小学人工智能教育课程校本化建构与实施五年探索
[摘? ?要]基于人工智能课程配套昂贵、门槛较高、不利于普及化实施的情况，研究者结合苏州市吴江区鲈乡实验小学的实践探索及校本教材《AI机器人创意搭建与mBlock5慧编程》中的课例，阐明如何建构与实施项目化、趣味化、普及化的普惠型AI教育课程，并提出了当前的人工智能教育尚需解决的问题。
[关键词]人工智能;校本课程;项目化;趣味化;普及化
人工智能带来的商业变革已经拉开序幕，从语音助手到无人驾驶，从面部识别到智能家居，正在潜移默化地影响着人们生活的各个方面。人工智能在被赋予了商业属性后，其发展速度更加突飞猛进。让青少年做好迎接人工智能时代的准备，显然已成为当务之急。如果学校的课程教育还在墨守成规，那么所培养的学生将无法适应未来的变化。基础教育阶段急需能够唤醒学生的好奇心、提供前沿科技鲜活体验、拓展学生视野、使学生获得发现喜悦的人工智能创新课程。
一、开展人工智能课程的背景
1.国内外的人工智能教育
人工智能（Artificial Intelligence，简称AI）技术是计算机科学的一个分支。英国是较早设立人工智能基础教育课程的国家之一，于2013年发布了国家计算机课程标准并使编程进入了学校必修课。2016年，在美国的全民学编程周（Hour of Code Week），时任美国总统的奥巴马亲自编写了一段Java代码并宣称要让每个孩子在小学就具备简单的编程能力。日本从2016年开始探讨并深入展开人工智能以及编程教育，并将小学人工智能教育的目标定位于：帮助所有儿童建立这个时代需要的“人工智能思维”。
在中国，国务院于2017年印发的《新一代人工智能发展规划》中明确指出：在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育。国家科技部、中央电教馆等也相继启动了人工智能教育实验学校的申报评审工作。山东、河南等省份都出台了关于推进中小学人工智能教育的政策文件，成立了人工智能教育领导小组，并开始建设人工智能教育试点校。《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》明确提出，将“人工智能初步”列入“选择性必修模块四”。目前，国内针对基础教育阶段的人工智能课程已有十几个版本。一些公司也相继开发并推出了一些人工智能课程，然而它们大多捆绑了一些昂贵的课程配套，设置了较高的资金门槛，不利于普及化实施。针对上述情况，笔者所在学校在实践中研究开发了人工智能教育校本课程，并在近五年的实施中取得了初步成效。
2.人工智能校本课程的五年探索
2020年5月，历经多年实验研究所构建的校本化教材《AI机器人创意搭建与mBlock5慧编程》由人民邮电出版社正式出版发行（见图1）。期间经历了课程规划、社团实施、反复迭代、优化出版、全面实施等诸多环节，虽然过程十分曲折，但该课程事实上已成为广受学生欢迎和家长认可的校本课程。研究者将人工智能课程穿插在六年级的信息技术课堂上，面向所有六年級学生普及实施。参加过一些人工智能课，亲身体验了AI的神奇魅力之后，许多学生纷纷询问：这样的课还有多少？
二、人工智能校本课程的构建与实施
1.课程配套定位于普惠性，以利推广实施
针对一些人工智能教材动辄几十万的资金配套高门槛，AI课程的建构首先应基于普惠性原则，选择性价比较高的开源硬件，结合其提供的AI模块控件编写程序以实现创意。普班化教学以25套器材（2人一套）计算，总投入不超过5万元。由于硬件开源，因此如果学校有类似的STEM课程配套开源硬件，也可以部分替代，这样就大幅度减少了资金投入。另外，普班化在持续实施的过程中难免还会有器材耗损方面的投入，而开源硬件的使用亦可大幅减少后续资金的追加。
