小学阶段开设人工智能教育的教学设计研究

福建省漳浦县实验小学 许遵照

一、研究背景

近年来，素质教育的深入发展为我国中小学教学改革创新带来了巨大机遇。在人工智能这一大环境下，小学阶段开设人工智能教育成为更好地培养学生创新动手能力的一种重要渠道。我校是教育信息化2.0行动计划漳州市市级示范校，经过学校研究，确定以“小学阶段开设人工智能教育的教学设计研究”为研究课题，努力从学生认知发展的视角提出对小学人工智能课程内容建设的一些想法，编制独具特色的校本教材。

二、概念界定

人工智能作为新时期现代化发展的技术产物，是研究开发并且用于进一步拓展和延伸人类智能的方法体系，也是新时期一种新兴的科学技术，更是计算机科学的重点分支。人工智能技术已经兴起，其目的是更好地了解智能化的实质，并且希望能够产生一种与人类智能相似的方式做出反应的智能型机器，在人工智能领域中侧重于对机器人语言识别、图像识别等方面的研究和自然语言处理。

三、研究主题

小学阶段是知识启蒙的关键阶段，通过一系列基础知识的学习不断增加其知识积累量。随着知识的日益累积，不断地提高学生对于知识的基础和认知能力，因此在小学阶段开设人工智能课程，可以在关键的启蒙时期让学生提前了解人工智能这项新兴事物。学习的目的在于感悟，启发学生对于人工智能的认知，并激发探索创新的精神，让学生感悟人工智能的出现对于日常生活、学习所带来的影响，从而更好地提高学生参与人工智能学习的积极性和主动性。

四、研究缘由

为了深入贯彻科教兴国、人才强国战略，国家提出要举全国之力抢占全球人工智能的制高点。在国务院下发的《新一代人工智能发展规划》中明确提出，世界主要发达国家将人工智能视为目前最大的发展战略之一，力求在新一轮的国际竞争中掌握主导权，而我国也务必要通过大力发展人工智能来提高综合国防实力，维护国家安全。与此同时，要借助人工智能壮大智能产业，培育智能经济，为我国未来几十年经济繁荣创造一个新的增长周期，带动国家竞争力整体提升和跨越式发展。这一环境下，人工智能教育从娃娃抓起，逐渐成为广大教育工作者的共识。小学阶段是人工智能教育的重要启蒙时期，教师教什么、怎么教，学生学什么、如何学，成为许多小学教育工作者要考虑的重要问题。在这个过程中，中国教育科学院的研究员表示，在小学阶段加强人工智能教育，其目的是让儿童在启蒙阶段加强对于这类新兴事物的了解，并培养一种亲近感，更有利于使全民投入人工智能普及学习中。从而更好地培养小学生对于人工智能这一新兴事物的认知观念，并且调动学生的主观能动性和研究的积极性，更好地投入人工智能的学习中，还要对一些有着明确特殊兴趣与能力的小学生给予相应的帮助，挖掘这些学生在人工智能领域的更大潜力。

五、研究目的

基于认知的角度，在小学阶段开设人工智能教育的目的是更好地培养学生的听说读写与人工智能产品的体验，加强学生对人工智能的认知和感悟。基于理解的角度，可以通过一系列具有趣味性的活动和游戏，加深学生对于人工智能的了解和感悟，并且对于人工智能产品背后的原理产生一定的看法。基于应用的角度，学生通过具体的与人工智能体验互动，可以自由与智能工具交流，利用智能工具改变传统的学习和生活方式。基于实践的角度，学生进行深层次的编程学习，不断地培养自身的创新意识、计算思维及动手能力。基于创新的角度，通过对人工智能技术完整的学习，学生能够在不断了解人工智能原理的基础上，更好地投入创新设计的学习中。

