小學(xué)階段開設(shè)人工智能教育的教學(xué)設(shè)計研究

福建省漳浦縣實驗小學(xué) 許遵照

一、研究背景

近年來，素質(zhì)教育的深入發(fā)展為我國中小學(xué)教學(xué)改革創(chuàng)新帶來了巨大機遇。在人工智能這一大環(huán)境下，小學(xué)階段開設(shè)人工智能教育成為更好地培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新動手能力的一種重要渠道。我校是教育信息化2.0行動計劃漳州市市級示范校，經(jīng)過學(xué)校研究，確定以“小學(xué)階段開設(shè)人工智能教育的教學(xué)設(shè)計研究”為研究課題，努力從學(xué)生認知發(fā)展的視角提出對小學(xué)人工智能課程內(nèi)容建設(shè)的一些想法，編制獨具特色的校本教材。

二、概念界定

人工智能作為新時期現(xiàn)代化發(fā)展的技術(shù)產(chǎn)物，是研究開發(fā)并且用于進一步拓展和延伸人類智能的方法體系，也是新時期一種新興的科學(xué)技術(shù)，更是計算機科學(xué)的重點分支。人工智能技術(shù)已經(jīng)興起，其目的是更好地了解智能化的實質(zhì)，并且希望能夠產(chǎn)生一種與人類智能相似的方式做出反應(yīng)的智能型機器，在人工智能領(lǐng)域中側(cè)重于對機器人語言識別、圖像識別等方面的研究和自然語言處理。

三、研究主題

小學(xué)階段是知識啟蒙的關(guān)鍵階段，通過一系列基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)不斷增加其知識積累量。隨著知識的日益累積，不斷地提高學(xué)生對于知識的基礎(chǔ)和認知能力，因此在小學(xué)階段開設(shè)人工智能課程，可以在關(guān)鍵的啟蒙時期讓學(xué)生提前了解人工智能這項新興事物。學(xué)習(xí)的目的在于感悟，啟發(fā)學(xué)生對于人工智能的認知，并激發(fā)探索創(chuàng)新的精神，讓學(xué)生感悟人工智能的出現(xiàn)對于日常生活、學(xué)習(xí)所帶來的影響，從而更好地提高學(xué)生參與人工智能學(xué)習(xí)的積極性和主動性。

四、研究緣由

為了深入貫徹科教興國、人才強國戰(zhàn)略，國家提出要舉全國之力搶占全球人工智能的制高點。在國務(wù)院下發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中明確提出，世界主要發(fā)達國家將人工智能視為目前最大的發(fā)展戰(zhàn)略之一，力求在新一輪的國際競爭中掌握主導(dǎo)權(quán)，而我國也務(wù)必要通過大力發(fā)展人工智能來提高綜合國防實力，維護國家安全。與此同時，要借助人工智能壯大智能產(chǎn)業(yè)，培育智能經(jīng)濟，為我國未來幾十年經(jīng)濟繁榮創(chuàng)造一個新的增長周期，帶動國家競爭力整體提升和跨越式發(fā)展。這一環(huán)境下，人工智能教育從娃娃抓起，逐漸成為廣大教育工作者的共識。小學(xué)階段是人工智能教育的重要啟蒙時期，教師教什么、怎么教，學(xué)生學(xué)什么、如何學(xué)，成為許多小學(xué)教育工作者要考慮的重要問題。在這個過程中，中國教育科學(xué)院的研究員表示，在小學(xué)階段加強人工智能教育，其目的是讓兒童在啟蒙階段加強對于這類新興事物的了解，并培養(yǎng)一種親近感，更有利于使全民投入人工智能普及學(xué)習(xí)中。從而更好地培養(yǎng)小學(xué)生對于人工智能這一新興事物的認知觀念，并且調(diào)動學(xué)生的主觀能動性和研究的積極性，更好地投入人工智能的學(xué)習(xí)中，還要對一些有著明確特殊興趣與能力的小學(xué)生給予相應(yīng)的幫助，挖掘這些學(xué)生在人工智能領(lǐng)域的更大潛力。

