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不仅限于竞赛,惠及普通学生,中小学需要怎样的人工智能教育

“我想在正面添加一个AI摄像头。建立它的数据库,这样它就能自主去识别物体,从而做出相应的动作。”中午,在北京市第八十中学的机器人社团课室,高二的侯瑞豪和马书涵正在讨论改良一款模拟手部精细动作的操作装置。利用午休时间在学校打造的信息学实验空间交流自研的AI项目,已成为社团成员们自主学习的常态。



机器人社团学生自研的模拟手部精细动作的操作装置。 采访单位供图

搭载超声传感器的编程驱动小车、可纠正姿势的智能雪橇推进器、人机交互的模拟射箭游戏……很难想象,这些成果出自十几岁的中学生之手。

近日,教育部公布184个中小学人工智能教育基地,北京第80中学成为北京市6所入选基地校名单的中小学之一。AI基地校名单的背后,是教育在顶层设计层面的发力,旨在通过基地试点,进一步探索人工智能教育的新理念、新模式和新方案。

什么是真正的人工智能教育?人工智能在教学中如何运用,又能运用到什么程度?学校及教师具体应该如何做?如何更好地为中小学开展人工智能注入新动力?带着这些问题,南都记者走访调研了部分AI基地校及相关教育学者,寻求答案。

AI融入课堂

历史课可以“演”出来

人工智能教育进入中小学,可以回溯到2017年阿尔法狗的爆红。

2017年,人工智能围棋系统阿尔法狗(Alpha Go)战胜人类世界实时排名第一的棋手柯洁,这一事件引发了人们对人工智能的高度关注,中小学人工智能教育热潮也随之而来。同年,国务院发布的《新一代人工智能发展规划》提出,应实施全民智能教育项目,在中小学阶段设置人工智能相关课程;2022年,教育部更是明确“将人工智能作为课程内容”写入《义务教育信息科技课程标准》。数年过去,AI塑造中小学教育的进展如何?

对于人工智能教育,目前主流的概念定义范围颇为宽泛:即在教育领域应用人工智能技术,实现人工智能与教育的深度融合。这其中既包括利用AI赋能的教育,也纳入了以AI技术为学习内容的教育。

“2017年,我们就开展了首届人工智能嘉年华,开始逐步探索将AI技术应用于课堂教学。”北京第八十中学校长任炜东校长介绍,目前80中的学子们在许多常态化学科的课堂上,处处可见人工智能应用的痕迹。

走进北京八十中的智慧课堂,一种有趣的教与学方式迎面而来。



北京八十中的学生在课堂上利用VR设备学习 。采访单位供图

戴上VR眼镜,在VR短片里畅游历史,《清明上河图》在眼前徐徐展开,学生在虚拟场景中体验宋代的世俗百态…… 这是北京市第八十中学历史课堂上的场景。

执教这堂《从看宋代社会》课程的石岩老师,向南都记者讲叙了智慧课堂是如何打破时空“壁垒”,让她的历史课鲜活灵动起来,“VR体验带来的时空穿越体验,让孩子们身临其境地体验着原来只存在于纸面的文化,千年前的历史文化、地貌人情,马上触手可及地生动起来。”



英语课堂的在线答题比赛。

历史教研出身的石岩,现在还同时担任北京八十中课程教学中心课程处主任。我们的镜头跟随着她的脚步,在午后又进入了一节普通的英语课堂。两位学生正站在讲台上操作着智慧屏,进行听说答题在线PK,战况激烈。任课老师向南都记者展示了日常教学中的人机协作:课前,利用AR推题的导课资源包,帮助学生自主预习;课中,打开一款AI智能听说软件,学生就能自主练习英语听说,而借助课前的学情分析报告,她则能围绕错误率较高的习题点,针对性地调整教学方向;课后,借助智慧作业投票及批改应用,她精准定位每一名学生的薄弱知识点,并点对点解答学生的个性化答疑。

