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）

推動人工智能教育的普及已經成為國際基礎教育發展的新趨勢。早在2017年，我國出臺的《新一代人工智能發展規劃》就提出了普及人工智能教育的路線圖[1]。教育部于2018年發布《教育信息化2.0行動計劃》，進一步要求完善課程方案和課程標準，充實適應信息時代、智能時代發展需要的人工智能和編程課程內容。隨后，《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）》和《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》都將人工智能基礎知識納入了課程體系，后者還將人工智能作為組織課程內容的六條邏輯主線之一，更加明確細化了人工智能模塊的定位。2024年11月，《教育部辦公廳關于加強中小學人工智能教育的通知》的發布，明確了中小學人工智能教育的實施路徑和主要任務及舉措，為中小學人工智能教育的普及推廣創造了新的機遇。基于我國對人工智能人才的需求與對人工智能課程的逐漸規范，深圳市教育局嘗試以《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》為基礎，融合本地特色，于2024年10月頒布了《深圳市義務教育人工智能課程綱要（修訂版）》（以下簡稱《綱要》），與教育部的最新文件精神高度契合。為貫徹落實國家和地方文件精神，本文從“怎么教”這個角度對《綱要》進行解讀，介紹人工智能課程應采取的教學模式與方法、教學資源與工具，為人工智能課程的具體落地提供參考。

教學模式與方法的選擇

教學模式的類型及特點

本次《綱要》修訂依據專家團隊的研究成果，結合我國先行城市人工智能教育普及工作的寶貴經驗，借助情境創設、任務驅動，采取項目式學習、游戲化學習、大單元教學、逆向工程教學、糾錯教學等教學模式，將人工智能最新成果如生成式人工智能融入課堂教學，為學生創設自主、合作、探究的人工智能學習情境，體系化塑造學生人工智能素養。

圖1　教師向學生展示實物作品原型

由于人工智能教育較復雜，包含理論、實踐、應用等多種知識內容，因此難以僅采用單一的講授式教學法開展課程，需要采用多種教學模式，并根據不同的課程內容目標與要求，個性化地使用對應的教學模式，以最大化發展學生的人工智能素養。《綱要》提出人工智能的課程設計倡導“做中學”“用中學”與“創中學”，需融合觀察、體驗、模擬、創作等活動形式，這一要求與鐘柏昌等人提出的4I教學模式[2]——實驗模擬型教學（Imitation）、趣味交互型教學（Interaction）、科學探究型教學（Inquiry）和發明創造型教學（Invention）相符合。由此，本文嘗試以4I教學模式分類法為參考，結合《綱要》的案例設計，介紹人工智能課程應該如何教學。

實驗模擬型教學模式是基于逆向工程理論，以模仿設計產品原型為主要任務，通過展現原型或讓學生體驗目標產品，模擬、再現與改進產品，以期培養學生人工智能基本技能的一種教學模式。例如，袁加欣等人提出了“體驗情境—反思觀察—總結內化—創新分享”的教學模式，將產品案例導入課堂，讓學生在體驗情境環節充分感知，在反思觀察和總結內化環節利用相關材料進行模仿制作，最后在創新分享環節自主修改程序腳本，展現作品，并將此模式應用于中小學機器人課程中進行實踐探究[3]。

趣味交互型教學模式是基于游戲化教學理論，以開發有趣的人工智能相關聯機交互系統或產品為主要任務，在計算機端編寫和運行程序控制硬件端，通過硬件與計算機程序進行交互，培養學生學習的主動性的一種教學模式。例如，韓蕾等提出了GOMS模型指導下基于S4A平臺開展的趣味交互型機器人教學策略，為趣味交互型教學模式的構建提供了參考路徑，GOMS模型是人機交互系統設計的重要理論，是對系列任務的目標（Goals）、操作（Operations）、方法（Methods）和選擇規則（Selection Rules）進行描述，與交互系統、產品的設計過程相契合的一種方式[4]。

圖2　教師指導學生完成實物作品

圖3　學生與服務機器人進行交互

科學探究型教學模式是基于做中學理論，以學習科學知識、探究科學原理為主要任務，以開源硬件、機器人或智能平臺等作為載體和工具，開展科學探究，培養學生科學思維能力和問題解決能力的一種教學模式。例如，曹燕華等人構建了中小學人工智能課程的SCCS教學模式，即社會認知雙聯通教學模式（Social and Cognitive-Connectedness Schemata）[5]，強調基于現代技術、支撐平臺，采用探究法、實驗法等多種教學法逐層展開對知識、原理的探究，使學生學習原理、建構知識[6]。

