面向计算思维培养的中小学人工智能教育实践与思考.pdf
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1、4开期第年O.ucationai面向计算思维培养的中小学人工智能教育实践与思考曹杨璐谢忠新上海市浦东教育发展研究院完上海2 0 0 13 5摘要:随着人工智能教育的普及,许多区域相继开展中小学人工智能教育教学的实践与探索。本研究以上海市浦东新区为例,从课程建设、教与学方式、资源形式、软硬件环境创设等方面探索区域推进中小学人工智能教育的思路和方法,构建面向计算思维培养的中小学人工智能教育推进路径框架,并在区域推进人工智能教学支撑要素的加持下,形成人工智能教学场景,以期为区域推进人工智能教育提供一定的参考和借鉴。关键词:计算思维;人工智能;教育教学中图分类号:G434;G 6 3 3.6 7文献标
2、识码:A文章编号:16 7 2-0 2 45(2 0 2 3)0 3-0 0 0 4-0 8一、问题的提出(一)我国人工智能人才培养的需要人工智能技术在全球范围内蓬勃发展,许多国家已经将人工智能等新兴技术的持续突破作为提升国家竞争力的重要科技发展战略。在我国,人工智能的发展和应用在未来将极大促进国民经济的发展,人工智能人才需求也越来越大。这种背景下,我国对人工智能人才的培养提出了更高的要求。随着人工智能时代的到来,我国开始将中小学人工智能教育纳人国家战略规划之中,开展全面的规划。我国发布的新一代人工智能发展规划【1作出了明确指示,我国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
3、、逐步推广编程教育。教育信息化2.0 行动计划【2 要求落实“充实适应信息时代、智能时代发展需要的人工智能和编程课程内容”。普通高中信息技术课程标准(2 0 17 年版2 0 2 0 年修订)中的内容包含“人工智能初步”,并将其作为高中课程的选择性必修模块,给出相应的教学策略。教育部高度重视学生信息素养的提升,制定相关的专门文件推动和规范编程教育发展,将包括人工智能编程教育在内的信息技术内容纳人中小学相关课程,帮助学生掌握信息技术基础知识与技能、增强信息意识、发展计算思维、提高数字化学习与创新能力、树立正确的信息社会价值观和责任感(二)中小学人工智能教育区域推进面临的挑战许多教育学者积极响应国
4、家政策,在区域范围内开展中小学人工智能教育教学的实践与探索3 。由于不同地区的实际情况不同,地区之间存在软硬件等条件的差异,课程实施的内容与类型不同,普及人工智能的效果、水平不一。笔者以上海市浦东新区为例,通过问本文系上海市教育科学研究一般项目“区域中小学人工智能教育生态构建研究”(项目批准号:C2021093)的究成果。计算思维培养专题卷、研讨会、人校走访等形式对浦东新区人工智能与编程教育现状进行了调研,分析发现在探索人工智能教育的过程中存在的问题主要聚焦以下四点:一是人工智能教学过程中重技能知识,轻思维培养培养目的不明。在人工智能教学推进中,一部分教师以人工智能理论和技术知识的传授为主,在
5、很大程度上忽略对学生核心素养的培育。如果对人工智能教育的培养目标不明确,那么在这种情况下学生得到的只是人工智能相关技术堆积起来的体系,他们无法将其很好地融会贯通并加以运用,自身的潜能无法被唤醒,对他们的创新意识的建立和培养有一定的影响。二是人工智能教学过程中教学内容繁杂,课程资源适用性难以分辨不清楚教什么内容、用什么教。人工智能中小学课程体系和教材的可用性、科学性难以判断,缺少适合的人工智能教学所需的体系化的课程及资源。各个学段之间课程的连贯性不足,所采用的教学资源差异大,普遍缺乏整体性的课程体系设计与系统的教学资源建设。教师对于具体教什么内容、用哪些资源教学的认识模糊不清,没有清晰的概念。三
6、是人工智能教学过程中侧重传统教学方式,教学模式固化一一不知怎么教。部分教师仍然采用传统教学模式开展人工智能学科教学,缺少项目式、混合式的教育教学经验以教师为主的课堂忽视学生的认知主体作用,不利于对学生创新思维和创新能力的培养,更不利于创造型人才的养成四是人工智能教学过程中教学工具缺失,无教学平台教学软硬件支撑缺失。人工智能教育离不开硬件的供给,但是由于硬件设备等资源匮乏,缺乏必要的设备保障,课堂教学的实施存在难度。由于缺少教学硬件支持,学生动手体验与实践较少。区域缺乏一个亲和、简单、易学习的人工智能实践平台,为区域中小学学生提供融体验、理解、实践为一体的人工智能教学。数据碎片化,难以采集,教学
7、与学习情况很难量化反馈。本研究针对目前人工智能教育推进中存在的问题进行研究与思考,并给出一定的解决路径,对区域推进人工智能教育有一定的参考与借鉴意义。二、中小学人工智能教育推进的支撑要素针对前期的调研反映出的突出问题,急需解决的是厘清人工智能教育培养的目的。要解决中小学要教什么内容、用哪些合适的资源进行教学、用什么教学模式进行教学,以及在教学过程中的软硬件环境应该如何解决。结合浦东新区现状,我们在区域层面整体构建人工智能与编程的教育生态体系,探索区域推进人工智能与编程教育的有效新模式。从课程建设、教与学方式、资源形式、软硬件环境创设这几个方面来探索与思考,我们构建了面向计算思维培养的中小学人工
