基于计算思维培养的人工智能教育实践研究

【摘要】本研究依托北京大学人工智能教育实验室开发的平台，创新课程教学思路，形成横向联系、纵向递进的具有区域特色的人工智能教育课程，并通过主题项目案例设计与深入课堂实践研究，推动顺义区中小学人工智能教育实施，为一线教师特别是农村学校教师开展人工智能教育进课堂提供参考和借鉴。【关键词】计算思维；人工智能；实践研究计算思维是《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》明确提出的信息科技课程核心素养之一。2017年7月，国务院发布《新一代人工智能发展规划》，提出要在中小学开展人工智能教育。此后，教育部和北京市相继公布了人工智能教育的相关文件，推动人工智能教育进校园。顺义区根据相关要求，紧紧围绕学生的信息科技课程核心素养培养，积极开展了以计算思维培养为核心的小学人工智能普及的教学探索。区域内人工智能教育存在的问题在探索人工智能普及教学的过程中，许多小学遇到了“课程定位不清”“课程实施效果不明确”等问题，其具体表现如下。一是将人工智能课程定位为技术课，过早地将大学时期甚至研究生阶段才能学习的理论知识呈现到基础知识不足的小学生面前。二是将人工智能课程范畴无限扩大，将原本属于3D打印、机器人、创客等教学的课程全部纳入人工智能教学的范畴，造成学生对人工智能的理解偏差，如被调查的80%以上的小学生认为“机器人就是人工智能”。针对小学普遍存在的以上问题，为更好地做好信息科技教学工作，北京市顺义区开展了“基于计算思维培养的人工智能教育实践研究”。小学人工智能教育的课程设计随着《新一代人工智能发展规划》等文件的出台，顺义区各小学开展了基于不同平台的编程教学，当前小学阶段用得比较多的编程平台有编程猫、Kittenblock、AIspark、慧编程等。在这些平台的使用中发现，其中的AIspark编程平台的作业管理与对学生的评价等功能特色，能够对计算思维做量化评价，因此，本研究实践阶段主要依托AIspark编程平台开展。针对目前小学开展人工智能教育的实际，本研究依据北京大学人工智能教育实验室开发的平台提出了以计算思维培养为核心的小学人工智能教育的课程目标模型（图1），按照“感知AI→理解AI→应用AI→创造AI”的体系进行了区域内小学人工智能教育的课程设计。参加实验的小学在“走进人工智能”课程的基础上设置了“AI积木编程”系列课程。“走进人工智能”课程让学生从生活中常见的人脸识别、图像识别、语音识别等人工智能入手，通过“玩中学”“做中学”的方式，让学生全面了解人工智能的基本内涵、发展历史和核心应用，培养人机协同意识，具体包括人工智能发展史、体验机器学习、初识人脸识别、图像识别、智能翻译、智能语音等生活中的常见应用。“AI积木编程”系列内容以智能语音、智能翻译技术为依托，使用AISpark等智能编程实验工具，进行创意作品设计。这些课程让学生在应用智能语音、人脸识别、智能翻译、手势识别等人工智能应用功能进行作品创作的过程中，理解学习事件、控制、变量、顺序结构、选择结构、循环结构等编程基本概念，培养使用人工智能技术进行创意设计的基本能力。小学人工智能教育的课程实施针对现阶段区域内人工智能教育存在的问题，来自顺义城区和农村的8所实验学校组建了研究共同体，按照“专家引领、实践应用、创造应用、形成特色”的模式开展实践应用研究。各实验学校根据自身基础条件和课时选择的不同，形成了丰富的人工智能课程教学案例。其中，北京市顺义区西辛教育集团是一所代表性的实验学校，该校通过校本课程建设、信息科技课程融合等方式，开展了不同形式的教学实践研究。该校以校本特色课程体系建设为主体开设人工智能教育系列课程。该校在小学二年级开设“走近人工智能”课程，在三年级开设“AI积木编程智能硬件”课程，在四年级开设“AI积木编程启蒙课”，在五年级开设“AI积木编程互动游戏”课程并融入新课程理念。