中小学教师人工智能教学能力提升探索

冯敬益 刘波 谢景明

摘   要

人工智能技术对国家的发展起到了重要作用。中小学阶段的人工智能教育可以为学生的信息素养打下良好的基础，然而师资力量面临着较大挑战。本文通过对中小学人工智能教育研究现状与问题的分析，从实施组织架构与培养模式两个角度出发，提出通过多主体协作来提高师资培养的组织实施能力，以成果为导向来解决师资水平参差不齐、学习时间难以统一的問题，并构建了“4+1”中小学人工智能教师培训内容体系。

关键词

人工智能  多主体  成果导向  师资培养

目前，我国中小学数量超过了20万所，中小学人工智能师资力量面临着较大的缺口。因此，解决当前师资不足的一个有效途径是培养现有的中小学信息技术教师。

一、中小学开展人工智能教育研究的现状与问题

1.国内外现状

2005年，美国学者Koehler和Mishra提出了整合技术的学科教学知识TPACK，整合技术的教师知识能力发展遵循相同的曲线，都包含认识、接受、适应、探索和进阶应用五个阶段，被认为是全新的教师知识能力结构框架，得到了全球学者的广泛关注，相关研究包括TPACK理论框架、TPACK测量和基于TPACK的教师信息技术应用能力培养实践等[1]。2018年5月，美国人工智能学会和CSTA联手成立并发布了面向所有孩子的“AI4K12”人工智能教育项目，其主要目标是制定类似于国家计算机教育的K-12人工智能国家指南，提出了人工智能基础教育的五大概念，分别是感知、表示、推理、学习、自然交互以及社会影响，其突出特点是既覆盖人工智能的主要技术领域，又能够让教育工作者与实际相结合开展人工智能的相关教学。其中，麻省理工学院的教师在美国中学面向中学生开展了为期一周半的人工智能伦理课程，并为4～6岁儿童提供了具有人工智能技术的机器人学习套件[2]。由联合国教科文组织与美国国际教育技术协会、思科、英特尔和微软等机构厂商协商制定了信息和通信技术能力框架ICTCFT，并定期更新。该框架规定了教师在专业实践中需融入的技术能力，以便在数字时代与学生一起形成批判性意识、知识和能力。该框架强调数字技术在以下六个关键知识领域的作用：理解教育中的信息通信技术、课程与评估、教学法、信息通信技术、组织与管理及教师专业学习[3]。

与国外先进国家相比，我国新一代人工智能教育的开展程度相差并不大，从中小学到高等院校都在积极探讨如何对学生有效开展人工智能教育。开展人工智能教育的形式有：国家课程及以“机器人教育”“创客教育”“STEM教育”“人工智能教育”等命名的校本课程和校内教育活动各类与信息技术教育相关的科技创新竞赛活动，和校外培训机构开展的编程、机器人、创客、STEM、无人机及人工智能等主题教育活动[4]。李志义提出解决中小学人工智能课程师资问题的方法是通过鼓励高校教师当兼职教师、在校老师培训提升以及高校开设培养面向中小学人工智能教育师资的专业[5]。

2.存在问题分析

第一，师资方面。人工智能科班出身的教师稀缺。现有的授课教师缺乏对人工智能学科知识体系的整体把握，不熟悉行业的应用技术，使得他们难以根据学生的学习特点来开展人工智能教学活动。第二，培训方面。现有的师资培训覆盖面不足，只有少部分的教师有机会参加人工智能技术的培训。在培训内容上，选取的内容较宽泛，聚焦的深度不够。第三，技术方面。人工智能技术发展快，涉及知识面广，理论与应用较为深奥，学习起来难度较大。要求教师掌握人工智能技术的要领，并将其消化传授给学生，具有较大的挑战性。第四，教学资源方面。现有直接用于授课的教学资源较少并且陈旧。教师需要花费大量的时间去查找资料、调试、验证与设计教案。第五，培训时间方面。中小学教师承担着学校的信息化课程授课，日常工作较为繁忙，难以抽出时间来接受长时间的脱岗培训。第六，基础方面。不同教师的学习基础不一样，将他们分在同一个短期的培训班中，教学效果难以取得兼顾和平衡。

因此，做好中小学教师人工智能教学能力提升工作，为他们提供系统的培训、技术支持以及教学资源服务，已成为急须解决的问题。

二、中小学教师人工智能教学能力提升方案

1.多主体协作的实施框架

针对目前中小学人工智能师资培训单一、组织效率不高等问题，本研究通过在实践中探索改进，提出了多主体协作开展中小学人工智能师资提升的实施框架，如图1所示。该框架自下而上，分为实施基础、实施主体和实施内容三部分。

下面对多主体协作的中小学人工智能师资提升实施框架的特点、各参与方所扮演的角色进行分析：

（1）打下扎实的实施基础

开展高质量的中小学人工智能师资培训是一项系统工程，需要发挥校、企、院、会等利益相关方的优势，进行任务合理的分工，为开展培训组织工作打下扎实的实施基础。各个主体的角色具体如下：市教育局发挥主管单位作用，提供政策、资金方面的支持;市教育研究院发挥理论研究强，管理全市中小学教研活动的优势，提供信息技术教学法支持;市教育学会发挥组织协调能力，提供业务与调研支持;企业发挥其掌握最新的人工智能应用技术的优势，提供一线企业人工智能技术应用案例与实验设备;中小学发挥作为基层单位负责具体实施的作用，积极输送教师参与培训，并在培训后对教师转化实施所学知识提供良好的条件;高校发挥人工智能学科研究与实践的优势，提供师资力量支持。

