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摘要：本文從目前中小學(xué)人工智能教學(xué)存在的問題入手，創(chuàng)造性地提出了中小學(xué)人工智能創(chuàng)新教學(xué)模式，并構(gòu)建完整的創(chuàng)新課程體系，包括人工智能入門、人工智能創(chuàng)新思維和人工智能創(chuàng)新實(shí)踐三門課程，這三門課程互為支撐、層層遞進(jìn)、由淺入深地培養(yǎng)學(xué)生的人工智能素養(yǎng)和必備技能。同時(shí)，文章詳細(xì)闡述了創(chuàng)新教學(xué)模式特色、課程設(shè)計(jì)原則、課程實(shí)施過程、課程評價(jià)方法以及課程實(shí)施效果。

關(guān)鍵詞：人工智能；創(chuàng)新教學(xué)；教學(xué)模式；六大途徑；應(yīng)用研究

基金項(xiàng)目：文章系中國教育技術(shù)協(xié)會“十四五”規(guī)劃專項(xiàng)課題《人工智能與教育》（課題批準(zhǔn)號：XHZXKT2022028）的研究成果。

徐啟發(fā)（1978.06-），男，漢族，河北雄安新區(qū)，教育碩士，高級教師，研究方向：現(xiàn)代教育技術(shù)。

一、引言

人工智能作為未來社會核心競爭力之一，中小學(xué)人工智能教育也顯得非常重要，許多學(xué)校都在努力嘗試開展人工智能課程，希望能夠幫助學(xué)生做好面對未來的準(zhǔn)備，但目前中小學(xué)人工智能教育水平參差不齊，導(dǎo)致很多學(xué)生對人工智能教學(xué)的渴求得不到滿足。

（一）急需能夠調(diào)動學(xué)習(xí)熱情的教學(xué)方式

很多學(xué)校和機(jī)構(gòu)的人工智能教學(xué)還在延續(xù)之前固有的“重理論、輕實(shí)踐”的教學(xué)模式，認(rèn)為只有對理論講深、講厚，才能讓學(xué)生了解到原汁原味的人工智能；又或者是采用“實(shí)踐替代理論”的方式，導(dǎo)致學(xué)生只會動手，不知道操作的具體含義。這些方式都很難滿足學(xué)生對人工智能的渴望，學(xué)生急需能夠充分激發(fā)他們學(xué)習(xí)熱情的教學(xué)方式。

（二）急需重視人工智能基礎(chǔ)的教學(xué)模式

雖然很多學(xué)校和機(jī)構(gòu)都有開設(shè)中小學(xué)人工智能課或社團(tuán)活動，但是很多人工智能課程在思想方法上存在一些問題，比如有的人工智能課程“唯程序論”，把讓學(xué)生習(xí)得編程的能力作為人工智能的核心素養(yǎng)，偏離了人工智能教學(xué)的本質(zhì)；有的人工智能課程“唯算法論”，把算法當(dāng)成人工智能教學(xué)的重中之重，并讓學(xué)生反復(fù)的學(xué)習(xí)，殊不知過難的算法阻擋了學(xué)生從理論走向?qū)嵺`的大門，讓他們望而生畏；還有的人工智能課程雖然沒有把編程作為主要內(nèi)容，但是陷入“唯實(shí)踐論”的怪圈，還停留在滿足讓學(xué)生知曉傳感器和執(zhí)行器使用的范疇，因此也不能很好地詮釋什么是人工智能。例如，有的課程直接講解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，未能充分地講解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)先導(dǎo)內(nèi)容，學(xué)生只能零基礎(chǔ)學(xué)習(xí)，導(dǎo)致學(xué)習(xí)效果并不好。那么，到底人工智能教育應(yīng)該如何進(jìn)行？有專家認(rèn)為，人工智能教育應(yīng)該專注于人工智能核心理念的建構(gòu)，而非編程、機(jī)器人等外圍相關(guān)知識與技能，也不是人臉識別、語音識別、自動駕駛等相關(guān)應(yīng)用。

所以，在教學(xué)過程中，應(yīng)當(dāng)將人工智能的機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、符號智能、行為智能、群智能、進(jìn)化計(jì)算等六大技術(shù)途徑作為基礎(chǔ)并精講，為學(xué)生由淺入深地學(xué)習(xí)創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實(shí)踐打下基礎(chǔ)。

