邢 爽
深圳市龙华区第三实验学校，广东 深圳 518110）
摘 要：人工智能时代国家鼓励、支持中小学阶段开展人工智能普及教育，以培养适应未来的人才。由于人工智能教学内容复杂，刚刚起步的人工智能教育在中小学开展面临着课程结构不成系统、以偏概全等问题。基于当前研究与实践的现状，本研究提出基于STEAM教育理念开展具有校本特色的人工智能教育课程，试图改善当前人工智能教育偏航的问题。通过本次实践研究形成了人工智能教育案例，探索人工智能教育的教学策略与评价方式，期望为人工智能教育开展提供有意义的研究成果。
关键字：人工智能教育；STEAM教育；教学模式；教学评价
一、研究背景
人工智能逐步成为新一轮产业变革的核心驱动力，培养人工智能创新型人才，成为各国抢抓发展的战略举措。继2017年国务院印发《新一代人工智能发展规划》之后，教育部进一步明确“构建人工智能多层次教育体系，在中小学阶段引入人工智能普及教育”的要求，鼓励中小学阶段开展人工智能普及教育 [1]。但现今中小学人工智能教育尚未推出教材的编写方案，未形成科学有效的内容组织标准，也未提出有效的评价方式。同时由于人工智能课程结构与内容复杂，当前中小学人工智能教育存在着“蜻蜓点水学技术”“以偏概全练编程”“目标不明做创客”等问题。为此，国内专家指出STEAM教育与人工智能课程之间存在着内在联系，提倡将人工智能、编程、机器人等课程纳入中小学STEAM教育教学中，来改善中小学人工智能教育的偏航问题，以保证中小学人工智能教育的高质量发展[2]。
二、关键概念
(一)STEAM教育
STEAM教育以建构主义和认知科学为理论基础，通过为学生创设丰富且持续更新的学习环境，将跨学科知识运用到问题情境中，促进知识融合和迁移。作为一种教育理念，STEAM教育有别于传统的单学科、重书本知识的教育方式，注重学习的过程，以培养学生的创造力和转化力为核心目标。学生通过参与基于问题、项目的学习，获得科学知识，综合运用科学知识进行探究；提升分析、推理、解决问题的能力和综合实践的能力，激发和维持学习者学习的积极性。
(二)人工智能教育
人工智能是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人类智能的理论、方法、技术及应用系统的一门技术学科，涉及哲学、认知科学、数学、神经生理学、心理学、计算机科学、信息论等学科，是自然科学和社会科学的交叉。人工智能教育，是将人工智能引入学校教育，将其知识整合为教学目标、教学内容、教学活动，并在课堂及学校活动中实施。中小学人工智能教育应重视人工智能领域的跨界融合特征，既要关注信息技术课程的主干作用，更要看到语文、数学、科学、道德与法治等学科在人工智能人才培养中的作用。
三、人工智能教育研究与实践现状
2019年教育部联合各地教育研究单位，开展人工智能教育的试点工作，构建区域人工智能教育生态，为一线教师搭建课程资源。人工智能教育入驻中小学，主要以校本课程、社团的形式开展。人工智能方面的竞赛在一定程度上推动了中小学人工智能教育发展。但是总体来看，人工智能教育还处于起步阶段，教学成效还不够明显。
(一)人工智能教育的教学目标与内容
教育部教师工作司司长任友群将中小学人工智能教育分成三个层级：1.启蒙教育，了解前沿领域发展；2.体验产品，利用智能工具解决常见问题；3.编程设计，利用编程解决实际问题，培养计算思维、创新思维等智能素养。上述三个层级中小学人工智能教育都有涉及，多以感受、体验为主，普遍存在不成系统的问题。同时陈丽教授指出推进中小学人工智能教育有待对智能素养培养的课程标准加以研究，就不同学段从课程目标、课程内容、标准评价三方面进行研制 [3]。
从中小学人工智能教材来看，内容涵盖小初高多个学段，以小学阶段居多。小学阶段的教材注重生活实际，通过案例将抽象概念具体化，帮助学生感知人工智能。不同专题的课程围绕比较前沿的人工智能基础知识、技术应用展开，但存在课程碎片化，缺少对人工智能意识、方法、能力目标等方面的系统化设计[4]。
(二)人工智能教育的教学方法
人工智能教育体现了 STEAM 教育的知识融合、项目情境化等特征，但存在依托编程教育和机器人教育开展的现象。编程教育多停留在指导学生进行程序设计，缺少对智能素养的培养。机器人教育多停留在简单的实体安装层次，缺乏对设计思维能力的培养。由于人工智能内容的复杂性和繁琐性，部分学校也开始探索了项目式学习、STEAM等多元化的教学模式。但是由于人工智能教育所具有的新生性，教师的教与学生的学如何有机融为一体，如何提高教学的有效性，依然有待于深入研究[5]。
(三)人工智能教育的评价方式
