人工智能是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，兼有科學(xué)與技術(shù)雙重性（弱人工智能和強(qiáng)人工智能分別對(duì)應(yīng)其技術(shù)性和科學(xué)性），其發(fā)展必然與教育關(guān)聯(lián)：人工智能助力教育，為教育提供新的教學(xué)方法、技術(shù)支撐、學(xué)習(xí)內(nèi)容;教育也作用于人工智能，負(fù)責(zé)為其輸送人才，并在一定程度上產(chǎn)生新知識(shí)^[1]。筆者基于第二種關(guān)系，即教育之于人工智能的作用，討論如何在小學(xué)開(kāi)設(shè)人工智能的算法類(lèi)課程（以下簡(jiǎn)稱(chēng)AI算法類(lèi)課程）。

一、關(guān)于小學(xué)人工智能課程

目前一些小學(xué)對(duì)AI課程教學(xué)有一定需求。一些地區(qū)已經(jīng)編寫(xiě)了教材，但在AI課程的目標(biāo)、內(nèi)容及教學(xué)策略等方面仍處在探究摸索階段。

小學(xué)階段的AI課程從教學(xué)目標(biāo)上可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是幫助學(xué)生發(fā)展AI產(chǎn)品的應(yīng)用能力（基本的使用能力、利用AI工具解決問(wèn)題的能力）;另一類(lèi)是通過(guò)學(xué)習(xí)具有基礎(chǔ)價(jià)值和普遍意義的原理與技術(shù)知識(shí)，激發(fā)學(xué)生對(duì)于AI課程的學(xué)習(xí)興趣，為他們將來(lái)從事AI技術(shù)研究奠定必要的認(rèn)知、技能與情感基礎(chǔ)^[2]?？傊繕?biāo)就是培養(yǎng)未來(lái)適應(yīng)AI社會(huì)的信息時(shí)代公民和研發(fā)AI技術(shù)、產(chǎn)品的科研人才^[3]。

從課程內(nèi)容來(lái)看，小學(xué)人工智能課程可分為四類(lèi)（如圖1）。

其一，AI科普課程。此類(lèi)課程內(nèi)容主要包括AI技術(shù)基本概念、發(fā)展歷程、研究范圍、典型應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)等。

其二，AI算法課程。算法、算力（硬件對(duì)數(shù)據(jù)的處理能力）和算料（數(shù)據(jù)）是AI技術(shù)的核心。AI算法是對(duì)AI技術(shù)解決方案的準(zhǔn)確完整描述，是AI課程教學(xué)繞不開(kāi)的重點(diǎn)。此類(lèi)課程的設(shè)計(jì)與實(shí)施是筆者探究的重點(diǎn)。

其三，AI編程課程。如果說(shuō)算法和數(shù)據(jù)搭建了AI的骨架，那么編程就賦予了AI血肉之軀，使得技術(shù)可以落地。中小學(xué)AI編程課程可以分為三類(lèi)：圖形化編程課程（如Scratch、Mind+）、基于硬件平臺(tái)（如Microbit）的編程課程、基于AI庫(kù)的編程課程。圖形化編程課程是利用圖形化編程軟件學(xué)習(xí)AI技術(shù)或使用提供AI接口的軟件編程的課程;基于硬件平臺(tái)的編程課程則依托主控板、各類(lèi)傳感器的硬件設(shè)備進(jìn)行AI教學(xué)。這類(lèi)硬件多是模塊化的，使用門(mén)檻低，適合項(xiàng)目式學(xué)習(xí)?；贏I庫(kù)的編程課程主要依托Phython平臺(tái)教學(xué)，是中小學(xué)教學(xué)中難度較高的一類(lèi)課程。

其四，AI德育課程。此類(lèi)課程主要包括AI倫理類(lèi)課程、數(shù)字化社會(huì)責(zé)任課程等。

二、AI算法類(lèi)課程教學(xué)的困境與出路

AI算法是AI技術(shù)的底層邏輯框架，但受學(xué)生學(xué)CruLP/i547fLHFkd9iD1Rg==情、師資力量、過(guò)往經(jīng)驗(yàn)等因素制約，目前AI課程以科普類(lèi)和編程類(lèi)課程為主，AI算法類(lèi)課程較少。以下兩個(gè)問(wèn)題在AI算法課程教學(xué)中較為突出。