在大幅降低资金障碍的同时，要避免陷入类似兴趣小组或科技小组等形式的“小众教育”，积极探索建构基于课程的普惠性AI教育形态。如在课程中既有初级难度的平台互动体验篇及机器学习编程篇，也有中级水平的语音图像智辨篇和颜色障碍慧识篇，还有跟学校AI社团配套的AI智慧编程进阶篇。对于普惠性的解读，不能简单地理解成仅仅是普班化教学，既不能将AI教育仅仅定位于社团小组，亦不可仅注重普班化教学实施而忽略社团小组的分层培养作用。普班化教学实施的刚性措施是将AI课程列入学校课程表，五年级的STEM创新社团、六年级的STEM精英社团是人工智能教育因材施教的重要体现。事实上，在AI课程的普班化教学实施过程中，这些社团成员也将作为“小老师”，成为教学支持系统的重要组成部分。
2.内容建构注重真实体验，便于学生融入
现有的一些人工智能课程存在盲目拔高的现象，将一些如“卷积网络”“贝叶斯模型”等专业术语及高数公式推演充斥其中，硬件层面很少涉及，很少有学生能亲自操作体验的项目案例，或是仅将网上可以搜索到的一些信息资源简单重组，完成的仅是从线上到线下的简单搬运过程。按照新课标要求，人工智能课程在形式上要多样化，指向研究性、项目式、探索式活动等，要让学生在案例实践中发现问题、解决问题，从而提升其人工智能素养。上述课程显然存在不同程度的目标背离。
为了尽量做到内容“浅而准”，案例要既有实操性，又与学生现有的知识技能水平相匹配。在该课程的28个课例中，每节课都有操作任务，学生将在程序编写乃至外围硬件的融合运用中经历反复失败直至成功的体验，在迭代演进过程中模拟科学家探索未知领域的心路旅程。以“智能辨色分拣机器人”为例，首先介绍物流行业的智能分拣系统，然后提出“制作一个能自动辨色分拣的机器人”的任务（见图2）。这就需要学生熟悉颜色传感器的性能参数，要设计分拣装置的机械传动系统，并用3D建模打印进行原型再现及调试，最后还要编程实现自动化实施。期间的每个子任务的目标达成都需要反复确认，逐步靠近设计目标。基于真实生活情境的问题使学生沉浸其中，有效激发了学生的好奇心及想象力。
3.结构维度指向多元，展现AI技术前沿风采
人工智能是一个综合性交叉领域，在某种程度上已经超出了信息科学原有的边界。如阿里巴巴与腾讯都推出了智能试衣间，以及文化产业方面的写稿机器人、作诗机器人，再到音乐创作者、旅游介绍员等;海尔欧洲工厂已实现了生产车间黑灯化，即全程无人操作;蚂蚁信服正在逐步开展AI信贷业务。AI应用正在深入人们工作和生活的各个方面。但是一些公司站位的人工智能课程跟以往的机器人课程类似，存在硬件壁垒，软硬件方面均有排他性，兼容性差且价格较高。因此，普及型人工智能课程需要更多开源、更多兼容、更具普惠性。
人工智能校本课程更多地指向了学生素养的提升。例如，为了让学生全方位体验并领略AI技术的前沿风采，以手机中的人工智能APP为起点，从“听歌识曲”“智能规划”“形色识花”等已成為生活一部分的智能应用开始，让学生走近百度、腾讯等人工智能平台并初步进行尝试体验，鼓励学生在IBM沃森人工智能平台注册，基于项目训练机器学习并在其熟悉的Scratch中调用机器学习控件编制识别游戏程序，另外还利用mBlock5慧编程机器学习模块，软硬件结合完成了“智分垃圾箱”“智行拉杆箱”等人工智能项目（见图3、图4）。
硬件壁垒的破除与软件平台的跨越，让课程创意策划可以天马行空地不受局限。例如“智伴蓝精灵”运用了MXPVT-VBS7100嵌入式物联网音频产品工程板，其中一些继电器、LED、舵机、光环板等来自五家以上不同公司，而最终在慧编程智能程序的调控下模仿小米音箱，还巧妙地实现了创意互动及智能问答功能。
4.项目注重趣味引领，跨学科融合培养高阶思维
