基于AI-TPACK的青少年编程教育师资培养路径研究

张梦萍，胡晓容

(内江师范学院，四川 内江 641000)

1 引言

近年来，随着人工智能、5G网络、大数据、云计算、虚拟现实等技术飞速发展，以培养计算思维的编程教育引起了全球的广泛重视，各个国家和地区采取了相应措施促进编程教育的发展[1]。中国也出台了与编程教育相关的文件，如：2017年的《新一代人工智能发展规划》中强调要“逐步推广编程教育”(《国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知》国发〔2017〕35号http://www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm)。2018年的《教育信息化2.0行动计划》，提出完善编程课程内容(http://www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201804/t20180425_334188.html.)。教育部官网公布的《关于政协十三届全国委员会第三次会议第3172号(教育类297号)提案答复的函》中提到编程教育近几年的工作进展包括“制定相关专门文件推动和规范编程教育发展”“将编程教育纳入中小学相关课程”(http://www.moe.gov.cn/jyb_xxgk/xxgk_jyta/jyta_jiaocaiju/202012/t20201209_504364.html.)。这些政策文件都鼓励和支持学校将人工智能技术、编程教育等融入校内课程、考试科目当中，体现了编程教育及师资培养的重要性。

2 问题的提出

当前，仅少部分学校将编程教育融入教学计划中，但大部分还是靠企业和培训机构在推动。比较有代表性的机构或平台有：编程猫、编玩边学、小码王、妙小程、乐博乐博、斑码编程、熊猫编程、童程童美等。还有青少年编程教育等级评测组织，通过测评判断6～18岁学生的编程能力能级，分为一到七级(青少年人工智能教育考务平台http://www.yaie.com.cn/.)。市场上出现了“编程教育热”，但是编程教育的师资却面临极大的短缺问题，这成为师范院校现在面对的一个重要课题[6]。目前，市场上绝大部分青少年编程老师都是非科班出身，缺少既懂编程技术也懂青少年教育的专业人才。通过对各大主流招聘网站的招聘需求调查可以发现，企业招聘条件不高，校内教师业普遍感到无法胜任包含编程教育的人工智能教育岗位[2]。作为专业人才培养基地的高校没有对编程教育进行专门培养的专业或学科。因此，十分缺乏正规的编程教育师资队伍，这极大地阻碍了编程教育在中国的发展[1]。在人工智能急速发展的趋势下，亟需大量的编程教师队伍，以促进学生的计算思维，提升问题的解决能力。

3 基于AI-TPACK的青少年编程教育知识结构模型

3.1 智能时代教师知识结构新模型AI-TPACK

信息网络时代要求每位教师都拥有整合技术的学科教学知识TAPCK(TechnologicalPedagogical Content Knowledge)；TAPCK是由米什拉(P.Mishra)和科勒(M. Kolhler)等在2006年提出[3]。根据新一代人工智能的发展，2020年闫志明等将其更新为AI-TAPCK(整合人工智能技术的学科教学知识)新理论框架，该框架在技术知识的领域里突出人工智能技术知识的重要性，能够使教师更好的适应AI时代的要求[4]。邓国民等将伦理知识融入教师知识结果中构建了“AI+学科教学”的伦理知识框架( AIPCEK)，并构建了教师AIPCEK发展的金字塔需求模型[5]。已有研究重在AI-TAPCK的内涵分析，也有较多研究对人工智能和编程教育师资培养进行了探讨，但是对AI环境下编程教育教师岗位胜任力没有明确界定，缺乏对AI环境下师范院校青少年编程教育师资的系统性培养体系的研究。本文尝试构建基于AI-TPACK框架的青少年编程教育师资知识结构模型，然后根据该模型探讨相应的人才培养路径，由此可以提升计算机类学生的就业面，促进青少年编程教育的可持续发展。

3.2 基于AI-TPACK的青少年编程教育能力素质模型

智能时代强大的数据推理、分析、处理、决策能力为教师教学活动提供强大支持的同时也给教师带来巨大挑战和压力。要胜任该岗位需要拥有最基本的青少年教学知识、编程类学科知识、人工智能技术知识，还需要有AI-TPK、AI-TCK，以及AI-TPACK知识[5]。如图1所示。

图1 青少年编程教师AI-TPACK知识结构

4 人才培养路径分析

编程教育方向学生培养的核心目标是培养热爱编程教育行业，具备编程和教育基础理论及应用等方面知识；具备中小学的教学设计、开发、管理、评价能力；能在与青少年编程教育领域相关的设计、开发和管理等工作的高素质应用型人才。主要培养方法三种：理论学习、课程实践、专业大赛，为了更好的达到以上培养目标制定了相应培养路径，如图2所示。

