中小学人工智能教育的模式与困境

◆孟秋汝

0 引言

人工智能与教育相结合，主要体现在以下两个层面。

一是人工智能技术应用与教育，包括教学工具、教学资源、教学评价等。例如：人工智能技术辅助教师进行活动评价、教学准备；模拟仿真技术、虚拟现实（VR）技术等应用于课堂教学，丰富学生的课程体验。

二是人工智能普及教育，即在中小学开展相关的人工智能课程。近几年，基础教育阶段人工智能课程的教学备受人们关注，从国家到学校再到机构，纷纷投入中小学人工智能课程的研究。

本研究以近三年来部分中小学开展的人工智能校本课程为例，了解其教学内容、教学方法、教学环境等，希望能够为未来中小学开展人工智能课程提供有益参考。

1 中小学人工智能课程的教材选择及教学内容

中小学课程建设的“三大基石”为教师、教材和教学工具，其中最核心的部分为教材，教材决定了教师的培养方向和教学工具的配套准备与选择。中小学人工智能课程也不例外。

本文主要选取网络上出现频次高、比较热门的三本人工智能教材，分别是2018 年11 月由华东师范大学出版社出版的“AI 上未来智造者——中小学人工智能精品课程系列丛书”（包括《AI 上神奇动物》《AI 上智慧生活》《AI 上萌宠“小E”》《AI在变形工坊》《AI 超级工程师》等）、2019 年1月由北京师范大学出版社出版的《人工智能（初中版）》、2018年4月由华东师范大学出版社出版的《人工智能基础（高中版）》，分别作为小学、初中、高中三个学段的人工智能教材的代表。本文主要参考高凌飚教授[1]提出的教材分析评估模型，并结合教育部颁发的《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》中关于选择性必修“模块4：人工智能初步”的课程标准及《义务教育小学科学课程标准（2017版）》[2]，从内容章节、活动设计两个维度，对三本教材进行分析。

1.1 内容章节

三本教材的内容都涵盖了计算思维、数字化学习与创新、信息意识和信息社会责任三个人工智能教育的核心目标，并且通过对人工智能知识外延，使教材具备一定的深度和广度。

《人工智能基础（高中版）》以手脑结合为学生的主要学习方式，注重强调直接知识与间接知识相融合，提供人工智能基础知识的同时，创设实验、情境、项目等让学生动手操作，涉及机器学习、自然语言处理、人机交互、计算机视觉的初步认识与应用[3]。

“AI 上未来智造者——中小学人工智能精品课程系列丛书”是一套涵盖小学、初中、高中的系列教材：与小学阶段相对应的课程内容涉及数学等知识、技术工程等领域，旨在通过探究传感器、蓝牙音箱的使用方法和工作原理，培养学生的逻辑思考能力；与初中阶段相对应的课程内容涉及人机交互的基础理论，教授语音识别、智能感知、智能决策图形化编程软件等知识；与高中阶段相对应的课程内容涉及最近热门的Python 编程、开源电子主板应用、变形机器人搭建等人工智能技术的高阶编程。这套系列丛书的内容以动手操作为主，缺乏对人工智能基础知识的介绍。

《人工智能（初中版）》涵盖人工智能技术与社会、人工智能技术、人工智能设计与系统三个领域的知识与技能，从人工智能产品体验到原理描述、技术实现实验、应用方案实验，层层递进，从理论到实践，一步一步引导学生科学系统地学习[4]。

三本教材的章节如表1 所示，其中“AI 上未来智造者——中小学人工智能精品课程系列丛书”以《AI 在变形工坊》[5]为例。

表1 三本教材的章节比较

1.2 活动设计

三本教材都有相应的活动环节，活动设计丰富多样，有的活动环节设计的目的是获取理论层面的知识，有的旨在获得技术层面的能力。

《人工智能基础（高中版）》的活动环节主要为情境导入、知识呈现、思考与讨论、实验操作、拓展阅读，注重的是人工智能理论知识的获取。虽然设计了22 个实验，让学生动手操作，但是所占篇幅较少，容易忽略，因而无法达到理想的课程效果。

“AI 上未来智造者——中小学人工智能精品课程系列丛书”则比较注重通过动手来体验人工智能技术，激发学生兴趣。以《AI 在变形工坊》为例，它的活动环节为情境导入、知识呈现、体验、操作练习，还专门设计三节活动课，引导学生进行主题、项目式学习，培养学生的创新思维。

