中小学人工智能创新教学模式的应用研究

徐启发?刘峡壁?李海花

摘要：本文从目前中小学人工智能教学存在的问题入手，创造性地提出了中小学人工智能创新教学模式，并构建完整的创新课程体系，包括人工智能入门、人工智能创新思维和人工智能创新实践三门课程，这三门课程互为支撑、层层递进、由浅入深地培养学生的人工智能素养和必备技能。同时，文章详细阐述了创新教学模式特色、课程设计原则、课程实施过程、课程评价方法以及课程实施效果。

关键词：人工智能；创新教学；教学模式；六大途径；应用研究

基金项目：文章系中国教育技术协会“十四五”规划专项课题《人工智能与教育》（课题批准号：XHZXKT2022028）的研究成果。

徐启发（1978.06-），男，汉族，河北雄安新区，教育硕士，高级教师，研究方向：现代教育技术。

一、引言

人工智能作为未来社会核心竞争力之一，中小学人工智能教育也显得非常重要，许多学校都在努力尝试开展人工智能课程，希望能够帮助学生做好面对未来的准备，但目前中小学人工智能教育水平参差不齐，导致很多学生对人工智能教学的渴求得不到满足。

（一）急需能够调动学习热情的教学方式

很多学校和机构的人工智能教学还在延续之前固有的“重理论、轻实践”的教学模式，认为只有对理论讲深、讲厚，才能让学生了解到原汁原味的人工智能；又或者是采用“实践替代理论”的方式，导致学生只会动手，不知道操作的具体含义。这些方式都很难满足学生对人工智能的渴望，学生急需能够充分激发他们学习热情的教学方式。

（二）急需重视人工智能基础的教学模式

虽然很多学校和机构都有开设中小学人工智能课或社团活动，但是很多人工智能课程在思想方法上存在一些问题，比如有的人工智能课程“唯程序论”，把让学生习得编程的能力作为人工智能的核心素养，偏离了人工智能教学的本质；有的人工智能课程“唯算法论”，把算法当成人工智能教學的重中之重，并让学生反复的学习，殊不知过难的算法阻挡了学生从理论走向实践的大门，让他们望而生畏；还有的人工智能课程虽然没有把编程作为主要内容，但是陷入“唯实践论”的怪圈，还停留在满足让学生知晓传感器和执行器使用的范畴，因此也不能很好地诠释什么是人工智能。例如，有的课程直接讲解神经网络技术，未能充分地讲解神经网络先导内容，学生只能零基础学习，导致学习效果并不好。那么，到底人工智能教育应该如何进行？有专家认为，人工智能教育应该专注于人工智能核心理念的建构，而非编程、机器人等外围相关知识与技能，也不是人脸识别、语音识别、自动驾驶等相关应用。

所以，在教学过程中，应当将人工智能的机器学习、神经网络、符号智能、行为智能、群智能、进化计算等六大技术途径作为基础并精讲，为学生由浅入深地学习创新思维和创新实践打下基础。

（三）急需探究学习人工智能创新思维的教学模式

有些人工智能课程只重视理论内容的讲解，或者偶尔穿插一些动手实践内容，但是学生通过人工智能课程到底学到了什么？是否学到人工智能创新的思维方法？当他们遇到生活或者学习中的难题，是否能够应用人工智能解决？北京师范大学黄荣怀教授认为，学校教育强调和培养主要是分析性智力，对创造性智力和实践性智力的重视还远远不够，因此，学校急需探寻和学习人工智能的创新思维方法。

（四）急需探究学习人工智能创新实践的教学模式

有些人工智能课程只是讲解人工智能的相关理论，更有甚者把人工智能算法和复杂的程序作为人工智能的法宝，然而“唯程序论”“唯算法论”等都是有偏颇的。除人工智能基础知识和创新思维外，人工智能课程需要新的学习方式和新的教学模式，才能充分激发学生的学习兴趣，培养学生的创新思维和创新实践能力，所以，人工智能创新教学模式也是新时代人工智能人才培养模式改革的必然需求。

二、人工智能创新教学模式

何谓教学模式？本研究认为教学模式的关键要素有三个，一是需要教学思想或教学理论的支持，只有建立在强大的教学理论下或者受到教学思想指导，才有可能成为好的教学模式，这是根源性要素；二是强调结构的稳定性，临时的教学策略或者教学活动都不可能成为教学模式，缺乏必要的稳定性；三是强调活动结构框架和活动程序，从框架可以看到稳定结构的模型，从程序可以看到教学活动的时序。

