小学阶段开设人工智能教育的教学设计研究

摘 要：文章以小学人工智能教育概述为切入点，分析人工智能教育能够培养学生信息素养及创新精神。以此为基础，结合小学人工智能教育现状，明确人工智能课程仍存在缺乏完整课程体系、重技能轻思维培养的问题，并提出人工智能教育的教学设计及实施措施。

关键词：小学阶段;人工智能教育;教学设计

一、 引言

随着计算机技术的发展，人们对“智能”提出了更高要求，从逻辑演算、数学运算、演绎推理，到要求机器拥有“创造性”，推动着人工智能的发展，对人类社会具有重要作用。人工智能作为引领未来教育的新兴技术，对教育具有方方面面的影响，特别是国务院于2017年印发的《新一代人工智能发展规划》提出，中小学应当设置相关人工智能课程，逐步推广建设人工智能学科，以适应智能化、信息化时代要求。因此，小学应开展系统性人工智能教育，培养小学生信息素养。

二、 小学人工智能教育概述

现阶段，人工智能教育出现一系列相关概念，包含智能教育、人工智能学科教育、人工智能教育、人工智能+教育、人工智能专题教育等，尽管此类概念在外延与内涵方面存在一定差异，但其内容指向性主要如下：通过人工智能专项教育，提高人的人工智能素质，指向人工智能学习层面，通过培养学生人工智能原理、知识、体验及实践技术，利用技术解决实际问题。该教育将人工智能作为教育教学形态，包含实施小学人工智能课程、全民人工智能科普、高等教育设置人工智能专业等，从而培养诸多拥有合作精神与创新能力的人工智能人才。

三、 小学人工智能教育教育现状

人工智能课程最初来源于英国20世纪80年代，以选修课模式出现，为学生简单介绍有关人工智能的知识。直至2013年开展全面教育改革，中国将原本信息技术课程修订完善为计算课程，教学目标也转变为培养学生计算机思维。并且，中国2003年启动中小学人工智能教育计划，通过多年发展，小学阶段人工智能教育课程，多为信息技术课程中应用人工智能教学内容，未能形成系列的人工智能教育课程。中国近几年认识到教育与人工智能融合重要性，进行规划布局，部分教师与学校也投入至人工智能课程教育中。人工智能课程作为涉及诸多领域的学科，尽管获得国家政策支持，进行大力发展推广，国内人工智能课程却仍有诸多不足，主要体现在以下方面。

（一）缺乏完整课程体系

无论是校本课程还是国家课程，人工智能教学均以其他课程为依托开展，使教师难以确定教学分量，教学目标不清晰。纵向而言，小学各学段之间教学内容缺乏紧密联系，不利于学生由浅至深、循序渐进学习技能知识，教师也无法有效把握学情，使得教学目标和效果存在较大落差。横向而言，教学内容碎片化，难以使学生构建知识体系。并且，学生人工智能“教材”，多为用户指南或产品说明书。

（二）重技能轻思维培养

小学阶段，人工智能教学无论是校外活动还是学校教育，均更为注重培养学生技能，对发展学生智能素养、计算思维则不够重视。以本质而言，人工智能教育主要是通过智能内容与技术，提高学生应用、理解与创新的课程，应培养学生数字化实践能力、计算思维、信息意识及信息社会责任，需在教育教学中渗透信息技术核心素养，不能仅停留于机器人拼装、编程技能等浅显内容。

四、 小学人工智能教育的教学设计

小学阶段开设人工智能教育，可培養学生创新意识与独立思考能力，对于发展学生解决问题能力、数学逻辑能力、自然语言能力及动手能力具有积极促进作用。现阶段，面临怎样系统化、科学化开展人工智能教育，将其融入至课堂，笔者以下将从教学目标和内容设计出发，探索构建人工智能教育框架。

（一）教学目标设计

以皮亚杰认知发展理论而言，小学阶段学生能够内化感知动作，且在具体内容支持下，能够实现简单抽象逻辑思维。人工智能教学设计，可从认知、理解、应用、实践、创新几方面出发，实现人工智能思维方式和课程培养目标的融合。

（二）课程内容设计

学生对知识接受能力、认知能力均有所不同，开设人工智能教育中，应当结合不同年级小学生的心理、思维逻辑等特点，以人工智能知识普及为基础，增强学生对人工智能的感悟，令其了解人工智能对学习、生活的影响及未来积极作用，掌握人工智能特点，进而调动学生探究热情。在课程安排中，可从以下方面出发。

