推行人工智能教育，促进青少年实践创新
福建师范大学附属小学 冯彦
2017 年 7 月，国务院印发的《新一代人工智能发展规划》明确指出人工智能成为国际竞争的新焦点和经济发展的新引擎，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。2018年7月，福建省教育厅下发《关于义务教育阶段学校开展人工智能教育试点工作有关事项的通知》，提出推动义务教育学校开展人工智能科普教育，通过组织有条件的义务教育阶段学校，先期探索加强人工智能教育的途径和方法。福建师范大学附属小学成为三所省级试点小学之一。一年多来，我校努力探寻人工智能科普教育的方向，从培育人工智能教育的生态、分年级开设试点课程等方面开展工作，探索如何通过这一全新的课程领域来促进青少年的实践创新。
一、认识人工智能教育，探寻前行方向
1.人工智能教育因创新赋能而优越
人工智能教育先天的前沿特征，是由“人工智能”这一不断追求创新的技术革新理念带来的。首先，作为学习的本体，人工智能具有先进的思想方法。教会学生以人工智能的思维方式看待并解决问题，有利于培养创新人才。其次，人工智能以编程基础和算法思想为核心。随着人工智能教育的普及，“编程”或将成为青少年的第三语言，乃至世界公民的通用语言。因而，人工智能教育也成为青少年与未来接轨的必需。再次，人工智能与传统计算科学不同的是，它不仅仅具有技术，还包含着“人性”。在学习人工智能的过程中，人机协同等伦理认知与教育，为学生适应科技社会打下基础。
2.人工智能教育应搭载开放自主的学习方式
现阶段，小学普及人工智能教育的课程载体主要有信息技术课程、科学课程、STEAM课程、创客课程等。
人工智能技术的发展基于既有成果又不断创新飞越，因此普及人工智能教育的最大挑战是如何面对迅猛而来的新知识。其所涉及的学科知识、学科能力、学科思维，是那样广阔无穷——没有做不到，只有想不到，因而需要搭载更加开放自主的学习方式，使学生不仅是感受者，也是实践者，不仅是学习者，也是创造者。STEAM教育、项目式学习、知识建构理论等教育理论和学习形式，为人工智能教育的普及提供了可能的方向。
3.人工智能教育在小学阶段应指向基本素养
在小学开展人工智能教育的目的是什么？是培养程序员还是机器人专家？资深创客教师程晨认为，大学的目标应该是培养出合格的、能够设计优化相应学习算法的高科技人才，而在小学和初中要让学生了解什么是人工智能，体验人工智能在生活中的应用。秦建军等人则撰文直接指出思维素养是中小学人工智能教育的核心。
由此，我们认为，编程是人工智能发展的基础，但是编程不能成为普及人工智能教育的全部。我们应借由人工智能教育平台，从小学生的认知特点出发，通过软硬件的学习，让学生动手动脑，培养他们探究的兴趣、实践的能力和创新的精神——“素养”是核心。也就是说，教什么课并不是最重要的，重要的是以什么形式撬动学生的实践创新。
二、培育良好的系统生态，构建校本课程框架
现阶段人工智能教育的普及性、综合性决定了其不能只是一门课程，而是一类课程；不只以学科形式存在，而是以多种形态存在于一个系统中。因而，培育良好的课程系统生态，是普及人工智能教育的关键。
其一，树立课程的基本理念。我校树立大课程观，将人工智能课程融入学校的“智慧——生长”生态型课程体系，从普惠性和拓展性两个维度开发、实施人工智能教育的校本课程。以“数学与科学”领域的国家课程为基石，连结多学科，引入知识建构、STAEM教育、项目化学习等先进理念与学习方式，校内外携手，试点先行，逐步推进。
其二，制定课程的总体目标。人工智能教育边界广、发展快，在开发校本课程的过程中，难以明确具体的知识目标、能力层次，我们选择从“发展”的角度制定学校课程的总体目标——
认知：通过对人工智能技术的体验、感知、讨论等方式，了解人工智能的基本特质和应用场景。
理解：在认知的基础上，通过学习程序设计，提高计算思维，理解程序工作流程，从认知产品到设计程序，对人工智能技术、特征有进一步的理解和学习。
实践：在理解程序思维和算法的基础上，结合生活化场景，通过动手实践，制作智能化产品，加深对人工智能应用的认识，实现对简单人工智能技术的应用。
提高：在基础实践课程的基础上，通过学习人工智能核心算法，具备初步分析问题、解决问题的能力，培养创新思维。
其三，综合规划课程的框架。在我校的“智慧——生长”生态型课程体系中，每个领域的课程都是由国家课程、兴趣课程、特长课程、跨学科主题学习四个层级的课程序列构成，人工智能课程的构建亦是如此。
（1）夯实国家课程，通过数学、科学、信息等学科，学习基本知识、训练逻辑思维、掌握基本技能，使学生具备接受人工智能教育的基本素养。