图2 基于AI-TPACK的青少年编程教育师资培养路径

4.1 融入“新工科”和STEAM教育理念，培养跨学科交叉型人才

“新工科”背景下的教学模式是教学团队对多门学科课程中的概念、理论、信息、数据、工具、观点和技术进行辨识、评价与整合，有助于培养编程准教师的高阶思维能力。STEAM融合了科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineer)、艺术(Art)和数学(Mathematics)五大学科领域的知识，可以有效培养跨学科的综合素质能力[7]。师范学院属于综合类大学，具有坚实的STEAM发展基础，可引导老师和学生进行学科间的相互融合(如：组班上课、组建跨专业比赛或项目团队等)，促进学生对AI-TPACK跨学科交叉知识的理解掌握。

4.2 以成果为导向(OBE)，改革教学方法和教学模式

OBE是Outcomes-based Education(以成果为导向的教育模式)的简称，是指以社会和学生的真实需求为出发点，通过反向设计，以学生最终获得的能力和结果为评判标准[8]。编程师资队伍的培养也应以毕业后具有的“T型”能力(即相应的通用能力和编程教育专业能力)为导向，引入新的课堂教学模式和方法，如：“AI+教师”的协同教学法、BL教学法、翻转课堂教学法，将自主学习与弹性学习、合作学习、探究学习结合起来，通过策划分析项目、典型编程案例研究、社会实践等引导学生进行深度学习，提升学生的动手实践能力、表达交流能力，促使教育目标与结果保持一致性[10]。

4.3 更新课程体系，提升学科教学知识的社会适应性

基于AI-TPACK的青少年编程教育方向课程模块上主要分为数学与自然科学知识、编程教育方向基础知识、编程教育方向核心知识。在基础知识方面，学生需要掌握从事编程教育所需的计算机导论、电路与电子技术、数字逻辑电路、scratch趣味编程、程序设计类课程、网页设计与制作、算法与数据结构等基础知识，另外还应开设人工智能基础课程[6]。在核心知识方面，学生需要掌握从事编程教育方向所需的计算机组成原理、数据库系统、操作系统、编译原理、计算机网络、机器学习、模式识别、物联网技术等核心知识，通过这些课程可以增强学生基于AI的编程类知识(AI-TCK)。同时开设编程教育类教师教育类课程(如信息技术学科知识与能力、微格教学等)选修课程、重点增设“青少年编程教育课程标准解读”模块，通过这些课程可以增加学生基于技术的青少年教学知识(AI-TPK)，提升教师的岗位胜任力[11]。

4.4 抓住编程类专业大赛契机，培养创新创业能力

新时代对创新人才具有强烈的需求，而创造力是连续迭代螺旋上升的过程，培养过程中应在理论学习期间增添相应的比赛和实践项目[12]。大学生计算机竞赛可以加强新技术的应用交流，促进多元化创新创业人才培养改革[13]。学校应紧紧抓住每一次相关比赛和项目实践的机会提升学生的TPACK知识和能力。比赛类如：计算机程序设计大赛、微课设计与制作大赛、“互联网+”创新创业设计大赛、师范技能大赛等。通过这些比赛可以培养学生解决专业问题的能力、编程教育能力、创新意识和专业表达能力。

4.5 结合“产学研”模式，提升社会实践能力

编程类教师需要有较强的社会实践能力，这些能力可与相关企业机构合作分阶段进行逐步培养，通过完善学校的“产学研”体系，加强与真实社会的结合，培养出社会所需要的人才[14]。例如：邀请优秀企业进校培养、开展编程项目研发实训、见习、实训，组织学生进入编程教育机构或中小学实习。与企业创建了VR虚拟体验室，另外与教育技术企业合作创建编程教育AI研学实验室，利用5G、数字孪生(DT)等相关技术和企业人员的指导促进学生AI-TPACK知识的构建[15]。通过完善的“产学研”体系可以提升他们的沟通、系统分析、项目管理、文档写作和研究的能力。

5 结语

开设青少年编程课程有利于培养学生的计算思维、提升他们应对未来生活问题的能力[15]。师范类大学应该利用自身的综合学科条件，融入“新工科”和创客教育理念、以成果为导向(OBE)更新课程体系、重视编程类和教师教育类专业大赛、完善“产学研”体系，提升培养质量。虽然目前的培养方案和运行机制模式丰富多彩，但是在实际培养过程中也会遇到很多实际的问题，例如：缺乏相关的人工智能教学软硬件、高校师资AI-TPACK知识结构不够完善、家长的不理解、学生学习时间冲突等。各高校应结合本校已有专业特点、教学模式、教学资源和师资力量等具体情况，不断探索未来编程教师的培养路径和方法。