海淀区中小学人工智能教育发展之路

马涛　赵峰等

摘要：《新一代人工智能发展规划》和高中2017版《信息技术课程标准》提出了在中小学进行人工智能教育的要求。海淀区的人工智能教育注重学科方向性，注重人工智能教育的核心内容与核心素养定位，注重基于人工智能核心内容的课堂活动设计，注重基于人工智能思维方式的课堂活动组织实施，努力建设出方向正确、核心内容突出、具有海淀特色的人工智能教育课程体系，促进海淀区中小学人工智能教育健康发展。

关键词：人工智能教育;学科核心素养;课堂结构

中图分类号：G434 文献标识码：A

随着我国《新一代人工智能发展规划》和高中2017版《信息技术课程标准》“人工智能初步”模块的颁布，人工智能逐步进人了教育领域，从信息化产品中人工智能的呈现，到人工智能作为课堂教学的内容，对各个教育场景产生着影响。海淀区内高校林立，科研院所众多，中关村高科技园区也地处海淀，同时海淀基础教育具有比较悠久的信息技术教育积累，具有探索人工智能教育的优势。

一、对人工智能教育的认识

人工智能是体现高新技术的科技方向，一方面体现了科技领域的快速发展，另一方面体现了基于人工智能应用的思维方式转变。

1.人工智能科技领域的发展：人工智能科技进步在算法方面逐渐成熟和普及，启发式搜索和决策树等核心算法的应用逐步增多，贝叶斯推理、分类器、马尔可夫模型等理论方法更是推进了深度学习的实现。中小学的学科知识体系中，由于知识爆炸产生的新知识经常会出现“知识下放”现象，大学课程的部分知识会进人中学阶段课程内容中。所以，来自于大学人工智能学科知识体系的部分内容，也可能会成为中小学人工智能教育的学习内容。

2.人工智能层面的思维方式转变：在中小学教育中，除了学科知识的学习，学生的学科能力、学科思维、学科素养也需要在学习期间不断培养、增长。人工智能作为今后解决学习、生活问题的一种方式，有其自身的方法与思维方式，教会学生能够以人工智能的思维方式看待知识应用与社会发展，有利于培养新时代的接班人和国家建设者。在人工智能教育体系中，人工智能作为学习本体，可以在课堂的情境创设、知识学习、练习实践、拓展应用等环节实施教育，引导学生亲历人工智能解决问题的相关过程，引发应用人工智能解决问题的思维意识培养。

由于人工智能的兴起，人工智能在教育中的应用也会出现明显增长。人工智能注重人类感知功能和决策功能，人工智能的听觉、视觉、理解、决策等特点能够提升现有信息系统的智能性，从而实现以人工智能功能为主要呈现方式的教育环境信息系统功能提升。在这类功能实现中，人工智能应用多以“黑箱”方式呈现给基础用户，注重其功能，而不会过多呈现技术实现细节。所以，以人工智能促进教育信息化发展这类内容，目前暂不作为中小学人工智能教育课程的内容。

二、海淀区中小学信息技术课程的基础与现状

海淀区自二十世纪八十年代开始进行中小学信息技术教育以来，师资、设施、课程等均有了长足发展和深厚积淀，中小学信息技术课程内容既包含程序设计、应用软件、数字艺术设计等偏软件内容，也包含创客、机器人等偏硬件内容。程序设计的算法基础、创客和机器人的硬件功能实现基础、应用软件的解决问题基础，均为开展人工智能教育奠定了基础。

海淀区义务教育阶段信息技术教育教材采用海淀区自主编写的《信息技术》，课程体系以引导学生解决问题、自主探究软件使用、梳理工作流程的方式呈现，以促进思维方法的培养，促进学生信息素养的提升，也符合新的信息技术学科核心素养的基本要求。

在海淀区现有信息技术学科教育的基础上开设人工智能课程，面临着具备人工智能教学能力的师资不足、教学资源不足、相关参考案例不足等问题，全面开设中小学人工智能课程的难度较大。但海淀区同时也具备一定的优势，近年海淀区补充了一定数量的具备计算机专业能力的硕士、博士进入信息技术教师行列，结合海淀区内高校和科研院所的专业资源，在海淀区中小学开设了大量的选修课和大学先修课，一些教学内容和资源已经指向了人工智能教育方面的内容。由此，海淀區确定了以人工智能教育研究、区域示范引领及教师培训、部分学校先行试点为工作方向，研究人工智能教育目标和方向，积累课堂实施案例，促进师资成长。自2017年至今已积累了一定的成果，为今后大面积推进中小学人工智能教育做好了准备工作。海淀区人工智教育研究工作方向如图1所示。

人工智能的实现需要有一定的编程能力、算法思想和人工智能应用场景体会，也需要有一定的硬件辅助实现。因此人工智能课程在海淀区的开设，需充分利用现有信息技术课程基础，发挥学生应用软件使用优势、编程能力优势、硬件操作优势，依托海淀区信息技术学科地方课程资源，研究人工智能课程的总体架构，将原有信息技术课程的知识积累与人工智能课程的功能相结合。由此海淀区设定了以图2内容为基础的人工智能教学内容与支撑基础，明确了人工智能核心方向、发展方式、核心算法、功能实现等内容。其中，实现人工智能功能的程序编写训练，将以程序设计课为基础;编程中应用的算法，将以程序设计与数学知识为基础;在进行人工智能感知的视觉、听觉功能中，将以移动终端的摄像头和麦克风实现，或以个人电脑上的摄像头、麦克风配以相应的软件实现，同时在编程时调用外部人工智能接口，以实现人工智能的听觉、视觉功能;而当产生人工智能的认知与决策后，实现动作反馈功能会以现有创客、机器人课程内容实现。

