中小学人工智能教育的在线学习探索

肖海明 杜晓敏

一场突如其来的疫情，阶段性地改变了人们的生活和学习方式。社会各界高度关注疫情发展，同时纷纷探索各自领域特殊时期的“线上化”和“开放共享”方案。教育事关国计民生，是社会各界关注的焦点，教育部就“停课不停学”政策多次发文，网课相关话题屡上热搜。线上学习成了全国师生非常时期适应新变化的常态，举国上下出现了史无前例的在线学习热潮。

面对国际上日趋紧张的科技竞争趋势，发展新一代人工智能已经成为我国的重要国家战略。对北京、山东、江苏、湖北、广东5个省份40多所学校进行调研后发现，学校對于人工智能教育的重视程度普遍提高，已经意识到人工智能技术和知识“进课程、进教材、进课堂、进教案”的重要性。

但疫情之下，学校延期开学，人工智能教育遭遇困难，主要表现在教师线上培训资源不足、学生自主学习资源匮乏、人工智能学生创作实验工具质量良莠不齐、在家学习效果评价困难几个问题。响应停课不停学的号召，智能火花人工智能教育基于北京大学学习科学实验室中小学人工智能教育目标体系，紧紧围绕计算思维发展，公益性开放共享支持了教师和学生双主体协同提升人工智能素养的教学资源，以期解决学校实施人工智能教育的难点，推动疫情期间北京、江苏、山东、内蒙古、重庆、广东等12个省市区的中小学人工智能教育实践学校“停课不停学”。

以计算思维培养为核心的中小学人工智能教育模型

2006年周以真教授在美国计算机权威刊物Communications of the ACM发表Computational Thinking一文，引发了全球基础和高等教育者对于计算思维的理论研究和培养学生计算思维的实践研究的高度关注。周以真教授认为，“计算思维是运用计算机科学的基础概念（即思想和方法）去求解问题，设计系统和理解人类行为”。

我国2018年1月发布的最新版《普通高中信息技术课程标准》中明确了信息技术学科的四大核心素养分别为“信息意识、计算思维、数字化学习与能力、信息社会责任”。对计算思维和具有计算思维的学生的能力表现进行了清晰的描述。北京大学学习科学实验室以学生的计算思维为核心，融入游戏化学习理念，提出了中小学人工智能教育的目标模型，认为通过人工智能教育课程的学习，学生应当了解人工智能的基础知识、掌握基本的人工智能应用技能，学会与智能工具打交道;通过以计算思维培养为核心的实践活动，搭建人工智能系统，创造人工智能应用解决实际问题;培养学生对于人工智能发展的文化理解、对以人工智能为代表的科学技术的学习兴趣和综合性的创新能力。

在学习内容的建构上，基于布鲁姆分类层次理论和皮亚杰的儿童认知发展阶段理论，实验室提出课程内容应按照“感知AI—理解AI—应用AI—创造AI”的体系来进行内容设计。根据小学、初中和高中学生的认知特点不同，实验室进一步提出“小学：兴趣启蒙，玩中学”“初中：兴趣培养，做中学”“高中：兴趣引导，创中学”的教学理念。以项目式学习融入游戏化学习方法，建构了“互动游戏导入—抽象模型—自主设计—创意设计—成果分享”的整体教学模式。为更好指导教师以学习者为中心引导学生的以计算思维为核心的人工智能创作实验，进一步提炼出“定位目标—自然语言描述实现逻辑—结构化流程表达—程序实现—调试分享”的学生学习流程。