（三）急需探究學(xué)習(xí)人工智能創(chuàng)新思維的教學(xué)模式

有些人工智能課程只重視理論內(nèi)容的講解，或者偶爾穿插一些動手實(shí)踐內(nèi)容，但是學(xué)生通過人工智能課程到底學(xué)到了什么？是否學(xué)到人工智能創(chuàng)新的思維方法？當(dāng)他們遇到生活或者學(xué)習(xí)中的難題，是否能夠應(yīng)用人工智能解決？北京師范大學(xué)黃榮懷教授認(rèn)為，學(xué)校教育強(qiáng)調(diào)和培養(yǎng)主要是分析性智力，對創(chuàng)造性智力和實(shí)踐性智力的重視還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因此，學(xué)校急需探尋和學(xué)習(xí)人工智能的創(chuàng)新思維方法。

（四）急需探究學(xué)習(xí)人工智能創(chuàng)新實(shí)踐的教學(xué)模式

有些人工智能課程只是講解人工智能的相關(guān)理論，更有甚者把人工智能算法和復(fù)雜的程序作為人工智能的法寶，然而“唯程序論”“唯算法論”等都是有偏頗的。除人工智能基礎(chǔ)知識和創(chuàng)新思維外，人工智能課程需要新的學(xué)習(xí)方式和新的教學(xué)模式，才能充分激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實(shí)踐能力，所以，人工智能創(chuàng)新教學(xué)模式也是新時(shí)代人工智能人才培養(yǎng)模式改革的必然需求。

二、人工智能創(chuàng)新教學(xué)模式

何謂教學(xué)模式？本研究認(rèn)為教學(xué)模式的關(guān)鍵要素有三個(gè)，一是需要教學(xué)思想或教學(xué)理論的支持，只有建立在強(qiáng)大的教學(xué)理論下或者受到教學(xué)思想指導(dǎo)，才有可能成為好的教學(xué)模式，這是根源性要素；二是強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，臨時(shí)的教學(xué)策略或者教學(xué)活動都不可能成為教學(xué)模式，缺乏必要的穩(wěn)定性；三是強(qiáng)調(diào)活動結(jié)構(gòu)框架和活動程序，從框架可以看到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的模型，從程序可以看到教學(xué)活動的時(shí)序。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)第一節(jié)所述人工智能教學(xué)上的需求，本文對人工智能創(chuàng)新教學(xué)模式進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)踐。如前所述，學(xué)習(xí)人工智能重在對人工智能六大核心技術(shù)路徑和應(yīng)用的理解，不能光講編程，不然會把學(xué)生引入一個(gè)人工智能編程化的誤區(qū)；也不能光講硬件搭建，會給學(xué)生造成人工智能就是傳感器、執(zhí)行器等傳統(tǒng)機(jī)器人技術(shù)的錯覺；動手是必然的，但是一味地動手，會錯失對人工智能核心內(nèi)容的理解。綜上，有合理架構(gòu)的人工智能課程體系顯得尤為重要。

（一）創(chuàng)新課程體系的構(gòu)成

如何構(gòu)建并優(yōu)化人工智能創(chuàng)新課程體系，讓更多學(xué)生享受到提高創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實(shí)踐能力的樂趣，這是人工智能教學(xué)需要探索的問題。文章認(rèn)為，中小學(xué)人工智能課程體系應(yīng)該至少由三類課程組成：一是人工智能基礎(chǔ)知識的課程，能夠引領(lǐng)學(xué)生入門，讓學(xué)生了解完整的人工智能概念和六大核心技術(shù)途徑；二是人工智能創(chuàng)新思維課程，讓學(xué)生學(xué)會創(chuàng)新的方法和途徑；三是結(jié)合人工智能基礎(chǔ)和創(chuàng)新思維完成項(xiàng)目的創(chuàng)新實(shí)踐類課程。于是，文章構(gòu)建出《人工智能入門基礎(chǔ)》《人工智能創(chuàng)新思維》《人工智能創(chuàng)新實(shí)踐》三門課程，從根本上保證了學(xué)生能夠習(xí)得人工智能基礎(chǔ)知識、探尋創(chuàng)新思維方法和培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)踐能力，作為基于探究學(xué)習(xí)活動的人工智能創(chuàng)新教學(xué)模式，在實(shí)際教學(xué)中取得了較好的效果。