《人工智能（初中版）》的活动环节与其他教材不同，它将人工智能技术的产品体验、知识呈现、实验验证和作品设计融为一体，更注重学生的体验式学习。

2 中小学人工智能课程的教学方法

由于小学、初中、高中三个阶段的人工智能课程教学目标不同，对学生学习要求的深度与广度也不同，因此，这三个阶段所采用的课程教学方法、教学策略会有所不同。三个阶段主要采用的教学方法如表2 所示。

表2 三个阶段的人工智能课程教学方法

根据皮亚杰的认知发展阶段论，小学阶段学生的认知发展处于具体运算阶段，他们的学习心理呈现的特点为：以具象思维为主，注意力不易集中，具有强烈的好奇心和丰富的想象力，感知觉有了一定的发展。基于小学生的认知特点，人工智能课程的教学应多采用以教师引导为主的体验式、兴趣主导式、启发式教学方法，开设游戏化课程，让学生通过接触、体验人工智能，培养对人工智能的兴趣和喜爱之情，达到教学目的。人工智能技术的基础知识对小学生来说太过深奥和抽象，若采用传统课堂中讲授、谈话等语言性教学方法，学生无法根据文字理解知识，就会导致注意力减弱，产生对人工智能学习的厌恶情绪，进而压制好奇心和想象力。经过多所学校的实践，体验式学习、启发式学习这些类型的教学方法非常适用于在小学开展人工智能课程。

中学阶段学生的认知发展处于形式运算阶段，他们的学习心理特征为：抽象思维占主导地位，意义记忆初露头角，观察主动性提高。基于初中生的认知发展特点，初中阶段的人工智能课程应采用以学生为主体的、学生进行自主探究的教学方法，如探究式学习、协作式学习、项目式学习等。初中生已经具备一定的学习能力，能够理解一般概念性知识并有意识地记忆。根据学生的兴趣特点来设计和开展人工智能课程，强调以学为主，能够很大程度地提高学生的学习兴趣，引导学生运用计算思维解决问题，启发学生的数字化创新思维，让学生对人工智能进行初步探究。

高中阶段的人工智能课程，其教学方法与初中阶段大同小异。该阶段的学生已经有了足够的认知水平和能力，大部分学生能够明确了解自己的兴趣爱好、特长。因此，高中阶段人工智能课程的教学方法依旧是以学生为主体的探究式、项目式教学，对学生进行个性化指导，目的是让学生在感兴趣的领域相对专业地研究人工智能，更深入地发掘自己的特长，为将来进入高等院校进行人工智能专业知识的学习打下基础。

3 中小学人工智能课程的教学工具与环境

研究数据显示：中学人工智能课程的教学环境主要在人工智能实验室（包括智能科学与技术实验室、机器人实验室等以人工智能为主的实验室）和计算机机房。人工智能实验室一般是与校外机构合作改造或搭建的，配备了与课程相关的人工智能硬件与软件，是一个综合场所，具有展示、体验、操作等功能。例如：在语音合成领域已有丰富经验的科大讯飞、建立了领先全球的深度学习平台的商汤科技、依托清华大学优质教育资源的北京清创未来教育公司等企业，纷纷与北京、上海、广州、深圳等城市的中小学合作，设计符合各自学校特点的课程体系和建立相应的人工智能实验室。

利用人工智能实验室，可以让学生通过体验无人驾驶技术、人机对话等，切实体会到人工智能给日常生活带来的便利，有利于学生主动接受并探究这项未来先进的技术；配备专门设计的深度学习算法平台，有利于学生通过编程将自己的想法落实到技术中，强化学生的计算思维和动手操作能力；通过捕捉学生的课堂行为、记录学生的学习数据等，智能化地分析学生本次课程的课堂表现，协助教师进行个性化教学和多元化评价，在减轻教师负担的同时也能更科学地培养人工智能人才。这只是笔者通过阅读资料和研究而提出的美好设想，具体实施的步骤、需要的方法技术等不仅需要通过不断实践和解决过程中遇到的难题来探索，还需要广大的研究者和实践者对该领域进行细致研究。

