AI专题 | 以计算思维培养为核心的人工智能课程设计与实践
本文是AI专题第38篇文章，
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《2019全球AI人才报告》公布了全球最新的AI人才数据，中国在21个世界公认的顶级人工智能会议上发表论文的研究人员为2725人，排名世界第二，而排名第一的美国则为15747人，几乎为我国的6倍。面对国际上日趋紧张的科技竞争趋势，发展新一代人工智能已经成为我国的重要国家战略，人工智能领域人才培养是我国获得人工智能基础理论的重大突破、发展人工智能技术和推动产业应用的重要基础。
自2017年7月国务院发布《新一代人工智能发展规划》，明确要在中小学开设人工智能相关课程以来，教育部和各省市教育行政管理部门发布了一系列文件，推动“人工智能教育进校园”。通过对教育部和全国34个省（市、自治区）教育行政管理部门公开在网站上的文件进行分析发现，截至2019年11月，全国各地共发布要求中小学开设人工智能相关课程或者鼓励中小学实施人工智能教育的政策文件、工作计划和通知文件多达257份，其中北京、山东、福建、广东、河南等省市则直接明确了人工智能教育试点（实验）区或者试点（实验）校的通知文件。
部分学校依托自有师资力量或者通过购买企业服务、与企业合作开发等方式，进行了有意义的探索。但对该部分学校的人工智能课程进行深入分析发现，学校对中小学人工智能教育有一定的理解偏差，主要表现在以下两方面：一是将中小学人工智能课程定位为纯粹的技术课程，过早地将大学时期甚至研究生阶段才能学习的理论知识呈现到基础知识储备不足、认知能力尚待发展的中小学生面前，导致学生对人工智能的学习失去兴趣，或者变成了一小批有特长学生的专属学习内容；二是将人工智能课程范畴无限扩大，在未给学生正确的人工智能基本概念的情况下，将积木拼搭、机器人、3D打印、创客教育等统统纳入人工智能课程的范畴，造成学生对人工智能的理解偏差，在受访的学生中，80%以上认为“机器人就是人工智能”。
针对目前中小学校实施人工智能教育普遍遇到的困难和出现的一系列问题，本研究根据北京大学学习科学实验室提出的以计算思维培养为核心的中小学人工智能教育目标模型，按照感知AI—理解AI—应用AI—创造AI的体系进行了中小学的人工智能课程体系设计。其框架如图1。
图1 中小学人工智能教育课程体系框架
小学设置“走进人工智能”课程和“AI积木编程”系列课程，初高中设置“Python与人工智能”系列课程。
“走进人工智能”让学生从生活中常见的人脸识别、图像识别、语音识别软硬件入手，通过“玩中学”方式，让学生全面了解人工智能的基本内涵、发展历史和核心应用，培养人机协同意识，具体包括人工智能发展史、体验机器学习、初识人脸识别、图像识别、智能翻译、智能语音等生活中常见的应用，并简单了解其实现过程。“AI积木编程”系列课程以智能语音、智能翻译技术为依托，使用AISpark智能编程实验工具进行创意作品设计。在应用智能语音、人脸识别、智能翻译、手势识别等人工智能应用进行作品创作过程中，学习事件、控制、变量、顺序结构、选择结构、循环结构等编程基本概念，掌握使用人工智能技术进行创意设计的基本能力。
“Python与人工智能”系列课程以应用Python语言进行人工智能项目编程实践为核心，内容涉及了网络数据爬取、机器学习算法使用、语音识别系统设计、人脸识别系统设计，通过解决学科问题和生活中的实际问题，进行人工智能的底层探索和创造，进一步提升学生的计算思维。图2为学生常用的一些人工智能平台模块。
图2 学生使用的AISpark人工智能编程实验平台中的人工智能功能板块