（一）如何進(jìn)行內(nèi)容選擇

由于沒(méi)有正式教材，中小學(xué)教師教授此類(lèi)課程難度較高：要具備一定的學(xué)科基礎(chǔ)，還需要基于學(xué)情選取難易適中、基礎(chǔ)知識(shí)并轉(zhuǎn)換成課程內(nèi)容?，F(xiàn)有的算法類(lèi)課程不太適合小學(xué)教學(xué)，有的直接將聚類(lèi)算法、分類(lèi)算法的簡(jiǎn)化版作為教學(xué)內(nèi)容，與小學(xué)生的認(rèn)知水平不匹配。學(xué)生難以理解這些高階知識(shí)的產(chǎn)生原因，也不了解其用途，難以消化吸收。

（二）采取何種教學(xué)策略

皮亞杰將知識(shí)分為三類(lèi)：社會(huì)性知識(shí)、物理性知識(shí)和數(shù)理邏輯類(lèi)知識(shí)。AI知識(shí)屬于數(shù)理邏輯類(lèi)知識(shí)，此類(lèi)知識(shí)大多是內(nèi)源性知識(shí)，不能通過(guò)外界灌輸直接傳遞。算法本身較為枯燥、抽象，如果教師采用傳統(tǒng)的講授方式授課，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣不高，難以進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。如何引導(dǎo)學(xué)生在課堂上積極參與學(xué)習(xí)活動(dòng)、主動(dòng)思考，是教師做課程設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)考慮的。

筆者對(duì)AI算法類(lèi)課程的實(shí)施提出如下建議。

一是提高課程內(nèi)容的針對(duì)性和適用性。AI核心算法涉及的數(shù)學(xué)知識(shí)（高等數(shù)學(xué)、概率論、矩陣論等）較多，此類(lèi)知識(shí)在小學(xué)難以開(kāi)展。布魯納在闡述螺旋式課程設(shè)計(jì)模式中指出，教師應(yīng)該以與兒童思維方式相符的形式將學(xué)科結(jié)構(gòu)置于課程的中心地位，隨著年級(jí)的提升，不斷拓寬加深學(xué)科的基本結(jié)構(gòu)，使之在課程中呈螺旋式上升的態(tài)勢(shì)。這一理論可以指導(dǎo)如何將高階知識(shí)在小學(xué)落地。在小學(xué)階段，考慮學(xué)生的認(rèn)知水平和知識(shí)基礎(chǔ)，這類(lèi)課程應(yīng)著力于引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)從具體情境中抽象算法的過(guò)程，對(duì)算法建立初步的理解，幫助學(xué)生消除技術(shù)的鴻溝。建議選取AI技術(shù)中基礎(chǔ)性強(qiáng)的、容易產(chǎn)生遷移的和通用性的知識(shí)作為教學(xué)內(nèi)容，并使用符合小學(xué)生年齡特點(diǎn)的教學(xué)策略來(lái)設(shè)計(jì)、實(shí)施課程。

二是改進(jìn)課程設(shè)計(jì)。教師可以應(yīng)用STEM理念設(shè)計(jì)課程，解決算法抽象、趣味性低、不容易被學(xué)生內(nèi)化的問(wèn)題。以STEM理念設(shè)計(jì)課程，符合小學(xué)生的思維特點(diǎn)。此類(lèi)課程多從小學(xué)中年級(jí)開(kāi)始，此時(shí)學(xué)生思維發(fā)展處在由具體思維向抽象思維過(guò)渡的時(shí)期，學(xué)生參與STEM活動(dòng)、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)能更好地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、設(shè)計(jì)方案、檢驗(yàn)、修改，逐步實(shí)現(xiàn)算法思維從具體到抽象的提升。從課程內(nèi)容來(lái)看，這種做法比較符合算法類(lèi)課程的教學(xué)要求：AI算法發(fā)展、知識(shí)結(jié)構(gòu)變遷都很快，知識(shí)的傳授不應(yīng)作為最主要的課堂教學(xué)目標(biāo)，應(yīng)重視學(xué)生對(duì)算法的產(chǎn)生意義、設(shè)計(jì)過(guò)程、應(yīng)用、改良等過(guò)程性探究。

