王同聚 胡小勇 丁美榮

摘 要：隨著人工智能技術(shù)快速發(fā)展，人工智能將逐步進入中小學(xué)課程。然而，中小學(xué)人工智能教育起步較晚，目前多數(shù)中小學(xué)教師在大學(xué)期間沒有學(xué)過人工智能相關(guān)課程，大部分教師的人工智能知識儲備不足，中小學(xué)人工智能師資較為短缺，阻礙了中小學(xué)校開展人工智能教學(xué)活動。本研究引入知識建構(gòu)和智能教育理論，將AI課程教學(xué)空間（Space）、AI課程教學(xué)形式（Style）、AI課程教學(xué)策略（Strategy）三者進行有機融合，構(gòu)建了中小學(xué)人工智能師資培訓(xùn)“AI-3S”教學(xué)模式，并分別從實體空間與虛擬空間融合、線上教學(xué)與線下教學(xué)融合、項目式學(xué)習(xí)與跨學(xué)科學(xué)習(xí)融合闡釋了該模式的內(nèi)涵。以廣州市中小學(xué)人工智能師資培訓(xùn)為例介紹了該模式的應(yīng)用實踐，以期為解決中小學(xué)人工智能師資嚴(yán)重短缺的難題提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：人工智能；師資培訓(xùn)；“AI-3S”教學(xué)模式；教學(xué)空間；教學(xué)形式；教學(xué)策略；“三師課堂”

中圖分類號：G4 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-0069（2023）02-0001-10

一、研究背景

1956年夏，麥卡錫、明斯基等科學(xué)家在美國達特茅斯學(xué)院首次提出“人工智能”（Artificial Intelligence，簡稱AI）這一概念[1]。60多年來，人工智能的發(fā)展變遷曾經(jīng)歷了多次高峰、低谷更迭，2000年前后正處于第二次寒冬過后的復(fù)蘇期。2003年，我國開始將人工智能引入中小學(xué)課程，教育部頒布《普通高中技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）》[2]，把“人工智能初步”列入普通高中信息技術(shù)選修模塊。但是，當(dāng)時人工智能仍處于復(fù)蘇期，由于人工智能技術(shù)發(fā)展緩慢、應(yīng)用領(lǐng)域較少、缺少師資等，全國各地開設(shè)人工智能課程的學(xué)校寥寥無幾。2016年3月，AlphaGo 4∶1戰(zhàn)勝世界圍棋冠軍李世石，讓人工智能進入了第三次發(fā)展高潮。2017年3月，我國第一次把“人工智能”寫入了政府工作報告。同年國務(wù)院頒布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中提出，實施全民智能教育項目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程[3]。2018年1月，教育部發(fā)布《普通高中信息技術(shù)學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“普高新課標(biāo)”）將“人工智能初步”列為選擇性必修模塊[4]。2022年4月，教育部發(fā)布《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“義教新課標(biāo)”）也設(shè)置了模塊九“人工智能與智慧社會”，包括“人工智能的基本概念和常見應(yīng)用”“人工智能的實現(xiàn)方式”“智慧社會下人工智能的倫理、安全與發(fā)展”三部分內(nèi)容[5]?？梢?，國家高度重視中小學(xué)人工智能課程建設(shè)，人工智能進學(xué)校已上升為國家戰(zhàn)略，全國各地中小學(xué)校均以“國家課程”形式推進落實人工智能教育。但是，我國中小學(xué)人工智能教育起步較晚，各地在推進中小學(xué)人工智能教育過程中遇到的最大困境是人工智能師資缺乏。為解決這一難題，本研究以人工智能新課程標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)，引入知識建構(gòu)和智能教育理論，將AI課程教學(xué)空間（Space）、AI課程教學(xué)形式（Style）、AI課程教學(xué)策略（Strategy）三者進行有機融合，構(gòu)建了中小學(xué)人工智能師資培訓(xùn)“AI-3S”教學(xué)模式，并應(yīng)用該模式在廣州市開展了中小學(xué)人工智能師資培訓(xùn)實踐。

（一）國內(nèi)外人工智能師資隊伍建設(shè)現(xiàn)狀

人工智能等新技術(shù)蓬勃發(fā)展，正在催生新型教育形態(tài)。近年來，全世界均高度重視人工智能師資隊伍建設(shè)，以多種形式開展人工智能師資培訓(xùn)。美國開發(fā)了基于人工智能的自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)[6]，開展教師職后培訓(xùn)，提升教師人工智能教學(xué)能力；日本開展基于編程和機器人的教師教學(xué)培訓(xùn)[7]，培養(yǎng)教師的人工智能素養(yǎng)和編程能力；比利時由教育網(wǎng)絡(luò)機構(gòu)負(fù)責(zé)人工智能教師的培訓(xùn)；奧地利將人工智能專題和技術(shù)教學(xué)嵌入高等教育機構(gòu)的職前教師教育中；塞爾維亞開發(fā)了各種支持人工智能課程的視頻、演示文稿和交互式任務(wù)并開展教師培訓(xùn)等[8]；澳大利亞開展了基于VR/AR的場景式教師培訓(xùn)[9]；新加坡政府發(fā)布“AI 新加坡”項目[10]，啟動人工智能師資培訓(xùn)計劃。由此可見，世界各國均以不同的形式開展人工智能教師的職前教育和職后培訓(xùn)，通過開發(fā)基于人工智能的自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，設(shè)置編程、機器人、VR/AR課程，推出中小學(xué)人工智能教師培訓(xùn)方案和師資隊伍建設(shè)計劃，從而提升教師的人工智能教學(xué)能力、人工智能編程能力、人工智能應(yīng)用創(chuàng)新能力和人工智能素養(yǎng)，為教師開展人工智能課程教學(xué)奠定基礎(chǔ)。因此，人工智能師資隊伍建設(shè)已成為各國關(guān)注的焦點。