五、研究目的

基于認知的角度，在小學(xué)階段開設(shè)人工智能教育的目的是更好地培養(yǎng)學(xué)生的聽說讀寫與人工智能產(chǎn)品的體驗，加強學(xué)生對人工智能的認知和感悟。基于理解的角度，可以通過一系列具有趣味性的活動和游戲，加深學(xué)生對于人工智能的了解和感悟，并且對于人工智能產(chǎn)品背后的原理產(chǎn)生一定的看法?；趹?yīng)用的角度，學(xué)生通過具體的與人工智能體驗互動，可以自由與智能工具交流，利用智能工具改變傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)和生活方式?；趯嵺`的角度，學(xué)生進行深層次的編程學(xué)習(xí)，不斷地培養(yǎng)自身的創(chuàng)新意識、計算思維及動手能力?；趧?chuàng)新的角度，通過對人工智能技術(shù)完整的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠在不斷了解人工智能原理的基礎(chǔ)上，更好地投入創(chuàng)新設(shè)計的學(xué)習(xí)中。

六、研究方法

（一）分析歸納法

通過分析和查閱各種文獻資料，總結(jié)研究內(nèi)容，歸納國內(nèi)外人工智能發(fā)展現(xiàn)狀及課程開設(shè)的做法，為課題研究提供必要的研究基礎(chǔ)。

（二）調(diào)查研究法

調(diào)查“小學(xué)階段開設(shè)人工智能教育的教學(xué)設(shè)計”的現(xiàn)狀，為課題研究提供依據(jù)。設(shè)計調(diào)查問卷、整理統(tǒng)計數(shù)據(jù)、整合研究觀點。例如，運用調(diào)查研究法對小學(xué)人工智能教育教師“應(yīng)用情況”方面進行調(diào)查和分析，豐富第一手材料，為課題研究提供充足依據(jù)。

（三）經(jīng)驗總結(jié)法

通過探索、反思、創(chuàng)新及成果推廣，根據(jù)課題研究計劃進行了分析概括，揭示了小學(xué)人工智能教育在教學(xué)設(shè)計應(yīng)用方面存在的情況，使之提升到教育理論高度，促進感性認識到理性認識的轉(zhuǎn)化，最終形成比較科學(xué)的、系統(tǒng)的、行之有效的教育經(jīng)驗與理論。依照實際研究提供的事實，研究相關(guān)現(xiàn)象和經(jīng)驗，在理論指導(dǎo)下完善實踐。

七、研究解決的問題

（一）認識人工智能

通過人工智能故事使學(xué)生認識人工智能，懂得什么是人工智能。例如，通過講述“人機大戰(zhàn)”的故事，讓學(xué)生感受人工智能。或通過現(xiàn)實生活中應(yīng)用智能小工具的案例，讓學(xué)生感受科技的進步及人工智能給人們生活所帶來的改變。

（二）感悟人工智能

感悟人工智能可以從五個方面進行，每個方面可以對應(yīng)生活中實際應(yīng)用的案例。怎樣讓機器學(xué)會“看、聽、說、想、動”，學(xué)會模仿人，使學(xué)生體驗到人工智能的用途，可以通過使用各種人工智能產(chǎn)品來實現(xiàn)。

（三）嘗試人工智能

小學(xué)階段引入人工智能教學(xué)的目的不是單純讓學(xué)生進行體驗感知，而是希望在學(xué)生與人工智能接觸的過程中形成創(chuàng)新性思維，開闊學(xué)生的眼界，培養(yǎng)學(xué)生的計算能力，從而以相對簡單的圖形化編程工具來完成具有智能性的作品。

（四）實現(xiàn)人工智能

結(jié)合學(xué)生的認知特點，學(xué)生在編程過程中，一方面要鞏固所學(xué)的人工智能知識，另一方面要培養(yǎng)學(xué)生的計算思維及實踐能力。通過圖形化編程，培養(yǎng)小學(xué)生的計算思維，設(shè)計完成較復(fù)雜的人工智能作品。

