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中小学人工智能教育怎么教
——以《深圳市义务教育人工智能课程纲要（修订版）》为例
文_万 珺1 林小红1 谢作如2 钟柏昌1*
（1. 华南师范大学教育信息技术学院；2. 温州市科技高级中学；*通讯作者）
推动人工智能教育的普及已经成为国际基础教育发展的新趋势。早在2017年，我国出台的《新一代人工智能发展规划》就提出了普及人工智能教育的路线图[1]。教育部于2018年发布《教育信息化2.0行动计划》，进一步要求完善课程方案和课程标准，充实适应信息时代、智能时代发展需要的人工智能和编程课程内容。随后，《普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）》和《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》都将人工智能基础知识纳入了课程体系，后者还将人工智能作为组织课程内容的六条逻辑主线之一，更加明确细化了人工智能模块的定位。2024年11月，《教育部办公厅关于加强中小学人工智能教育的通知》的发布，明确了中小学人工智能教育的实施路径和主要任务及举措，为中小学人工智能教育的普及推广创造了新的机遇。基于我国对人工智能人才的需求与对人工智能课程的逐渐规范，深圳市教育局尝试以《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》为基础，融合本地特色，于2024年10月颁布了《深圳市义务教育人工智能课程纲要（修订版）》（以下简称《纲要》），与教育部的最新文件精神高度契合。为贯彻落实国家和地方文件精神，本文从“怎么教”这个角度对《纲要》进行解读，介绍人工智能课程应采取的教学模式与方法、教学资源与工具，为人工智能课程的具体落地提供参考。
教学模式与方法的选择
教学模式的类型及特点
本次《纲要》修订依据专家团队的研究成果，结合我国先行城市人工智能教育普及工作的宝贵经验，借助情境创设、任务驱动，采取项目式学习、游戏化学习、大单元教学、逆向工程教学、纠错教学等教学模式，将人工智能最新成果如生成式人工智能融入课堂教学，为学生创设自主、合作、探究的人工智能学习情境，体系化塑造学生人工智能素养。
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图1 教师向学生展示实物作品原型
由于人工智能教育较复杂，包含理论、实践、应用等多种知识内容，因此难以仅采用单一的讲授式教学法开展课程，需要采用多种教学模式，并根据不同的课程内容目标与要求，个性化地使用对应的教学模式，以最大化发展学生的人工智能素养。《纲要》提出人工智能的课程设计倡导“做中学”“用中学”与“创中学”，需融合观察、体验、模拟、创作等活动形式，这一要求与钟柏昌等人提出的4I教学模式[2]——实验模拟型教学（Imitation）、趣味交互型教学（Interaction）、科学探究型教学（Inquiry）和发明创造型教学（Invention）相符合。由此，本文尝试以4I教学模式分类法为参考，结合《纲要》的案例设计，介绍人工智能课程应该如何教学。
实验模拟型教学模式是基于逆向工程理论，以模仿设计产品原型为主要任务，通过展现原型或让学生体验目标产品，模拟、再现与改进产品，以期培养学生人工智能基本技能的一种教学模式。例如，袁加欣等人提出了“体验情境—反思观察—总结内化—创新分享”的教学模式，将产品案例导入课堂，让学生在体验情境环节充分感知，在反思观察和总结内化环节利用相关材料进行模仿制作，最后在创新分享环节自主修改程序脚本，展现作品，并将此模式应用于中小学机器人课程中进行实践探究[3]。
趣味交互型教学模式是基于游戏化教学理论，以开发有趣的人工智能相关联机交互系统或产品为主要任务，在计算机端编写和运行程序控制硬件端，通过硬件与计算机程序进行交互，培养学生学习的主动性的一种教学模式。例如，韩蕾等提出了GOMS模型指导下基于S4A平台开展的趣味交互型机器人教学策略，为趣味交互型教学模式的构建提供了参考路径，GOMS模型是人机交互系统设计的重要理论，是对系列任务的目标（Goals）、操作（Operations）、方法（Methods）和选择规则（Selection Rules）进行描述，与交互系统、产品的设计过程相契合的一种方式[4]。
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图2 教师指导学生完成实物作品
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图3 学生与服务机器人进行交互
科学探究型教学模式是基于做中学理论，以学习科学知识、探究科学原理为主要任务，以开源硬件、机器人或智能平台等作为载体和工具，开展科学探究，培养学生科学思维能力和问题解决能力的一种教学模式。例如，曹燕华等人构建了中小学人工智能课程的SCCS教学模式，即社会认知双联通教学模式（Social and Cognitive-Connectedness Schemata）[5]，强调基于现代技术、支撑平台，采用探究法、实验法等多种教学法逐层展开对知识、原理的探究，使学生学习原理、建构知识[6]。
