中小學人工智能教育怎么教

——以《深圳市義務教育人工智能課程綱要（修訂版）》為例

文_萬　珺1　林小紅1　謝作如2　鐘柏昌1*

（1. 華南師范大學教育信息技術學院；2. 溫州市科技高級中學；*通訊作者）

上篇丨

教學資源與工具的選用

人工智能教育的開展，既需要合適的教學模式與方法指引，也離不開豐富的資源支持。教學資源是一切可以用于教育、教學的條件，包括物質、自然、社會及媒體條件，是教學材料與信息的來源?！镀胀ǜ咧行畔⒓夹g課程標準（2017年版2020年修訂）》明確指出，要配備數(shù)量合理、配置適當?shù)膶嶒炘O備，建設適應教學需要的數(shù)字化教學資源[9]。《綱要》將資源細分為3個維度，分別是教學資源、平臺資源和空間資源。

人工智能課程教學資源主要包含教師教學材料、學生學習材料和實踐課程軟硬件環(huán)境等。教師教學材料、學生學習材料是師生進行教學和學習的基礎，通過這些教學材料，師生得以了解人工智能課程的最新要求與動態(tài)，并由此展開教學；實踐課程軟硬件環(huán)境是人工智能課程實施的依托，學生通過體驗與實操，才能真正通達人工智能教育的核心。

必要的智能化教學平臺是人工智能課程實施的基礎保障，學生可在平臺上查找資源、模擬訓練等。學?？山Y合自身條件與實際教學需求，配備計算機、軟件等基礎網(wǎng)絡設施，以及人工智能智慧教育平臺，例如虛擬仿真實驗室、機器學習自定義模型訓練平臺、人工智能編程平臺等，以滿足個性化教學、項目式學習等需求。

空間資源的開發(fā)也是重點，人工智能實驗室建設是人工智能實踐課程建設的重要組成部分，應分區(qū)布置，使之功能明晰、規(guī)整有序，一般應包括配備互動白板、投影設備等的教學區(qū)，布局適宜、資源豐富的學習區(qū)，配備常用設備、工具和人工智能開發(fā)板等的工作坊區(qū)，并設立設備儲存柜、貨架和抽屜等的設備存放區(qū)。

中小學人工智能教育可劃分為體驗級、理解級、應用級、綜合級[10]，每個層級的目標與要求是逐層深入的，對應使用的人工智能教學資源與工具也會有所不同，教師可根據(jù)不同學段進行對應設計與選用。

第一學段（1—2年級）：游戲化、互動性資源

此學段的學生處于認識數(shù)字與培養(yǎng)數(shù)感的初級階段，人工智能的知識儲備較為薄弱，關鍵是激發(fā)學生學習人工智能的興趣，建立學生對人工智能的初步認知；不宜涉及較為抽象的人工智能技術基礎、機器學習與深度學習模塊相關內容，所以未對應任一層級。

教師要充分考慮學生當前階段的活動經(jīng)驗和生活經(jīng)驗，選用以游戲化和互動性為主要特點、以故事和動畫為載體的教學資源，介紹人工智能的含義和基本特征，激發(fā)學生對人工智能的興趣。例如，教師可在學習區(qū)放置各類學習資源，展示案例，引導學生通過智能語音助手收聽寓言故事、查詢天氣預報等，并幫助學生與之進行交互活動，感受人工智能，體會人工智能給生活帶來的便利；可在教學區(qū)組織學生通過白板、電腦等設備分享交流對身邊人工智能應用案例的觀察記錄，以觀察日志、視頻解說、繪畫創(chuàng)作等表達方式探討人工智能對生活、社會的影響，深化學生對人工智能的認識。

第二學段（3—4年級）：人工智能仿真平臺和智能傳感器

3—4年級的學生認知發(fā)展處于具象思維階段，已經(jīng)具備一定的動手能力，所以對應第一層級——體驗級。體驗級的教學內容并未真正涉及人工智能的核心算法與模型，不要求學生訓練模型，只需借助編程體驗工具認識人工智能，對應的認知水平為記憶。

教師可逐步引入人工智能仿真平臺和智能傳感器等教學資源，通過情境創(chuàng)設、案例分析、項目體驗等方式，引導學生在解決問題的過程中掌握人工智能中數(shù)據(jù)采集與處理的方法，深化對人工智能的認知。例如，在配備常用設備、工具和人工智能開發(fā)板的工作坊區(qū)，引導學生使用智能攝像頭從多類背景、多個角度錄入石頭、剪刀、布3種手勢的數(shù)據(jù)，制作簡易的“AI猜拳機器人”，認識數(shù)據(jù)和機器學習的基本概念；在教學區(qū)結合動畫視頻向學生演示自動駕駛汽車是如何識別交通標志的，引導學生體會人工智能的感知能力、學習能力與決策能力；使用互動白板、音響系統(tǒng)，講解“聽覺傳感器”，并通過類比人類聽覺系統(tǒng)的工作過程，引導學生學習機器感知的基本原理和應用特征。