《人工智能入門基礎(chǔ)》課程主要為不同學(xué)段學(xué)生講解可掌握的基礎(chǔ)人工智能知識，讓學(xué)生對人工智能以及六大技術(shù)途徑有適合自己年齡段的認(rèn)知?！度斯ぶ悄軇?chuàng)新思維》課程使學(xué)生獲得能夠利用人工智能技術(shù)解決實(shí)際問題的思維模式與基本技能，陶冶其科研素養(yǎng)，培養(yǎng)其創(chuàng)新意識與能力。《人工智能創(chuàng)新實(shí)踐》課程以綜合實(shí)踐來驅(qū)動AI教育過程，推動學(xué)生們體驗(yàn)或完成一項(xiàng)或多項(xiàng)具體的人工智能應(yīng)用，在這一過程中不僅了解智能應(yīng)用的表象，更知道其背后的人工智能思維方式與技術(shù)要點(diǎn)。

由此可見，三門課程由淺入深，層層遞進(jìn)，環(huán)環(huán)相扣，能有效培養(yǎng)學(xué)生掌握專業(yè)人工智能知識、運(yùn)用知識的能力，并將人工智能創(chuàng)新意識與實(shí)踐技能作為核心學(xué)習(xí)目標(biāo)。

（二）創(chuàng)新課程之間的關(guān)系

《人工智能入門基礎(chǔ)》《人工智能創(chuàng)新思維》《人工智能創(chuàng)新實(shí)踐》三門課程是相輔相成、互相支撐、層層遞進(jìn)的關(guān)系。首先，人工智能入門是根基，能夠讓學(xué)生了解鮮活生動的人工智能基礎(chǔ)知識體系，比如通過小時(shí)候困惑已久阿里巴巴語音開門的故事，揭秘語音識別原理的奧秘；通過觀看世界圍棋人機(jī)大戰(zhàn)引發(fā)對符號智能的思考和學(xué)習(xí)；通過生物進(jìn)化與繁衍了解進(jìn)化計(jì)算等等。人工智能的一切知識都非常生動有趣，有了這些基礎(chǔ)以后，學(xué)生們才能進(jìn)階到關(guān)注人工智能思維方法的層面。

如何應(yīng)用這些人工智能基礎(chǔ)知識進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)是學(xué)生在第二層次需要特別關(guān)注的問題，可以在該階段模擬人工智能創(chuàng)新的經(jīng)典案例，綜合應(yīng)用之前學(xué)到的各種基礎(chǔ)知識，并動手體驗(yàn)人工智能創(chuàng)新的思維方法與過程，獲得相應(yīng)的創(chuàng)新意識與能力。

有了這些意識與能力之后，學(xué)生進(jìn)入到第三層次——創(chuàng)新實(shí)踐。在該階段，學(xué)生確定自己的創(chuàng)新問題，設(shè)計(jì)創(chuàng)新方案，做出實(shí)物或系統(tǒng)，最后完成項(xiàng)目實(shí)踐。通過三個(gè)環(huán)環(huán)相扣的創(chuàng)新課程體系培養(yǎng)，不僅可以提高學(xué)生創(chuàng)新思維，還能提升人工智能素養(yǎng)以及創(chuàng)新實(shí)踐能力。

（三）人工智能創(chuàng)新教學(xué)模式的特色

人工智能創(chuàng)新教學(xué)模式有以下幾個(gè)方面的特色：

第一方面，采用雙師模式。雙師即課程由兩名教師負(fù)責(zé)，主講教師負(fù)責(zé)教學(xué)內(nèi)容、知識的講解和實(shí)踐指導(dǎo)，而助教老師負(fù)責(zé)準(zhǔn)備人工智能實(shí)驗(yàn)物品和解答學(xué)生的疑惑。當(dāng)有學(xué)生沒有完全掌握主講教師的內(nèi)容時(shí)，助教老師會細(xì)心地幫助他們，直到學(xué)生學(xué)會為止，助教老師還可以在實(shí)踐環(huán)節(jié)引導(dǎo)學(xué)生動手操作，幫助學(xué)生快速提升操作技能。

第二方面，采用項(xiàng)目式教學(xué)。每名學(xué)生帶著項(xiàng)目深入學(xué)習(xí)人工智能知識，通過真實(shí)項(xiàng)目檢驗(yàn)自己的創(chuàng)新思維能力和創(chuàng)新實(shí)踐動手能力。