六、研究方法

（一）分析归纳法

通过分析和查阅各种文献资料，总结研究内容，归纳国内外人工智能发展现状及课程开设的做法，为课题研究提供必要的研究基础。

（二）调查研究法

调查“小学阶段开设人工智能教育的教学设计”的现状，为课题研究提供依据。设计调查问卷、整理统计数据、整合研究观点。例如，运用调查研究法对小学人工智能教育教师“应用情况”方面进行调查和分析，丰富第一手材料，为课题研究提供充足依据。

（三）经验总结法

通过探索、反思、创新及成果推广，根据课题研究计划进行了分析概括，揭示了小学人工智能教育在教学设计应用方面存在的情况，使之提升到教育理论高度，促进感性认识到理性认识的转化，最终形成比较科学的、系统的、行之有效的教育经验与理论。依照实际研究提供的事实，研究相关现象和经验，在理论指导下完善实践。

七、研究解决的问题

（一）认识人工智能

通过人工智能故事使学生认识人工智能，懂得什么是人工智能。例如，通过讲述“人机大战”的故事，让学生感受人工智能。或通过现实生活中应用智能小工具的案例，让学生感受科技的进步及人工智能给人们生活所带来的改变。

（二）感悟人工智能

感悟人工智能可以从五个方面进行，每个方面可以对应生活中实际应用的案例。怎样让机器学会“看、听、说、想、动”，学会模仿人，使学生体验到人工智能的用途，可以通过使用各种人工智能产品来实现。

（三）尝试人工智能

小学阶段引入人工智能教学的目的不是单纯让学生进行体验感知，而是希望在学生与人工智能接触的过程中形成创新性思维，开阔学生的眼界，培养学生的计算能力，从而以相对简单的图形化编程工具来完成具有智能性的作品。

（四）实现人工智能

结合学生的认知特点，学生在编程过程中，一方面要巩固所学的人工智能知识，另一方面要培养学生的计算思维及实践能力。通过图形化编程，培养小学生的计算思维，设计完成较复杂的人工智能作品。

八、研究过程

（一）准备阶段（2020年6月—2020年12月）

做好论证、研讨和课题研究方案的拟定工作，开展课题实验前测活动，做好设备配置及条件创建工作和实验人员培训工作。

1.成立课题研究小组，研究制定课题研究方案。

2.小组成员集中培训，以加强理论知识，更加明确地认识研究意义和研究目的，能够对研究方法有效掌握。

3.提前拟好方案以便后续研究，做好申报工作及立项，保证研究步骤的顺利进行。

4.完善并确定课题研究的实施步骤方案。

5.召开开题报告会，每个小组成员参与讨论，根据报告和讨论结果修改课题方案。

（二）实施阶段（2021年1月—2022年3月）

这是课题研究的重要阶段，结合“小学阶段开设人工智能教育的教学设计研究”活动开展，重点探讨小学人工智能教育教学设计研究的实施途径和方法。采取有分有合的形式开展实践活动与研讨交流工作，做到学期有研讨活动，学年有总结交流，开展中期评估工作，形成课题中期研究报告。

1.课题研究有专家领导的指导，以便论证和修正课题，有效促进人工智能教育研究工作的开展，提高本研究课题的影响。

2.探索小学阶段开设人工智能教育教学设计的研究方法。

3.及时进行课题研讨活动，课题组成员在研讨活动中进行研究活动，发现实际操作中存在的问题，彼此交流吸收。

4.举行一次中期研究成果报告会，初步形成校本教材样本。

5.报告会完成后进行论文撰写，对研究结果进行总结展示。6.进一步分析数据，收集阶段性研究成果。7.撰写中期报告，进行课题调整。

（三）总结阶段（2022年4月—2022年5月）

课题组将各种材料汇总，通过分析、研讨、交流和总结等活动，形成本课题的研究总报告、检测报告、结题报告。

九、研究结果

从整体来看，本次教学设计达到了预期的效果，学生对于人工智能抱有极大的热情和参与度，且积极性较强。在教学过程中，教师始终遵循以学生为本，这一思想在基于人工智能教育教学过程中，力求让更多小学生在一种轻松愉悦的氛围下获得更多人工智能的相关知识。通过讲解一些基础原理，配合多媒体技术和游戏环节，激发学生的创新意识。在分析、讨论、总结的过程中，能够引导更多小学生以客观的态度来看待技术发展的两面性，并合理应用技术。虽然本课程开设时间不长，但是在课堂上仍然能有近90%以上的学生积极认真参与，并且学习热情十分高涨，所以无论从学生课堂的状态还是课后的反馈均能够看出，对于人工智能教育这一课程，学生的收获颇深。