这些课程采用单元主题教学模式，由学生根据自己的兴趣进行自主选择，将现有的信息科技课程教学内容与人工智能教育课程相结合，将信息科技课程的六条逻辑主线贯穿其中。在教学实践过程中，由各实验学校组织有信息科技学科教学背景的教师组成了人工智能课程实践应用教研组，这些教师与人工智能教育课程设计专家一起通过线上线下结合的方式开展“研究共同体”模式的教研活动，并适时开展人工智能教育课程的教学观摩活动。各校鼓励教师们把自我学习、教学实践和课题研究有机结合起来。在课题研究中，顺义区形成了一批区域内人工智能教育優质示范课程资源，将“计算思维”培养深深融入课程的整体设计中。学生使用语言描述问题解决过程，使用流程图结构化表达解决问题的思路，通过人工智能模块的编程平台进行设计，动手制作完成作品，最后进行作品的效果评估，并迭代修订自己的设计方案，这很好地呈现了课题研究的核心问题。以“我的智能小家”单元主题课程为例，课程共包括4个课时。该单元的设计围绕创新思维能力和信息科技学科核心素养的培养来进行，通过畅想智能家居到智能小家的编程实现，着力培养学生的创新思维能力、计算思维以及信息意识（图2）。本课题在研究过程中形成了基于信息科技课程核心素养要求的具有区域特色的人工智能教育课程教学案例，带动了全区学校人工智能教学的开展。小学人工智能教育课程实施的评价及效果随着信息技术的发展，培养学生的计算思维显得越发必要，开展基于计算思维培养的人工智能教育势在必行。本研究共同体一方面促进了顺义区学生学科核心素养培养与相关研究的开展；另一方面形成了优质示范课案例，为其他地区的人工智能教育发展提供了借鉴。本研究将以计算思维培养为核心的人工智能教育融入信息科技课程教学，提出了以计算思维培养为核心的小学人工智能课堂教学的一般流程：互动游戏导入→抽象模型→自主设计→创意设计→成果分享。该流程有较强的实践导向，对一线教师的教学具有一定的理论参考价值。顺义区形成了一批人工智能教育优质示范课程，加强了与其他区的相关经验交流。如在2022年，研究组成员马峥代表顺义区赴昌平区开展了人工智能与编程结合的教学示范课——“欢迎来到我的课堂”。该课让学生感知生活中常见的人脸识别，初步理解了人脸识别的基本过程包括建立人脸库、人脸的关键特征提取和匹配与预测性输出，并且使用AISpark平台进行了人工智能的应用实践，设计了属于自己的人工智能人脸识别程序。这让学生在充满趣味的课堂上，以项目式学习方式整体感知、理解、应用了人脸识别。其中的核心内容计算思维培养融入这节课的整体设计中，学生们使用自然语言描述问题解决过程，使用流程结构化表达解决问题的思路，通过带有人工智能能力的编程学习平台进行创作，实践自己的问题解决思路，最后进行解决方案的效果评估，并迭代修订自己的问题解决方案。另一位研究组成员王蕾执教的“AISpark召唤神兽”一课也在全国游戏化教学交流会上进行了展示。同时，研究组其他成员将研究所得撰写为论文，投稿到“全球华人计算机教育应用大会”，其中的多篇文章得到录用，并在工作坊进行发表；或将课题研究成果形成的论文投稿到“2020年中国教育技术协会教育游戏专业委员会学术年会”，文章被录用后，进行了在线发表。这些都为其他学校开展人工智能教学实践提供了经验与借鉴。以计算思维培养为核心的人工智能教育展望人工智能教育已经成为教育热点，也是当前的一个社会热点，推进人工智能教育对于我国长期的人工智能人才培养具有重要的基础性作用。同时，开展人工智能教育也是发展教师和学生的信息素养，激发学生的科技学习兴趣和培养综合创新能力的重要手段。本研究提出的“基于计算思维培养的人工智能教育实践研究”依托北京大学人工智能教育实验室开发的平台，围绕学生的计算思维发展，在实验学校开展了应用研究。相关数据分析表明，以计算思维培养为核心的人工智能教育课程的实施对于整体提升实验学校学生的计算思维具有积极作用。但是，目前的研究中还存在影响不同年级的教学效果差异的机制不明