来自北京、江苏、山东、广东的100多所实验学校，按照专家引领、实践应用、创造应用、形成特色的模式开展了实践应用研究。根据学校的自身基础条件和课时选择的不同，形成了各具特色的课程实施模式。其中，北京市顺义区西辛小学教育集团和北京市陈经纶中学崇实分校是两所具有代表性的实验学校。学校通过校本课程建设、信息技术课程融合、社团课三种方式，开展了不同形式的实践应用研究。
西辛小学基于幸福田园教育理念，以校本特色课程体系建设为主体开设人工智能课程，在学校六大学院课程的“科技学院”中设置人工智能系列课程。2年级开设“走进人工智能”课程；3年级开设“AI积木编程”智能硬件课程，由学生根据自己的兴趣进行自主选择；4年级开设“AI积木编程”启蒙课；5年级“AI 积木编程互动游戏”则采用融入信息技术课程的方式，采用主题单元教学模式，压缩现有的信息技术课程教学任务达成所需的课时量，每学期节省出6个课时开设人工智能编程课程。
北京市陈经纶中学崇实分校是一所九年一贯制学校，学校按照系统化培养学生人工智能素养的目标，在小学和初中同时开设人工智能课程。小学以学校的低段课程改革为依托，在2年级开设“走进人工智能”社团课；3年级选择每周的智感科技课程时间，以长短课结合方式开设“走进人工智能”；小学4-6年级则依托综合实践活动课程开设“AI积木编程”启蒙课和“AI积木编程互动游戏设计制作”。初一年级和初二年级利用综合实践活动课程时间开设“迈进代码的世界”课程，让学生通过项目实践进行Python与人工智能应用学习和实践。
实验学校为解决学校人工智能课程师资不足的问题，积极动员组织有理工科或者信息技术学科教学背景的教师组成“人工智能课程实践应用教研组”，与人工智能教育课程设计专家一起通过线上线下结合的方式开展“研究共同体”模式的教研活动，并适时开展人工智能课程教学观摩活动，鼓励教师们把自我学习、教学实践和课题研究有机结合起来。
为评估课程实施的有效性，实验学校应用北京大学学习科学实验室计算思维测评系统对实验班和对照班进行计算思维发展前后测。该测评从问题评估、问题分解、逻辑思考、模型抽象、总结归纳5个维度对学生的计算思维发展进行量化评估。
计算思维测评结果发现，西辛小学三、四年级实验班学生的计算思维发展水平在5个维度上均显著高于对照班，并且在相同等级的测评中，获得A和B等级的学生在班级中所占的比例也远高于对照班。而五年级实验班和对照班的计算思维测评结果，在不同维度上的提升效果则有不同，从5个维度上的平均得分来看，问题分解、总结归纳维度得到了显著提升，模型抽象、逻辑思考、问题评估方面没有发生显著变化。从对教师、学生的访谈分析和课堂观察结果分析看，出现该结果的原因可能是由于五年级课程内容的难度区分度较低，五年级的人工智能编程课程对于学生来说相对简单，导致计算思维提升的效果不明显。教师教学风格的差异性是否也造成了学生计算思维发展的水平不同也还需进一步探索研究。
人工智能的概念自1956年达特茅斯会议被提出以来，已经经历了60多年的发展，2016年AlphaGo大战李世石事件之后，人工智能开始走进大众视野。大部分教育工作者对人工智能的认知停留在概念认知或者生活中常见的一些应用上，对于系统性的人工智能教育的认知基本处于空白，所以在学校推进人工智能教育的过程中，普遍遇到了一些困难。
本研究提出的中小学人工智能教育课程体系基于北京大学学习科学实验室的中小学人工智能教育目标模型，围绕学生的计算思维发展，在实验学校开展了应用实践研究。当前得到的数据分析结果表明，以计算思维培养为核心的人工智能教育课程的实施对于整体提升实验学校学生的计算思维具有显著的积极作用。不过，目前的研究中还存在不同年级的效果出现差异的影响机制不明确以及数据结果的稳定性有待验证等问题。所以，未来针对当前研究中存在的不足，将继续通过数据分析结合师生访谈、课堂观察和教学视频分析等研究方式，探究在人工智能教育课程实施过程中，影响学生计算思维发展的因素，建立以计算思维培养为核心的人工智能教育的影响机制模型，推动中小学人工智能教育的科学、有效实施。