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打造“人工智能+编程”特色品牌促农村小学科技教育创新发展

刘煜
【摘 要】近年来，人工智能教育和编程教育成为了教育研究的热点。本文通过对北京市怀柔区北房镇中心小学学情和校情的深度调研，提出了将人工智能和编程教育纳入到农村小学科技教育体系的研究思路，具体阐述了打造人工智能校本课程群、设计大单元主题学习活动和跨学科项目学习活动的实践过程，提出了进一步开展人工智能和编程教育的思考。
【关键词】人工智能教育;编程教育;科技教育
G434 A
【论文编号】1671-7384（2021）010-036-03
人工智能的发展进入了快车道，相关领域人才的培养得到了前所未有的重视。自2017年7月国务院印发《新一代人工智能发展规划》开始，每年都有重磅文件不断推进在中小学阶段开展人工智能和编程教育。在这种新的时代背景下，学校教育需要做出相应的改变，才能满足社会需求和学生发展需要。[1]而对于农村小学来说，最好的切入点则是将其纳入到现有的科技教育体系中，结合农村学校的学情和校情，有针对性地完善课程体系，开展“人工智能+编程”项目学习活动，为科技教育注入新的发展活力。[2]
在农村小学开展人工智能和编程教育的现状
在小学阶段开展人工智能和编程教育是大势所趋，教育的实施对象、本地区的教育实际情况和教育内容等就成为了我们首先应该关注的问题。
1.学生在人工智能学习方面存在的问题
为更深入地把握学校在开展人工智能教育方面的实际情况，笔者以网络问卷的形式对学校六年级学生进行了一次问卷调查。本次调研共发放问卷近300份，回收267份。根据对调查结果所做的分析，目前学生在人工智能学习方面主要存在如下的问题。
（1）学生对人工智能的概念认识模糊甚至存在错误现象。仅45.6%的学生听说过“人工智能”这个名词，只有12.4%的学生能够至少说出两个基于人工智能技术的应用。这在客观上就需要学校教育补充人工智能教学部分，以适应社会的需求。
（2）学生对于学习人工智能的目的理解尚不到位。调查显示，65.3%的学生把学习人工智能的目的仅仅停留在开拓视野的层面上，大部分学生都没有认识到学习人工智能知识能够让他们未来更好地适应智能时代的快速发展。
（3）学生获取人工智能知识的渠道不足。调查显示，86.8%的学生都表露出对学习人工智能的兴趣，但选择“不知道从哪里学”的学生比例高达64%。理论上来说，学生可以上网查阅到关于人工智能的很多知识，但如果你以“人工智能”为关键词在网络上搜索，出现在前几页的大部分内容都是广告，还有很多小学生很难理解的内容。客观上来说，一个小学生，从网络上很难获取与他年龄相匹配的人工智能知识。
2.学校在实施人工智能教育方面存在的问题
（1）师资力量薄弱，软硬件环境待提升。目前学校能够承担人工智能教学任务的教师主要是信息学科教师。学校共有专职信息技术教师3人，但3人均未接受过系统的人工智能专科教育，有1人接受过人工智能教学培训。目前，学校仅有一个学生机房，机房电脑相对较新，能够满足学生人手一台电脑的需求，电脑上配备了耳机和摄像头，能够支持开展简单的人工智能技術体验活动，但学校缺乏人工智能的相关课程资源，这给教师教学造成了极大的困难。
（2）缺乏对人工智能和编程教育的顶层设计。学校在“智爱教育”的办学理念下，依托国家、地方和校本课程创设了“智爱”课程体系。但在旧版课程方案中，没有设计与人工智能教育相关的课程内容。缺乏顶层的规划设计，这就导致教师只能在现有的信息技术课中，以拓展知识的形式呈现人工智能知识，缺乏系统性和规划性。另外，关于编程教育的内容虽然有所涉及，但过于偏重知识和技能，忽视了学生信息学科核心素养的培养。
（3）信息技术课时难以满足人工智能和编程教育需要。目前，很多学校的人工智能和编程教育的任务都放在信息技术课上完成。但仅靠信息技术的课时，是难以承担这项新的教育任务的。大部分学校每周信息技术课只有1课时，还需要完成规定的教学任务，每学期仅能拿出3～4课时讲授新内容，很明显难以满足人工智能和编程教育需要。
创设“人工智能和编程教育”品牌，打造科技教育新特色
学生们获取人工智能知识的主要渠道在学校教育中。学校具备开展人工智能和编程教育的硬件条件，但缺乏顶层设计，缺少优质课程资源。在这种情况下，学校尝试以打造“人工智能和编程教育”的科技教育品牌为重点，通过设计人工智能校本课程群、实施基于多学科整合的项目学习活动等形式，全面提高学生问题解决能力。