8、智能教育推进路径框架,如图1所示,从以下几个方面分别展开。以创新人才培养为目的)培养学生计算思维解决教什么内容的问题人工智能与编程解决软硬件支撑工具的问题教育4硬件设多层次。多元化(音视1立体化施与软件学习平台,硬件,支持混合式频等)课程内容贯通式区域平台教学及个性化、项目化学习覆盖中小学的课程教材课程体系人环境集约师生具有人工智能教学胜任力的师资2.课程教个性化、项目化等学习模式3.线上+线学习资源,精准提供与学的资源学校下双师混线上线下相融合合式教学模式“双师”教学。同步课堂教学解决用什么教的问题解决怎么教的问题图1面向计算思维培养的中小学人工智能教育推进路径框架(一)人工智能与编程教育应
9、强调计算思维的培养针对上述人工智能教学过程中重技能知识,轻思维培养的问题,笔者认为在人工智能6期第年O技术育传播教与编程教育中应强调计算思维的培养人工智能教育以培养创新人才为目的,在人工智能学科教学中应强调计算思维的培养4,计算思维是信息技术学科核心素养系统的关键要素,影响其他三个要素发展的质和量,在一定程度上决定学科核心素养的优劣。计算思维已成为各国公民应具备的基本素养。作为信息社会的一员,面对信息世界中数量繁多的信息,应该有把信息抽象和分解的能力,从而把复杂问题简单化,最终解决复杂问题。联合国教科文组织法国南特大学开放教育资源师资培训技术主席、法国教育信息学会前主席科林德拉伊格拉(Coli
10、ndelaHiguera)提到,人工智能教育包含两个方面的内容,一是人工智能在教育中的应用,二是提高人工智能素养5在人工智能教育教学过程中,不光要传授人工智能的相关知识与工具的操作技能,还应基于知识与技能挖掘更深层次的内容,重视问题解决的思路和方法6,将人工智能知识、能力和学生素养的培育相结合。(二)明确教学内容,构建立体化贯通式课程体系针对上述人工智能教学过程中教学内容繁杂,课程资源适用性难以分辨的问题,笔者认为在人工智能与编程教育中应明确教学内容,构建立体化贯通式课程体系。开展人工智能与编程教育要解决教什么内容、让学生学习什么的问题。区域推进人工智能教育应设计覆盖小学到高中的完善课程体系,
11、课程包括立体化构建多层次的人工智能与编程教育课程的教学内容。学校的拓展课程让不同学段的学生得以接受系统的人工智能与编程教育,实现学生从小学到高中人工智能与编程教育的“贯通培养”。中小学人工智能与编程课程体系大的框架是“认知一理解一应用一实践一创新”。基于认知发展规律,我们合理设计各个学段的人工智能与编程课程目标,形成小学到高中的立体化贯通式人工智能与编程的课程体系7 (图2),结合当前技术发展趋势和中小学人工智能与编程教育需求,不断增加新的内容。小学初中高中侧重感悟侧重体验侧重创造创新简单作品创作初步创造创新图2贯通式人工智能与编程课程体系以浦东新区推进人工智能教育的初中阶段人工智能教学基础课
12、程内容为例,区域设置的课程内容不是泛泛而谈的科普,而是具备完整的人工智能课程体系,帮助学生系统、科学地认识人工智能,并在课程中强调要体现人工智能伦理。课程不是以培养人工智能专家为目的,不深入算法和底层技术层面,而是更注重对人工智能基本原理的理解和对人工智能技术的应用。核心价值是帮助学生培养对人工智能的鉴赏能力、理解能力、应用能力、计算思维和创新能力,为未来做好准备。初中阶段应该以认识身边常见的人工智能技术应用为主,在有限的课时内,尽可能涵盖学生日常生活中常见的、能够用到的内容,因此,课程在内容上设置人工智能基础概述、语音技术、图像技术(人脸识别、文字识别、图像识别)、机器学习、自然语言处理等,
13、在理解人工智能技术应用这部分除了人工智能产品工具体验、人工智能技术原理描述、人工智能技术发展与应用讨论,增加人工智能实现实验、人工智能应用方案设计实验等部分内容,激发学生的创新意识。初中人工智能课程内容具体框架如表1所示。计算思维培养专题表1初中人工智能课程内容框架一级目录二级目录课程定位无处不在的人工智能通识人工智能概述初识人工智能通识人工智能的艰辛探索通识体验大数据的应用体验大数据大数据技术理解体验机器学习体验算法一机器学习机器学习算法理解计算机视觉的功能、应用体验“看”一一让机器看懂人类世计算机视觉技术原理理解界(计算机视觉)计算机视觉应用程序的设计与实现实践语音识别、自然语言理解技术的
14、功能、应用体验“听”一一让机器听懂人说话语音识别、自然语言理解技术原理理解(语音识别与自然语言处理)语音识别、自然语言理解技术应用程序的设计与实现实践语音合成、自然语言生成技术的功能、应用体验“说”让机器会说话(语音语音合成、自然语言生成技术原理理解合成与自然语言处理)语音合成、自然语言生成技术应用程序的设计与实现实践知识图谱的功能、应用体验“想”一让机器像人类一样知识图谱技术原理理解思考(知识图谱)知识图谱应用方案设计实践智能机器人项目的设计与制作初步应用人工智能综合应用项目人工智能综合应用项目的设计与制作初步应用内容定位分为通识类、体验类、理解类、实践类及初步应用几个部分。对于初中学生,他
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