我國也高度重視人工智能師資隊伍建設(shè)。近年來，國家先后頒布了《關(guān)于全面深化新時代教師隊伍建設(shè)改革的意見》《教師教育振興行動計劃（2018—2022年）》《教育部關(guān)于實施全國中小學(xué)教師信息技術(shù)應(yīng)用能力提升工程2.0的意見》等文件，對師資隊伍建設(shè)進行了部署，并提出教師需要主動適應(yīng)人工智能等新技術(shù)變革，形成智能化教育意識，掌握智能化教育工具，探索跨學(xué)科教學(xué)、智能化教育等教育教學(xué)新模式 [11]?？梢?，我國人工智能師資隊伍建設(shè)已進入了全面提質(zhì)增效新階段，并通過國家培訓(xùn)項目和多層次的教師培訓(xùn)計劃，開展形式多樣的人工智能師資的培訓(xùn)活動。同時多位學(xué)者也高度關(guān)注人工智能師資隊伍建設(shè)，顧明遠[12]指出，“人工智能+教育”正在引起教育的一場革命，教師要利用人工智能為學(xué)生設(shè)計科學(xué)的學(xué)習(xí)方案。田慧生[13]認(rèn)為，人工智能不會淘汰教師，但教師不懂人工智能則可能被淘汰。崔光佐等人[14]提出，明確人工智能課程目標(biāo)，規(guī)劃人工智能課程內(nèi)容，加快人工智能教師培養(yǎng)。陳雷[15]提出，將人工智能融入教師教育的全過程，構(gòu)建“人工智能+教師教育”生態(tài)系統(tǒng)。祝智庭等人[16]認(rèn)為，智慧教育要本著“個性、協(xié)同、共享、思維、創(chuàng)造”的原則，讓教師能夠施展高效的教學(xué)方法。各位學(xué)者從不同側(cè)面闡述了人工智能師資隊伍建設(shè)的重要性和開展人工智能師資培訓(xùn)的必要性。隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，國家急需一批具有創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的人工智能高端人才。而人工智能人才的培養(yǎng)需要從娃娃抓起，需要從中小學(xué)開展普及人工智能教育。但現(xiàn)在中小學(xué)人工智能師資較為短缺，必須培訓(xùn)一批合格的人工智能教師隊伍，讓教師掌握人工智能的基本理論知識和專業(yè)技能，具備利用好人工智能進行課堂教學(xué)的能力，才能讓人工智能進入中小學(xué)課堂、進入教師教案、進入學(xué)生頭腦。教師只有掌握了過硬的人工智能技術(shù)應(yīng)用技能，能熟練地應(yīng)用人工智能技術(shù)授課，將來才不會被時代所淘汰。

綜上所述，國內(nèi)外均高度重視人工智能師資隊伍建設(shè)，通過多渠道、多策略、多方案實施中小學(xué)人工智能師資技能提升工程，通過開展系列培訓(xùn)活動提升教師的人工智能素養(yǎng)。近年來，我國出臺了“強師計劃”，各級教育行政部門與教研、電教、師訓(xùn)、高校等多部門聯(lián)合，共同落實國家政策，全面振興人工智能教師教育，協(xié)同推進人工智能師資培訓(xùn)工作。因此，本研究針對國內(nèi)外人工智能師資現(xiàn)狀分析，吸收國內(nèi)外的成功經(jīng)驗，通過構(gòu)建恰當(dāng)?shù)娜斯ぶ悄軒熧Y培訓(xùn)模式，培訓(xùn)一批勝任中小學(xué)人工智能課程教學(xué)的師資隊伍，以解決中小學(xué)人工智能師資短缺的難題。

（二）人工智能師資培訓(xùn)中存在的問題

人工智能涉及多個學(xué)科知識，是跨學(xué)科和多領(lǐng)域知識的匯聚和融合。中小學(xué)開展人工智能課程教學(xué)存在人工智能師資隊伍力量較弱、缺少適合的教學(xué)模式等難題。

1.中小學(xué)人工智能師資缺乏

我國中小學(xué)人工智能理論和實踐研究尚處于探索階段，各地在開設(shè)中小學(xué)人工智能課程中遇到的最大困境是人工智能師資缺乏。為探明中小學(xué)人工智能師資的現(xiàn)狀，本研究對26所廣州市創(chuàng)建全國“智慧教育示范區(qū)”支撐校、100所廣州市“智慧校園”實驗校和147所廣州市“人工智能課程改革”實驗校的各學(xué)科教師開展了問卷調(diào)查，共回收有效問卷1074份。調(diào)查結(jié)果顯示，91.62%的教師在大學(xué)（含碩士、博士）期間沒有學(xué)習(xí)過人工智能相關(guān)的課程，52.14%的教師不能列舉出5種以上日常教學(xué)中常見的智能技術(shù)或智能App應(yīng)用，72.44%的教師不會在課堂中使用智能教學(xué)平臺/軟件組織學(xué)生學(xué)習(xí)，85.57%的教師沒有能力指導(dǎo)學(xué)生使用可穿戴設(shè)備和虛擬/增強現(xiàn)實技術(shù)工具開展學(xué)習(xí)，67.04%的教師不會使用智能教學(xué)平臺/軟件為學(xué)生開展個性化教學(xué)輔導(dǎo)，78.96%的教師迫切需要學(xué)校給予培訓(xùn)支持和專家指導(dǎo)，61.17%的教師在教學(xué)各環(huán)節(jié)需要人工智能技術(shù)提供支持[17]。