1.打造人工智能校本课程群，完善顶层设计
学生不仅要学习人工智能的相关知识，更重要的是认识人工智能技术和社会发展的关系，能够辩证地看待技术的应用[3]。在这一思想的指导下，学校尝试在“智爱”课程中增加“人工智能”校本课程群。课程群以“人工智能与编程”课程为基础，构建包括“人工智能与创客设计”“人工智能与艺术创作”“人工智能与智能社会”等课程的人工智能校本课程群。
在这样“一体三翼”课程群中，“人工智能与编程”是核心。学生在这一课程中通过设计程序，体验人工智能技术解决实际问题的基本思路和过程，从而学习关于人工智能的基础知识，体验人工智能编程的魅力。核心课程之外，有三个延伸课程。在“人工智能与智能社会”课程中可以讨论人工智能产生的社会现象和问题;在“人工智能与创客设计”课程中，亲身经历使用技术解决问题的过程，体会人工智能技术本身的优缺点;在“人工智能与艺术创作”课程中，体验AI写诗、AI绘画、3D打印等。
2.开展大单元主题教学，整合课程知识
有了课程的设计还不够，关键在落实。新增一门人工智能课是不现实的。在这种情况下，学校教师大胆尝试进行大单元主题教学活动的设计和实施，将核心课程——“人工智能与编程”和北京版小学信息技术第三册中关于程序设计单元的内容进行深度的整合，通过“智能程序我设计”系列主题的实施，在保证北京市规定教学任务的同时，开展人工智能教育。
“智能程序我设计”大单元包括6个子主题，每个主题分2～3课时，在六年级上学期实施。整个单元的内容取材于学校、教师、学生在学习和生活中遇到的小问题。通过一个个智能小工具的设计，带领学生走进程序设计的大门，了解程序设计的基本思路和方法，体会设计基于人工智能技术的程序能够改善校园生活。
整个单元的主题设计遵循“循序渐进”的原则。“设计听写机器人程序”和“设计智能翻译机程序”是基本结构的入门课，程序结构简单，重点让学生体会到命令上下连接后，程序就可以自动执行，并进行简单判断。在初识了三大基本结构后，通过“设计智能垃圾分类程序”“设计人脸识别门禁程序”的学习，让学生进一步学习综合运用三大基本结构，设计稍复杂的程序。在人工智能学习方面，聚焦在语音识别和语音合成两个技术，聚焦在机器学习和图像识别技术的体验上。
3.实施跨学科项目学习，夯实核心素养
人工智能是一个综合学习，落实人工智能教育需要各学科教师通力合作。为此，学校在六年级下学期设计了“智慧点亮校园”跨学科项目学习活动。这个项目以“六年级学生为母校进行毕业献礼”为任务主线，从实地调查发现学校灯光使用中的具体问题入手，逐步从设计智能校园灯光系统到设计未来智能校园。
通过深度的跨学科合作，以信息技术学科为主，共同使用了数学、综合实践、劳动技术、美术等多学科的部分课时。前期围绕“智能灯光系统设计”开展教学，从最开始的校园灯光调查，到提出优化方案，接着通过设计程序，在电脑上进行模拟效果。同时使用开源硬件，进行智能化的场景搭建。后期围绕“未来智能校园设计”开展教学。学生通过之前的学习，对人工智能技术已经有了初步的感知，此时，教师引导学生使用所学的知识设计自己心中的未来校园，并通过科幻画、程序模拟和模型搭建，进行创意物化，让他们全面观察校园，通过“分组自选学习项目，再集中展示汇报”的流程，完成学生眼中“智慧校园”模拟程序和模型的设计，进一步激发学生的爱校之情和对程序设计学习的兴趣。
研究结论和展望
近一年来，学校在人工智能和编程的各项赛事中取得了国家级奖项21个、市区级奖项38个的好成绩，学校更是被中国科协评为“全国青少年人工智能活動特色单位”。通过大单元主题教学活动的设计和跨学科项目学习活动的设计，学生们不再是浅尝辄止地体验人工智能技术，而是尝试基于人工智能的技术审视生活中的现象和问题，用编程的方式通过设计基于人工智能的程序来解决问题，并且能够根据真实生活的需要，灵活调整程序效果，直至实现问题解决。学生的信息意识、数字化学习与创新、计算思维、信息社会责任等方面素养都得到了夯实和发展。
参考文献
孙丹，李艳.国内外青少年编程教育的发展现状、研究热点及启示——兼论智能时代我国编程教育的实施策略[J]. 远程教育杂志，2019，37（3）： 47-60.
谢忠新，曹杨璐，李盈. 中小学人工智能课程内容设计探究[J]. 中国电化教育，2019（4）： 17-22.
吴永和，刘博文，马晓玲. 构筑“人工智能+教育”的生态系统[J]. 远程教育杂志，2017，35（5）： 27-39.

-全文完-