（2）开展科普教育，通过举办讲座、展览，组织参观、研学等形式，拉近师生与人工智能的距离，激发学习兴趣。
（3）开设实验班，分别在二年级、三~四年级、五~六年级各开设一个试点班级，每周学习一次，每次50----70分钟。在开设兴趣类实验课程的同时，我们深入分析国家与地方课程教材，寻找数学、科学、信息学科教学与机器人、无人机等创客教育的连接点，为开发人工智能普惠课程做准备。
总体而言，构建人工智能教育我们力求做到三个融合：教学与活动互补、课内与课外结合、普惠教育与发展特长共进。
三、多方协同，优化课程资源
目前，人工智能教育还处在发展初期，不仅是校内缺乏师资和课程，校外的团体、机构也处在转型期。培育本校师资，同时引入外部资源——校内外联合，是帮助现阶段人工智能教育走出困境的一条必经之路。
1.内部整合，丰富体验性课程
我们充分利用本校教师力量，加快复合型师资的培养步伐。将科学和信息两个学科教研组合并为“科技组”，大力支持科技教师参加培训，拓宽他们的学术研究范围，促进相关教师迈入新领域，为普及人工智能教育汇聚师资力量。同时，我们还融合多学科，扩大传统科普教育的半径。以每年定期举办的科艺节为例，围绕既定主题，科技教师开设“科技之声”广播栏目进行专项科普，语文教师推荐科普读物，美术教师启发学生大胆想象、设计未来，各班主任则带领学生编排科艺小节目，演绎科技的奇妙……几乎所有学科都能找到与人工智能教育的交集，科普教育不再单一。
2.“软硬”兼施，尝试自主开发校本课程
国内大多中小学开展人工智能教育的基础是机器人教育、创客教育。北京市海淀区回顾二十年来开展中小学信息技术课程，发现程序设计的算法基础、创客和机器人的硬件功能实现基础、应用软件的解决问题基础，是开展人工智能教育的基础。湖北省武汉市江岸区尝试将已经开展了二十年的校外机器人教育引入校园，变精英教育为普惠教育。
借鉴先进地区的成功经验，我校与福建省机器人科教协会合作，购买其自主研发的“裤兜机器人”硬件，将购得的配套资源包进行改进，并在这个基础上尝试开发校本课程。
“裤兜机器人”套装由一块儿童拼图式编程学习板、一辆童趣智能小车、一张任务地图和一套图形化程序指令构成。在正确编程后，“裤兜”机器人小车便能根据指令在地图上行走，到达指定地点，例如电影院、医院等。学生按照逻辑思维的架构，从简单逻辑开始形成编程的思维习惯。我们购买的课程资源虽然成体系，但是落实到学校教学中，仍存在单课容量大、知识点之间跳跃性强、巩固与拓展练习少等不足。科技组教师结合二年级学生知识基础和学习特点，将原有的课程资源进行拆分、补充、整合，使之符合授课的进度和学生发展的需求。
例如，《裤兜学“坐标”》这一课。原课程设定一次课完成，但是二年级学生还不认识坐标，更无从教“裤兜”怎么做。因此，我们把这次课改造为一个小单元，分解为“裤兜看电影”“裤兜逛校园”“裤兜出门行”三节课，一步一步让学生了解坐标的含义、学习在图纸上用坐标标识具体方位、指挥“裤兜”到达指定坐标。
程序基础语言的学习目标，是通过设置情境，以任务驱动的形式来实现的。对小学生而言，适宜的情境能增强学习的真实感，使他们自觉主动地去分析问题、解决问题。在某种意义上也可以说，情境即任务。基于此，我们优化了该课程的学习情境：
一是创设物理情境，改普通的的街区图为校园平面图。一方面，校园是学生熟悉的环境，有利于低年级学生分析任务、探究实践；另一方面，熟悉的校园里有多彩的生活，简单之中又含有一定的多样性，有利于教师设计丰富的、进阶型的学习任务。
二是植入德育元素，创设人文情境，植入学校的德育理念“做静雅文明有礼的附小人”，让学生帮助“裤兜”学习文明行为，令小车会行动、有美德、更智慧，渗透人工智能的伦理教育。如《裤兜学静雅》，是一堂入门课，这次课的目标是使学生学习“前进一格、后退一格、左转一次、右转一次”以及“重复”等基础指令，认识程序基本语言。课上，教师引入校园日常，设计了“将摔伤的同学从操场送往医务室”“引领校门口的客人到中操场参观”等小任务，让学生在实践中探究如何使用指令、优化程序。在学生熟悉相关指令语言与编程方法之后，又让学生创编新任务，在模仿和创新中，发展学生的顺序逻辑、算法思维。
经过一个多学期的努力，目前该系列课程有“认识计算机基本语言”“初识算法”“认识与使用机械臂”“学习使用超声波躲避障碍物”等内容，旨在通过一系列的探究性学习，使学生感受人工智能技术，了解传感器相关知识、学习和使用图形化指令，培养解决问题的能力和创新思维。
3.携手高校，促进科研成果落地
开发与实施人工智能校本课程，离不开高校科研力量的支撑。我校发挥附属学校的资源优势，邀请福建师范大学教育技术专业的师生深入教学一线开展实践研究，面向中年级学生开设“和小麦一起学编程”实验班。实验团队以高校师生为主、本校教师为辅，每周授课一次，每次70分钟。
