演的壯美山水我太喜歡啦?！薄拔蚁胫?000架無人機(jī)矩陣表演是怎么弄出來的。”基于學(xué)生們的興趣，我查閱了無人機(jī)相關(guān)內(nèi)容、咨詢了學(xué)校信息技術(shù)教師，最終確定課程以無人機(jī)為載體，以能說出無人機(jī)飛行原理、飛行安全常識、無人機(jī)的組成部分，能手動操控?zé)o人機(jī)，能編程操控?zé)o人機(jī)（重點），能編隊飛行（難點）的手、眼、腦一體教育為目標(biāo)，設(shè)計了集拍攝、操控和編程為一體的智能飛行課程。課程為期16周，共計16課時。

課程初期理論學(xué)習(xí)中，我利用網(wǎng)絡(luò)空間建立“飛行知識我知道”共享文件夾，讓學(xué)生借助移動終端，自主查閱資料，用圖片、視頻和文字的形式記錄并上傳至網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間，為整個項目的實施打下理論基礎(chǔ)。學(xué)生經(jīng)過利用遙控器控制無人機(jī)按指定的路線飛行、通過障礙等基礎(chǔ)訓(xùn)練后，在編程飛行環(huán)節(jié)，我引導(dǎo)學(xué)生先觀察給定的飛行路徑，設(shè)計飛行路線并畫在草稿本上，再利用軟尺等工具，測量每個障礙物間的距離，最后用軟件進(jìn)行編程。學(xué)生們積極分享他們的編程思路：“我是這樣想的，先起飛，到達(dá)任務(wù)1進(jìn)行懸停，再到達(dá)任務(wù)2原地旋轉(zhuǎn)180°，再依次完成任務(wù)3和4，最后在指定地點降落?！薄拔腋悴惶粯樱以O(shè)計的是，起飛后先通過任務(wù)3和4穿過豎圈和橫圈，因為這是我擅長的任務(wù)，可以多得分，再依次通過任務(wù)1和2，最后降落?！苯?jīng)過不斷的編程、試飛和調(diào)試，學(xué)生完成了一個又一個任務(wù)，通過了一個又一個挑戰(zhàn)路線，在不斷的挑戰(zhàn)中成長。

下一環(huán)節(jié)，進(jìn)入本課程的難點，編隊飛行。這個環(huán)節(jié)學(xué)生要同時對多架無人機(jī)進(jìn)行編程，并控制多架無人機(jī)執(zhí)行同一個任務(wù)。我引導(dǎo)學(xué)生用逆推的方法來思考：先確定好要編隊造型，如在空中呈現(xiàn)一個“大”字。再根據(jù)這個造型確定無人機(jī)的數(shù)量和每個編號無人機(jī)的最終位置，最后根據(jù)無人機(jī)的最終位置來確定無人機(jī)的起點位置和飛行路徑。雖然這個環(huán)節(jié)對于小學(xué)生來說，有一定難度，但經(jīng)過與教師的交流、與同學(xué)的合作，最終學(xué)生們完成了一些簡單造型的編隊飛行，如在空中呈現(xiàn)一個愛心，并在學(xué)校的第11屆科技節(jié)中精彩展示編隊飛行，得到了一致好評。

數(shù)字技術(shù)和資源為這門課提供了有力的支撐，教學(xué)方式的改變、平臺資源的運(yùn)用、各類技術(shù)的融合，讓學(xué)生在自己感興趣的世界中不斷探索，讓我向一專多能的教師轉(zhuǎn)型邁出了一大步。

（作者單位系重慶市沙坪壩區(qū)樹人景瑞小學(xué)）

《中國教育報》2024年05月18日第3版