不止于此,语文课上,老师在讲解课文时会提取文本大纲,利用SORA等文生图、文生视频类技术鲜活地呈现文章主旨,课后还能运用学校自研的“智脑”大模型个性化批改作文;数学课上,一位学子在面对排列组合问题时,借助AI平台来辅助优化解题思路;体育课上,人工智能设备会自动记录学生引体向上的次数、立定跳远的距离等数据,精准分析学生运动情况,并给出指导建议。

石岩还告诉南都记者,在日常授课中,只需登录80中的一体化智能教学平台,实时课堂就能与教研组内的优质课程数据库一键同步、共享共建,极大便利老师们的自主评课。“我们现在一个学科组培育一个'数字人’,比如在高三解题上,我们80中会有基于既往优质校本课程的独特技巧与解题方法,数字人模型吸纳这些教研数据,就能助力老师课堂设计与孩子们的自主学习,是非常给力的AI学伴。”对此石岩总结称“本质上就是一种教研的过程”。

在她看来,未来教育必然将开启人机协作模式,AI为教师赋能,“一方面让优秀老师的教学效应最大化,另一方面缩短一般老师到优秀教师之间的路径。这对于后续教学模式的改革意义重大。”

值得一提的是,八十中每间教室都嵌入了一套直播设备,利用在线教学平台和AI智能听说系统,实现让请假在家的同学和在校同学同步上课。“ 智慧课堂的构建,就是要保证即使只有一两名同学生病请假在家,学校也能为其提供线上课程,实现线上线下无缝转换的混合式教学。”北京市第八十中学信息技术教研组长、翱翔办公室主任贾志勇告诉记者。

“一方面,人工智能技术可以弥补传统课堂的一些短板,辅助教师进行更新颖生动的课程设计。教师可以通过数据挖掘和算法,对海量的教育资源分析整理,抽取出与学生需求相匹配的优质教学内容。另一方面,AI可以自动化、智能化地对教学过程进行管理和评估,大幅提高教师的工作效率。”西南大学副校长赵玉芳在近期谈及AI变革教学方式时公开表示,从“教”的角度看,人工智能的发展优化了教育内容和过程,为教学设计和教学实施提供了更多可能;而从“学”的角度看,AI则能促使个体更快、更便捷地获取海量的知识,大大提高学生的自主学习体验和学习成效。

“实际上,人工智能可以说是在教学管评研五个方面,都支撑起学校的高质量发展。”任炜东校长总结道。



数学课上,北京八十中学生登录智慧教学平台自主解题评测。

AI课程补短板

培养孩子在真实世界解决问题的思维力

作业批改效率提高了,学习素材更丰富了,答疑解惑更精准了……许多教师像石岩一样,在积极拥抱AI赋能教育的实践中,尝到了人机协同教学的甜头。

而除了作为教学中的助手,人工智能也正成为中小学常态化科目课程上的主角

随着2022年新课标将信息科技设为义务教育阶段的一门独立科目,并明确将AI纳入课程内容,各地方教育部门开始积极吸收社会力量,研发人工智能地方课程和校本课程。去年以来,伴随ChatGPT、Sora等生成式人工智能的问世和急速迭代升级,教育界对人工智能塑造中小学教育的讨论和实践更为热烈,甚至大有“一哄而起”之势。

浙江温州中学人工智能实验室主任、特级教师谢作和认为,从大视角看,人工智能教育至少有两个目标:一是培养适应人工智能时代的人才,二是培养能研发人工智能的人才。只有做到“人机共智”,才能更好地适应未来。“当学生经历了采集数据、整理数据,然后用训练模型的方式解决某些真实问题,也就是亲历了智能‘从无到有’的全部流程,才会理解数据、算法和算力对人工智能的重要意义。”

“过去十多年间,中小学科技教育的关注和投入与科技热点的兴起呈现出显著正相关关系,如机器人、3D打印、VR/AR、人工智能等都曾在科技教育领域掀起不小的波澜。”中国人工智能学会副理事长、清华大学教授孙富春表示,近几年在基础教育领域,北京、浙江、深圳等地区的学校、教师已经在向着学生能够通过使用人工智能技术解决生活中实际问题的目标努力,欠发达地区也在逐步实现人工智能课程普及,“整体来说,我国中小学人工智能教育在稳步推进中。”

