育人为本，求实创新——中国人民大学附属中学AI 教育实践探索

刘小惠/中国人民大学附属中学校长

袁中果/中国人民大学附属中学信息技术教研组组长

人工智能是一个新兴的学科交叉领域，全球对人工智能的关注使得不少国家开始积极布局人工智能，纷纷在国家层面制定人工智能发展战略。人工智能在大国间的角逐，尤其是人工智能人才的争夺，进入到了白热化阶段。为了培育人工智能专业人才并参与到国际竞争中，大学在布局；为了普及人工智能教育，提升全民的人工智能素养，中小学和校外机构也在积极行动。人工智能知识与技能的普及，已经上升到国家发展战略层面。

人工智能教育势在必行

2017 年，英国发布的《在英国发展人工智能》（Growing the artificial intelligence industry in the UK）提出，要加强人工智能培养力度，要创造多元的技能培训计划，要提升国民的科技素养。2019 年，美国时任总统特朗普签署《美国人工智能倡议》（American AI initiative）行政令，将人工智能技术发展提升到国家战略层面的高度，提出并确认了人工智能人才的重要性。加拿大《泛加拿大人工智能战略》（Pan-Canadian Artificial Intelligence Strategy）在2017 年联邦预算中提出了一项为期五年、金额高达1.25 亿加元的计划，旨在投资AI 研究和发展相关人才。2019 年，俄罗斯发布了国家层面的人工智能战略，提出到2024年，必须大幅增加在人工智能及相关领域具有专门知识的人才数量；到2030 年，必须在俄罗斯实施世界一流的教育计划，以培训人工智能领域的高素质专家和管理人员。近几年，欧盟委员会、德国、法国、芬兰、印度、日本、新加坡等都推出了人工智能国家战略和人才培养计划。

2017 年7 月，为抢抓人工智能发展重大战略机遇，构筑我国人工智能发展的先发优势，加快建设创新型国家和世界科技强国，国务院印发了《新一代人工智能发展规划》，其中指出，人工智能已成为国际竞争的新焦点，中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。近几年，我国很多高校成立了人工智能学院，设置了人工智能专业，加强人工智能人才培养。全国各地校内外也如火如荼地开展了中小学人工智能教育宣传和推广工作，但在落地实施过程中却暴露出不少问题。究其原因，还是对中小学人工智能教育是什么、教什么、如何教等认识不够、理解不足所致。2017 年版《高中信息技术课程标准》中设置了人工智能模块，但落地实施困难。义务教育阶段如何开展人工智能教育，还没有国家层面的具体指导文件。中小学人工智能课程不成体系，没有考虑小学、初中、高中到大学的衔接，教材水平参差不齐。人工智能知识技能迭代较快，中小学师资水平亟待提升。

人工智能课程的设置与实施，必须坚持立德树人的课程价值取向，以培养具备良好信息素养的公民为目标，具体包括信息意识、计算思维、数字化学习与创新和信息社会责任等核心素养。人大附中在人工智能教育和教育智能化方面已经开展了多年的探索和实践，形成了适合本校学生发展的课程体系。在开展教学实验过程中，教师和学生都得到了发展和提升。

人工智能技术应用助力教育教学

在人工智能促进教育教学方面，人大附中鼓励教师充分利用智能化工具和手段，探索信息技术与学科教学深度融合的教学模式，借助人工智能技术有力支撑学生个性化发展和教师对学生开展个性化辅导。同时鼓励教师充分利用适合本学科教学的在线教学工具、平台和课程资源，开展基于人工智能技术的以学为中心的混合式教学改革试验，提升在线教学的师生互动性和学生的获得感。

图1：吴文庆老师的在线课堂

混合课堂是指将在线教学和传统教学的优势结合起来的、线上与线下结合的教学方式。传统的课堂在教室内开展教学活动，也许一块黑板、一支粉笔就够了。新冠肺炎疫情的暴发对传统教学提出了挑战，“停课不停学”的要求倒逼老师们必须把课堂转移到网上。从传统课堂到网络课堂绝不是简单的网络化和数字化，它是一个课堂重构的过程，原来的课堂呈现方式和师生交互方式都发生了改变。借助基于人工智能技术的在线工具和手段的老师，在线课堂效果和交互性会更好，同时也能更好地提升教师的智慧和创新能力。

