小学人工智能课程体系的构建与实践

文/ 深圳市仙桐实验小学 王仁宇

小学教育是基础教育的重要组成部分，在小学阶段进行人工智能启蒙教育对推动我国人工智能行业的普及化、专业化有重大的现实意义。因此，笔者所在的深圳市仙桐实验小学（下文简称“仙桐小学”）开展了相关研究，从人工智能教育的现状分析出发，构建了具有学校特色的人工智能课程体系，并通过实践验证了体系的有效性，以期为其他教育工作者开展小学阶段的人工智能教育提供借鉴与参考。

一、 我国人工智能教育的现状及问题

在国内基础教育资源区域发展失衡的背景下，小学阶段的人工智能教育发展存在着困难，主要包含以下方面。

1.课程设计片面

人工智能课程具有综合性强、知识跨学科的特点，设计时既需要宏观地进行系统性顶层规划，也需要考虑小学生的实际能力，满足普及人工智能知识的教学目标。

2.专业师资薄弱

科班出身的人工智能教师数量稀少，各校的人工智能课程一般是教师兼教。对教师来说，这是一项挑战，他们不仅要承担本学科的教学任务和日常的教务工作，还需要额外花精力去进修、研究人工智能相关课程。

3.教育普及不均衡

国家与各地政府相继发文后，各校陆续开展了人工智能课程，但大多数学校仅择优培养，忽略了对普通学生的普及教育。很多学生对人工智能并未有清晰的概念与理解，这与智能时代下国家的人才培养政策是相悖的。

二、人工智能课程体系的构建

1.人工智能课程体系的总培养目标

人工智能技术的推广促进人工智能时代的来临。2017 年以来，国务院、各省市发布了人工智能规划，人工智能教育的落实落地势在必行。通过人工智能教育，可以给孩子带来什么？

结合经验，仙桐小学明确培养目标：“将学生培养成为在未来的生活中具有解决问题的能力，拥有自主人生，能够时刻感受到幸福，能够自信迎接人工智能时代到来的21世纪技能人才。”

2.人工智能课程建设的理论依据

根据学校的实际情况，仙桐小学选用“布鲁纳的螺旋式课程理论”作为人工智能课程建设的理论依据。

“布鲁纳的螺旋式课程理论”认为课程的排列应采取螺旋式的形态，即在小学低年级到中学阶段的教学中，对于同一种基本概念，应采用螺旋式反复上升排列。第一次螺旋是属于动作的次元；第二次螺旋是属于形象的次元；第三次螺旋是属于符号的次元，螺旋随着学生年纪、阅历的增长，反复上升，帮助学生逐渐加深对知识的理解，最终熟练掌握。

小学低年段的人工智能课程不宜教授过深的知识，也不宜用单纯的简单机器人课程代替，这会导致学生无法衔接后续的高深内容。因此，仙桐小学站在宏观角度，采用了螺旋式课程理论。

3.人工智能课程开展的支持与保障

人工智能教育的顺利实施倚靠学校的支持，仙桐小学提供了全面的保障。

获得学校支持。校长及学校相关领导以学校顶层设计为指引，重视科技教育。以学校规划为抓手，绘制科创蓝图。全校合力支持人工智能教育活动的开展，并鼓励各科教师提供技术指导并参与其中。

组建创客团队。仙桐小学构建了优秀的创客教师团队，形成了学校智库。团队分工明确，科组长负责各项创客及人工智能活动，推广人工智能教育的普及；其他老师则分别负责自然教育、编程教育、影视作品创作、专业队比赛训练、创客活动的记录整理和宣传等工作。

建立创客教室。学校建立了集多功能区于一身的创客教室，为学生进行人工智能学习提供了专业化的场所。

丰富校企合作。当前企业机构在人工智能技术和教学资源方面有比较丰富的沉淀，加深企业与学校合作，能够有效帮助学校提高教育资源利用率和教学质量，助力学校加速人工智能教育课程的建设与实施。通过校企合作，能给学生提供丰富的课程和实践机会，更好地推动人工智能人才培养的发展。

4.人工智能课程体系的构建

第一梯度：年级普及化人工智能课程。

将学校的信息技术课程拆分成单双周，和信息技术老师研讨，将信息技术课程内容用半个学期的课时进行授课，另一半课时用来上人工智能普及化课程。每堂课都由专业的第三方人员进行授课，本校老师协同配合。