基于STEM理念設(shè)計(jì)算法類(lèi)課程的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。其一，在算法類(lèi)課程的學(xué)習(xí)中，學(xué)生遇到的第一道坎通常是不明確算法存在的意義，導(dǎo)致學(xué)習(xí)動(dòng)力不足，連貫性差。因此，賦予算法以意義極為重要，而以解決問(wèn)題為導(dǎo)向的STEM教學(xué)很好地避開(kāi)了這些“雷區(qū)”。其二，教師引導(dǎo)學(xué)生參與以問(wèn)題為導(dǎo)向的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)，可使知識(shí)學(xué)習(xí)和主動(dòng)建構(gòu)有機(jī)結(jié)合;每個(gè)算法產(chǎn)生都是有工程背景的，在解決工程問(wèn)題的學(xué)習(xí)中，存在較為明確的有效性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，這就提供給學(xué)生自評(píng)和互評(píng)的依據(jù)（評(píng)價(jià)完善解決方案的過(guò)程就是主動(dòng)構(gòu)建過(guò)程）。其三，基于STEM理念的課程教學(xué)更關(guān)注學(xué)生獲取知識(shí)的方式，這更有利于學(xué)生發(fā)展合作能力，提高應(yīng)用知識(shí)解決問(wèn)題的能力。

三、STEM理念下AI算法類(lèi)課程教學(xué)案例

（一）STEM課程特點(diǎn)

STEM教育在很多國(guó)家越來(lái)越被重視，其主要原因是STEM教育致力于培養(yǎng)的復(fù)合型創(chuàng)新人才在高速發(fā)展的信息化社會(huì)需求量日益增加。人們對(duì)STEM教育的理解有兩大類(lèi)：第一類(lèi)是將STEM定位為獨(dú)立開(kāi)設(shè)的學(xué)科，此類(lèi)又分為后設(shè)STEM課程（先學(xué)習(xí)相關(guān)課程，再開(kāi)設(shè)STEM課程）和前設(shè)STEM課程（將STEM相關(guān)學(xué)科都整合在STEM一門(mén)課程中，不再開(kāi)設(shè)其他課程）。第二類(lèi)是將STEM作為一種教育理念，融入相關(guān)學(xué)科的教學(xué)設(shè)計(jì)中，其目標(biāo)是，通過(guò)探究性學(xué)習(xí)、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)等方式，幫助學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)體系，提高綜合素養(yǎng)?；谡n程安排和學(xué)生學(xué)情，筆者采用第二類(lèi)STEM理念，設(shè)計(jì)AI算法課程。

基于STEM理念設(shè)計(jì)學(xué)科教學(xué)，筆者認(rèn)為STEM理念下的學(xué)科課程有如下特點(diǎn)。

其一，以學(xué)生為本，適度強(qiáng)調(diào)綜合，淡化知識(shí)本位，使課堂由“知識(shí)傳授本位”向“學(xué)生發(fā)展本位”轉(zhuǎn)軌。課堂上教師更關(guān)注學(xué)生的成長(zhǎng)，設(shè)計(jì)多元的評(píng)價(jià)機(jī)制、多維的教學(xué)目標(biāo)、多樣的課堂活動(dòng)支撐學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)。筆者并不否定分科教學(xué)，而是強(qiáng)調(diào)在分科教學(xué)中，將課堂教學(xué)的著眼點(diǎn)和教學(xué)目標(biāo)聚焦在學(xué)生的發(fā)展上。

其二，提高學(xué)生課堂參與度，增加學(xué)生課堂自主學(xué)習(xí)時(shí)間和分享時(shí)間。判斷課程教學(xué)是否實(shí)現(xiàn)STEM理念，學(xué)生的探究時(shí)間、分享時(shí)間、參與度等是非常重要的指標(biāo)。當(dāng)然，不能用這些指標(biāo)硬性簡(jiǎn)單地評(píng)判課程?；赟TEM理念設(shè)計(jì)課程，在課堂上學(xué)生的自主探究學(xué)習(xí)時(shí)間和分享應(yīng)不低于新知識(shí)學(xué)習(xí)時(shí)間的2/3，探究新知盡量由學(xué)生自主完成（教師只做輔助）。