人大附中高一信息技术教师通过在线直播系统给学生教授python编程环境安装和配置时，发现很多学生家里计算机上安装python 插件会遇到各种各样的问题，造成很多学生没有办法开展编程实践。为了解决市面上通用的教学直播系统无法开展在线信息技术教学实验的问题，信息技术组教师联合第三方技术公司设计了专用的信息技术课教学系统，除了能完成普通的直播、回放等功能外，在学生进行在线编程实验时，教师还可以远程查看学生的虚拟编程界面，对学生开展一对一的辅导。但系统不允许教师查看学生本地计算机信息，以保护学生的隐私。同时，系统中设计了智能批阅功能，能对学生提交的编程作业自动批阅，生成批阅报告，教师再根据批阅报告有针对性地对学生开展辅导。教师自己参与设计的专用在线教学系统，顺利解决了学生编程实验环境的配置问题，同时记录了学生在线实验的时长、实验开展次数和开展情况，教师可以精准掌握每位学生的学习情况，这些都是传统课堂和通用直播系统无法解决的。

疫情期间，数学组吴文庆老师在讲授函数的叠加时，借助在线数学工具软件，实现了函数叠加过程的可视化（见图1）。本节课的教学内容来自学生感兴趣的内容——生活中的周期现象，教学案例是学生课前自主收集的，最后由老师进行筛选及整合。在教学过程中，教师让学生说出自己研究三角函数叠加的思路与方法，学生利用平时所学的数学软件，通过屏幕共享实时分享自己的研究成果，可视化工具让两个函数叠加后的结果一目了然，引发学生们踊跃发言。这节课实现了老师与学生的良好互动，教学相长。学生们在老师的引导下，将生活中的实际问题归因到三角函数的叠加，理解了降噪耳机的工作原理，同时能够循序渐进地研究三类不同层次的三角函数的叠加。

美术组靳美老师在艺术课上借助信息技术手段，将科学原理和过程可视化，为学生们展示了显微摄影镜头下沉淀反应的过程，如奔腾的瀑布一般，倾泻而下。学生们看后都说，原来沉淀反应不仅仅是枯燥的化学公式，还可以这么富有动感，这么美。靳老师带着学生通过基尔里安摄影术实验拍摄西红柿放电实验过程（见图2），大大激发了学生的学习兴趣，学生们分组合作，拍摄了西红柿放电，还尝试拍摄了其他水果的放电过程，如橘子、苹果等，拍出的图片非常漂亮。这也是技术、艺术与科学的融合。

英语组谭松柏老师利用人工智能技术，通过网络模拟测试系统，找出语音不标准的学生，对学生开展个性化辅导，使全班学生的整体短文朗读水平获得大幅度提升。谭老师通过在线写作批改平台，提升学生写作自主学习能力和自我纠错意识及能力，有位学生对自己的作文修改了50 次，从78.5 分提升到87 分。通过对比学生修改轨迹分析学生写作过程中的问题，也可以为老师预留出时间和精力来关注写作思维和写作手法上的提升。人大附中的老师在使用这些人工智能技术软件的时候，不仅仅是单纯的用户，还参与了软件的定制开发和完善改进，让软件的内容和表现形式更适合学生的学习需要。

生物组的和渊老师和辇伟峰老师将虚拟现实技术应用在生物课程中，讲授《人类的血液循环》时，让学生看到血管内发生的事情。地理组杨萌老师讲《河西走廊》时，让学生通过虚拟现实设备学习地理地貌环境。在人大附中，不仅教师使用虚拟现实手段授课，学生还协助开发了虚拟现实教学工具。虚拟现实课上的学生在施一宁老师的指导下开发了太阳系的直观立体展示系统。这个系统可以用摄像头识别学生设计的太阳系各星球的识别图，呈现出不同星球的立体模型，尽可能真实地对太阳系八大行星进行展示以及运行演示，学生可以直观、生动地了解太阳系八大行星的模样、尺寸、自转公转形式、运行周期、运行轨道等。

人大附中在教育信息化和教育智能化应用方面有自上向下的规划，在实施上自下向上。教育教学应用需求由一线教师和相关应用部门提出，信息化部门负责提供技术支持和指导。在建设智慧校园系统时，由校长牵头，学校各部门共同参与，确保教育智能化服务于教育教学的目标不偏离。