1. 认识人工智能

海辛格提出，人们对创新存在“选择性认知”的情况，即个人对某创新存在需求，才会与创新信息主动接触，只有一个人了解创新存在，且对其具有一定认知与了解，方能产生创新需求。因此，人工智能教育中，学生初步与人工智能课程接触，应当以认识、了解为主，特别是小学低年级学生，大脑较为兴奋，难以长时间集中注意力，拥有发达的形象思维，却缺乏抽象思维。因此，此时可采取探究、合作方式，通过寓教于乐，让学生在游戏中进行新知识学习。例如，可根据“人机大战”故事，1997年图灵做出的“深蓝”智能击败国际象棋冠军，让学生初步认识人工智能，明确人工智能含义及发展历程。并且，教师可利用Logo语言，鼓励学生自由操控“小海龟”，了解自身行为造成的结果，增强认知;或是在现实生活中讲解智能小工具应用案例，感受人工智能为生活带来的便利。

2. 感悟人工智能

通过上阶段学习，学生对人工智能产生新的看法与认知，此时应引导学生构建正确学习目标，掌握有效学习方法，以此对自身时间合理安排。在感悟人工智能方面，可通过“看、听、说、想、动”的方式，让学生结合生活案例，了解机器怎样学会模仿人，体验人工智能用途。例如，机器学会“看”中，可举例“植物达人”App，通过拍照、扫描即可识别花草树木;机器学会“听”中，可举例AI翻译婴儿哭声，能够根据婴儿哭声对婴儿表达含义进行判断;机器会“说”“想”中，可举例智能语音助手，如Cortana、Alexa、Siri、谷歌智能助手，以此感受机器的“思考”“说话”;机器会“动”，可举例智能遥控小车、智能电视等。通过调动学生触觉、视觉与听觉，感受人工智能扮演的重要角色，学生能够感悟、认识人工智能，为后续学习奠定基础。

3. 尝试人工智能

小学人工智能教学课堂中，教师不能仅让学生单纯的进行感知与认识，还应当在体验与感悟中，培养其计算思维。课堂教学中，可引入Scratch编程等图形化编程软件，为学生渗透、启蒙算法及编程思想。教师引导学生利用简单的工具软件，创作自己的人工智能作品。如，可让学生编写“会说话的灯泡”任务，机器接收“开灯”指令后，即可亮起灯泡，且同时输出“灯已经为您打开”的语音;机器接收“关灯”指令后，即可关闭电灯，且同时输出“灯已经为您关闭”语音。通过简单地方式，让学生实现初步编程体验，感受创造与学习乐趣。

4. 实现人工智能

学生通过认识、感悟与体验的活动，已经亲身感受到人工智能的魅力，这时教师可进一步加强学生认知，结合学生特点，立足于人工智能某编程知识点，编程中巩固知识的同时，培养学生实践能力与创新思维，使学生了解图形化编程，设计较为复杂的人工智能作品，完成制作，培养学生计算思维。

五、 小学人工智能教育实施策略

（一）情景化教学

小学生受限于自身认知及个体差异，加上人工智能知识较为特殊，教师仅通过演示、讲授的方式，学生难以有效理解和掌握课程内容。因此，教师可采取创设情境的方式。人工智能本身为教师提供条件，可利用人工智能反哺课堂，增强学生学习体验，能够直观、形象了解人工智能技术。教师还可以采取游戏化角色、元素、模式，为学生提供更为有趣、丰富的内容，通过激励机制、增益策略等，实现多样化课堂教学，增强课堂趣味性。例如，在人工智能“火灾演练”主题教学中，可安排部分学生扮演消防员，部分学生扮演受困人员，模拟灭火救援行动，火灾情境创设应用了FPV、机器人车巡线等内容。该方法有效激发学生兴趣，增强其参与感，提高教学效果。

（二）跨学科交叉教学

人工智能主要是开发、研究用于扩展、模拟人的智能的方法、理论、技术、应用系统的新兴技术科学，涉及诸多学科，包含计算机科学、心理学、生物学等。通过跨学科教学，能够促进生物、数学等学科知识融入至人工智能知识。教师在此过程中，不仅需要借助其他学科知识，助力学生加深对人工智能的理解，还要利用跨学科思维，培养学生计算思维素养。通过跨学科整合，能够实现相关学科和人工智能的融合，采取项目课程教学模式，合理应用人工智能技术解决问题。例如，机器视觉教学中，教师可将机器视觉结合神经科学，以“人怎样看到事物”作为导入问题，类比为学生解释机器怎样“看到”周围事物。教师通过恰当教学设计，渗透人工智能技能、知识的同时，也能联系生活实际，使学生感受到人工智能价值。

六、 结语

综上所述，小学阶段设置人工智能课程，且将其纳入小学教育体系，对于培养人工智能人才及发展信息技术教育具有积极作用。因此，教师应当结合小学人工智能课程实际情况，通过合理的教学目標与课程内容设计，构建小学人工智能课程体系。教师课堂教学采取情景化教学、跨学科教学等教学方法，从而提高人工智能教学质量。

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作者简介：

薛宪立，福建省漳州市，漳浦县实验小学。