每一次的课程，都由1名高校教师主讲，同时还有助教、观察记录员、拍摄员等13位大学生协作配合。团队遵循“调研——设计——实授——反思——改进”程序，开展全过程、精细化的研究，开发出一套基于Microbit微型电脑板，情景式的、立体的、多维的系列课程，有力地促进了人工智能教育在校园落地生根。
（1）整体设计，促进多学科深度融合
“小麦系列课程”综合“创新核心素养、跨学科知识融合、创造实践技能”三大要素进行设计，旨在通过整合多学科知识内容，训练学生多种创造技能。在遴选具体课程内容方面，我们注意横向比对多门课程的课标和教材，如：科学、音乐、艺术、数学，筛选出适合整合的知识点，通过项目或任务的方式进行串接。课程力求实现三大融合：跨学科知识融合STEAM，五大创客技能融合（设计/软件/电子/机械/表达），器材、产品、工具融合（平台/器材/产品）。例如，《小麦动画片》一课的目标是理解动画原理、能利用多张静止画面制作简短动画，涉及的学科领域包含了艺术、工程、数学与科学。
课程授课均基于项目式的学习模式，以项目输出的方式体现学习成果，强调成员之间的协作、沟通与分享。例如，《小麦减肥季》的学习任务是，设计计步器，监督小麦锻炼来帮助它减肥。学生从发现问题开始，独立思考，小组合作制定计划、画图纸，选择合适的材料，制作并测试，最后分享成果和心得。在完成项目的过程中，学生认识了变量，并学习利用变量、按键及显示数字，使作品具有了计步功能。
（2）精细架构，使课程资源包规范、饱满
将高校的科研成果转化为小学一线教学资源，需要精细化架构，规范每一次的学习流程。一次完整的“小麦课”教案的设计需要遵循“六六法则”——六大教案板块：学习主题、学习目标、重难点、课前准备、计划用时、教学步骤；六个具体步骤：复习导入、新课教学、探究练习、拓展延伸、课堂小结、实战总结。以《防盗宝箱》为例，仅“课前准备”就包含了：教学课件、电子器件、手工物料、实物案例四项内容。在这样的框架下，每一节课的教案都切实可用，成为教师授课的明确指南。
“小麦班”的授课团队还非常注意为孩子们提供学习支架，制作生动的微课讲解基础知识、设计具体明晰的任务卡等。这些学习的脚手架化难为易，使学生的探究活动有“迹”可循。如《小麦的放映室》一课中，任务卡要求孩子明确自己的“探究主题”、提出“我的想法”、罗列“遇到的困难”，考虑“解决办法”，进而画出“我的设计图”。
3.不断迭代更新，形成系列校本课程
除了目前开设的中年级实验班，“小麦”课程整体规划为四个阶段的课程，包括编程入门课程、基础电路课程、创意制作课程、综合应用课程，覆盖三年级至六年级四个年段，体现从基础到综合，从入门到提高，阶梯式、螺旋上升的课程架构。在课程衔接上，我们充分考虑与低年级的硬件编程、高年级的算法编程相呼应，但又不仅仅强调编程，更关注其应用于现实问题的解决。因此，课程并不是静止的、封闭的，而是开放性的，具有生长态和延展性。它可以通过新的案例的植入和学生实践中的拓展，令课程具有生命力，不断迭代更新。
四、思考与行远
开展人工智能教育，从内部看，对学校课程、学生素养、教师成长三方有益；从外部看，促进了研、学一体化。如何使人工智能教育行稳致远，结合现状谈几点思考：
一是人工智能教育需要顶层设计。以课程视角审视，目前人工智能教育还缺乏国家层面的课程标准、课程规划和课程评价。小学阶段学科知识和人工智能教育直接相关的内容最少，需要扩展更多的内容，因而各校开设的课程各不相同。没有准确的定位和明确的课时规划，“自寻出路”也意味着走弯路，“委身他人”就会失去主体地位，缺乏评价指标可能出现“自由散漫”。现阶段人工智能教育大热的直接原因是人工智能领域出现了新技术，在热潮退却后如何保证课程稳步发展，需要专业的顶层设计。
二是人工智能教育需要普惠课程。在试行的一年中，我校开设了低、中、高三个实验班。实验班通过学生报名、学校筛选的方式组建。在学习的过程中，尽管学生都有浓厚的学习兴趣，但是随着知识难度的增加，有一部分学生进度变缓。这一方面警醒我们在制定教学目标、选择学习内容时要更加严谨，另一方面也说明人工智能教育应当是精英与普惠并存的。作为兜底的基础教育，小学阶段更要以普惠教育为主，竞赛、特长类课程开发为辅。
三是人工智能教育需要师资保证。开展人工智能教育的制高点是师资。师资的不足既有人数少的原因，也有教师自身专业发展滞后的问题。硬件的更新层出不穷，人力的培育则需要时间。为了保证人工智能教育的顺利开展，一方面应当为教师培训提供大量的机会，快速推动教师专业升级；另一方面要制定政策支持学校购买服务，引入社会资源来盘活课程。