为了能够实现第一节所述人工智能教学上的需求，本文对人工智能创新教学模式进行了设计和实践。如前所述，学习人工智能重在对人工智能六大核心技术路径和应用的理解，不能光讲编程，不然会把学生引入一个人工智能编程化的误区；也不能光讲硬件搭建，会给学生造成人工智能就是传感器、执行器等传统机器人技术的错觉；动手是必然的，但是一味地动手，会错失对人工智能核心内容的理解。综上，有合理架构的人工智能课程体系显得尤为重要。

（一）创新课程体系的构成

如何构建并优化人工智能创新课程体系，让更多学生享受到提高创新思维和创新实践能力的乐趣，这是人工智能教学需要探索的问题。文章认为，中小学人工智能课程体系应该至少由三类课程组成：一是人工智能基础知识的课程，能够引领学生入门，让学生了解完整的人工智能概念和六大核心技术途径；二是人工智能创新思维课程，让学生学会创新的方法和途径；三是结合人工智能基础和创新思维完成项目的创新实践类课程。于是，文章构建出《人工智能入门基础》《人工智能创新思维》《人工智能创新实践》三门课程，从根本上保证了学生能够习得人工智能基础知识、探寻创新思维方法和培养创新实践能力，作为基于探究学习活动的人工智能创新教学模式，在实际教学中取得了较好的效果。

《人工智能入门基础》课程主要为不同学段学生讲解可掌握的基础人工智能知识，让学生对人工智能以及六大技术途径有适合自己年龄段的认知。《人工智能创新思维》课程使学生获得能够利用人工智能技术解决实际问题的思维模式与基本技能，陶冶其科研素养，培养其创新意识与能力。《人工智能创新实践》课程以综合实践来驱动AI教育过程，推动学生们体验或完成一项或多项具体的人工智能应用，在这一过程中不仅了解智能应用的表象，更知道其背后的人工智能思维方式与技术要点。

由此可见，三门课程由浅入深，层层递进，环环相扣，能有效培养学生掌握专业人工智能知识、运用知识的能力，并将人工智能创新意识与实践技能作为核心学习目标。

（二）创新课程之间的关系

《人工智能入门基础》《人工智能创新思维》《人工智能创新实践》三门课程是相辅相成、互相支撑、层层递进的关系。首先，人工智能入门是根基，能够让学生了解鲜活生动的人工智能基础知识体系，比如通过小时候困惑已久阿里巴巴语音开门的故事，揭秘语音识别原理的奥秘；通过观看世界围棋人机大战引发对符号智能的思考和学习；通过生物进化与繁衍了解进化计算等等。人工智能的一切知识都非常生动有趣，有了这些基础以后，学生们才能进阶到关注人工智能思维方法的层面。

如何应用这些人工智能基础知识进行创新设计是学生在第二层次需要特别关注的问题，可以在该阶段模拟人工智能创新的经典案例，综合应用之前学到的各种基础知识，并动手体验人工智能创新的思维方法与过程，获得相应的创新意识与能力。

有了这些意识与能力之后，学生进入到第三层次——创新实践。在该阶段，学生确定自己的创新问题，设计创新方案，做出实物或系统，最后完成项目实践。通过三个环环相扣的创新课程体系培养，不仅可以提高学生创新思维，还能提升人工智能素养以及创新实践能力。

（三）人工智能创新教学模式的特色

人工智能创新教学模式有以下几个方面的特色：

第一方面，采用双师模式。双师即课程由两名教师负责，主讲教师负责教学内容、知识的讲解和实践指导，而助教老师负责准备人工智能实验物品和解答学生的疑惑。当有学生没有完全掌握主讲教师的内容时，助教老师会细心地帮助他们，直到学生学会为止，助教老师还可以在实践环节引导学生动手操作，帮助学生快速提升操作技能。

第二方面，采用项目式教学。每名学生带着项目深入学习人工智能知识，通过真实项目检验自己的创新思维能力和创新实践动手能力。

第三方面，采用教练式指导。课程的双师模式为学生提供教练式学习环境，可以快速响应学生遇到的各种理论问题和实践操作中的动手问题，实践表明，教练式指导是快速提高学生人工智能技能的重要途径。

第四方面，为学生创建丰富脚手架，搭建学习环境。课程建构丰富的学习情境，搭建大量脚手架，为学生从入门基础到创新思维，再到创新实践，一步步深入了解人工智能。

（四）人工智能创新课程设计原则

1.遵循新奇有趣的原則

课程的每一个环节应当能够充分激发学生的创新思维和动手创新实践的欲望，课程素材尽量选用贴近生活、学生容易理解的实例。例如在讲语音识别时，可以将小时候芝麻开门童话故事引入到教学情境中，在充分地分析后，带领学生模拟制作出一扇语音控制门，从而降低人工智能学习的难度。