上述結(jié)果反映出以下幾個方面的問題：（1）現(xiàn)在大部分中小學(xué)教師在讀大學(xué)時沒有接觸過人工智能，多數(shù)教師不具備講授人工智能課程的能力，既掌握人工智能知識又具備跨學(xué)科融合能力的教師較少。（2）大部分教師因自身不具備利用人工智能、VR/AR/MR等新技術(shù)開展教學(xué)的能力，人工智能等新技術(shù)在課堂教學(xué)中應(yīng)用率較低，缺乏應(yīng)用人工智能技術(shù)賦能教學(xué)創(chuàng)新的意識。（3）大部分教師迫切需要參加人工智能師資培訓(xùn)，提升自身人工智能支持教學(xué)技能的愿望強烈。（4）大部分教師在教學(xué)中各個環(huán)節(jié)需要人工智能等新技術(shù)提供支持，對人工智能技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用具有強烈需求。

由此可見，為了提升中小學(xué)教師的人工智能素養(yǎng)和人工智能技術(shù)應(yīng)用能力，高校、各級教育主管部門和中小學(xué)師資培訓(xùn)部門應(yīng)多方協(xié)同聯(lián)動。目前眾多高校已創(chuàng)辦人工智能學(xué)院，通過開設(shè)面向本科生和研究生的人工智能課程，為未來走上中小學(xué)教師崗位的大學(xué)生開展職前教育培訓(xùn)，提升未來新入職中小學(xué)教師的人工智能素養(yǎng)。各級教育主管部門和中小學(xué)師資培訓(xùn)部門應(yīng)重點關(guān)注在職教師的培訓(xùn)，拓展人工智能空間，開發(fā)人工智能課程資源，構(gòu)建可行的中小學(xué)人工智能師資培訓(xùn)教學(xué)模式，開展針對在職中小學(xué)人工智能教師的職后培訓(xùn)，培養(yǎng)一支理念新、能力強、素養(yǎng)高、專業(yè)化、創(chuàng)新型、技能型的人工智能師資隊伍。發(fā)揮人工智能支持教學(xué)應(yīng)用成效，對于深化教師教育改革、創(chuàng)新中小學(xué)人工智能師資培訓(xùn)模式具有重要意義。

2.缺少成熟的人工智能師資培訓(xùn)模式

師資培訓(xùn)是教師的職后教育和教師專業(yè)成長的重要途徑，各國在開展師資培訓(xùn)的過程中形成了多種師資培訓(xùn)模式。英國、法國、德國、美國、日本等國家開展中小學(xué)教師職后培訓(xùn)，歸納起來有：“課程本位”模式、“教師本位”模式及“學(xué)校本位”模式等[18]。我國教育工作者在師資培訓(xùn)中也總結(jié)出一些師資培訓(xùn)模式，如胡寶來等人[19]構(gòu)建了“線上線下融合卷入式”培訓(xùn)模式，在鄉(xiāng)村教師培訓(xùn)中取得了一定成效。李金梅[20]構(gòu)建了“PBL導(dǎo)向的鄉(xiāng)村教師”培訓(xùn)模式。潘超等人[21]構(gòu)建了“三線四段”骨干教師培訓(xùn)模式。而本研究中的培訓(xùn)對象是中小學(xué)人工智能教師，人工智能課程具有跨學(xué)科交叉融合、難度較高、綜合性強、技術(shù)性強、實操性強等特點。但是，將以上所列舉的各種師資培訓(xùn)模式運用于人工智能師資培訓(xùn)時都有一定的局限性。筆者以“人工智能師資培訓(xùn)教學(xué)模式”“AI師資培訓(xùn)教學(xué)模式”為關(guān)鍵詞在知網(wǎng)查詢只查到2條相關(guān)結(jié)果，分別是針對安全生產(chǎn)、軍隊臨床藥師的師資培訓(xùn)教學(xué)模式，關(guān)于中小學(xué)人工智能師資培訓(xùn)教學(xué)模式的文獻很少。為提升中小學(xué)人工智能師資培訓(xùn)的質(zhì)量和績效，構(gòu)建恰當(dāng)?shù)闹行W(xué)人工智能師資培訓(xùn)教學(xué)模式、提升教師的智能素養(yǎng)就顯得尤為必要。

本研究主要針對在職教師開展職后培訓(xùn)，前期已創(chuàng)建了適用于中小學(xué)師資培訓(xùn)的人工智能空間，包括“智創(chuàng)空間”、人工智能體驗中心和元宇宙實驗室；開發(fā)并出版了系列中小學(xué)人工智能師資培訓(xùn)課程教材，如粵教版《信息技術(shù)選擇性必修4 人工智能初步》、“人工智能和STEM教育叢書”《人工智能（高中版）》《人工智能（中級版）》《人工智能（初級版）》等均由廣東教育出版社出版。為滿足中小學(xué)人工智能師資培訓(xùn)的需要，本研究結(jié)合廣州市三類“人工智能”實驗校調(diào)研的實際情況，在梳理國內(nèi)外人工智能師資培訓(xùn)教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，根據(jù)人工智能課程的特點，構(gòu)建了中小學(xué)人工智能師資培訓(xùn)“AI-3S”教學(xué)模式，以期利用該模式為中小學(xué)校培訓(xùn)一批勝任人工智能教學(xué)的骨干教師。