其三，教堂教學(xué)以問(wèn)題為導(dǎo)向，讓學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目式學(xué)習(xí)。STEM教育的初衷是培養(yǎng)能夠探究世界的科學(xué)家和能解決問(wèn)題的工程師。教師將現(xiàn)實(shí)中待解決的或已解決的問(wèn)題拿到課堂上，設(shè)置問(wèn)題情境，尋找解決路徑，是一種較好的問(wèn)題構(gòu)建方式。很多素材都可由此化身成工程類(lèi)的項(xiàng)目，例如講解像素的概念時(shí)，教師可以讓學(xué)生在“計(jì)算機(jī)如何用數(shù)字方式存儲(chǔ)照片”的項(xiàng)目中探究。學(xué)生基于問(wèn)題進(jìn)行探究，有助于理解技術(shù)的意義。

其四，重視成果的可視化和可驗(yàn)證性。STEM最重要的特點(diǎn)之一是以問(wèn)題和項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)學(xué)習(xí)，STEM課程目標(biāo)應(yīng)包括生成解決方案或物a93fdf57b68624cb6284b135b1a5f6aec54e75ac59c793e5a270cc1273f13bca化成果。算法類(lèi)課程的物化門(mén)檻（知識(shí)積累，硬件支持等）較高，教師可以將解決方案作為成果，并給出檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)具有操作性強(qiáng)、表述清晰、可量化等特征。驗(yàn)證得出的結(jié)果不只作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)用于指導(dǎo)方案的修改。這種循環(huán)也體現(xiàn)了工程中循環(huán)設(shè)計(jì)的思想。

（二）STEM理念下AI算法類(lèi)課程實(shí)踐

筆者基于STEM理念，將AI算法課程設(shè)計(jì)為系列課程，從小學(xué)三年級(jí)開(kāi)設(shè)。此系列之前，學(xué)校已經(jīng)開(kāi)設(shè)了AI科普類(lèi)課程。學(xué)生使用AI軟件，了解生活中常見(jiàn)的AI技術(shù)，學(xué)習(xí)AI基本概念，加深了理解。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生可以更好地學(xué)習(xí)AI算法。

在課程設(shè)計(jì)中，筆者還借鑒了STEM教學(xué)中基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)（Design based Learning，DBL或Learning by design，LBD）這一教學(xué)模式?；谠O(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)提倡在以問(wèn)題解決為主線的學(xué)習(xí)中，注重使用學(xué)科知識(shí)、技術(shù)手段尋找解決方案，強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)在解決問(wèn)題中的重要性，并且注重通過(guò)測(cè)試來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性并進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)改良方案。課堂上，學(xué)生設(shè)計(jì)規(guī)則、算法，進(jìn)行定量檢驗(yàn)，改進(jìn)算法，這種反饋機(jī)制是工程中的循環(huán)設(shè)計(jì)思想的應(yīng)用。這種教學(xué)模式與算法類(lèi)課程較為契合?；赟TEM理念的AI算法課程設(shè)計(jì)步驟如下。第一步，問(wèn)題提出。在特定情境中引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、提出問(wèn)題，開(kāi)啟課程。第二步，學(xué)習(xí)背景知識(shí)，明確關(guān)鍵問(wèn)題。通常問(wèn)題涉及的知識(shí)和方向較多，通過(guò)此環(huán)節(jié)，教師將本節(jié)課要解決的問(wèn)題進(jìn)一步明確，鎖定目標(biāo)。第三步，設(shè)計(jì)方案，構(gòu)建模型。學(xué)生以小組為單位，設(shè)計(jì)解決方案。教師準(zhǔn)備必要的思維腳手架，并提供指導(dǎo)。第四步，測(cè)試驗(yàn)證方案。教師針對(duì)問(wèn)題制訂易量化、易衡量的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，供學(xué)生檢驗(yàn)解決方案之用。第五步，分享評(píng)價(jià)。教師采用組內(nèi)分享、小組分享、學(xué)生互評(píng)、教師點(diǎn)評(píng)等方式，讓學(xué)生分享評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)成果，講述設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題，幫助學(xué)生更好地設(shè)計(jì)。第六步，迭代設(shè)計(jì)，改良方案。學(xué)生將測(cè)試和分享中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題以及取得的成果應(yīng)用到下一輪設(shè)計(jì)中，通過(guò)迭代完善方案。

