中小学人工智能课程建设方法与实施路径

王晓强，丁锦宏

(南通大学教育科学学院，江苏 南通 226019)

0 引言

2017年国务院发布的《新一代人工智能发展规划》中提到：“在我国中小学阶段设置人工智能相关课程。”《普通高中信息技术课程标准（2017 年版）》将《人工智能初步》作为选择性必修课程列入其中。各地中小学在国家和教育部各种政策的鼓励下，纷纷开始探索人工智能教育，建设人工智能课程。

本文以江苏省南通中学附属实验学校建设的人工智能课程为例，借鉴其做法，从普适性角度对我国中小学课程建设提出具体举措，以启发学生对人工智能技术的兴趣，为之后相关领域的学习和研究打下基础。

1 人工智能课程存在问题分析

首先，人工智能课程目标模糊。人工智能本身知识覆盖面广，具有多学科交叉、综合性强等特点，特别是很多子领域如深度学习、卷积神经网络等仍然处于快速发展和创新阶段。即便是高等教育阶段，人工智能专业的设立和课程体系建设仍然处于发展初期。国家也并没有制定引领性、规范性政策，缺少专门的人工智能课程标准。中小学阶段人工智能的课程目标至今仍然没有厘清。

其次，人工智能课程内容杂乱。在小学和初中阶段，人工智能课程大多是校本课程，学段与学段之间课程的连贯性不足，各学校间的课程内容大相径庭，缺乏整体性的课程体系设计与系统性的教学资源建设。很多中小学在人工智能教育实践过程中，很容易将人工智能教育等同于创客教育、编程教育或是机器人教育，学生在学习过程中很容易将人工智能局限在某些领域，造成人工智能课程窄化，不利于学生之后对人工智能的学习和认知。

最后，人工智能课程师资薄弱。我国中小学人工智能相关内容的教学工作大多由信息技术教师来承担，很多教师的知识理论储备和计算机操作技能距离专业水平还有不小的差距。柏宏权等对中小学人工智能教师胜任力状况进行调查，发现中小学人工智能课程教师胜任力整体水平一般，人工智能专业知识和能力还有很大的提升空间。同时中小学的人工智能课程缺乏相关可参考可实践的教学案例，教师在课堂实践中缺乏必要指导。

2 人工智能课程落地具体实践

人工智能课程建设面临诸多问题，但是也有不少学校在实践中取得良好效果。接下来将从课程目标、课程内容和课程评价三个方面阐述南通中学附属实验中学在人工智能课程建设中的具体实践。

2.1 课程目标

课程目标的确立是校本课程开发的出发点，根据泰勒课程与教学的基本原理，学校设立课程目标从学生、文化和社会三个维度进行考量。首先是学生维度，学生是课程目标的中心维度，课程目标需要立足学生的现实状况和未来发展。其次是文化维度，人工智能的文化和思想需要浸润到学生生活的各方面。最后是社会维度，教授学生应对未来社会的技能是学校的责任，在校本课程中要指导学生做好应对未来的人工智能社会的准备。

学校对不同阶段人工智能课程目标进行了梳理和界定。三年三个阶段，构成一个整体校本课程。①初一阶段，课程设置以体验为主，重在感知，让学生对人工智能有所接触、了解和体验，感知人工智能的无处不在；②初二阶段，课程设置以发现为主，重在认知，了解人工智能基础与伦理，掌握一到两种编程语言，会用图形化编程工具进行综合编程，通过实践，理解人工智能原理，进行简单的创造；③初三阶段，人工智能课程的设置以探究为主，重在创造，深入学习人工智能原理与方法，通过编程教育和机器人教育，实现跨学科的实践操作，能完成较为复杂的作品设计制作。通过三年时间的教学与指导，学生能客观认识人工智能技术发展对社会生活的影响，既能形成积极、安全使用人工智能技术的观念，又要对人工智能技术的应用带来的社会伦理、安全等方面的挑战具有清晰的认识，形成较强的安全防护意识和责任感。这样校本课程就把人，文化，社会三者都结合起来，学生的培养，文化的传递，社会的发展构成三方共同体。

2.2 课程内容

首先是课程内容的组织。在课程内容的组织上，既要关注人工智能最前沿的发展，又要立足学生知识与技能的实际，注重构建面向全体的普及性课程、面向群体的发展性课程和面向个体的荣誉性课程，给各级各类学生提供丰富的选择。学校基于初中学生的特点，围绕人工智能的主要技术和初中学生的基础信息技术知识，借助区域优势，制定了富有特色的基地课程。学校设计了三个课程模块，人工智能通识课程包括人工智能的发展历程，人工智能与现代生活等；人工智能进阶课程包括程序设计基础（Python），无人机原理、机器人装配与控制等；人工智能综合课程包含以语音识别为基础的英语口语测评系统，以自然语言处理为基础的文档分类方案设计等。三个课程模块层层推进，满足学生知识学习与实践创新。

其次是课程具体实施。陈凯泉等认为人工智能教学应深度融入综合实践类活动，且应将探究式教学当做教学中的主要策略。学校为学生精心设计了许多项目式学习。初一新生进入校园后，学校安排学生探寻校园内的人工智能应用场景，如人脸识别，语音开门等。学生能体验到人工智能技术在校园内的应用，激发对人工智能的兴趣，以此来构建全域校园环境课程。学生对人工智能有一定的感知和直观了解后，学校借助于语音识别、图像识别、自然语言处理等现实生活中最常见的人工智能场景，帮助学生走进人工智能世界。