在走访中,南都记者发现,值得注意的是,迄今为止不少中小学的人工智能教育实践仍然面临重点模糊、效果欠佳等问题,以“AI”为关键词的各类学生活动及校外培训课程内容,大多仅局限于STEAM编程或创客领域,与常态化学科课程的教学融合匮乏且生硬;部分中小学人工智能实验室购置的器材大多为简易编程平板、智能家居等,很少有图形处理器(GPU)等支持学生进行人工智能训练的专业设备;有些号称剖析中小学人工智能教育的论文,甚至全文未曾关注过“机器学习”“深度学习”“数据集”“算力”等关键点……

“刚开始时大家都是懵的,开的课毫无章法。”来自辽宁省沈阳市的科技教师尹老师坦言,2019年他们学校的科技教师刚接触人工智能相关内容,开课时无从下手,就把编程、机器人、开源硬件等内容打包到了人工智能课程中,“是能吸引些孩子对人工智能的兴趣,但课程内容也变得无序。”

而在对陕西省人工智能基地校——西安交通大学附属小学的调研中,一整套前沿科学的人工智能校本课程体系和教育生态,着实令记者耳目一新。

“当前在中小学人工智能教育的研究中,往往忽视理论研究的价值和作用,在课程开发时不重视从基础科研概念和理论的视角编排内容,多以人工智能技术的应用驱动来构建课程内容。”交大附小渭南校区赵文安校长在采访中坦言,正是有鉴于此,由他主导打造的交大附小人工智能校本课程体系,重点在凸显数学、信息技术、科学这 3 门学科在AI教育的基础地位,以培养学生的计算思维、数学建模以及深度学习的能力为核心目标。



交大附小目前所践行的人工智能课程体系。受访单位供图

智能元素贯穿每一个课堂。数学课上,通过“求最大公约数”的知识点,引导学生理解计算思维的核心要素,继而启发孩子对开源算法和深度学习的兴趣;信息技术课上,学生研究了解编程的基础概念,利用Python软件编写简易程序,模拟日常应用系统解决真实问题;科学课上,高年级的孩子还能通过体验AI模拟实验和数据分析,亲身体验科学研究的过程。



AI校本课程教案《用图形化编程工具实现余弦定理进行新闻分类》截图。

“我们的AI基础课程在设计上,尽可能将知识点无缝融入数理化等常态化学科教学,这主要是为AI基础理论概念打基础。”赵文安同时介绍,AI实践课程的核心立足编程、智能硬件搭建、3D 模型设计等,以校本课程的方式在各个学段开设。在他看来,当今的教育体系正由传统的学校、社会、家庭三位一体发展到学校、社会、家庭、智能工具、人机混合(虚拟世界、数字社会)五位一体的教育体系。

在中小学开展人工智能教育不能只围绕着人工智能的三大支柱:大数据、算法、算力展开,更要深刻把握住人工智能教育的本质,就是要利用机器智能助推人类智能的发展,培养孩子的‘元智能’,尤其是在真实世界解决问题的高阶思维能力!”长期深耕信息技术科研教学一线,担任了多年总校科研室主任的赵文安,在AI课程构建上感慨良多。



交大附小信息技术课程上调用的一款开源算法引擎。

没有专门课本,人工智能这门课怎么教?

“国家课程如果要将人工智能作为一门学科开设课程,课时也存在不足。目前很多中小学的做法还是以三点半后的社团活动课为主要载体,每周压缩出一两节课时,通过STEAM课程、创客编程实践活动等形式来嫁接植入。“对于课时,赵文安介绍了交大附小目前的两种解决方式:一是人工智能教材的内容和现有信息技术课的内容融合;二是成立人工智能社团,先从社团活动开始讲授人工智能课程,每周可以安排两三个学时。