同时，由于资金、技术等原因，不少学校的人工智能课程是在学校原有的、没有经过人工智能相关改造的计算机机房中进行。

4 中小学人工智能教育模式的反思

目前，中小学人工智能课程效果并不理想，除了众所周知的师资不足的问题外，还存在许多其他问题。

4.1 目前中小学人工智能课程的教学目标缺乏统一的参考体系

确定教学目标是教学设计与开展的前提。除了在2017 年修订的高中信息技术课程标准明确了人工智能模块的教学目标，小学和初中到目前为止都没有统一的标准，导致课程的设计者和开发者无法根据标准来开展教学活动，出现各个学校、学者、企业对于教学目标的说法不一、开设的人工智能课程五花八门等问题，有些注重的是基础知识的习得，有些则更注重过程的体验。尽管校本课程是本校教学研究者结合校园实际情况开展的课程，但其目的是为满足学生的需求而对课程进行优化，仍然是以国家和地方课程为前提的，而将专家学者提出的教学目标直接应用于人工智能课程的教学设计中是否合适，还有待商榷。

4.2 对人工智能课程的概念界定不清

1）教材选择的多样性，使人工智能校本课程的教学内容呈现百花齐放的特点，但是教学内容的设计需要结合学生的需求、社会的发展等因素，有些教育工作者将人工智能技术等同于程序设计；还有些学校对人工智能不了解，开展的人工智能课程只是以人工智能冠名的信息技术课程、STEAM 课程、机器人课程、创客等，其教学内容与人工智能技术的联系不大。

2）人工智能领域范围较广，有些学校不考虑学生的知识水平，直接将高校开展的人工智能专业课程中的相关教学内容照搬到基础阶段的人工智能课程中。

3）有些学校的人工智能课程的教学内容一直未革新，而随着人工智能技术的不断发展，某些领域的应用已经不断发生变化。2003 年，人工智能作为选修模块第一次加入高中信息技术课程标准；到2008 年，各学者对高中人工智能课程的研究达到一个小高潮，就有学校陆续开设此课程。现在的人工智能技术与十几年前的技术相比，俨然已有很大的不同，但是有些人工智能课程仍选取老旧的、过时的教学内容进行授课，与时代发展脱节。

4.3 教学方法存在相应问题

有些教师在教学中采用以讲授为主的教学方法，对人工智能技术的原理进行讲解。然而，人工智能的一些关键技术（如深度学习算法等）是比较晦涩难懂的，需要具备一定的知识基础和探究能力，仅靠讲授的方式会导致课堂枯燥无味，学生缺乏学习兴趣，听不懂成为教学中的最大问题。有些教师过于注重人工智能技术的体验，整堂课下来，对涉及的人工智能技术的方法、原理缺少讲解。尽管课堂氛围是活泼开放的，学生也有一定的学习积极性，但是学生无法了解人工智能的思想，也就无法培养发现问题、解决问题的能力，抑制了计算思维等。

所以，教学内容应当怎样选取并整合？如何采用恰当的教学方法，将晦涩、高深的人工智能技术传授给中小学生？个性化的教学方案如何设计并实施？等等，这些问题还需要进一步探究，从长计议。

4.4 人工智能课程缺乏针对性、多元化的教学评价

这个问题本质上是与教学目标缺乏统一的参考体系是一致的。由于人工智能课程的特殊性，传统的以测验为主的形成性评价和总结性评价是否适用于该课程，教师应该使用怎样的评价手段，教学环节的哪个步骤有利于实施教学评价，对教师教学工作的评价应该从什么维度出发，学生的学习效果应该达到什么程度，什么工具可以辅助教学评价，等等，都是需要认真思考与交流，精心设计与安排，不断实践、反思、修改，最后逐步完善的。

4.5 教学环境、工具与课程不匹配

出现这种现象，有下面一些原因。

1）学校没有充足的资金建设人工智能实验室。人工智能技术不管在国内还是国外，都处于探索阶段，无法实现全民普及。

2）部分学校不重视人工智能课程，这种态度对相关环境和工具的配备造成极大的阻碍。

3）学校缺乏相关领域的实验员和器材管理员。市面上有各种各样冠以人工智能名号的装备，这些装备是否符合学校的条件，是否能辅助学生学习人工智能，都需要相关领域的实验员进行选购和配备。同时，教学装备长时间使用，需要专业人员进行保养和维修，否则会造成资源浪费。这些因素都导致学校认为配备实验室和器材的性价比不高。

总之，人工智能课程未来如何发展并走向成熟，还需要广大一线教师、学者将顶层设计与具体实践相结合，这将会是一个漫长的过程。