專題：中小學人工智能教育怎么教（下）

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。《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）》明確指出，要配備數量合理、配置適當的實驗設備，建設適應教學需要的數字化教學資源[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，并由此展開教學；實踐課程軟硬件環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。學校可結合自身條件與實際教學需求，配備計算機、軟件等基礎網絡設施，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，應分區布置，使之功能明晰、規整有序，一般應包括配備互動白板、投影設備等的教學區，布局適宜、資源豐富的學習區，配備常用設備、工具和人工智能開發板等的工作坊區，并設立設備儲存柜、貨架和抽屜等的設備存放區。

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字與培養數感的初級階段，人工智能的知識儲備較為薄弱，關鍵是激發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驗和生活經驗，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，激發學生對人工智能的興趣。例如，教師可在學習區放置各類學習資源，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年級的學生認知發展處于具象思維階段，已經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據采集與處理的方法，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板的工作坊區，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種手勢的數據，制作簡易的“AI猜拳機器人”，認識數據和機器學習的基本概念；在教學區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，講解“聽覺傳感器”，并通過類比人類聽覺系統的工作過程，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歷人工智能模型的開發過程，重點、難點在于通過不斷調整數據集改進模型，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，生成的數據集也會更為復雜，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，培養創新思維與實踐能力；借助在線人工智能平臺和簡易工作坊區開發工具，結合查閱的資料，進行數據收集與整理、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方式，并引導學生基于生活情境，通過項目式作品開發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，利用網絡收集所需圖片等素材，引導學生正確劃分數據集，并借助人工智能平臺上的開源代碼訓練模型，實現對流水線產品的分揀功能，完成“智能分揀系統”的設計與開發，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；設計一些神經網絡實驗，引導學生借助人工智能平臺和工具設備等資源，動手訓練神經網絡，如基于MNIST數據集訓練LeNet模型，基于CIFAR-100數據集訓練VGGNet模型，并比較“手寫數字識別”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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[2] 鐘柏昌．中小學機器人教育的核心理論研究——機器人教學模式的新分類[J]．電化教育研究，2016，37（12）：87-92．

[3] 袁加欣，孔新梅，杜東燕，等．中小學人工智能機器人課程教學模式研究[J]．中國教育信息化，2022，28（10）：123-128．

[4] 韓蕾，李婷婷，鐘柏昌．基于GOMS的趣味交互型機器人教學案例設計研究[J]．數字教育，2016，2（06）：61-66．

[5] 李新房，劉名卓，祝智庭．基于聯通主義的雙聯通教學設計模型（SCCS）研究[J]．遠程教育雜志，2016（5）：83-88．

[6] 曹燕華，謝忠新．中小學人工智能課程SCCS教學模式構建及應用研究[J]．教育傳播與技術，2023，（06）：32-38．

[7] 鐘柏昌，劉曉凡．創新能力培養的學理機制與4C教學模式建構[J]．現代遠程教育研究，2021，33（04）：20-32．

[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的優化”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