圖 4　學生進行手勢識別操作

第三學段（5—6年級）：實體開源硬件與集成化的智能模型訓練工具

5—6年級學生認知發(fā)展處于從具象思維到抽象思維的過渡時期，思維比較活躍，所以對應第二、第三層級——理解級、應用級。理解級的教學內容需要學生經(jīng)歷人工智能模型的開發(fā)過程，重點、難點在于通過不斷調整數(shù)據(jù)集改進模型，對應的認知水平為理解；應用級要求學生運用模型制作智能交互系統(tǒng)，生成的數(shù)據(jù)集也會更為復雜，對應的認知水平為應用。

教師可運用上機實驗、模擬、仿真、搭建簡易系統(tǒng)等方式，引入實體開源硬件與集成化的智能模型訓練工具等教學資源，讓學生掌握人工智能的關鍵技術與實現(xiàn)方式。例如，借助在線人工智能平臺和模擬仿真工具，引導學生采用生成式人工智能工具，通過編寫及優(yōu)化提示語的方式，完成“AI生成繪畫”，以可視化的方式學習人工智能關鍵技術，培養(yǎng)創(chuàng)新思維與實踐能力；借助在線人工智能平臺和簡易工作坊區(qū)開發(fā)工具，結合查閱的資料，進行數(shù)據(jù)收集與整理、分類與標注，利用內置處理器完成模型訓練和推理，制作“果園采摘機器人”，學會應用人工智能技術解決真實問題。

圖5　學生操作開源硬件

第四學段（7—8年級）：人工智能教學平臺與實驗室入標題

7—8年級學生思維能力與動手能力較強，所以對應第三、第四層級——應用級、綜合級。相較于應用級，綜合級需要學生分解實際項目問題并形成問題鏈，靈活運用所積累知識解決問題，對應的認知水平為分析。

教師可設置演示、類比、分析、實驗等任務，依托人工智能教學平臺與實驗室等教學資源，幫助學生理解機器學習與深度學習的實現(xiàn)方式，并引導學生基于生活情境，通過項目式作品開發(fā)實踐學習人工智能關鍵技術的基本原理與應用方法，提升人工智能時代的責任意識。例如，通過教學資源進行前期知識累積，利用網(wǎng)絡收集所需圖片等素材，引導學生正確劃分數(shù)據(jù)集，并借助人工智能平臺上的開源代碼訓練模型，實現(xiàn)對流水線產(chǎn)品的分揀功能，完成“智能分揀系統(tǒng)”的設計與開發(fā)，提高學生的人工智能應用能力，學會解決實際情境中的復雜問題；設計一些神經(jīng)網(wǎng)絡實驗，引導學生借助人工智能平臺和工具設備等資源，動手訓練神經(jīng)網(wǎng)絡，如基于MNIST數(shù)據(jù)集訓練LeNet模型，基于CIFAR-100數(shù)據(jù)集訓練VGGNet模型，并比較“手寫數(shù)字識別”和“鳶尾花分類”案例，加深對深度學習和機器學習的理解。

圖6　學生在平臺上訓練模型

綜上，需根據(jù)不同學段學生的特點，以及教學內容與定位，比較分析每個學段的學習內容與學業(yè)要求，選取合適的資源工具，完成相應學習任務。

小結

對于基礎教育而言，如何合理設計人工智能課程，特別是解決“怎么教”的問題，成為當前教育改革的重要議題。本文將教學模式與資源工具的選用劃分了多個層級，旨在引導學生逐層遞進、由淺入深地學習人工智能，希望由此破解人工智能教育的教學實踐困境，也期待能與廣大學者共同討論與改進，推動基礎教育領域的人工智能教育發(fā)展。

（本文所用照片由溫州科技高級中學陳恩慈提供）

參考文獻

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[8] 夏莉穎，鐘柏昌．試論STEM教育的兩種取向與四種方法[J]．中小學數(shù)字化教學，2018，（09）：8-11．

[9] 中華人民共和國教育部．普通高中信息技術課程標準（2017年版）[S]．北京：人民教育出版社，2018．

[10] 鐘柏昌，顧榮楨．中小學人工智能教育的五級框架——以“停車場自動抬桿系統(tǒng)的優(yōu)化”案例為例[J]．中國科技教育，2024，（04）：14-20．

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來源 | 《中國科技教育》2024-12，文章編輯：畢晨輝

編輯、排版 | 孟想

一校 | 孟想

復校 | 若惜

終校 | 朱志安