“抗疫有我，公益开放”——应用智能火花云平台开展中小学人工智能在线教育

疫情期间，智能火花启动“守护健康，抗疫有我”的公益教育计划，提供适用于中小学生的人工智能线上教育配套资源，助力人工智能教育停课不停学。

线上开放的人工智能教育资源，基于北京大学学习科学实验室人工智能教育目标模型，按照“感知AI—理解AI—应用AI—创造AI”的学习进阶体系，定位于以学习者为中心的学习理念，围绕“提升教师和学生的人工智能教育素养”的核心目标，以“支持教师引领下的学生自主学习”为平台应用原则，充分考虑在线教育面向中小学生要兼顾体系化和趣味化的特点，面向教师和学生两大群体提供线上教育资源，包括科普微课、自主学习微课、课程直播课、AI线上创作实验平台、计算思维测评、教师教研平台，建构了一个立体多维的人工智能在线教学支持体系。

为实现让学生感知人工智能的目标，结合游戏化教学理念，通过趣味性的科普微课展开人工智能实际应用案例的讲解，对适龄学生进行人工智能启蒙，激发学生深入学习人工智能的兴趣。在感知人工智能的过程中，通过人工智能实现原理的剖析和适合儿童的游戏化表达，让学生理解人工智能的基础原理，领会人工智能带给我们人类的思考方式的冲击。

为实现学生应用人工智能的教学目标，围绕教师的线上“教”和学生的线上“学”，提供双主体的支持模式，为教师开放系列化的教师培训资源，让教师清晰理解每个项目主题的教学目标、教学内容、实践要求和评价方式，并结合直播培训，由高校科研人员为教师开展线上答疑，实现“翻转式线上教研”。为支持学生在教师在线引导下开展创作实践和自主学习，平台为学生开放了系列学习微课，微课按照故事导入、问题分解、模型抽象、创作实践、拓展提升和总结迁移的顺序排列，不断推动和激发学生深入思考和进行AI创作实践。例如，学生在创作“AI声控新风模拟系统”一课中，不仅应用了人工智能的语音识别技术以实现通过识别人的声音和通过人脸识别技术检测人脸来触发系统运行，还了解了新风系统的工程结构、通风对于疫情防治作用等知识，并且培养了学生保护环境、维持个人生活环境整洁健康的意识，同时激发了学生对于应用人工智能技术解决生活实际问题的兴趣。

针对学生学习效果的评价，线上开放平台为教师提供了学生作品的智能分析功能，同时基于北京大学学习科学实验室计算思维测评体系，开放了线上计算思维测评平台，从问题分解、问题评估、模型抽象、逻辑思考、总结归纳5个维度评估学生计算思维发展情况。

总结展望

中小学人工智能教育已经成为一个研究热点，也是当前的一个社会热点，推进中小学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。这次疫情，促使我们探索开展围绕教师和学生双主体的线上人工智能教学实践。疫情期间，智能火花人工智能教育云平台已经为来自北京、江苏、山东、内蒙古、重庆、广东等12个省市区的600多名教师开展了系列培训，支持学校开设了1200多个课时的直播互动课和自主学习。通过后台测评数据分析，以计算思维培养为核心的人工智能在线教学实施对于整体提升学生的计算思维具有显著的积极作用。

在中小学人工智能线上教学实践的过程中，我们也发现了诸多问题。面对突如其来的疫情，很多老师仓促转入线上教学，对于信息技术工具的使用还不熟练;面对冷冰冰的摄像头和屏幕，教师们失去了面对活生生的学生时的那份自然，各种尴尬场面出现在在线课堂中;师生之间的空间分隔，也造成了大量信息在网络传输过程中丢失，师生之间的实时反馈也变得困难;部分教师在线上课堂照搬线下课堂讲授模式，无法吸引自制力较差的小学生，其课堂效果自然大打折扣。

冬天终将过去，春天必将到来，我们终将战胜疫情，回归正常的学习和生活。但疫情也会带给我们很多思考，在这次疫情过去后，我们相信信息技术融合教育教学创新，将释放更大的活力，打破人工智能教育的线上线下学习界限的泛在学习模式将成为未来人工智能进校园的探索方向。

作者单位：中国教育技术协会教育游戏专委会   山东潍坊市教育信息化研究院