据华东师范大学和中国教育科学研究院联合发布的《2022人工智能教育蓝皮书》显示,目前中小学校人工智能课程的课时主要集中在1周1课时。

课时不足之外,系统性教材的缺失,也影响了中小学人工智能教育的开展。

对学校来讲,人工智能教育基地并非一评了之,还要具备科学的课程体系及教学评价体系,切实提升学生科学素养。现在市面上与中小学人工智能教育相关的教材很多,如何选择合适的教材也是一个难题。”在赵文安看来,新出版的一批人工智能教材,数量是不少,但很多是偏向编程工具使用的图书,或者是将大学人工智能教材简单删减移植到中小学使用的图书。

在交大附小,赵文安和他的同事们一直在摸索中自主设计校本人工智能课程,并长期坚持与西安教科院等机构展开AI课程共建,"我们新建了3-8年级的AI课程体系,这样AI教育实施思路就更加明晰了。”据他介绍,交大附小与教育部装备中心合作编写了《中小学人工智能学生用书》(3-8年级)教材,该套用书已在校内3-6年的人工智能课程中使用,并被广东省选作地方教材。



“中小学人工智能教材的开发、课程内容的制定等,就应该与人工智能行业、学校、科研院校及机构进行紧密合作,加强产学研一体化结合,同时在教学场景设计上要尽量紧贴生活实际。“承担人教版高中信息技术教材《人工智能初步》分册撰写工作的首都师范大学教授方海光表示,好的人工智能教育核心在于让学生通过实践和探究来学习人工智能的原理和应用,增强他们的实际操作和解决问题的能力。唯有产学研一体、小中高学段贯通,才能及时反馈实际应用需求和最新科研成果,确保教材内容的准确性和前沿性。

在赵文安看来,目前人工智能教育发展最大的课题,是如何将AI技术与常态化学科教学深度融合,而不是仅限于零星的社团活动课程或者少数的信息竞赛学子。“要惠及尽可能多的学生,使每一个孩子都能够有机会在真实情境中接触科学,体验AI智能在日常学习生活中的应用,以此来潜移默化地润养他们的数字化意识和创新意识,这才是人工智能教育基地校的使命和真谛。

“随着技术进步产业变革,很多职业可能现在还没有,未来有很多不确定性,如何让孩子在基础教育阶段获得这种应对不确定性的能力?实际上我们这些基地校的人工智能课程,还有其他各种综合实践课程,归根结底就是为了提升孩子未来在真实世界应对不确定性的能力。”任炜东亦有同感。



保障人工智能深度融入常态化学科教学和课程活动体系,也日渐呈现为首批AI基地校“全国一盘棋”的教育共识。

走访中,记者同样观察到,北京八十中学不仅组建有专门的信息素养社团,也开设了信息科技类的AI通识兴趣课程,同时着力打造人工智能学习空间,助力对该领域有兴趣的学生成长提高。

“2003年学校就已经成立了信息学社,在学习空间的打造上也非常重视。像我们的E时空实验室、人工智能开放实验室等设备每年都迭代更新,不少仪器都是AI教学中最前沿的。“在人工智能交互体验室,贾志勇告诉南都记者,朝阳区教委对该校AI基地的建立支持力度非常大,2014年北京市建立了59所开放实验室,一间实验室投入200多万元,其中就包括80中的重点实验室。“我们学校的每一间开放实验室,它并不仅仅用于信息技术课。 ”石岩告诉记者,正如自己的VR历史专题课一样,学校的AI智慧学习空间对所有常态化科目教学都是开放的。

“我们地处西部,但也很重视包括人工智能在内的科技教育,在西安教科院的积极牵头下,包括高校、科技馆、科技企业等社会力量都大力支持我们在区域内中小学人工智能教育基地的建设。”赵文安介绍,交大附小依托西安交通大学集团校的信息技术辐射效应和资源优势,经常组织参观大学的人工智能学院、快速制造国家工程中心等智能实验室、以及西安青少年人工智能科创教育基地等,而目前西安以交大附中为代表的知名中学的理化生等各类实验室,也都在向智能化探究数字实验室升级更新。“依托集团校优势资源,我们也很重视AI学习空间的打造,为了更好的开展常态化AI通识课程,渭南校区甚至还建了一座人工智能博物馆。”赵文安说。

