小学阶段开设人工智能教育的教学设计研究
2021-01-01薛宪立
摘 要:文章以小学人工智能教育概述为切入点,分析人工智能教育能够培养学生信息素养及创新精神。以此为基础,结合小学人工智能教育现状,明确人工智能课程仍存在缺乏完整课程体系、重技能轻思维培养的问题,并提出人工智能教育的教学设计及实施措施。
关键词:小学阶段;人工智能教育;教学设计
一、 引言
随着计算机技术的发展,人们对“智能”提出了更高要求,从逻辑演算、数学运算、演绎推理,到要求机器拥有“创造性”,推动着人工智能的发展,对人类社会具有重要作用。人工智能作为引领未来教育的新兴技术,对教育具有方方面面的影响,特别是国务院于2017年印发的《新一代人工智能发展规划》提出,中小学应当设置相关人工智能课程,逐步推广建设人工智能学科,以适应智能化、信息化时代要求。因此,小学应开展系统性人工智能教育,培养小学生信息素养。
二、 小学人工智能教育概述
现阶段,人工智能教育出现一系列相关概念,包含智能教育、人工智能学科教育、人工智能教育、人工智能+教育、人工智能专题教育等,尽管此类概念在外延与内涵方面存在一定差异,但其内容指向性主要如下:通过人工智能专项教育,提高人的人工智能素质,指向人工智能学习层面,通过培养学生人工智能原理、知识、体验及实践技术,利用技术解决实际问题。该教育将人工智能作为教育教学形态,包含实施小学人工智能课程、全民人工智能科普、高等教育设置人工智能专业等,从而培养诸多拥有合作精神与创新能力的人工智能人才。
三、 小学人工智能教育教育现状
人工智能课程最初来源于英国20世纪80年代,以选修课模式出现,为学生简单介绍有关人工智能的知识。直至2013年开展全面教育改革,中国将原本信息技术课程修订完善为计算课程,教学目标也转变为培养学生计算机思维。并且,中国2003年启动中小学人工智能教育计划,通过多年发展,小学阶段人工智能教育课程,多为信息技术课程中应用人工智能教学内容,未能形成系列的人工智能教育课程。中国近几年认识到教育与人工智能融合重要性,进行规划布局,部分教师与学校也投入至人工智能课程教育中。人工智能课程作为涉及诸多领域的学科,尽管获得国家政策支持,进行大力发展推广,国内人工智能课程却仍有诸多不足,主要体现在以下方面。
(一)缺乏完整课程体系
无论是校本课程还是国家课程,人工智能教学均以其他课程为依托开展,使教师难以确定教学分量,教学目标不清晰。纵向而言,小学各学段之间教学内容缺乏紧密联系,不利于学生由浅至深、循序渐进学习技能知识,教师也无法有效把握学情,使得教学目标和效果存在较大落差。横向而言,教学内容碎片化,难以使学生构建知识体系。并且,学生人工智能“教材”,多为用户指南或产品说明书。
(二)重技能轻思维培养
小学阶段,人工智能教学无论是校外活动还是学校教育,均更为注重培养学生技能,对发展学生智能素养、计算思维则不够重视。以本质而言,人工智能教育主要是通过智能内容与技术,提高学生应用、理解与创新的课程,应培养学生数字化实践能力、计算思维、信息意识及信息社会责任,需在教育教学中渗透信息技术核心素养,不能仅停留于机器人拼装、编程技能等浅显内容。
四、 小学人工智能教育的教学设计
小学阶段开设人工智能教育,可培養学生创新意识与独立思考能力,对于发展学生解决问题能力、数学逻辑能力、自然语言能力及动手能力具有积极促进作用。现阶段,面临怎样系统化、科学化开展人工智能教育,将其融入至课堂,笔者以下将从教学目标和内容设计出发,探索构建人工智能教育框架。
(一)教学目标设计
以皮亚杰认知发展理论而言,小学阶段学生能够内化感知动作,且在具体内容支持下,能够实现简单抽象逻辑思维。人工智能教学设计,可从认知、理解、应用、实践、创新几方面出发,实现人工智能思维方式和课程培养目标的融合。
(二)课程内容设计
学生对知识接受能力、认知能力均有所不同,开设人工智能教育中,应当结合不同年级小学生的心理、思维逻辑等特点,以人工智能知识普及为基础,增强学生对人工智能的感悟,令其了解人工智能对学习、生活的影响及未来积极作用,掌握人工智能特点,进而调动学生探究热情。在课程安排中,可从以下方面出发。
1. 认识人工智能