人工智能教育的课程目标应聚焦于学生智能素养的培养，注重学生智能发展、综合能力提升。但当前小初阶段的人工智能教育评价方式多为结果性评价，如：编程效果、机器人比赛结果，较少关注学习过程，缺乏综合性评估。基于STEM教育理念构建教育质量综合评价体系，有助于人工智能教育的评价从结果导向转为过程导向。而当前STEAM教育评价仍处在基础的阶段，需进一步实践探究。
四、研究目标
本研究在已有的人工智能教育实践研究的基础上，以学校智慧农场课程为载体，开展STEAM教育理念下的人工智能教育课程，探究小学阶段人工智能教育的教学策略与评价方式。
五、基于STEAM教育理念设计小学人工智能教育课程
以学校智慧农场建设为背景，围绕设计农场运营与植物生长所需的智能产品，激发学生探索兴趣为出发点的情景问题，让学生通过体验和设计人工智能产品。基于STEAM教育理念下，课程内容融合了科学、生物、物理等学科知识，引导学生学习新知的同时，注重培养学生以人工智能思维方式来思考并解决问题的能力。课程设置见表1。
表1 基于STEAM教育理念的智慧农场课程
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六、基于STEAM教育理念形成小学人工智能教育的教学策略
(一)基于“问题”的探究性学习
在教学过程采用基于“问题”的合作探究教学法：1.教师首先基于学科领域或生活情境，创设激发学生兴趣的问题情境；2.学生利用个人、小组、全班的头脑风暴初步形成个人观点，发现并明确问题所在；3.学生通过阅读、观察、实验、思考、讨论等，自主探究与小组协作相结合，确定解决问题的方案；4.小组协作验证问题解决方案的正确性，研究和修正问题解决方案。5.各组通过口头报告、海报展示、项目成果等形式展示探究结果。6.通过其他同学或教师的反馈，检验个人的理解并修正结论。在这个过程中，教师提供契合的问题情境与恰当的学习资源，引导学生认识问题、明确任务；关注学生探究过程中遇到的问题给予指导、提示；鼓励学生对其学习过程和结果进行反思。如在根据植物生长条件设计产品的综合课中，学生明确需求后，通过网络、小组讨论等方式了解影响植物生长的条件，最终设计的产品功能多种多样。
(二)基于“情境”的游戏化教学
小学人工智能教育创设情境有助于增强学习的体验感。教师还可借助游戏机制、增益等策略，激发学生的兴趣，提高学生的参与率，丰富学生的体验。将情境的创设与游戏化学习结合，让学生在轻松与紧张并存的教学环境中大胆创新，有利于提升学生核心素养与创新能力的目标。例如，在设计智慧农产的搬运工一课中，学生比赛搬运小物块的数量与速度，赢得比赛的小组获得奖励。比赛机制激发了学生兴趣，积极设计搬运机器人的机械结构、程序，这节课学生不仅获得知识还获得学习的快乐。
七、基于STEAM教育理念构建小学人工智能教育的评价方式
基于STEAM教育理念的人工智能课程主要以产品设计为主，评价不单评判能否完成预定的目标，更注重利用评价机制激发学生积极地学习、创新地解决问题。课堂上参与评价的主体是多元的，无论是教师评价还是同侪互评，都需要转化为学生内在的自我评价，才能促进学生自我调整学习。因此，课堂评价中教师评价和同侪互评很重要，学生的自我评价也需教师不断引导。教学过程中可利用个人评价反思、组内评价反思、组间评比多层次的过程评价，让学生在评价中学习、在学习中反思评价。此外，教师应给出明确的评价标准和评价工具的使用方法，确定有效的策略与规则支持学生自我评价、组内评价、组间互评。
八、总结与展望
面向中小学生开展人工智能教育有利于学生掌握适应未来发展的能力，但如何提高人工智能教育的有效性，依然有待于深入研究。本研究基于STEAM教育理念开展人工智能教育实践研究，但在课程内容、教学组织方式均未成型，希望未来有更多研究就小学人工智能课程进行更为广泛、深入的思考。
参考文献
[1]侯贺中,王永固.人工智能时代中小学生智能素养框架构建及其培养机制探讨[J].数字教育,2020,6(06):50-55.
[2]柳栋,马涛,容梅,徐彤,陈美玲.中小学人工智能课程群建设的一种跨领域开放框架[J].中国电化教育,2020(12):16-21+28.
[3]陈丽,郭玉娟,高欣峰,谢雷,郑勤华.人机协同的新时代：我国人工智能教育应用的现状与趋势[J].开放学习研究,2019,24(05):1-8.
[4]王东丽,周德青,王亚如,杨现民.中小学人工智能教材综述——基于45本已出版教材的分析[J].现代教育技术,2021,31(02):19-25.
[5]吕红军,荆倩倩.中小学开展人工智能教育的现状及改进建议[J].现代教育,2019(01):26-28.