专职教师培养成AI教育变革的关键

人工智能能否引发教育变革,关键在教师。

如今,越来越多的教师像石岩一样拥抱智能教育。《2022人工智能教育蓝皮书》显示,目前大部分教师已将人工智能技术融入教育教学,具体的应用主要在备课和管理阶段。

但调查同时也发现,受阻于相关产品的不成熟和系统培训的缺乏,受访的28782名教师中,仍有少部分教师从未听说过人工智能,大多数受访教师认为自己对于AI专业知识和相关工具的掌握程度一般。从使用情况看,在听说过AI的受访教师群体中,近半数在授课中只是偶尔使用,经常使用的人数只占比11%。同时,受访的中小学校中专门教授人工智能课程的教师数量较少,大多数受访教师认为开设的人工智能课程处于了解与体验阶段。

在中国矿业大学(北京)智能控制与机器人系副主任、北京上地实验小学科学副校长赵建伟看来,我国中小学人工智能教师总量不足、专业化程度不高,是当前非常显著的问题。赵建伟曾坦言:“目前,我国AI专业方向的毕业生还不多,能进入到中小学从事AI教育的教师数量就更少了。而对于人工智能教育,需要5—10年的深度研究才能有所体会,才会对学生学习起到真正效果。”

与数量缺口相比,更深层次的问题在于教师素质和教学能力的不足。

“最大的挑战与危机源于理念。现在有相当一部分的专家、教师对AI存在认知偏差!他们要么认为AI太难学生学不了,要么认为学习AI不如直接教数学,或者认为AI就是编程,只是换个名词而已。”赵文安谈及当前中小学AI教育的痛点,直言AI“常识”才是当下学习和教育的最大障碍

“目前在中小学从事人工智能教育工作的老师大部分都是从信息技术学科转岗,能熟练运用人工智能的教师总体较少,AI技术尚未成为一种普遍的、常态化的教育要素。”赵文安分析称,一方面,虽然我国中小学教育环境已基本实现数字化,但只是具备了基本的数字化教学条件,智能化程度还不高;另一方面,无论职前培养还是职后培训,教师队伍的智能教育素养都还需进一步加强。

如何抓住教师培养这个“牛鼻子”?

北京师范大学教授黄荣怀认为,在这种情形下,教师需要具备与生成式人工智能协作的能力。“一要知晓原理,了解人工智能的基本功能、实现机制;二是赋能学习,可以用人工智能进行知识搜索、生成教学内容、开展课堂模拟等;三是优化教学,如英语课中ChatGPT可以作为写作提示生成器、班级讨论问题生成者等;四是交流分享,能将人工智能用于学习和教学的经验传递给其他教师。”黄荣怀表示,教师要学会与智能技术形成互补、协同、创新的关系。

“多年科学教育的实践,让我越来越深刻的认识到,只有构建一支能够运用前沿理论、使用先进技术、引导学生聚焦真实世界解决问题、具有强烈的创新意识的教师队伍,才能把人工智能教育真正落地。”强烈的教育使命感,令执教30多年的赵文安在执掌交大附小渭南校区后,火速开展了一系列AI师资队伍培训,“要让计算思维为智能时代的教育赋能!”

在赵建伟看来,破局阶段,首要提倡培养专兼结合的人工智能教育教师队伍。“学校可以用增设社会工作岗位的机会引入社会师资,还可以合理充分利用校外素养培训机构,辅助学校社团建设、社会实践等,丰富学生人工智能体验与深度参与。“

孙富春同时建议,还应该科学系统地构建信息科技教师专业成长体系:“研制信息科技教师专业标准和课堂教学评价标准,并针对不同地区、学校以及不同学段的AI课程同步构建评价体系,助力教研部门和学校对人工智能教学质量进行科学评价,突出教师实践成果,力争使每一位中小学人工智能教师的数字素养和教学素养都有显著提升。”

采写:南都记者吕虹 发自北京

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