海辛格提出,人们对创新存在“选择性认知”的情况,即个人对某创新存在需求,才会与创新信息主动接触,只有一个人了解创新存在,且对其具有一定认知与了解,方能产生创新需求。因此,人工智能教育中,学生初步与人工智能课程接触,应当以认识、了解为主,特别是小学低年级学生,大脑较为兴奋,难以长时间集中注意力,拥有发达的形象思维,却缺乏抽象思维。因此,此时可采取探究、合作方式,通过寓教于乐,让学生在游戏中进行新知识学习。例如,可根据“人机大战”故事,1997年图灵做出的“深蓝”智能击败国际象棋冠军,让学生初步认识人工智能,明确人工智能含义及发展历程。并且,教师可利用Logo语言,鼓励学生自由操控“小海龟”,了解自身行为造成的结果,增强认知;或是在现实生活中讲解智能小工具应用案例,感受人工智能为生活带来的便利。
2. 感悟人工智能
通过上阶段学习,学生对人工智能产生新的看法与认知,此时应引导学生构建正确学习目标,掌握有效学习方法,以此对自身时间合理安排。在感悟人工智能方面,可通过“看、听、说、想、动”的方式,让学生结合生活案例,了解机器怎样学会模仿人,体验人工智能用途。例如,机器学会“看”中,可举例“植物达人”App,通过拍照、扫描即可识别花草树木;机器学会“听”中,可举例AI翻译婴儿哭声,能够根据婴儿哭声对婴儿表达含义进行判断;机器会“说”“想”中,可举例智能语音助手,如Cortana、Alexa、Siri、谷歌智能助手,以此感受机器的“思考”“说话”;机器会“动”,可举例智能遥控小车、智能电视等。通过调动学生触觉、视觉与听觉,感受人工智能扮演的重要角色,学生能够感悟、认识人工智能,为后续学习奠定基础。
3. 尝试人工智能
小学人工智能教学课堂中,教师不能仅让学生单纯的进行感知与认识,还应当在体验与感悟中,培养其计算思维。课堂教学中,可引入Scratch编程等图形化编程软件,为学生渗透、启蒙算法及编程思想。教师引导学生利用简单的工具软件,创作自己的人工智能作品。如,可让学生编写“会说话的灯泡”任务,机器接收“开灯”指令后,即可亮起灯泡,且同时输出“灯已经为您打开”的语音;机器接收“关灯”指令后,即可关闭电灯,且同时输出“灯已经为您关闭”语音。通过简单地方式,让学生实现初步编程体验,感受创造与学习乐趣。
4. 实现人工智能
学生通过认识、感悟与体验的活动,已经亲身感受到人工智能的魅力,这时教师可进一步加强学生认知,结合学生特点,立足于人工智能某编程知识点,编程中巩固知识的同时,培养学生实践能力与创新思维,使学生了解图形化编程,设计较为复杂的人工智能作品,完成制作,培养学生计算思维。
五、 小学人工智能教育实施策略
(一)情景化教学
小学生受限于自身认知及个体差异,加上人工智能知识较为特殊,教师仅通过演示、讲授的方式,学生难以有效理解和掌握课程内容。因此,教师可采取创设情境的方式。人工智能本身为教师提供条件,可利用人工智能反哺课堂,增强学生学习体验,能够直观、形象了解人工智能技术。教师还可以采取游戏化角色、元素、模式,为学生提供更为有趣、丰富的内容,通过激励机制、增益策略等,实现多样化课堂教学,增强课堂趣味性。例如,在人工智能“火灾演练”主题教学中,可安排部分学生扮演消防员,部分学生扮演受困人员,模拟灭火救援行动,火灾情境创设应用了FPV、机器人车巡线等内容。该方法有效激发学生兴趣,增强其参与感,提高教学效果。
(二)跨学科交叉教学
人工智能主要是开发、研究用于扩展、模拟人的智能的方法、理论、技术、应用系统的新兴技术科学,涉及诸多学科,包含计算机科学、心理学、生物学等。通过跨学科教学,能够促进生物、数学等学科知识融入至人工智能知识。教师在此过程中,不仅需要借助其他学科知识,助力学生加深对人工智能的理解,还要利用跨学科思维,培养学生计算思维素养。通过跨学科整合,能够实现相关学科和人工智能的融合,采取项目课程教学模式,合理应用人工智能技术解决问题。例如,机器视觉教学中,教师可将机器视觉结合神经科学,以“人怎样看到事物”作为导入问题,类比为学生解释机器怎样“看到”周围事物。教师通过恰当教学设计,渗透人工智能技能、知识的同时,也能联系生活实际,使学生感受到人工智能价值。
六、 结语
综上所述,小学阶段设置人工智能课程,且将其纳入小学教育体系,对于培养人工智能人才及发展信息技术教育具有积极作用。因此,教师应当结合小学人工智能课程实际情况,通过合理的教学目標与课程内容设计,构建小学人工智能课程体系。教师课堂教学采取情景化教学、跨学科教学等教学方法,从而提高人工智能教学质量。
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作者简介:
薛宪立,福建省漳州市,漳浦县实验小学。