第三方面，采用教練式指導(dǎo)。課程的雙師模式為學(xué)生提供教練式學(xué)習(xí)環(huán)境，可以快速響應(yīng)學(xué)生遇到的各種理論問題和實(shí)踐操作中的動手問題，實(shí)踐表明，教練式指導(dǎo)是快速提高學(xué)生人工智能技能的重要途徑。

第四方面，為學(xué)生創(chuàng)建豐富腳手架，搭建學(xué)習(xí)環(huán)境。課程建構(gòu)豐富的學(xué)習(xí)情境，搭建大量腳手架，為學(xué)生從入門基礎(chǔ)到創(chuàng)新思維，再到創(chuàng)新實(shí)踐，一步步深入了解人工智能。

（四）人工智能創(chuàng)新課程設(shè)計(jì)原則

1.遵循新奇有趣的原則

課程的每一個(gè)環(huán)節(jié)應(yīng)當(dāng)能夠充分激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和動手創(chuàng)新實(shí)踐的欲望，課程素材盡量選用貼近生活、學(xué)生容易理解的實(shí)例。例如在講語音識別時(shí)，可以將小時(shí)候芝麻開門童話故事引入到教學(xué)情境中，在充分地分析后，帶領(lǐng)學(xué)生模擬制作出一扇語音控制門，從而降低人工智能學(xué)習(xí)的難度。

2.遵循實(shí)用、多模態(tài)的原則

分析和選取貼近生活的實(shí)用案例，給學(xué)生建構(gòu)有利于創(chuàng)新思維的情景，促使學(xué)生形成多模態(tài)創(chuàng)新思維。例如，學(xué)生在學(xué)習(xí)完人臉識別背后的機(jī)器學(xué)習(xí)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后，會有進(jìn)一步的創(chuàng)新思想。有的同學(xué)們認(rèn)為，既然攝像頭可以通過機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練，也可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類識別出不同人臉，那么一定也可以識別出不同的垃圾，所以他們設(shè)計(jì)出基于機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的垃圾分類系統(tǒng)。

3.遵循情境性、可探究性、價(jià)值性的原則

課程設(shè)計(jì)要遵循建構(gòu)主義原則，為學(xué)生創(chuàng)建良好的探究情境，該情境應(yīng)當(dāng)同時(shí)具備可探究性和價(jià)值性，使學(xué)生能在真實(shí)問題情境中去探究，就像做探險(xiǎn)游戲一樣真切且充滿強(qiáng)烈的好奇心和探究欲，體驗(yàn)項(xiàng)目探究的趣味性和成就感。

三、人工智能創(chuàng)新課程實(shí)施的過程

上述人工智能創(chuàng)新教學(xué)模式重要特色之一是基于PBL項(xiàng)目設(shè)計(jì)，并且項(xiàng)目設(shè)計(jì)貫穿于整個(gè)人工創(chuàng)新教學(xué)過程中。例如，教師為學(xué)生預(yù)設(shè)一組人工智能探究學(xué)習(xí)活動項(xiàng)目主題，可以借助聊天機(jī)器人、智能小車和自主機(jī)器人三種教具分別設(shè)置不同的主題，每種主題又按照不同的難度分為基礎(chǔ)系列、智慧系列和創(chuàng)新系列，基礎(chǔ)系列應(yīng)當(dāng)滿足學(xué)習(xí)科學(xué)原理的需要，智慧系列是在了解科學(xué)原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行智慧應(yīng)用，創(chuàng)新系列是在掌握科學(xué)原理、真實(shí)項(xiàng)目應(yīng)用的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新探究，從而可以達(dá)到參加科創(chuàng)比賽等科技比賽的程度。

（一）精心設(shè)計(jì)、建構(gòu)環(huán)境

學(xué)生的創(chuàng)新環(huán)境非常重要，有什么樣的創(chuàng)新環(huán)境就有什么樣的學(xué)習(xí)成果，作為教師，要積極努力為學(xué)生創(chuàng)設(shè)好的創(chuàng)新環(huán)境。比如在講解圖像識別內(nèi)容時(shí)，可以選用搭載攝像頭的智能小車，智能小車通過人臉識別認(rèn)證后，不僅可以通過語音識別控制，還可以通過手勢控制小車的行進(jìn)、后退和左、右轉(zhuǎn)彎，以此給學(xué)生搭建一個(gè)激發(fā)創(chuàng)新思維的環(huán)境，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（二）集思廣益、匯聚創(chuàng)意