人工智能课程引领学生未来发展

中小学需要开设人工智能课，让学生了解什么是人工智能，人工智能能做什么，会对我们的生活产生什么影响，这样学生才能更好地适应未来社会。如果有部分学生通过选修课喜欢上了人工智能而选择其作为自己的人生追求，那么最终也许有一小部分学生能够成长为引领未来的人工智能专家。人大附中开发了满足不同基础的学生发展需要的人工智能课程群，因为没有现成的适合中学教学的教材，很多内容都是老师原创开发或二次开发，其中很多教学案例都来源于生活中的真实场景，而且与时俱进。比如雾霾天，老师用照片的去雾算法作为实践案例；社会上热议黑洞照片时，老师就把黑洞照片的生成原理和实践开发成教学案例。

人大附中在人工智能课程的设置、实施和评价等过程中，一直围绕提升学生信息素养的目标开展。为满足学生的多元化学习需求，我们构建了信息技术课程体系，既关注学生基本信息素养的培养，也关注学生人工智能素养的提升，同时考虑学生的专业发展，将课程划分为基础类、拓展类和荣誉类。人工智能课程群（见图3）是信息技术课程的一个子集，在信息技术课程体系（见表1）中，除了国家必修课、选择性必修课和国家选修课外，还为学生开设了校本选修、研究性学习、大学先修和信息学竞赛类等几十门课程。

国家必修课数据与计算信息系统与社会选择性必修国家选修课校本选修课研究性学习研修课大学先修信息学奥赛数据与数据结构网络基础数据管理与分析人工智能初步三维设计与创意开源硬件项目设计算法初步移动应用设计数据挖掘自然人机交互自然语言处理建模与仿真空间科技前沿乐高机器人VEX 机器人基础FTC 机器人基础C++程序设计Java 小程序开发Arduino 入门微电影创作数字创意……空间科学技术机器人脑机交互计算机视觉数据科学机器学习计算机视觉乐高机器人VEX 机器人Arduino 项目计算机工程空间站设计自动驾驶数据可视化人工智能赛车未来空间站设计计算概论Computer Science算法设计初级算法设计中级算法设计高级基础课程拓展课程荣誉课程

图3：人大附中人工智能课程群

序号上课时间年级学分课程层次/类型课程名称高中选修1234567891 0微电影鉴赏与创作数字创意高中选修选修选修平面设计理论选修高中高中高中平面设计实践微电影创作人工智能中的数学建模高中选修选修高一高二高二高二研学研学研学11高二研修研修12高中高一信息学奥赛APP 交互式产品设计航天科技机器学习人工智能“看”世界：计算机视觉未来空间站设计探究和人工智能一起玩赛车计算+X：计算思维与学科交叉创新13高中研修14高中研修周五16:30-17:50周五16:30-17:50周四16:30-17:50周五16:30-17:50周四16:30-17:50周四16:30-17:50周五16:30-17:50周五14:30-16:15周五14:30-16:15周五14:30-16:15周五14:30-16:15周四14:30-16:15周四14:30-16:15周四14:30-16:15 11212212222222

为了促进学生的多元发展和个性化成长，人大附中每学期都为学生开设一两百门选修课，其中信息技术和人工智能课程都有十几门（见表2）。周三至周五的16:30-17:50 是学生自由选修时段，学生可以选择自己喜欢的课程学习，如果没有自己喜欢的课程，可以直接放学。

为了推进全国中小学人工智能教学，由人大附中牵头，联合南京外国语学校、西安高新一中、人大附中实验小学、成都教科院等全国十几家单位，申报了教育部2019 年度教育信息化教学应用实践共同体项目——“基于在线课程平台的横向跨学科、纵向分层次的中小学人工智能课程建设与实践共同体”，在中央电化教育馆指导下开展了为期一年半的研究，已经形成了一批中小学人工智能课程和资源，希望今后能以合适的方式实现全国中小学共享，一起推动中小学人工智能教育的发展。我们项目组还开展了公益双师教学实验，在人大附中分校开设的《人工智能通识》课程，线下有四十多名学生参加，通过教学平台，全国五个城市的七所学校共三百多名中学生同时在线参加学习。

结束语

中小学人工智能教育需要坚持创新，不断探索有利于学生发展的教学模式，把最新的技术和理论传授给学生。中小学人工智能教育必须务实，要将知识和技能在课堂落地，要对学生做价值观引领和计算思维训练。我们要有开放的态度，批判性地借鉴国际中小学人工智能教育的最新研究成果。独行快，众行远。人大附中乐于共享资源和成果，愿与兄弟学校们结伴同行，共同促进人工智能教育的普及和青少年创新人才培养。