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面向人工智能的創客課程

(一)國際人工智能教育產業的發展

傳統人工智能教育僅存在于高等教育和部分職業教育中。隨著信息社會的發展和人才技能結構的轉型,人工智能教育逐漸轉向基礎教育階段。基礎階段人工智能教育的核心載體是青少兒編程教育。世界各國紛紛開展基礎教育階段編程教育的普及工作。美國前總統奧巴馬2012年推出了“編程一小時”活動,扎克伯格和比爾•蓋茨等為3萬學生講解基本編程概念。

2013年,英國前首相卡梅倫組織重構了中小學計算機科學教學大綱,以保證英國基礎教育體系全部覆蓋兒童編程學習;日本2017年發布的《新一期學習指導要領解說》,倡導中小學開展以編程為技術載體的 STEAM教學;歐盟成員國至少有15個國家在基礎教育階段增設編程課程,9個國家在小學開展編程教育。國外以項目式教學開展線下課程和線上課程已初具規模,很多教學者將人工智能與真實情境相聯,幫助學生建構真實生活環境下的人工智能學習生態。

我國人工智能教育略晚于國外發達國家。不過,受惠于時代需求和政策引導,發展勢頭迅猛。2017年,國務院發布的《新一代人工智能發展規劃》報告指出:“實施全民智能教育項目”“在中小學階段設置人工智能相關課程”等,鼓勵學校和社會逐步推廣編程教育;2018年,我國浙江省高考首次將信息技術納入選考科目;同年,我國發布基礎教育人工智能教材,內容涵蓋人工智能發展歷史、基本概念及應用案例。目前,我國低年段主要利用國外的熱門語言 Scratch和國內自主研發的 Kitten語言開展淺層次的創意教學,在高年段及成人教育利用Python、C++、Java等語言進行深度的智能編程。

編程環境和編程工具是編程教育的重要技術支撐,學生通過運用模塊化編程和智能開源硬件技術創造性地設計智能產品,逐步提升創新能力和問題解決能力。封裝好的編程模塊和便捷化的智能硬件為青少兒編程帶來了技術便利,降低了編程難度。目前,國際上無論是面向校內創客課程還是面向校外的創客技能培訓課程都巧妙利用了這些開源編程技術,其中經典的是 Scratch和樂高套件。

(二)人工智能融合的創客課程建設

課程是人工智能在創客教育落地生根的重要抓手。創客課程的基本要素包括學習內容、活動項目、學習環境、網絡資源和課程評價美國 Intel未來教育運用設計思維的理念為11~15歲的青少年提供課外工程類創客教育體驗。課程特點在于運用設計思維系統的問題解決流程和創意啟蒙方法引導學生逐步成為創客

人工智能技術的發展為創客教育提供了先進、可持續發展的課程素材。Exploring robotics是美國設計智能機器人及相關在線課程的教育科技公司,為美國500余所中小學提供創客教育系統的規劃和實施方案。該公司設計了機器人體驗、機器人編程和系統工程設計與發明三個階段的漸進式課程。在高中教育中,2018年4月,《人工智能基礎(高中版)》教材正式發布,內容涉及圖片識別、聲音識別、視頻識別、計算機寫作和深度學習等人工智能技術的原理和應用情景。

在高校層面,美國北卡羅萊納州立大學從創客空間建設、創客文化輻射、研討學習、課程資源整合、作品展示分享和主題交流六方面實施學校創客教育體系(陳珊,2017)。從教育表現形態看,創客教育同STEM教育類似,在技術本體難度和整合難度上,可以分為科普教育、嵌入式課程、項目型課程和整合性學科。從科普課程到整合性課程,課程特點呈現學習目標由體驗導向轉變為能力導向;活動組織形式從大班集體活動轉變為小組多維深入研討;學習環境由開放體驗向項目聚焦轉變。本文從學習目標構建、活動組織形式、學習環境和適用學段三方面剖析面向人工智能的創客課程建設思路。

科普教育階段的人工智能創客教育主要以學生理解人工智能基本概念和開展互動體驗活動為主。學生需要理解人工智能的發展歷史和基本概念;了解人工智能核心技術的功能和服務對象;明確人工智能給社會和人們生活帶來的便利。同時,學生需要在與人工智能技術的互動體驗活動中感受人工智能的技術魅力。在此階段,科技場館和創客空間是學生線下體驗活動的重要場所。同時,類似于百度人工智能實驗室也為學生提供了線上體驗人工智能技術服務。這一階段的課程主要覆蓋K—6年級學生,課程目標以體驗為主,理論講解為輔。

嵌入式課程強調人工智能入門技術與學校校本創客課程的融合。目前,我國各地均在開展以校本課程為單位的創客課程建設,需要學生掌握基本的編程技術以操控人工智能設備。同時,學生需要掌握基本的工程設計思想,了解工程設計的基本規范,掌握核心技能。這個階段的課程載體以校本課程為主。

學校建設的創客實驗室是學生學習活動的線下場所,同時一些線上的開源人工智能編程平臺也可為學生提供學習機會。教師可組織定期的線上研討,與學生討論課程作品的細節和答疑解惑。課程內容需要視學生的知識儲備程度選擇,包括但不限于 Scratch編程、App inventor編程、 Arduino編程、Python編程等。課程以工程設計學習模式驅動,在保證培養學生基本編程素養的基礎上提升學生工程設計思維和創意思維能力。

項目型課程是嵌入式課程的強化和拓展,強調技術的深入學習和工程設計理念的強化。該階段的課程需要遴選對人工智能和高新科技感興趣,同時有較強的技術基礎和項目開發經驗的學生。學生在教師的帶領下深入學習技術,由模塊化編程全面轉為代碼化編程。

同時,教師需要加強學生的項目研發能力和工程設計規范訓練。由于這個階段課程的項目精度和深度繼續增大,因此需要整合多方師資合理打造項目。項目需要同時兼備創新型和社會實用性,為后續各類科技競賽做準備。這一階段的課程主要在小學、初中和高中的高年段開設,也可以作為大學的普惠性課程。

整合性課程是在項目型課程的基礎上,培養學生成熟技術素養和項目研發能力的跨學科課程。該階段課程主要適用于大學生和研究生。該階段學生已有較強的跨學科知識基礎,但需要繼續深入學習人工智能的相關編程技術和項目開發技巧,熟練運用系統設計思維方法實現項目轉型升級和產品化。主要學習活動場所是高校創客空間,同時社會性創客空間也是大學生創客活動的重要場所。項目設計與轉型升級以及產品化是整合性課程的重要學習目標。該階段的課程主要服務于學生日后自主創業和生涯規劃,是大學雙創教育的重要實踐平臺和人才誕生基地。

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