初二学生经过一年的基础知识学习后，开始接触编程基础知识，了解顺序、选择、循环三大基本结构，通过图形化界面编程，实现简易且丰富的人工智能技术应用。同时，学校还在初二开设“人工智能+”学科的特色VR 课程，如生物课利用VR 设备，进入三维虚拟世界观察人体结构，物理课利用VR 设备探究速度原理的实验，体验人工智能技术的应用，促进学生多学科核心素养的发展。

人工智能是一门理论性和实践性都很强的课程，初三学生需要综合利用所学知识解决实际问题。如机器人特殊舞蹈和格斗动作设计，无人机特定方式飞行等。以任务驱动的方式，鼓励学生勇于打破常规的思维，创造性完成实验，让学生了解人工智能技术的魅力，感受人工智能为生活带来的快捷和便利，激发学生自主学习和探索的兴趣，让学生充分展示个人的智慧才华和团队的创新能力。学校力求通过三年的人工智能课程学习，培养学生信息意识、计算思维，以及数字化学习与创新能力，试图解决现有人工智能课程窄化的问题，力求给学生展现人工智能的全貌。

然后是教师培育。教师队伍建设是核心工程。学校成立了由教科室、学科教师以及校外专家组成的“人工智能课程建设领导小组”，定期举办相关教育教学研讨会、“人工智能+学科”教学研讨课，积极研究如何将人工智能与学科教学有效结合，具体举措：①教师以学科为单位，每学期对外进行公开课，从教学主题、教学手段、教学过程、学习成果体现人工智能+教学创新；②学校层面规划特色课程，形成涵盖初中各学科的“人工智能+”项目化学习系列，构建特色校本课程；③邀请人工智能技术人员、教学专家来学校讲学，从技术培训、课程开发、项目化教学设计等方面对全体教师进行专业引领；④学校还充分利用当地资源，积极与南通城市博物馆、南通虚拟体验馆、南通科技城联合打造校外实践基地，构建了校外科技活动场所与学校拓展课程相衔接的有效机制；与南通中学课程共建、资源共享、教师交流，实现初高中教学与课程衔接。

最后是设备保障。学校人工智能教育项目设计了两类特色学习环境。一是人工智能学习中心，包括机器人实验室、人工智能研究室、人工智能+学科教学研究室。学习中心给学生提供体验创新创造和动手实践的机会，为学有余力的学生进一步深入学习搭建发展平台，充分满足师生的探究需求。二是环幕展示厅，内容覆盖了人工智能文化、学科知识模型和学生成果展示。展示厅是为营造人工智能技术氛围，凸显人工智能的教学价值和人文关怀。

2.3 课程评价

课程评价是对课程开发及实施中的各个环节、总体成效等依据不同标准进行多种形式价值判断的系列活动。学校校本课程评价的内容指标可以从主体、过程和结果三个层面进行全面评价。学校设立如下指标如表1、表2 和表3所示。

表1 人工智能课程评价主体层面内容指标

表2 人工智能课程评价过程层面内容指标

表3 人工智能课程评价结果层面内容指标

学校自办学以来，努力打造学校特色，积极推进人工智能课程在学校落地，人工智能教育成果斐然，如江苏省青少年“云科创”线上科技活动、江苏省青少年“虚拟世界创意编程”活动、江苏省青少年科技模型大赛Robojoy 项目，南通市青少年电子信息智能创新大赛无人机C 语言编程赛、南通市“领航杯”无人机任务赛，南通市青少年人工智能创新大赛等比赛中，共有127人次获奖。同时，学校还积极承办各种机器人、无人机、人工智能竞赛。学校建构“普及教育——社团培养——竞赛提高”的三级体系，这三条主线并行发展，满足不同层次学生的需求，全面覆盖科普入门、爱好兴趣、能力提高三个方面。学校推进学生社团活动，每年10 月举办为期一周的科技节，让学生充分展示个人的智慧才华和团队的创新能力。学校成立的社团包括无人机社团、机器人社团、程序设计社团，每个社团都有专业指导老师，并聘请南通大学教授为校外指导专家，开设专门的社团特色课，如无人机社团就有无人机绕任务杆竞赛。

教师队伍建设也颇具规模，学校信息技术学科教师获南通市青少年人工智能创新大赛优秀指导老师，学校获得南通市首届青少年电子信息智能创新大赛优秀组织奖，多位教师围绕智慧课堂发表国家级省级论文五十多篇，还有多位教师参加南通市信息化应用大赛并获奖。

3 结束语

教育是人类应对人工智能挑战的根本力量，中小学阶段科学、合理地设计和开展人工智能课程，不仅帮助学生未来应对人工智能时代的挑战，也是国家未来发展的必然需求。本文首先分析我国人工智能教育在中小学阶段面临的问题，如课程定位模糊，课程内容杂乱，教师师资薄弱。然后从课程目标、课程内容和课程评价三个方面阐述了学校人工智能课程建设的具体实践，显著提高了学校人工智能课程办学水准。然而，在课程建设过程中如何更好地利用人工智能技术服务教师和学生，学生在实际学习过程中的满意度情况究竟如何，这些都需要进一步深入重点研究。