三、中小学人工智能教育的课程设置

1.人工智能教育目标框架

海淀区的教育网络与数据中心参与了《中国互联网学习白皮书之人工智能教育发展报告（基础教育）》的编写工作，总结梳理了人工智能教育在中小学各学段的能力目标和内容框架设计，初步制订了人工智能能力培养目标框架，如表1所示。

2.人工智能教育能力分层

在每一学段的学生培养中，按照传统的学生能力层次，可以将学生学习人工智能的能力划分为了解、理解、掌握三个层次，每个层次的学习内容框架设计如下：

了解：通过对人工智能的感知、体验、讨论、分辨、描述等方式，了解人工智能的基本特征和应用渠道。

理解：在了解的基础上，通过学习程序设计提高计算思维能力，从识别、解释、运用、主动选择等层面加深对人工智能的原理、途径的理解。

掌握：在理解的基础上，通过对人工智能核心算法的学习、开发工具和开发平台，实现对人工智能的实际应用模块的学习，实现对简单人工智能的掌握和应用。

3.人工智能教育课程内容

基于上述能力和目标的课程框架设置，海淀区人工智能教育课程内容设定如表2所示。

4.人工智能教育师资培养

海淀区信息技术学科教研经过多年的推动和积累，教师授课素质普遍较高，其中教学基本功、学科基本理念、课堂组织实施等教学能力均能达到较高的水平。

在人工智能教育课程实施中，为了加强师资队伍建设，海淀区教育科学研究院技术中心建设了人工智能实验室，并开设了多期培训班，在教师基本教学能力基础上，加强人工智能的知识学习、了解人工智能技术应用、熟悉人工智能环境构建、人工智能周边应用（虚拟现实、增强现实、3D编程）、人工智能在教育中的应用等内容的学习，逐步加强人工智能师资的专业知识水平。

四、海淀区中小学人工智能课程实施案例

海淀区在推动人工智能教育的过程中，根据海淀区的课程设置方案在小学、初中、高中进行了基于内容和能力培养的课堂实施，探索课堂的教学案例、组织实施、课堂评价、学生范例等内容，为人工智能教育普及推广奠定基础。

1.小学起始课的学生区分人工智能能力

海淀区翠微小学在小学人工智能课程的起始课上，设计了三节课的单元式课堂结构，如表3所示。

课堂从体验人工智能应用引发学生对人工智能的识别，从识别中加深人工智能特征与内涵的认识。再通过编写语音识别的人机对话程序，提升计算思维的培养。同时结合人工智能的发展，思考人工智能的价值，辩证地看待人工智能的作用。

课堂中學生能够以小学生的思维方式和认知水平进行人工智能的体验，通过编程体现“计算思维”培养，通过人机对话程序编写的方法学习与功能实现体现“数字化学习与创新”的培养，通过识别人工智能和辩证看待人工智能体现“信息意识”和“信息社会责任的培养。借助三节课的学生单元活动，逐步渗透小学阶段信息技术学科核心素养的提升。

2.初中编程调用人工智能SDK和API

海淀区十一学校在初中人工智能课程中，使用App Inventor编程环境，设计了两节课的人脸识别App制作，课堂结构如表4所示。

课堂以编写移动App程序实现人工智能功能，在生活实际中实现人工智能解决问题，通过调用外部开放平台的人工智能接口实现人脸识别功能，引发学生构建人工智能场景、实现人工智能功能、引发创新应用的意识培养。

课堂中能够结合初中生熟悉的移动App使用经验，通过App Inventor编程实现“计算思维”培养，借助App Inventor编程调用外部接口的人工智能功能实现“数字化学习与创新”的培养，通过人脸识别向量提取的数字化过程实现“信息意识”培养，通过在生活中合理应用人工智能实现“信息社会责任”培养。使用两节课的人脸识别App制作，实现基于人工智能的初中信息技术学科核心素养培养。

3.高中人工智能基本算法的学习

海淀区人民大学附属中学在高中人工智能课程中，贴近高中课程标准的“人工智能初步”模块要求，以“机器视觉的大脑之卷积神经网络”的单元主题设计了六课时的课堂结构，如表5所示。

课堂从构建CNN网络实现卷积神经网络的特征提取、卷积核、特征图等人工智能核心算法人手，引导学生了解人工智能的基本构成方法，并通过操作实践实现机器视觉，从机器视觉引出无人驾驶汽车的视觉判断功能。

课堂中使用Python编程并调用外部人工智能识别模块，实现植物识别、动物识别、菜品识别、车型识别等功能，通过Python编程实现“计算思维”培养，通过自主学习卷积核与特征图的使用实现“数字化学习与创新”的培养，通过自主学习卷积理解、视觉实现功能实现“信息意识”培养，通过机器视觉的作用与应用实现“信息社会责任”的培养。使用六节课的自动驾驶中的视觉判断，实现基于人工智能的高中信息技术学科核心素养培养。

五、结语

在面对人工智能教育的热潮中，海淀区的人工智能教育注重学科方向性，从人工智能教育的核心内容与核心素养定位、基于人工智能核心内容的课堂活动设计、基于人工智能思维方式的课堂活动组织实施方面进行探索和实践，努力建设出方向正确、核心内容突出、具有海淀特色的人工智能教育课程体系，促进海淀区中小学人工智能教育健康发展。