2.遵循实用、多模态的原则

分析和选取贴近生活的实用案例，给学生建构有利于创新思维的情景，促使学生形成多模态创新思维。例如，学生在学习完人脸识别背后的机器学习和人工神经网络后，会有进一步的创新思想。有的同学们认为，既然摄像头可以通过机器学习训练，也可以通过神经网络分类识别出不同人脸，那么一定也可以识别出不同的垃圾，所以他们设计出基于机器学习和神经网络的垃圾分类系统。

3.遵循情境性、可探究性、价值性的原则

课程设计要遵循建构主义原则，为学生创建良好的探究情境，该情境应当同时具备可探究性和价值性，使学生能在真实问题情境中去探究，就像做探险游戏一样真切且充满强烈的好奇心和探究欲，体验项目探究的趣味性和成就感。

三、人工智能创新课程实施的过程

上述人工智能创新教学模式重要特色之一是基于PBL项目设计，并且项目设计贯穿于整个人工创新教学过程中。例如，教师为学生预设一组人工智能探究学习活动项目主题，可以借助聊天机器人、智能小车和自主机器人三种教具分别设置不同的主题，每种主题又按照不同的难度分为基础系列、智慧系列和创新系列，基础系列应当满足学习科学原理的需要，智慧系列是在了解科学原理的基础上进行智慧应用，创新系列是在掌握科学原理、真实项目应用的基础上进行创新探究，从而可以达到参加科创比赛等科技比赛的程度。

（一）精心设计、建构环境

学生的创新环境非常重要，有什么样的创新环境就有什么样的学习成果，作为教师，要积极努力为学生创设好的创新环境。比如在讲解图像识别内容时，可以选用搭载摄像头的智能小车，智能小车通过人脸识别认证后，不仅可以通过语音识别控制，还可以通过手势控制小车的行进、后退和左、右转弯，以此给学生搭建一个激发创新思维的环境，从而激发学生的学习兴趣。

（二）集思广益、汇聚创意

好的创意需要集思广益，再汇聚成有独特见解的产品创意，同学们可以说出自己对于项目的理解，并利用发散思维和聚合思维把创新想法凝练成最终的创意。

（三）角色适配、发挥专长

学生可以挑选自己喜欢的工作类型，既可以成为软件工程师或硬件工程师，也可以成为文档工程师或者是产品工程师，让每位同学都能在项目组里充分发挥自己的特长，为项目出力。

（四）活动探究、工程设计

好的创新想法后要用工程思维来解决。以制作语音识别和图像识别智能小车为例，学生首先按照安装说明书安装智能小车的硬件，再通过USB连接电脑，进入编程界面，然后在编程界面写入智能小车相应的语音识别指令和图像识别指令。每一个制作细节都能充分体现出学生的人工智能创新思维、工程思维。

（五）反复迭代、优化产品

创新产品制作出来后，学生发现产品可能并不完美，比如轮子装反、摄像头的位置不够精准、线路出现虚接、智能小车时走时停等各种问题；又或者程序不够优化，导致本来应该在1秒内响应的程序，延迟了5、6秒才做回馈，这都是人工智能研究组的学生需要着重研究的问题。好的人工智能探究作品，需要反复地迭代、反复优化和更新，而学生在探究创新产品制作的过程中，也极大地锻炼了自己的创新思维和创新实践能力。

（六）分享成果、优化思维

学生把作品分享出来，集中大家的智慧共同分析作品的优点和缺点，在交流和评论中进一步增强动手制作能力，优化工程思维，提升人工智能素养，并积累丰富的经验。

四、创新课程的评价方法

人工智能创新教学模式的评价方法有很多种，由于人工智能教学有综合理论学习和人工智能项目制作，具有一定的特殊性，所以不宜采用单一的评价方法，而要包括表现性评价、过程性评价和发展性评价。表现性评价主要看学生是否具备相应的创新思维，并能将创新思维应用到学习和生活中形成人工智能项目作品；是否在各项人工智能比赛上取得了一定的成绩；是否在学校的科技节上展示或展演过人工智能作品。过程性评价主要看学生在项目完成过程中的表现。发展性评价要注意评价目标、评价主体、评价内容、评价方式的多元化，以更加契合学生的个性发展和全面发展。

五、结束语

通过为人工智能课程体系建立创新基础、创新实践和创新应用这三门不同特色课程，并将不同项目的主题按照难度分为基础系列、智慧系列和创新系列，吸引学生进行深入探究，从而进一步夯实学生的基础，极大地提升学生的人工智能素养。

作者单位：徐启发 北京市丰台区怡海中学

刘峡壁 北京理工大学

李海花 北京市第六十五中学

参  考  文  献

[1]刘峡壁，陈文香，李海花，等.高中人工智能普及课程的设计与教学实施[J].中小学数字化教学，2022（01）：66-69.

[2]黄荣怀，刘晓琳.创客教育与学生创新能力培养[J].现代教育技术，2016，26（04）：12-19.