十、问题与思考

本次小学人工智能教育教学设计过程中，仍然存在以下几点问题。第一点是在开展教学设计时过于注重知识技能的模仿，但对于计算思维方面的培养没能给予更多的关注。人工智能是一门极具实践性和综合性的课程，无论出发点和归宿点都不是对于知识技能的模仿，而是培养学生的创新思维能力。课程之初由于经验有限，教师对于小学人工智能教育更加侧重于知识技能的教学，但在教学过程中发现这种方式无法更好地培养学生的计算思维和设计创新能力。第二点是更加侧重于零散项目的开发，却忽视了系统的设计。我国人工智能教育尽管提出了中小学设置人工智能课程的要求，教育却主要以创客课程、STEM课程、信息技术课程为主，缺乏完善、统一的人工智能课程标准。课程中人工智能多为选修或拓展模块，为学生个性塑造内容，内容碎片化。人工智能教育的基础知识在课程开设过程中，以编程课程、创客课程、机器人课程等一系列为载体，但如果缺少成熟完善的系统设计，单独进行零散的项目开发，会使得整个教育过程缺少目标主导，甚至增加学生学习的障碍。第三点是过于注重高大上技术的教育教学，却忽视了学生兴趣的培养。人工智能作为一项新兴的事物，将其引入小学教育中无疑是一次全新的尝试，而一些课程内容相对深奥，忽视了学生兴趣的培养，难以激发学生对于人工智能教育的热情。

针对上述存在的问题，教师对小学人工智能教育教学进行了及时的更正和扭转，并制定了以下几方面的优化策略。首先，注重学生计算思维和创新方面的培养，并且挖掘更多的学科育人价值。教师转变了以往过于侧重知识点讲解的模式，引导学生加深对于人工智能方面的理解，以及创新科学性思维的培养。在课程设置中，体现出立德树人、五育并举的导向，在内容的设置上增添了更多引导学生动手实践的环节，与国家人才培养的战略相吻合。并适当地融入了学科教育，强调知识结构与学科之间的融合，使人工智能教育开展结合学生的生活实际，以学生为中心。其次，构建了系统性的人工智能教育设计体系，并且契合学生当前的认知水平。人工智能是一门前沿学科，应用到小学阶段中会存在一定的难度，而为了转变以往侧重于部分零散项目的研究，却忽视了整体引导这一局面。小学教育工作者充分考虑到学生当前的身心发展情况，挑选了内容适中、深度广度合理的内容，并且使人工智能的课程编排做到由易到难，由感性到理性，由模仿到创新。小学人工智能教育涉及人工智能发展历程、基本概念、算法程序、主要流派、关键技术等。为了使小学生能够接受系统人工智能教育，课程应当结合人工智能知识与学生知识背景，对课程内容合理规划，以这种循序渐进的方式不断激发学生的参与积极性，并且保证课程内容之间的衔接处于螺旋上升的状态，逐渐激发学生更大的学习热情。最后，开设人工智能教学的过程中，由于小学生活泼好动，并且对于一切新鲜事物处于关键的启蒙时期，因此教师在开展人工智能教育的过程中，先从学生的兴趣爱好方面入手，以直接感知和体验来开展后续的人工智能教育。学校可以建设智慧教室、智慧图书馆，将个性化推荐、精确诊断等融入学生日常生活与学习中，培养学生对人工智能的亲近感与兴趣。教师可以创设学生喜闻乐见的游戏环节导入和问题设置的方式，引导学生更好地参与人工智能的学习，将基础的人工智能知识与学生的日常生活相结合，激发学生更大的学习热情。