受以上步驟和思路啟發(fā)，筆者將此類(lèi)課程分為三類(lèi)：創(chuàng)造類(lèi)、應(yīng)用類(lèi)、改良類(lèi)。

第一類(lèi)，算法創(chuàng)造類(lèi)。這類(lèi)課程涉及其他知識(shí)較少，要解決的問(wèn)題相對(duì)簡(jiǎn)單。筆者在明確問(wèn)題后，放手讓學(xué)生設(shè)計(jì)，通過(guò)可執(zhí)行的、可量化的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，反饋設(shè)計(jì)結(jié)果，重新分析問(wèn)題，迭代改良設(shè)計(jì)。此類(lèi)問(wèn)題通常已經(jīng)有了成熟的解決方案，也是本節(jié)課教學(xué)目標(biāo)中的知識(shí)性目標(biāo)。筆者在課程結(jié)束后出示這些解決方案。通過(guò)自主設(shè)計(jì)，學(xué)生能更容易理解知識(shí)，發(fā)現(xiàn)通用解決方案的優(yōu)勢(shì)?！坝?jì)算機(jī)的記憶——圖像”為此類(lèi)課程，具體設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

在傳統(tǒng)課堂教學(xué)中，像素將被作為知識(shí)直接展示給學(xué)生。像素大小相等、顏色單一的特點(diǎn)也會(huì)以知識(shí)的方式呈現(xiàn)。學(xué)生雖然掌握了知識(shí)，但很難理解為什么會(huì)這樣設(shè)計(jì)。筆者基于STEM理念進(jìn)行課堂教學(xué)，從問(wèn)題出發(fā)，通過(guò)展示需求和功能的矛盾，引導(dǎo)學(xué)生思考像素存在的原因，在達(dá)成知識(shí)性教學(xué)目標(biāo)的同時(shí)，培養(yǎng)了學(xué)生的思維能力。

第二類(lèi)，算法應(yīng)用類(lèi)。教師明確問(wèn)題后，會(huì)給學(xué)生提供一定的原理或算法作為腳手架，讓學(xué)生應(yīng)用算法解決問(wèn)題。如“桑葉還是柳葉”就是此類(lèi)課程。

這節(jié)課涉及的知識(shí)其實(shí)是分類(lèi)算法的雛形。通過(guò)本課的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠?qū)μ卣魈崛∮幸欢ɡ斫?，并且通過(guò)體驗(yàn)計(jì)算機(jī)數(shù)字化的思維，更好地理解技術(shù)的內(nèi)涵。

第三類(lèi)，算法改良類(lèi)。從難度上講，此類(lèi)為第二類(lèi)的加強(qiáng)版。教師提供的算法不足以支撐學(xué)生解決問(wèn)題。學(xué)生需要自己改良方案后才能解決問(wèn)題。討論“如何教計(jì)算機(jī)認(rèn)識(shí)數(shù)字”就屬于此類(lèi)。

此類(lèi)課程屬于小學(xué)階段對(duì)數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、思維邏輯有較高要求的一類(lèi)，適合高年級(jí)教學(xué)。在此基礎(chǔ)上教師可以進(jìn)行分類(lèi)、決策樹(shù)等相關(guān)知識(shí)的科普教育。

以STEM理念為指導(dǎo)的人工智能算法類(lèi)課程賦予抽象的、難以理解的算法趣味性和實(shí)際意義。學(xué)生通過(guò)小組合作進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)，在發(fā)展學(xué)生計(jì)算思維的同時(shí)，兼顧了思維發(fā)展速度不同的學(xué)生的需求，使得AI算法類(lèi)課程從社團(tuán)走向全體學(xué)生，真正在小學(xué)課堂落地。未來(lái)，筆者將繼續(xù)探究STEM理念下常態(tài)化的人工智能課程教學(xué)，努力將人工智能課堂打造成學(xué)生探究、實(shí)踐、創(chuàng)新的陣地。

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（作者系山東省青島弘德小學(xué)教師）