二、中小學(xué)人工智能師資培訓(xùn)“AI-3S”教學(xué)模式的構(gòu)建

（一）人工智能師資培訓(xùn)需要以新課程標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)

課程標(biāo)準(zhǔn)是國家教育質(zhì)量在特定階段應(yīng)達到的具體指標(biāo)，是課程教學(xué)和評價的重要依據(jù)，人工智能課程教學(xué)必須以新課程標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)，注重發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)[22]。因此，中小學(xué)人工智能師資培訓(xùn)必須按照“義教新課標(biāo)”和“普高新課標(biāo)”要求設(shè)計培訓(xùn)課程內(nèi)容，落實學(xué)科核心素養(yǎng)，提升參訓(xùn)教師的智能素養(yǎng)、智能意識和智能技術(shù)應(yīng)用能力。

（二）人工智能師資培訓(xùn)引入知識建構(gòu)和智能教育理論

趙建華[23]認(rèn)為知識建構(gòu)是個體在某特定社區(qū)中互相協(xié)作、共同參與某種有目的的活動（如學(xué)習(xí)任務(wù)、問題解決等），最終形成某種觀念、理論或假設(shè)等智慧產(chǎn)品。張進寶等人[24]認(rèn)為，智能教育是指培養(yǎng)學(xué)習(xí)者系統(tǒng)掌握和運用各種思維與技術(shù)工具，實現(xiàn)智能信息處理、構(gòu)造智能解決方案和開發(fā)系統(tǒng)，并整合個體智能與智能技術(shù)實踐而跨學(xué)科開展的創(chuàng)新教育過程。因此，本研究在開展人工智能師資培訓(xùn)時，引入了知識建構(gòu)和智能教育理論，應(yīng)用智慧產(chǎn)品和智能解決方案，來提升參訓(xùn)教師的智能技術(shù)應(yīng)用能力、智能思維能力、跨學(xué)科融合能力、實踐創(chuàng)新能力。

（三）構(gòu)建中小學(xué)人工智能師資培訓(xùn)“AI-3S”教學(xué)模式

本研究以中小學(xué)人工智能課程標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo)，在開展AI課程師資培訓(xùn)時引入知識建構(gòu)和智能教育理論，將AI課程教學(xué)空間（Space，實體空間與虛擬空間融合）、AI課程教學(xué)形式（Style，線上教學(xué)與線下教學(xué)融合）、AI課程教學(xué)策略（Strategy，項目式學(xué)習(xí)與跨學(xué)科學(xué)習(xí)融合）進行有機融合，構(gòu)建了中小學(xué)人工智能師資培訓(xùn)“AI-3S”教學(xué)模式（如圖1所示），以期通過該模式開展人工智能師資培訓(xùn)，打造智能型教師隊伍，推動師資培訓(xùn)模式的創(chuàng)新和教學(xué)形式的變革。

三、中小學(xué)人工智能師資培訓(xùn)“AI-3S”教學(xué)模式的設(shè)計思路

（一）AI課程教學(xué)空間：實體空間與虛擬空間融合

AI課程教學(xué)空間是由實體空間與虛擬空間相互融合而成，實體空間是由5G網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、智能錄播、智能機器人、無人機（空中機器人）、3D建模平臺、腦機控制、計算機等設(shè)備所構(gòu)成的一個“人工智能實驗中心”，能夠為參訓(xùn)教師在真實場景中提供智能識別、智能交互、智能感知的人工智能應(yīng)用場景體驗，如腦機控制計算機操作、腦機控制智能家居等應(yīng)用；虛擬空間是由XR（VR/AR/MR）、3D全息機器人、3D全息投影、虛擬交互體感、虛擬數(shù)字人、動作捕捉、平板電腦等設(shè)備組成的一個“元宇宙實驗中心”[25]，能夠為參訓(xùn)教師在虛擬場景中提供交互式、沉浸式、多元式的元宇宙應(yīng)用場景體驗，如XR、3D全息、虛擬數(shù)字人在教學(xué)中的應(yīng)用等。因此，本研究將AI課程教學(xué)空間設(shè)計成實體空間和虛擬空間兩個部分，根據(jù)硬件設(shè)備的不同分別配備了各種相配套的軟件平臺，各種智能設(shè)備在模式識別、機器學(xué)習(xí)、知識圖譜、數(shù)據(jù)挖掘、自然語言處理、數(shù)字孿生、人機協(xié)作等關(guān)鍵技術(shù)的支持下，為參訓(xùn)教師提供代表人工智能技術(shù)發(fā)展前沿的智能學(xué)習(xí)空間。