發明創造型教學模式是基于TRIZ創新理論，以開發創意作品為主要任務，基于生活中的實際需求，進行創新設計、工程設計，引導學生開展創新實踐，培養學生創新創造能力的一種教學模式。例如，鐘柏昌等人構建的4C教學模式[7]通過“聚類教學（Clustering）—概念提取（Conceptualizing）—關聯內化（Correlating）—遷移創新（Changing）”4個層級逐層遞進的方式，引導學生在人工智能實踐中從明確問題、創設情境到最終完成作品創作，指向創新能力的培養。此外，該學者提出的TRIP四類教學模式也以設計產品為目標，將正向教學與逆向教學、作品開發取向與科學探究取向交叉整合[8]，最終實現產品的再造與升級。

教學流程及其方法

采用實驗模擬型教學模式的教學內容可以圍繞簡易的產品模仿展開，教學主要流程為體驗產品、產品解構和復原、設計方案與制作原型。例如，在《綱要》的“人工智能概述”課程模塊中，教師采用逆向工程法，展示“手勢控制風扇”作品樣例，引導學生通過應用體驗，了解產品的基本結構和功能，學習手勢識別的基礎原理，進而討論交流，迭代設計出可選方案并進行原型制作，最后從多個維度評價學習效果，強化利用人工智能解決問題的實踐能動性。

圖4　學生進行手勢識別操作

采用趣味交互型教學模式的教學內容可以圍繞趣味性內容展開，教學主要流程為主題選擇、設計方案、實施方案與交互測試。例如，在《綱要》的“機器學習與深度學習”課程模塊中，教師采用游戲化教學法，以“AI猜拳機器人”為項目主題，引導學生使用智能攝像頭錄入石頭、剪刀、布3種手勢的數據，制作簡易的猜拳機器人，并與之進行游戲交互，體驗機器學習的樂趣。在第七屆中小學人工智能教育展示活動上，有教師以“智慧花園”為主題，引導學生使用集成傳感器、執行器、控制器等開源硬件和圖形化編程工具，完成一個可操作的智慧花園原型，并通過計算機程序和獲得的環境數據間的相互反饋進行澆水、灌溉等操作，讓學生在趣味中學習知識。

圖5　學生操作開源硬件

采用科學探究型教學模式的教學內容可以圍繞科學性知識展開，教學主要流程為明確問題、開展實驗、分析結果與探究原理。例如，在《綱要》的“人工智能技術基礎”課程模塊中，教師要引導學生認識算力的重要性，以及不同處理器在運算速度等方面的差異。因此，教師通過人工智能開發平臺提供的算力服務，指導學生使用大型數據集進行模型訓練，并比較不同處理器下的模型訓練時間，從而根據得到的結果學習算力及模型訓練的內涵。同樣，在“機器學習與深度學習”課程模塊中，通過設計一些簡單的神經網絡實驗，讓學生基于數據集訓練模型，感受訓練次數不同、算法選擇不同等設置對模型的影響，從而引導學生理解深度學習的含義與特征，認識深度學習與神經網絡的關系。

圖6　學生在平臺上訓練模型

采用發明創造型教學模式的教學內容可以圍繞創意物品展開，教學主要流程為情境創設、設計方案、制作原型、測試與調試。例如，《綱要》中涉及到“人工智能技術基礎”和“機器學習與深度學習”課程模塊的“智能分揀系統”案例，教師設置相關問題情境，引導學生進行方案設計，接著通過收集素材，結合訓練集與開源代碼訓練模型，最后完成智能分揀系統的設計與開發，并根據實際應用需求，結合真實情境，對系統進行迭代優化。又如，在2023年全國青少年人工智能創新實踐交流展示會上，有教師提出了“中藥茶飲智能識別搭配小助手”案例，通過創設問題情境，引導學生設計方案，經歷數據集制作、模型訓練、模型推理、模型部署與應用的完整過程，最終完成項目制作。

（本文所用照片由溫州科技高級中學陳恩慈提供）

參考文獻

[1] 中華人民共和國國務院．新一代人工智能發展規劃[EB/OL]．[2021-07-08]．http://www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm．

[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．

未完待續

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