聚焦人工智能教育 助力学生创造未来

雷玲 赵文安

西安交通大学附属小学（以下简称“交大附小”），是一所有着丰厚文化底蕴的现代化学校。其前身为1897年创办于上海的南洋公学附属小学堂。经过百年的文化积淀，学校以塑造具有社会责任感的创新人才，着力培养学生的创造力为己任，传承文化精髓，引领学校未来发展。

当今世界已步入人工智能时代，著名的预言家凯文·凯利提出，人工智能将是未来一段时间最重要的技术;而著名未来学家雷·库兹韦尔更是预言，2030年人类将成为混合式机器人，进入进化的新阶段。因此，以人工智能为代表的新一轮科技革命，有着改变国家间力量对比的趋势。当前，不论是发达国家还是发展中国家都在积极制定基础教育领域的人工智能发展战略。交大附小近年来积极开展人工智能教育的研究，制定了人工智能教育的发展战略：让附小每位学生从小接受人工智能教育，为国家培养人工智能后备人才，进一步凸显“数学”和“信息技术”“科学”这三门在人工智能教育中占有基础地位的学科，把培养学生的计算思维、数学建模、深度学习的能力以及创造力作为人工智能教育的主要目标。采用“培训先行、研发课程、社团试点、课堂深入、赛事提升、区域示范”的实施策略，推行人工智能教育，培养新时代新型人才。

构建校本课程，助推人工智能教育

我们的人工智能课程建设起步于2008年，当年在四年级开设了机器人校本课程，随着创客教育和STEAM教育的深入开展，我们开设了编程课、3D打印体验课、3D与数学思维课、STEAM课等创新类校本课程。在实践中我们逐渐认识到，中小学的人工智能教育课程不能完全等同于机器人课程、编程课程、3D设计课程。机器人、编程、3D设计只是开展人工智能教育必备的载体和工具，中小学的人工智能教育应该有它独特的教学目标和教学内容。我们认为，小学人工智能教育课程的主要内容是让学生了解人工智能的一些基本概念、增强智能意识、体验人工智能技术在生活中的应用。在传授知识的同时，致力于培养学生的计算思维能力，以计算思维为核心，迭代培养学生的设计思维、批判思维等一系列思维能力。以人工智能教育为统领，我们整合了先前开设的创新类课程，逐渐构建了符合自身情况的人工智能教育校本课程体系。

我们的课程体系以编程课程为核心，在低年级主要开设趣味编程课程，培养孩子们的兴趣。在中年级开设了智能硬件、机器人、STEAM课程，让学生能够通过编程控制智能硬件或机器人完成一些简单的任务，同时把编程和智能硬件结合，完成STEAM课程的相关任务，让学生体验完成任务的快乐和自豪感。在高年级开设了3D模型设计课和人工智能课程，旨在让学生通过编程在3D模型设计课上把编程思維和设计思维有机结合，在人工智能课上用程序控制智能硬件体验人脸识别、语音识别等常见的人工智能技术，从而培养学生学习的钻研精神和科学素养，为孩子们种下进一步打开科学大门的种子。

人工智能课程受到了学生的欢迎，不仅激发了学生学习的兴趣，还提升了学生的创造力。例如，低年级学生的创意编程作品《植树造林》，把环保的理念，通过编程把植树造林的场景作可视化的展现，学生的问题解决能力、计算思维能力、创造力都得到了提升，同时体验了编程之美。在高年级学生的创意作品《智能饮料机》的创作过程中，老师引导学生用3D打印技术设计结构件，用编程控制传感件、控制件、水泵完成智能饮料机的制作，解决了生活中的真实问题，激发了学生学习的兴趣，不仅学生的动手能力得到提升，其计算思维、设计思维、发散思维、工程思维、创新思维也都得到了很好的发展。

今年九月，我们将在小学全面开设人工智能课程。1～2年级采用自主研发的校本课程，3～6年级采用教育部教育装备研究与发展中心联合北京、武汉、广州、西安、深圳五地教科院所共同研发的“中小学人工智能教学用书”。该套用书全面整合最前瞻、最权威的适合中小学的人工智能教育内容，契合23个本科人工智能本科专业课程模块，并已在社团活动和“钱学森班”试用，效果良好。

建设活动空间，营造人工智能教育软硬环境

美国新媒体联盟发布的《地平线报告》曾三次提出：学习空间的重构与重新设计，可能成为教育变革的关键趋势之一。要有效实施人工智能课程，就要大力建设全新的适合开展人工智能教育的活动空间，这个空间应成为以学生为中心的智能学习环境，成为培养学生学习情感最合适的地方。为此，我们在空间方面进行了科学的区域划分，包含AI学习区、AI活动区、AI展示区、AI工具区，融入了智能感知技术、学习分析技术、情感计算技术。这些活动空间在孩子们探求真知的过程中，成为他们学习的乐园。为了满足孩子们的更多需求，我们先后建立了乐高机器人教室、创客工坊、3D打印实验室、VR/AR教室、STEAM教室，为学生学习助力。