好的創(chuàng)意需要集思廣益，再匯聚成有獨(dú)特見解的產(chǎn)品創(chuàng)意，同學(xué)們可以說出自己對于項(xiàng)目的理解，并利用發(fā)散思維和聚合思維把創(chuàng)新想法凝練成最終的創(chuàng)意。

（三）角色適配、發(fā)揮專長

學(xué)生可以挑選自己喜歡的工作類型，既可以成為軟件工程師或硬件工程師，也可以成為文檔工程師或者是產(chǎn)品工程師，讓每位同學(xué)都能在項(xiàng)目組里充分發(fā)揮自己的特長，為項(xiàng)目出力。

（四）活動探究、工程設(shè)計(jì)

好的創(chuàng)新想法后要用工程思維來解決。以制作語音識別和圖像識別智能小車為例，學(xué)生首先按照安裝說明書安裝智能小車的硬件，再通過USB連接電腦，進(jìn)入編程界面，然后在編程界面寫入智能小車相應(yīng)的語音識別指令和圖像識別指令。每一個(gè)制作細(xì)節(jié)都能充分體現(xiàn)出學(xué)生的人工智能創(chuàng)新思維、工程思維。

（五）反復(fù)迭代、優(yōu)化產(chǎn)品

創(chuàng)新產(chǎn)品制作出來后，學(xué)生發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品可能并不完美，比如輪子裝反、攝像頭的位置不夠精準(zhǔn)、線路出現(xiàn)虛接、智能小車時(shí)走時(shí)停等各種問題；又或者程序不夠優(yōu)化，導(dǎo)致本來應(yīng)該在1秒內(nèi)響應(yīng)的程序，延遲了5、6秒才做回饋，這都是人工智能研究組的學(xué)生需要著重研究的問題。好的人工智能探究作品，需要反復(fù)地迭代、反復(fù)優(yōu)化和更新，而學(xué)生在探究創(chuàng)新產(chǎn)品制作的過程中，也極大地鍛煉了自己的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實(shí)踐能力。

（六）分享成果、優(yōu)化思維

學(xué)生把作品分享出來，集中大家的智慧共同分析作品的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，在交流和評論中進(jìn)一步增強(qiáng)動手制作能力，優(yōu)化工程思維，提升人工智能素養(yǎng)，并積累豐富的經(jīng)驗(yàn)。

四、創(chuàng)新課程的評價(jià)方法

人工智能創(chuàng)新教學(xué)模式的評價(jià)方法有很多種，由于人工智能教學(xué)有綜合理論學(xué)習(xí)和人工智能項(xiàng)目制作，具有一定的特殊性，所以不宜采用單一的評價(jià)方法，而要包括表現(xiàn)性評價(jià)、過程性評價(jià)和發(fā)展性評價(jià)。表現(xiàn)性評價(jià)主要看學(xué)生是否具備相應(yīng)的創(chuàng)新思維，并能將創(chuàng)新思維應(yīng)用到學(xué)習(xí)和生活中形成人工智能項(xiàng)目作品；是否在各項(xiàng)人工智能比賽上取得了一定的成績；是否在學(xué)校的科技節(jié)上展示或展演過人工智能作品。過程性評價(jià)主要看學(xué)生在項(xiàng)目完成過程中的表現(xiàn)。發(fā)展性評價(jià)要注意評價(jià)目標(biāo)、評價(jià)主體、評價(jià)內(nèi)容、評價(jià)方式的多元化，以更加契合學(xué)生的個(gè)性發(fā)展和全面發(fā)展。

五、結(jié)束語

通過為人工智能課程體系建立創(chuàng)新基礎(chǔ)、創(chuàng)新實(shí)踐和創(chuàng)新應(yīng)用這三門不同特色課程，并將不同項(xiàng)目的主題按照難度分為基礎(chǔ)系列、智慧系列和創(chuàng)新系列，吸引學(xué)生進(jìn)行深入探究，從而進(jìn)一步夯實(shí)學(xué)生的基礎(chǔ)，極大地提升學(xué)生的人工智能素養(yǎng)。

作者單位：徐啟發(fā) 北京市豐臺區(qū)怡海中學(xué)

劉峽壁 北京理工大學(xué)

李?；?北京市第六十五中學(xué)

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]劉峽壁，陳文香，李?；?，等.高中人工智能普及課程的設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)施[J].中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)，2022（01）：66-69.

[2]黃榮懷，劉曉琳.創(chuàng)客教育與學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2016，26（04）：12-19.