人工智能本身具有深度融合性、高度交叉性和极度复杂性，其兼具技术属性和社会属性的特点，决定了多学科交叉融合的特征。对学生而言，抽象的人工智能算法的相关知识比较枯燥，合理的与实际问题相链接的项目化活动则有利于激发学生的好奇心与参与热情，使探索变得更为主动而有源动力。但是现有的人工智能教材在硬件层面较少涉及，重点均瞄准技术实现的算法设计，整个逻辑过程缺少全流程的展现。
为了避免让学生陷入“唯算法”的枯燥烧脑模式，需要把高深的数学公式转化为形象化的语言，让学生在人工智能的项目化实境中领悟人工智能的基本思路，达到启发思维、培养兴趣之目的。为此，教师们开发了一些需要跨学科融合来解决问题的看似“高大上”的项目：“智能义掌”预设的情境是给上肢残疾人士安装可以语音控制的“义肢”（见图5）;“神工一号”是天津大学研制的全球首台适用于全肢体中风康复的“纯意念控制”人工神经机器人系统，它能够真正实现大脑皮层与肌肉活动的同步耦合，做到身随意动、思行合一。在学生观看了相关视频资料后，教师再将“降维”处理的“智能语音义掌”项目任务布置给学生。学生需要将其分解成手关节的组成以及运动原理、3D模型的建构及打印、关节动力系统调试、光环板程序控制等分支问题，而许多子问题的解决都没有成熟的答案可供复制，需要学生跨越学科壁垒搜集整合资料并给出最佳方案，之后还要反复调试以趋近预设目标。正是由于方案的非良构，使得路径的生成具有复杂性和动态性的特征，期间破壁思维、发散思维、创新思维、计算思维、设计思维、工程思维等高阶思维能力也在方案的逐渐清晰中潜移默化地得到了培养。
5.线上线下齐头并进，着力区域推进AI课程实施
在围棋领域，AI被嵌入了一种“意志”，即在围棋这个游戏上打败人类或其他对手。要着力推进AI课程，也需要一种意志的添加。在过去的一年中，学校采用现有的线上线下平台多途径持续推广的工作取得了初步成效。比如依托江苏省智慧云平台建立的周迎春网络名师工作室，集合了全省近两百位信息技术骨干教师，江苏省乡村骨干教师培育站、苏州市乡村骨干教师培育站及区名师工作室等五十多位来自各学校的业务骨干，采用讲座、公开课及各种沙龙等主要活动形式。2020年，“基于项目的人工智能创新课程创设研究”在省教科院获得立项，十余所学校集群聚力研究，力争在人工智能课程的区域推进工作方面取得突破性进展。自《AI机器人创意搭建与mBlock5慧编程》出版以来，短短两个月，就在网络平台上售出近三千册，这足以说明普适性的能给学生带来发现喜悦及丰富体验的人工智能课程是受欢迎的，也是缺乏的。对此，江苏教育信息化微信公众号、苏州教育电视台对上述活动进行了专门推送或报道。
三、人工智能教育尚需解决的问题
中小学生的人工智能科普教育已箭在弦上，但国内中小学人工智能教育在顶层设计、师资培养、模式创新及理念跟进层面，还存在以下一些问题。一是我国已出台了《普通高中信息技术课程标准（2017版）》，但还缺少初中及小学阶段的相应课程标准;二是学校和教师在教学中过多地讲授编程知识或算法内容，不符合多数学生的认知特点和兴趣;三是小学阶段人工智能教学的目标主要应定位在“激发学生学习兴趣，体验人工智能产品功能，掌握简单工具的应用，培养问题意识和计算思维能力”;四是中小学人工智能课程主要依托编程教育和机器人教育开展，在课程实施过程中，很多教师存在偏重学生的操作技能，忽视学生的计算思维、创造能力以及人文素养的倾向;五是人工智能教育师资严重缺乏，需要从师资培养及进修培训层面进行制度化安排。
此外，AI技术日新月异，显然已成为体现各国国力的新赛道，然而我国人工智能方面的人才总量严重不足。据不完全统计，中国顶尖AI人才只有美国的十分之一，着力加强人工智能基础学科建设已刻不容缓。
笔者所在学校在小学人工智能课程的构建实施及区域推进过程中做出了一些努力，取得了一些阶段性的成效，当然也存在一些诸如课时、适配师资相对不足等问题。教师们还要坚持不懈地努力，不畏困难，勇于实践。假以时日，人工智能教育的普及化本土化实施必定会取得更多可资借鉴的经验与成果。
（责任编辑? ?郭向和）