人工智能課程的教學(xué)采用“三師課堂”教學(xué)模型，即由虛擬數(shù)字人教師、智能機器人教師、人類教師三體合一而組成的“三師協(xié)同”教學(xué)團隊共同完成授課任務(wù)。虛擬數(shù)字人教師負(fù)責(zé)線上課程教學(xué)內(nèi)容講解；智能機器人教師負(fù)責(zé)線下理論性、知識性問題解答，人類教師負(fù)責(zé)線下重點解決學(xué)生人文、心理、實操和創(chuàng)新性等方面疑難問題。虛擬數(shù)字人教師和智能機器人教師的應(yīng)用可以讓人類教師從重復(fù)性、機械性、理論性和知識性的勞動中解脫出來。教師的角色是支持者、引導(dǎo)者、組織者；而學(xué)生（參訓(xùn)教師）是探究者、發(fā)現(xiàn)者、合作者。開展人工智能師資培訓(xùn)時，“三師課堂”中的三類教師利用在實體空間和虛擬空間相互融合所構(gòu)建的人工智能教學(xué)應(yīng)用場景，為參訓(xùn)教師提供學(xué)習(xí)交流、動手實踐、活動體驗和協(xié)作分享的展示交流平臺，在學(xué)習(xí)過程中獲得動感心理沉浸、穿越時空界限、虛實情境交互和學(xué)科跨界融合等多方面的真實體驗，讓參訓(xùn)教師直觀地感受人工智能應(yīng)用場景在日常教學(xué)中的具體呈現(xiàn)方式、應(yīng)用形式和教學(xué)方式，提升參訓(xùn)教師的人工智能素養(yǎng)，拓寬參訓(xùn)教師的視野，提高參訓(xùn)教師對人工智能編程的興趣和應(yīng)用人工智能技術(shù)組織教學(xué)的能力，增強參訓(xùn)教師的人工智能知識儲備，使他們及時把所學(xué)知識遷移到自己教學(xué)實踐中。虛擬空間與實體空間融合的AI課程教學(xué)空間（如圖2所示）。

（二）AI課程教學(xué)形式：線上教學(xué)與線下教學(xué)融合

開展人工智能課程師資培訓(xùn)，需要依據(jù)“普高新課標(biāo)”和“義教新課標(biāo)”，圍繞學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)教師的智能技術(shù)融合意識、智能思維能力、智能學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力、智能社會責(zé)任。

在2019年至2022年間，全世界第一次超大規(guī)模的線上教學(xué)實踐更新了人們的教育理念，“停課不停學(xué)”空中課堂為教師開展線上教學(xué)積累了寶貴經(jīng)驗。在開展人工智能師資培訓(xùn)時，通過信息發(fā)布平臺、網(wǎng)絡(luò)研修平臺和網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺開展線上教學(xué)活動。利用門戶網(wǎng)站、微信群、微信公眾號等信息平臺發(fā)布培訓(xùn)活動信息；利用網(wǎng)絡(luò)研修平臺設(shè)置師資培訓(xùn)專欄，上傳培訓(xùn)PPT課件和虛擬數(shù)字人教師授課微視頻等教學(xué)資源，供參訓(xùn)教師進行線上研修學(xué)習(xí)、線上互動問答、線上提交作業(yè)和線上交流評價；利用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺讓虛擬數(shù)字人教師進行網(wǎng)絡(luò)授課，如騰訊會議、Zoom、CCtalk、釘釘?shù)绕脚_。通過線上培訓(xùn)讓參訓(xùn)教師主要學(xué)習(xí)人工智能的基礎(chǔ)理論知識。

線下培訓(xùn)是通過AI教學(xué)空間（實體空間和虛擬空間）提供的多種智能設(shè)備開展線下面授培訓(xùn)，通過線下培訓(xùn)讓中小學(xué)教師掌握人工智能設(shè)備操作和智能作品制作。開展人工智能師資培訓(xùn)時，在實體空間應(yīng)用基于智能機器人和人工智能教學(xué)構(gòu)建的“微課導(dǎo)學(xué)”教學(xué)模式、“學(xué)做創(chuàng)”教學(xué)模式、“知識建構(gòu)、STEM、創(chuàng)客”三位一體教學(xué)模型組織教學(xué)[26-28]。根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容分別選用各種智能軟硬件開展設(shè)計、搭建、編程、調(diào)試、展示、交流、評價等制作活動。人類教師和智能機器人教師通過線下教學(xué)為參訓(xùn)教師提供學(xué)習(xí)交流、動手實踐、活動體驗和協(xié)作分享的展示交流平臺，讓參訓(xùn)教師在真實情境中進行智能感知、智能交互和智能體驗。

當(dāng)前，中小學(xué)各學(xué)科教師運用線上教學(xué)與線下教學(xué)相融合的教學(xué)方式已成為新常態(tài)。根據(jù)人工智能課程的特點，本研究將人類教師和智能機器人教師在實體空間開展線下面授培訓(xùn)與虛擬數(shù)字人教師在虛擬空間通過線上網(wǎng)絡(luò)課程授課進行有機融合，充分發(fā)揮“三師課堂”優(yōu)勢，跨越時空界限，實現(xiàn)虛實結(jié)合，把線上教學(xué)與線下教學(xué)融合教學(xué)形式作為中小學(xué)人工智能師資培訓(xùn)“AI-3S”教學(xué)模式的主要教學(xué)手段。通過AI教學(xué)空間（實體空間和虛擬空間）進行線下與線上融合組織教學(xué)，讓參訓(xùn)教師既能掌握人工智能的基礎(chǔ)理論知識、靈活應(yīng)用人工智能技術(shù)支持學(xué)科教學(xué)，又能提升教師的創(chuàng)意編程能力、項目規(guī)劃能力、工程設(shè)計能力、動手實操能力和團隊協(xié)作能力。線上教學(xué)與線下教學(xué)融合的AI課程教學(xué)形式如圖3所示。