发明创造型教学模式是基于TRIZ创新理论，以开发创意作品为主要任务，基于生活中的实际需求，进行创新设计、工程设计，引导学生开展创新实践，培养学生创新创造能力的一种教学模式。例如，钟柏昌等人构建的4C教学模式[7]通过“聚类教学（Clustering）—概念提取（Conceptualizing）—关联内化（Correlating）—迁移创新（Changing）”4个层级逐层递进的方式，引导学生在人工智能实践中从明确问题、创设情境到最终完成作品创作，指向创新能力的培养。此外，该学者提出的TRIP四类教学模式也以设计产品为目标，将正向教学与逆向教学、作品开发取向与科学探究取向交叉整合[8]，最终实现产品的再造与升级。
教学流程及其方法
采用实验模拟型教学模式的教学内容可以围绕简易的产品模仿展开，教学主要流程为体验产品、产品解构和复原、设计方案与制作原型。例如，在《纲要》的“人工智能概述”课程模块中，教师采用逆向工程法，展示“手势控制风扇”作品样例，引导学生通过应用体验，了解产品的基本结构和功能，学习手势识别的基础原理，进而讨论交流，迭代设计出可选方案并进行原型制作，最后从多个维度评价学习效果，强化利用人工智能解决问题的实践能动性。
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图4 学生进行手势识别操作
采用趣味交互型教学模式的教学内容可以围绕趣味性内容展开，教学主要流程为主题选择、设计方案、实施方案与交互测试。例如，在《纲要》的“机器学习与深度学习”课程模块中，教师采用游戏化教学法，以“AI猜拳机器人”为项目主题，引导学生使用智能摄像头录入石头、剪刀、布3种手势的数据，制作简易的猜拳机器人，并与之进行游戏交互，体验机器学习的乐趣。在第七届中小学人工智能教育展示活动上，有教师以“智慧花园”为主题，引导学生使用集成传感器、执行器、控制器等开源硬件和图形化编程工具，完成一个可操作的智慧花园原型，并通过计算机程序和获得的环境数据间的相互反馈进行浇水、灌溉等操作，让学生在趣味中学习知识。
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图5 学生操作开源硬件
采用科学探究型教学模式的教学内容可以围绕科学性知识展开，教学主要流程为明确问题、开展实验、分析结果与探究原理。例如，在《纲要》的“人工智能技术基础”课程模块中，教师要引导学生认识算力的重要性，以及不同处理器在运算速度等方面的差异。因此，教师通过人工智能开发平台提供的算力服务，指导学生使用大型数据集进行模型训练，并比较不同处理器下的模型训练时间，从而根据得到的结果学习算力及模型训练的内涵。同样，在“机器学习与深度学习”课程模块中，通过设计一些简单的神经网络实验，让学生基于数据集训练模型，感受训练次数不同、算法选择不同等设置对模型的影响，从而引导学生理解深度学习的含义与特征，认识深度学习与神经网络的关系。
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图6 学生在平台上训练模型
采用发明创造型教学模式的教学内容可以围绕创意物品展开，教学主要流程为情境创设、设计方案、制作原型、测试与调试。例如，《纲要》中涉及到“人工智能技术基础”和“机器学习与深度学习”课程模块的“智能分拣系统”案例，教师设置相关问题情境，引导学生进行方案设计，接着通过收集素材，结合训练集与开源代码训练模型，最后完成智能分拣系统的设计与开发，并根据实际应用需求，结合真实情境，对系统进行迭代优化。又如，在2023年全国青少年人工智能创新实践交流展示会上，有教师提出了“中药茶饮智能识别搭配小助手”案例，通过创设问题情境，引导学生设计方案，经历数据集制作、模型训练、模型推理、模型部署与应用的完整过程，最终完成项目制作。
（本文所用照片由温州科技高级中学陈恩慈提供）
参考文献
[1] 中华人民共和国国务院．新一代人工智能发展规划[EB/OL]．[2021-07-08]．http://www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm．
[2] 钟柏昌．中小学机器人教育的核心理论研究——机器人教学模式的新分类[J]．电化教育研究，2016，37（12）：87-92．
[3] 袁加欣，孔新梅，杜东燕，等．中小学人工智能机器人课程教学模式研究[J]．中国教育信息化，2022，28（10）：123-128．
[4] 韩蕾，李婷婷，钟柏昌．基于GOMS的趣味交互型机器人教学案例设计研究[J]．数字教育，2016，2（06）：61-66．
[5] 李新房，刘名卓，祝智庭．基于联通主义的双联通教学设计模型（SCCS）研究[J]．远程教育杂志，2016（5）：83-88．
[6] 曹燕华，谢忠新．中小学人工智能课程SCCS教学模式构建及应用研究[J]．教育传播与技术，2023，（06）：32-38．
[7] 钟柏昌，刘晓凡．创新能力培养的学理机制与4C教学模式建构[J]．现代远程教育研究，2021，33（04）：20-32．
[8] 夏莉颖，钟柏昌．试论STEM教育的两种取向与四种方法[J]．中小学数字化教学，2018，（09）：8-11．
[9] 中华人民共和国教育部．普通高中信息技术课程标准（2017年版）[S]．北京：人民教育出版社，2018．
[10] 钟柏昌，顾荣桢．中小学人工智能教育的五级框架——以“停车场自动抬杆系统的优化”案例为例[J]．中国科技教育，2024，（04）：14-20．
未完待续
来源 | 《中国科技教育》2024-12，文章编辑：毕晨辉
编辑、排版 | 孟想
一校 | 孟想
复校 | 若惜
终校 | 朱志安