授课对象为三至六年级学生，依照小学生发展水平和本校学生实际接受能力，分层级设计授课内容。三年级学生主要利用诺宝机器人作为上课载体，让学生初步拥有图形化编程能力，并通过积木件的搭建锻炼学生动手能力，加强其空间思维等；四年级学生则利用优必选UKIT 套装作为上课载体，着重培养传感器的使用，利用主控和积木件的搭建，通过程序控制传感器，教授控制机械的方法；五年级将结合四年级积木件和AIBOX（人工智能主控） 普及人工智能的概念及python 编程，通过具象化任务学习如何赋予一台机器智慧和学习能力；六年级会完全依托AIBOX（人工智能主控）有意识地将图形化编程引导到python 的编程语言中，通过语言编程解决基本的控制问题。

每学年会根据授课内容和热点时事布置项目式任务并进行学习测评。

第二梯度：社团类人工智能教育课程。

社团课以每年级（3- 6 年级）开设一个年级社团为主，结合教材开展教学活动，并开设混合社团。无人机、3D 打印、创客马拉松等混合社团可跨年级招生。所有社团人数在25 人左右为宜，社团活动每周一次，时长以一小时为准。

由于三年级学生第一次接触该领域内容，所以社团开设基础的编程课，以图形化编程为主，力图打好基础；四年级学生的社团开设诺宝机器人深度课程，借此强化、巩固所学内容，并学习更加复杂的工程结构和编程方式；五年级学生的社团则开设UKIT 深度课程，教授更多传感器应用方法及创造新型作品；六年级学生的社团则开设python强化班，针对有基础和有能力的学生，主抓语言教学。

社团课程均由学校创客团队规划和设计并聘请专业的校外老师进行授课。

第三梯度：专业竞赛队人工智能训练。

每学年会有关于人工智能类的比赛，以赛事安排为准，组建临时专业队为宜，提前招募基础较好的学生进行高强度短期的集中竞赛训练。以教师指导为辅，学生实践训练为主，力图提升学生对竞赛相关的整体知识融合和实践应用的能力，激发创新挑战精神。赛后学生则回归正常的校园生活中。

三、 在实践中检验人工智能课程体系

1.人工智能课程体系第一梯度的实施

2020- 2021 学年下学期，仙桐小学正式开展人工智能普及化课程。在校领导的推动下，三年级的电脑课程进行了拆分。普及课程中，选用积木件和主控编程的内容进行授课。

2021 年9 月，仙桐实验小学加强推动人工智能普及化课程，将三、四年级的电脑课进行拆分。教师通过对人工智能基础内容的动手搭建和编程学习，培养了学生的空间思维能力、动手能力、编程思维能力、逻辑思维能力和团队合作能力，让学生对人工智能知识有了基础的认识。

经过一年的授课，全校学生对人工智能教育的接触增多，对人工智能的热情增加。

2.人工智能课程体系第二梯度的实施

开展3 个三至五年级专属社团课、1 个创客马拉松课程，以及相关社团课。（例如3D 打印笔、激光切割机、无人机等）每个社团人数在20- 25 人。

学校利用多种多样的社团课，向对人工智能课程有兴趣的学生提供了更深入的探究与学习机会，让学生的兴趣得以实现与发展，既拓宽了他们的知识面，也锻炼了他们的综合能力。

例如“，诺宝创客”社团面向四年级学生，以小组合作形式进行学习。该社团课程选用的器材，有丰富的传感器和结构积木件和易于学生提升逻辑的图形化编程，社团内容侧重于人工智能知识的理解和实践应用能力，引导式的教学方式让学生能够思考更多、探索更多，整体提升学生对人工智能的理解与综合运用能力。

3.人工智能课程体系第三梯度的实施

学校本着以赛促学的目的，提供了多种人工智能相关活动。

以“超变战场比赛队”为例，接到比赛通知后，经学校批准，通过教师推荐和社团选拔组成专项比赛训练队。每天下午四点至七点半开展高强度训练，选手先研读比赛规则、了解比赛内容，接着根据比赛任务搭建机器人，最后进行高强度模拟赛事训练，并在每次模拟赛后进行总结、改装、优化等。长久的训练换来的是获得胜利那一刻的荣耀，最终队员获得第36 届深圳市青少年科技创新大赛冠军，并直通国赛获得一等奖的好成绩。

经过五年来各种活动的锻炼，学生不仅在综合素质上得到了巨大的提升，也在各国家、省、市、区各类比赛中获得荣誉，展现自信。老师们也通过人工智能教育的活动，在专业领域上取得了不同的成就。学校更是成为学生学习先进科技知识的主阵地，整个学校科技氛围浓厚，积极组织学生参加相关活动，并连续三年在大创客节获优秀组织奖。