（三）AI課程教學(xué)策略：項目式學(xué)習(xí)與跨學(xué)科學(xué)習(xí)融合

項目式學(xué)習(xí)與跨學(xué)科學(xué)習(xí)融合是中小學(xué)人工智能師資培訓(xùn)“AI-3S”教學(xué)模式的重要組成部分。無論是“普高新課標(biāo)”還是“義教新課標(biāo)”，均強調(diào)項目學(xué)習(xí)和跨學(xué)科學(xué)習(xí)的重要性。要求以項目學(xué)習(xí)為主線，跨學(xué)科實踐活動不少于本學(xué)科總課時的10%。項目學(xué)習(xí)注重做中學(xué)、學(xué)中做和做中創(chuàng)，讓學(xué)習(xí)者開展項目主題探究活動，經(jīng)過知識建構(gòu)、知識遷移、問題解決和創(chuàng)造價值的過程，體會探究新知的樂趣。

項目學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計流程分為選定項目、制訂計劃、活動探究、作品制作、成果交流和活動評價六個步驟[29]。依據(jù)“普高新課標(biāo)”編寫出版的5本《人工智能初步》教材的體例均是以項目學(xué)習(xí)為主線。以粵教版“人工智能初步”為例 [30]，該教材的體例是圍繞項目學(xué)習(xí)主線開展學(xué)習(xí)活動，將知識建構(gòu)、技能培養(yǎng)與思維發(fā)展融入運用數(shù)字化工具解決問題和完成任務(wù)的過程中，從而促進信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會責(zé)任的信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)達成[31]。因此，在開展人工智能師資培訓(xùn)時，也需要依據(jù)新課標(biāo)將項目學(xué)習(xí)作為一種主要教學(xué)策略，選擇恰當(dāng)?shù)摹胺独?，讓參?xùn)教師通過“情境→主題→規(guī)劃→探究→實施→成果→評價”等環(huán)節(jié)開展項目學(xué)習(xí)活動。

跨學(xué)科學(xué)習(xí)是基于跨學(xué)科意識，運用兩種或兩種以上的學(xué)科觀念及跨學(xué)科觀念，解決真實問題的學(xué)習(xí)[32]?？鐚W(xué)科是將不同的學(xué)科知識進行聯(lián)系，以實際問題為媒介，以探究項目為組織形式，注重解決實際問題[33]。通過跨學(xué)科整合、跨學(xué)科思考、跨學(xué)科實踐、跨學(xué)科評價，提升學(xué)習(xí)者跨學(xué)科學(xué)習(xí)的意識、思維和能力。因此，本研究以項目學(xué)習(xí)為主線，引入知識建構(gòu)理論，開展“共享—論證—協(xié)商—創(chuàng)作—反思”協(xié)作學(xué)習(xí) [34]，將項目學(xué)習(xí)與跨學(xué)科學(xué)習(xí)進行有機融合，讓參訓(xùn)教師利用人工智能技術(shù)開展實踐體驗活動，在探索中進行創(chuàng)新，將跨學(xué)科知識進行融合、內(nèi)化和吸收，以提升參訓(xùn)教師的核心素養(yǎng)和教育理念，從而培養(yǎng)參訓(xùn)教師的教學(xué)設(shè)計能力、跨學(xué)科融合能力、項目規(guī)劃能力、教學(xué)評價能力和創(chuàng)新思維能力。項目學(xué)習(xí)與跨學(xué)科學(xué)習(xí)融合的AI課程教學(xué)策略如圖4所示。

四、“AI-3S”師資培訓(xùn)模式應(yīng)用實踐

開展人工智能師資培訓(xùn)時，需要應(yīng)用多種教學(xué)場景，需要多種人工智能硬件和軟件平臺的支持，同時需要采用適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)形式和教學(xué)策略組織教學(xué)。本研究結(jié)合廣州市的具體情況，應(yīng)用中小學(xué)人工智能師資培訓(xùn)“AI-3S”教學(xué)模式，開展了系列中小學(xué)人工智能教育師資培訓(xùn)活動，這里以“智能交互懸空感應(yīng)爵士鼓的設(shè)計”項目為例[35]，介紹該模式的具體應(yīng)用情況。

（一）“選定項目、制訂計劃”階段

在“選定項目、制訂計劃”階段，采用的教學(xué)形式為線上培訓(xùn)與線下培訓(xùn)相結(jié)合，培訓(xùn)時間為3學(xué)時。授課采用“三師課堂”教學(xué)模型組織教學(xué)，“三師課堂”是由人類教師、智能機器人教師和虛擬數(shù)字人教師三類教師協(xié)同組成的授課團隊，虛擬數(shù)字人教師負(fù)責(zé)線上授課內(nèi)容講解，智能機器人教師負(fù)責(zé)知識性問題的答疑，人類教師負(fù)責(zé)線下現(xiàn)場教學(xué)活動的指導(dǎo)。線上培訓(xùn)由虛擬數(shù)字人教師通過騰訊會議等視頻直播平臺進行在線授課，讓參訓(xùn)教師學(xué)習(xí)人工智能基礎(chǔ)理論知識。線下培訓(xùn)依次在兩個空間中進行，在虛擬空間，參訓(xùn)教師觀看3D全息數(shù)字虛擬人和3D全息投影真人的爵士鼓演奏，感知、體驗和認(rèn)識爵士鼓的結(jié)構(gòu)組成；在實體空間，根據(jù)虛擬數(shù)字人教師的講授內(nèi)容，在空間體驗學(xué)習(xí)新知識，遇到知識性問題向智能機器人教師求助解答。通過“共享—論證”，開展跨學(xué)科整合和跨學(xué)科思考，實現(xiàn)知識建構(gòu)與能力提升，通過研究傳統(tǒng)“五鼓四镲”爵士鼓的結(jié)構(gòu)組成，制訂“智能交互懸空感應(yīng)爵士鼓”項目計劃。根據(jù)傳統(tǒng)爵士鼓的結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)備制作“智能交互懸空感應(yīng)爵士鼓的設(shè)計”所需要的硬件：1個機器人主控器、 9個超聲波傳感器、1個紅外傳感器、1個藍牙模塊、1批物聯(lián)網(wǎng)傳感器及配件、1個智能音箱、1批結(jié)構(gòu)件。參訓(xùn)教師2人一組完成硬件和軟件的準(zhǔn)備工作。