八、研究過程

（一）準備階段（2020年6月—2020年12月）

做好論證、研討和課題研究方案的擬定工作，開展課題實驗前測活動，做好設(shè)備配置及條件創(chuàng)建工作和實驗人員培訓(xùn)工作。

1.成立課題研究小組，研究制定課題研究方案。

2.小組成員集中培訓(xùn)，以加強理論知識，更加明確地認識研究意義和研究目的，能夠?qū)ρ芯糠椒ㄓ行д莆铡?/p>

3.提前擬好方案以便后續(xù)研究，做好申報工作及立項，保證研究步驟的順利進行。

4.完善并確定課題研究的實施步驟方案。

5.召開開題報告會，每個小組成員參與討論，根據(jù)報告和討論結(jié)果修改課題方案。

（二）實施階段（2021年1月—2022年3月）

這是課題研究的重要階段，結(jié)合“小學(xué)階段開設(shè)人工智能教育的教學(xué)設(shè)計研究”活動開展，重點探討小學(xué)人工智能教育教學(xué)設(shè)計研究的實施途徑和方法。采取有分有合的形式開展實踐活動與研討交流工作，做到學(xué)期有研討活動，學(xué)年有總結(jié)交流，開展中期評估工作，形成課題中期研究報告。

1.課題研究有專家領(lǐng)導(dǎo)的指導(dǎo)，以便論證和修正課題，有效促進人工智能教育研究工作的開展，提高本研究課題的影響。

2.探索小學(xué)階段開設(shè)人工智能教育教學(xué)設(shè)計的研究方法。

3.及時進行課題研討活動，課題組成員在研討活動中進行研究活動，發(fā)現(xiàn)實際操作中存在的問題，彼此交流吸收。

4.舉行一次中期研究成果報告會，初步形成校本教材樣本。

5.報告會完成后進行論文撰寫，對研究結(jié)果進行總結(jié)展示。6.進一步分析數(shù)據(jù)，收集階段性研究成果。7.撰寫中期報告，進行課題調(diào)整。

（三）總結(jié)階段（2022年4月—2022年5月）

課題組將各種材料匯總，通過分析、研討、交流和總結(jié)等活動，形成本課題的研究總報告、檢測報告、結(jié)題報告。

九、研究結(jié)果

從整體來看，本次教學(xué)設(shè)計達到了預(yù)期的效果，學(xué)生對于人工智能抱有極大的熱情和參與度，且積極性較強。在教學(xué)過程中，教師始終遵循以學(xué)生為本，這一思想在基于人工智能教育教學(xué)過程中，力求讓更多小學(xué)生在一種輕松愉悅的氛圍下獲得更多人工智能的相關(guān)知識。通過講解一些基礎(chǔ)原理，配合多媒體技術(shù)和游戲環(huán)節(jié)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識。在分析、討論、總結(jié)的過程中，能夠引導(dǎo)更多小學(xué)生以客觀的態(tài)度來看待技術(shù)發(fā)展的兩面性，并合理應(yīng)用技術(shù)。雖然本課程開設(shè)時間不長，但是在課堂上仍然能有近90%以上的學(xué)生積極認真參與，并且學(xué)習(xí)熱情十分高漲，所以無論從學(xué)生課堂的狀態(tài)還是課后的反饋均能夠看出，對于人工智能教育這一課程，學(xué)生的收獲頗深。

十、問題與思考

本次小學(xué)人工智能教育教學(xué)設(shè)計過程中，仍然存在以下幾點問題。第一點是在開展教學(xué)設(shè)計時過于注重知識技能的模仿，但對于計算思維方面的培養(yǎng)沒能給予更多的關(guān)注。人工智能是一門極具實踐性和綜合性的課程，無論出發(fā)點和歸宿點都不是對于知識技能的模仿，而是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。課程之初由于經(jīng)驗有限，教師對于小學(xué)人工智能教育更加側(cè)重于知識技能的教學(xué)，但在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)這種方式無法更好地培養(yǎng)學(xué)生的計算思維和設(shè)計創(chuàng)新能力。第二點是更加側(cè)重于零散項目的開發(fā)，卻忽視了系統(tǒng)的設(shè)計。我國人工智能教育盡管提出了中小學(xué)設(shè)置人工智能課程的要求，教育卻主要以創(chuàng)客課程、STEM課程、信息技術(shù)課程為主，缺乏完善、統(tǒng)一的人工智能課程標準。課程中人工智能多為選修或拓展模塊，為學(xué)生個性塑造內(nèi)容，內(nèi)容碎片化。人工智能教育的基礎(chǔ)知識在課程開設(shè)過程中，以編程課程、創(chuàng)客課程、機器人課程等一系列為載體，但如果缺少成熟完善的系統(tǒng)設(shè)計，單獨進行零散的項目開發(fā)，會使得整個教育過程缺少目標主導(dǎo)，甚至增加學(xué)生學(xué)習(xí)的障礙。第三點是過于注重高大上技術(shù)的教育教學(xué)，卻忽視了學(xué)生興趣的培養(yǎng)。人工智能作為一項新興的事物，將其引入小學(xué)教育中無疑是一次全新的嘗試，而一些課程內(nèi)容相對深奧，忽視了學(xué)生興趣的培養(yǎng)，難以激發(fā)學(xué)生對于人工智能教育的熱情。