为使学生有更好的学习体验，目前我们正在建设更“智能化”的人工智能教育活动空间。该活动空间的AI学习区，配备智慧黑板，可以实时记录监测人工智能教室的使用情况，教师机装有“基于教学过程评价的大数据测评系统”。我们设计了可移动的自由组合桌椅，实现点到面的沟通结合，方便小组教学和互动讨论。AI活动区还配备了各种智能装备，如自主编程的人机对话机器人，可以带宾客们参观、讲解。AI展示区增加了“幸运大转盘”，把一个个作品放在转盘的不同指针区域，通过电机和马达以及程序的设计控制，在探究不同智能模块的作品时就显示不同的指针区域，并旋转到最低端，实用有趣，方便学生拿取学习。AI工具区的储物柜设计采用语音智能控制，只需轻轻地说一声，“请找出Arduino主控板”，第三层左数第二个柜子的LED灯就会亮，说明Arduino主控板就在这里了。语音控制储物柜的应用，不仅可以培养学生的编程能力，还可以给学生带来学习的快乐，让他们养成从哪里取放回哪里的好习惯。

人工智能教育课程的实施除了要有适合上课的人工智能活动空间，还必须要有“强大”的装备。学校目前三到六年级的人工智能课程配套的装备有两种：人工智能教育机器人、可拆装智能机器人套件。人工智能教育机器人可以实现智能语音交互、人脸识别、物体识别等，适合学生了解人工智能的常见概念，体验人工智能技术在实际生活中的应用。可拆装智能机器人套件可以实现“小尾巴”机器人、智能浇花系统、分拣机器人等机器人的一些功能，跟教学用书所需的机器人搭建完全配套。学生还可通过图形化编程，对机器人进行智能控制，这些装备对学生来说，新鲜又十分有趣，学生们都非常乐意体验。一至二年级的人工智能课程的内容是自主研发的，主要偏重图形化编程知识的传授。

变革学习方式，引导学生自主探究

引导学生学习人工智能这门课程，仅仅靠课程和装备是不够的。为此，我们变革传统教学方式，采用线上线下混合教学模式，丰富学生学习的途径。现在已经推出了两种线上学习平台。一种是中小学人工智能项目组研发的“AI教育云平台”，另一种是学校自主研发的“慕课学习平台”。该平台已经购买和自主研发了很多与中小学人工智能教育相关的课程，可以辅助学生学习人工智能的相关知识。

学校还不断研发适合学生自主学习人工智能课程的“人工智能课程学习App”。该App运用“知识森林”的理论，把知识的传授看作由课程、主题、分面、知识碎片四个维度构成（主题主要指知识点，分面是指知识点的各个方面，知识碎片就是指具体的知识）。通過构建“知识森林”云平台，对知识点和知识点之间的联系进行标记形成课程的知识体系。在“知识森林”云平台的支撑下，人工智能课程学习App可以对人工智能教学用书的任一页进行扫描，自动提取出每页知识点的关键词，从而通过增强现实技术形成一棵知识树。知识树上有该知识点的分面和该知识点相关联的其他知识点，点击各知识点就会出现对各知识点的“文字”和“视频”的解读。例如，人工智能教学用书“投其所好的信息”这一课的某页有一个知识点“智能推送”，当用“人工智能课程学习App”去扫描这一页的时候，就会自动识别出“智能推送”这个词，App会通过增强现实技术在学生面前呈现一棵知识树，知识树上有“智能推送”的定义、原理、应用，用鼠标点击相关内容，学生们就可以自主进行学习。

建构评价机制，力促学生个性发展

人工智能教育课程实施的效果如何，应该有一套科学的评价机制，传统的评价机制已不能适应人工智能教育课程评价的需求。为此，我们把第四代评价理论、基于成效的教学理论及混合学习理论作为开展人工智能教育的重要理论依据。我们引进了国际上先进的CDIO评价模式，把理论、实践、创新合为一体，着眼于培养学生的工程能力。采用CDIO模式能有效地对学生学习人工智能教育课程的过程进行评价。依据CDIO模式，我们制定了人工智能教育课程具体评价内容。

这种评价机制运用在实际教学中已经两年，它大大激发了学生潜能，促进了学生个性化发展。例如，运用这种评价机制，遴选出了不同年级、不同性别、不同个性的孩子组成团队，参加全国中小学创意大赛。团队提交的《草原集水大师》项目，利用纱窗网使雾水凝结成小水滴，通过过滤系统使雾水变成饮用水，解决了牧民的生活用水问题。

目前，我们正在与西安交通大学人工智能教育实验室合作共同研发“基于大数据的智能评测系统”，以实现对学生学习人工智能课程的动态跟踪和评测，同时也计划使用“青少年创新能力大数据测评系统”，对学生的创造力进行科学的评价。

人工智能正在深刻影响社会发展的未来走向，《未来简史》的作者尤瓦尔·赫拉利在书中写道：未来已来，未来超越想象。我们期待人工智能对教育的改革带来超越想象的良效，也期待交大附小能在这轮教育改革的浪潮中，长风破浪，站立潮头。首先，我们将加大教师培训的力度，构建一支能够胜任人工智能课程的优秀的教师队伍;同时，配合“西安市人工智能课程研究中心”，联合西安教科所做好区域内各校的人工智能教育的相关培训工作。其次，协调好国家课程、地方课程、校本课程的关系，确保有一定的课时量，让人工智能教育的课程持续在1-6年级实施。与此同时，做好人工智能技术与学科的深度融合，借助人工智能技术使学生更好地理解学习内容，更多地进行动手实践。

我们相信，未来，人工智能无处不在，人工智能将会促进教育产生更加深刻的变革。面对未来，让每位孩子都拥有美好的未来，我们义无反顾、责无旁贷！