（二）“活動探究、作品制作”階段

在“活動探究、作品制作”階段，采用的教學(xué)形式是線下面授培訓(xùn)，培訓(xùn)時間為6學(xué)時。參訓(xùn)教師2人一組首先在虛擬空間分別用平板電腦和帶操控手柄的VR眼鏡在相應(yīng)的App中組裝虛擬爵士鼓，熟悉和感知虛擬爵士鼓每個“鼓”和“镲”的排放順序、音色差異和演奏效果；然后在實體空間動手組裝一臺“智能交互懸空感應(yīng)爵士鼓”；其功能要求用語音控制播放曲目的選擇、音量大小的調(diào)整，操作方式為用懸空感應(yīng)的方式演奏，按功能需求選用適合自己學(xué)段的編程軟件完成“智能交互懸空感應(yīng)爵士鼓”程序編寫，其中根據(jù)參訓(xùn)教師所教學(xué)段（小學(xué)、初中、高中），編程軟件分別采用積木式圖形化軟件、App Inventor、Python等；在5G環(huán)境下配置物聯(lián)網(wǎng)傳感器，通過編程和App設(shè)置實現(xiàn)智能音箱與爵士鼓的連接。這個階段主要是以“三師課堂”授課為主導(dǎo)、以參訓(xùn)教師為主體、以項目學(xué)習(xí)為主線、以疑難問題為主軸的線下教學(xué)形式，參訓(xùn)教師在制作的過程中通過“小組協(xié)商、共同創(chuàng)作”“學(xué)中做、做中創(chuàng)”，開展項目活動探究和智能作品創(chuàng)作，遇到知識性的疑難問題時可以向智能機器人教師求助，遇到技能性、創(chuàng)新性的問題可以向人類教師求助，遇到虛擬數(shù)字人教師講解的內(nèi)容沒有記住時可以通過反復(fù)觀看微課視頻進行“微課研習(xí)”?！叭龓熣n堂”中的人類教師、智能機器人教師和虛擬數(shù)字人教師分別擔(dān)任不同角色，共同完成線上課堂授課、線下問題答疑和線下動手實操指導(dǎo)，讓參訓(xùn)教師通過跨學(xué)科實踐和拓展創(chuàng)新設(shè)計，最終完成“智能交互懸空感應(yīng)爵士鼓的設(shè)計”項目作品的設(shè)計和制作，從而實現(xiàn)項目式學(xué)習(xí)和跨學(xué)科學(xué)習(xí)的有機融合。

（三）“成果交流、活動評價”階段

在“成果交流、活動評價”階段，采用的教學(xué)形式為線上培訓(xùn)與線下培訓(xùn)相結(jié)合，培訓(xùn)時間為3學(xué)時。參訓(xùn)教師用元宇宙體感爵士鼓、VR眼鏡+操控手柄和平板電腦進行爵士鼓演奏，展示“智能交互懸空感應(yīng)爵士鼓”的功能，把在虛擬空間和實體空間搭建和制作的虛、實爵士鼓進行線下展示路演、分享學(xué)習(xí)心得，再分別進行組內(nèi)和組間交流評價，根據(jù)評價反饋信息繼續(xù)完善作品制作；培訓(xùn)結(jié)束后每個參訓(xùn)教師將自己的制作過程照片、作品演示視頻、作品設(shè)計方案、項目研究報告、項目研究論文、發(fā)明專利申請書等多種物化成果上傳到UMU平臺，最后人類教師根據(jù)參訓(xùn)教師在線下和線上多個場景的學(xué)習(xí)情況，從資料搜集能力、交流溝通能力、項目規(guī)劃能力、實踐操作能力、小組協(xié)作能力、創(chuàng)新思維能力、物化成果能力等幾個緯度進行評價，采用多元評價方案對參訓(xùn)教師的學(xué)習(xí)效果進行綜合評價，保證評價數(shù)據(jù)的真實性、可靠性、完整性、公平性和精準(zhǔn)性，為參訓(xùn)教師登記繼續(xù)教育學(xué)時和頒發(fā)考核合格證書，記入教師專業(yè)發(fā)展檔案，提高參訓(xùn)教師的學(xué)習(xí)積極性。