（2）创建协作多方的实施主体

在多方主体的支持下，成立一个能够协作多方的负责具体实施的主体，依托所创建的人工智能教育师资研训基地，共同推广人工智能教育在K12和中等职业教育中的开展，推进人工智能师资力量培养、人工智能科普教育、信息智能人才培养、人工智能教育研究和相关的职业技能鉴定等项目的开展。

（3）开展多样化的人工智能师资提升行动

搭建人工智能师资研训基地网站，发布相关通知，分享技术动态与教学资源。在人工智能师资培训上，做到常规化、制度化。开展的形式不只局限于单纯的人工智能技术培训，还开展人工智能教学方法研讨、教学资源开发等，多维度地为教师开展人工智能教学提供支持服务。

2.基于OBE的成果导向教育

美国学者Spady于1981年提出了以成果为导向的培养理念（Outcome based education，简称OBE）。经过多年的发展已经形成了成熟的理论体系，该理论成为了欧美发达国家主流的教学理念，为新工业革命背景下工程教育追求卓越指明了方向[6]。成果导向教育允许学习者在统一的培养模式中，遵照能力本位，按照其各自的差异性开展个性化的学习。教师能够较好地掌握学习者不同的个体学习状态，及时调整教学活动，采用不同的方式方法让学习者达到“成功”，并进一步促进他们更加成功地开展学习。这种模式非常适合中小学教师学习基础差异较大，学习时间难以统一的情况。

根据成果导向的“反向设计”理论，从中小学人工智能教师需求出发确定培养目标，由培养目标确定培养培训内容体系，然后确定教学策略和学习评价。

（1）确定培养目标

根据人工智能技术的发展及国家对中小学生人工智能能力的要求，梳理出中小学人工智能教师的培养目标为：具有一定的人工智能基本理论知识，能够应用主流工具开发简易的图像、语音、语义等人工智能应用，能够设计符合中小学生学习特点的体验化人工智能教案。考虑到中小学人工智能教师的角色要求是只需懂得中小学层次的人工智能教育，并不需要达到人工智能程序员或者研究者的程度，因此这里的“简易”是指能够体现出人工智能技术特征的简单应用，区别于专业公司开发的人工智能应用产品。

（2）构建培训内容体系

构建“4+1”培训内容体系，以达成学习成果。每个培训单元应能映射到培养目标的能力。图2所设计的中小学人工智能教师培训内容体系得到5大学习成果，其中纵向1至4的学习成果体现了由初级到高级的阶段，在横向1至4的每个学习成果达成后，都应在该学习成果基础之上，能够进一步达到学习成果5，即能够设计对应的符合中小学生学习特点的人工智能教案。要求教案内容直观，体现较强的互动性，内容容易被理解和易于被体验。

（3）确定教学策略

根据“4+1”中小学人工智能教师培训内容体系，按照教学内容、专题、难度等分期组织不同的培训班开展培训。每个培训班都有具体的学习目标。将学员的学习过程划分为不同的阶段，学员可以根据自己的能力情况选择不同的培训，从而使得他们可以利用不同的时间参加不同的培训班，但最终都能具有相同的相应层次的人工智能教学能力。教学方式分“线上+线下”的混合方式。采用“以学生为中心的”培养模式，教学案例应具有分层性、递进性，由浅入深。

（4）培训效果评价

与传统的只关注学习时间、学习内容和学习方式不同，培训效果评价聚集在中小学教师的学习成果上。与中小学教师个人的历史学习进步情况做对比，评价其达成的人工智能教学能力内涵。根据掌握程度，给予不熟练、优秀等评定等级。

三、实施效果

本文从多主体协作、以成果为导向两个角度出发，提出了一种面向中小学人工智能师资培养的模式，并在实践应用中证明了能够较好地提高中小学人工智能师资培养的效率。它的特点和优势如下：

（1）多主体协作开展培训组织工作

改变了传统单一的实施主体力量不足，培训覆盖面不够，培养手段单一的缺点。将中小学教师人工智能培训有关的各方力量组织起来，形成合力。发布了鼓励中小学教师接受培训的政策文件，使得培训具有持续性和系统性，受益群体更广。

（2）以成果为导向开展培训实施工作

明确了中小学教师的人工智能培养目标和学习成果，建立了系统化的以“学习者为中心”的培养模式，设计了分层的培训内容体系，有效地解决了中小学教师基础不同，学习时间不同的难点问题。

参考文献

[1] 徐鹏.人工智能时代的教师专业发展——访美国俄勒冈州立大学玛格丽特·尼斯教授[J].开放教育研究，2019，25（04）：4-9.

[2] 秦建军，杨芳.美国人工智能基础教育国家导则编制及启示[J].中小学信息技术教育，2019（09）：75-79.

[3] 王佑镁，宛平，赵文竹，柳晨晨.科技向善：国际“人工智能+教育”发展新路向——解读《教育中的人工智能：可持续发展的机遇和挑战》[J].开放教育研究.2019，25（05）：23-32.

[4] 王振强.中小学人工智能教育现状问题与思考[J].中国现代教育装备，2019（22）：1-5.

[5] 肖高丽，梁文明.中小学实施人工智能课程的意义、挑战与对策[J].教学与管理，2018（22）：70-72.

[6] 李志义，朱泓，刘志军，等.用成果导向教育理念引导高等工程教育教学改革[J].高等工程教育研究，2014（02）：29-34.

[作者：馮敬益（1978-），男，广东广州人，广州市信息工程职业学校软件与信息技术专业，高级讲师，硕士;刘波（1968-），男，湖北钟祥人，华南师范大学计算机学院，教授，博士;谢景明（1977-），男，广东湛江人，广州番禺职业技术学院信息工程学院，副教授，博士;黄宇光（1967-），男，广东广州人，广州市信息工程职业学校，高级讲师。]

【责任编辑  武磊磊】