針對上述存在的問題，教師對小學(xué)人工智能教育教學(xué)進行了及時的更正和扭轉(zhuǎn)，并制定了以下幾方面的優(yōu)化策略。首先，注重學(xué)生計算思維和創(chuàng)新方面的培養(yǎng)，并且挖掘更多的學(xué)科育人價值。教師轉(zhuǎn)變了以往過于側(cè)重知識點講解的模式，引導(dǎo)學(xué)生加深對于人工智能方面的理解，以及創(chuàng)新科學(xué)性思維的培養(yǎng)。在課程設(shè)置中，體現(xiàn)出立德樹人、五育并舉的導(dǎo)向，在內(nèi)容的設(shè)置上增添了更多引導(dǎo)學(xué)生動手實踐的環(huán)節(jié)，與國家人才培養(yǎng)的戰(zhàn)略相吻合。并適當?shù)厝谌肓藢W(xué)科教育，強調(diào)知識結(jié)構(gòu)與學(xué)科之間的融合，使人工智能教育開展結(jié)合學(xué)生的生活實際，以學(xué)生為中心。其次，構(gòu)建了系統(tǒng)性的人工智能教育設(shè)計體系，并且契合學(xué)生當前的認知水平。人工智能是一門前沿學(xué)科，應(yīng)用到小學(xué)階段中會存在一定的難度，而為了轉(zhuǎn)變以往側(cè)重于部分零散項目的研究，卻忽視了整體引導(dǎo)這一局面。小學(xué)教育工作者充分考慮到學(xué)生當前的身心發(fā)展情況，挑選了內(nèi)容適中、深度廣度合理的內(nèi)容，并且使人工智能的課程編排做到由易到難，由感性到理性，由模仿到創(chuàng)新。小學(xué)人工智能教育涉及人工智能發(fā)展歷程、基本概念、算法程序、主要流派、關(guān)鍵技術(shù)等。為了使小學(xué)生能夠接受系統(tǒng)人工智能教育，課程應(yīng)當結(jié)合人工智能知識與學(xué)生知識背景，對課程內(nèi)容合理規(guī)劃，以這種循序漸進的方式不斷激發(fā)學(xué)生的參與積極性，并且保證課程內(nèi)容之間的銜接處于螺旋上升的狀態(tài)，逐漸激發(fā)學(xué)生更大的學(xué)習(xí)熱情。最后，開設(shè)人工智能教學(xué)的過程中，由于小學(xué)生活潑好動，并且對于一切新鮮事物處于關(guān)鍵的啟蒙時期，因此教師在開展人工智能教育的過程中，先從學(xué)生的興趣愛好方面入手，以直接感知和體驗來開展后續(xù)的人工智能教育。學(xué)校可以建設(shè)智慧教室、智慧圖書館，將個性化推薦、精確診斷等融入學(xué)生日常生活與學(xué)習(xí)中，培養(yǎng)學(xué)生對人工智能的親近感與興趣。教師可以創(chuàng)設(shè)學(xué)生喜聞樂見的游戲環(huán)節(jié)導(dǎo)入和問題設(shè)置的方式，引導(dǎo)學(xué)生更好地參與人工智能的學(xué)習(xí)，將基礎(chǔ)的人工智能知識與學(xué)生的日常生活相結(jié)合，激發(fā)學(xué)生更大的學(xué)習(xí)熱情。