（四）“AI-3S”師資培訓(xùn)模式應(yīng)用效果分析與展望

應(yīng)用中小學(xué)人工智能師資培訓(xùn)“AI-3S”教學(xué)模式分別對香港、澳門、廣州、佛山、惠州、肇慶等地700多位教師進行了培訓(xùn)實驗，并將該模式的應(yīng)用效果面向參訓(xùn)教師進行了問卷調(diào)查，共回收有效問卷683份。調(diào)查結(jié)果顯示：96.22%的教師認(rèn)為應(yīng)用該模式開展人工智能培訓(xùn)效果較好，98.38%的教師認(rèn)為對人工智能師資培訓(xùn)有針對性，95.68%的教師認(rèn)為能夠提升參訓(xùn)教師的人工智能素養(yǎng)，94.59%的教師認(rèn)為有助于解決人工智能師資短缺問題?？梢?，94%以上的參訓(xùn)教師對應(yīng)用該模式開展人工智能教育師資培訓(xùn)的滿意度較高，說明該模式具有一定的有效性、針對性、實用性和創(chuàng)新性。

通過構(gòu)建“AI-3S”教學(xué)模式和其應(yīng)用實踐，對中小學(xué)人工智能師資培訓(xùn)提出以下建議。

1.政、校、企多方聯(lián)動，協(xié)同推進人工智能師資培訓(xùn)工作

各級教育行政部門、教研機構(gòu)、電教館、學(xué)校、少年宮、校外培訓(xùn)機構(gòu)和企業(yè)多方聯(lián)動，通力協(xié)作，通過產(chǎn)學(xué)合作和產(chǎn)教融合，共同探討中小學(xué)人工智能師資培訓(xùn)的新模式和新途徑，開展形式多樣的師資培訓(xùn)活動，提升中小學(xué)教師的人工智能素養(yǎng)，為中小學(xué)校解決缺少人工智能師資的難題共同出謀劃策，協(xié)同推進，創(chuàng)新發(fā)展，對成功模式進行推廣普及。

2.中小學(xué)教師主動作為，提升自身人工智能技術(shù)應(yīng)用能力

隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈、數(shù)字孿生、邊緣計算、腦科學(xué)、元宇宙等新技術(shù)快速更新，中小學(xué)教師必須緊跟教育部啟動的“教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動”計劃，樹立終身學(xué)習(xí)的教育理念，積極參加各類人工智能師資培訓(xùn)活動，運用微信視頻號、抖音等視頻平臺提供的實時在線視頻課程進行自學(xué)，快速提升自身人工智能技術(shù)應(yīng)用能力和教學(xué)水平，以適應(yīng)教育數(shù)字化時代對中小學(xué)人工智能師資的需求，以便為國家培養(yǎng)一批創(chuàng)新型、實用型人工智能高端人才。

3.注重人工智能倫理規(guī)范，提高參訓(xùn)教師人工智能倫理意識

2021年9月，國家新一代人工智能治理專業(yè)委員會發(fā)布了《新一代人工智能倫理規(guī)范》[36]，將倫理道德融入人工智能全生命周期，促進公平、公正、和諧、安全，避免偏見、歧視、隱私和信息泄露等問題，增強全社會的人工智能倫理意識與行為自覺，負(fù)責(zé)任地研發(fā)與應(yīng)用人工智能。因此，在開展中小學(xué)人工智能師資培訓(xùn)時要注重人工智能倫理規(guī)范的培養(yǎng)，積極學(xué)習(xí)和普及人工智能倫理知識，客觀認(rèn)識倫理問題，主動開展或參與人工智能倫理問題討論，深入推動人工智能倫理治理實踐，提升師生的人工智能倫理素養(yǎng)和倫理風(fēng)險應(yīng)對能力。

五、結(jié)語

本研究構(gòu)建了中小學(xué)人工智能師資培訓(xùn)“AI-3S”教學(xué)模式。通過開展實體空間與虛擬空間融合、線上教學(xué)與線下教學(xué)融合、項目學(xué)習(xí)與跨學(xué)科學(xué)習(xí)融合的人工智能師資培訓(xùn)活動，能夠讓參訓(xùn)教師掌握人工智能的基本原理和實操技能，有助于提升參訓(xùn)教師的跨學(xué)科融合能力、項目規(guī)劃能力、教學(xué)評價能力和創(chuàng)新思維能力。筆者團隊?wèi)?yīng)用該模式在廣州市中小學(xué)人工智能師資培訓(xùn)中進行了三年實驗，培養(yǎng)了一批人工智能師資隊伍，為部分學(xué)校解決了人工智能師資短缺的難題。希望在今后的教學(xué)實踐中，繼續(xù)對該模式進行優(yōu)化和完善，推動師資培養(yǎng)模式的創(chuàng)新和教學(xué)方法的變革，打造智能型教師隊伍，提升教師應(yīng)用人工智能技術(shù)開展教學(xué)的實踐應(yīng)用能力，助推人工智能進學(xué)校、進課堂的進程，為解決中小學(xué)人工智能師資嚴(yán)重短缺的難題提供參考和借鑒。

基金項目：全國教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度教育部重點課題“面向中小學(xué)人工智能教育的教師培養(yǎng)與教學(xué)策略研究”（DHA200334）

作者簡介：王同聚（1968 — ），男，河南泌陽人，正高級教師、碩士生導(dǎo)師，研究方向為智能機器人教育、創(chuàng)客教育、STEM教育、人工智能教育和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用；胡小勇（1978 — ），男，江西奉新人，教授、博士生導(dǎo)師，教育人工智能研究院常務(wù)副院長，研究方向為信息化教學(xué)創(chuàng)新、智能教育理論與應(yīng)用；丁美榮（1972 — ），女，內(nèi)蒙古杭錦后旗人，副教授、碩士生導(dǎo)師，研究方向為自然語言處理和智能計算、人工智能教育、創(chuàng)客教育和STEM教育，系本文通信作者。

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