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中小學人工智能教育課程體系與教學模式研究應用成果(一)

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來源:教育部學校規劃建設發展中心“未來學校研究與實驗計劃”未來學校創新成果

作者:師雪霖,汪建紅,張嬌月,李國順,李娜

單位:北京清創未來教育科技有限公司

摘要:北京清創未來教育科技有限公司是清華大學發起的“學堂在線”平台旗下K12人工智能與編程教育平台。依托清華大學優質資源,響應國家政策,推動人工智能、編程教育進入中小學,解決缺乏标準指引、課程體系不健全、教學資源匮乏、師資力量不足等問題,組織清華大學計算機系專家學者、中小學優秀教師聯合設計、開發了“中小學人工智能教育課程體系”,提供“紙數聯動”的立體化教學資源。并依托“學堂在線”平台,設計了混合式教學模式,保證優質資源的教學落地。經過一年多來的研究和推廣,已經在全國4所學校開展了常态化教學,助力北京市科學中心、北京市教委初中生開放科技實踐活動中的人工智能教育闆塊,取得了寶貴的教學反饋和學生學情數據。

一、項目背景

(一) 背景與趨勢

随着信息技術和人工智能技術的快速發展,人類社會正在快速步入一個嶄新的智能時代。世界各國也紛紛開始部署新一代的人才培養戰略規劃,大力發展和普及編程和人工智能教育,搶占先機。新的時代對人才也提出了新的要求,2017年國務院發布《新一代人工智能發展規劃》大力發展人工智能産業,提出要“廣泛開展人工智能科普活動,在中小學設置人工智能相關課程,逐步推廣編程教育”。這是我國首次将中小學人工智能、編程教育寫入政府決策。2018年初,教育部又頒布了《普通高中信息技術課程标準(2017年版)》,更新了高中信息技術課程内容,着重培養學生的計算思維。義務教育信息技術新課标也即将出台。2019年,《中國教育現代化2035》中關于中小學人工智能教育、信息素養培養也提出了明确的相關要求。推動中小學年編程教育的普及發展,支持鼓勵青少年樹立遠大志向,放飛科學夢想,投身創新實踐,加強中國科技自主創新能力的後備力量培養,

中小学人工智能教育课程体系与教学模式研究应用成果

圖 國家政策呼喚中小學AI教育

與此同時,國内青少年人工智能、編程教育缺乏标準指引、課程體系不健全、教學資源匮乏、師資力量不足等問題也開始暴露出來:質量良莠不齊,有的課程設計缺乏體系性、專業性,課程内容不符合學生的認知規律,重知識和技能的灌輸而忽略了計算思維的培養和創造力的培養。

(二)項目概述

為解決上述問題,北京清創未來教育科技有限公司依托清華大學優質教育資源、在線教育技術,研發了“中小學人工智能教育解決方案”。

清華大學在線教育平台學堂在線的K12頻道、教育部在線教育研究中心基礎教育研究部示範平台,2018年依托清華大學iCenter創客空間優質教育理念和資源,創立了緻力于青少年AI教育的“學堂科創”,依托清華大學優質資源,響應國家政策,推動人工智能、編程教育進入中小學,解決缺乏标準指引、課程體系不健全、教學資源匮乏、師資力量不足等問題,組織清華大學計算機系專家學者、中小學優秀教師聯合設計、開發了“中小學人工智能教育課程體系”,提供“紙數聯動”的立體化教學資源。并依托“學堂在線”平台,設計了混合式教學模式,保證優質資源的教學落地。經過一年多來的研究和推廣,已經在全國4所學校開展了常态化教學,助力北京市科學中心、北京市教委初中生開放科技實踐活動中的人工智能教育闆塊,取得了寶貴的教學反饋和學生學情數據。

二、主要内容

“中小學人工智能教育課程體系與教學模式研究應用成果”是學堂科創 “中小學人工智能教育解決方案”産品、配套服務所取得的創新成果。

學堂科創 “中小學人工智能教育解決方案”提出了中小學“大”AI教育概念,不僅包括俠義人工智能教育,還包括編程教育、機器人教育、創客教育、STEAM教育等完善體系。整個産品聚焦中國學生核心素養,注重思維和能力培養,采用“做中學、創中學”為指導的PBL教學設計方法。

中小学人工智能教育课程体系与教学模式研究应用成果

圖 學堂科創中小學AI教育理念

該解決方案具體包括:

中小学人工智能教育课程体系与教学模式研究应用成果

圖 學堂科創中小學AI教育解決方案

具體介紹如下。

(一) AI創新空間

中小學AI創新教育空間(簡稱AI創新空間)是開展AI教育的重要場地,以“做中學、創中學”為主要學習方式,注重綜合運用能力、動手實踐能力的培養,因此不僅僅承載着一般教室的教學活動功能,也不是單純的實驗室,更是一個融合教、學、做、創、分享、展示的“六度一體”多功能空間。

中小学人工智能教育课程体系与教学模式研究应用成果

圖 六度一體AI創新空間

學堂科創中小學AI創新空間,依托清華大學iCenter創客教育核心理念、針對中學的AI教育需要,由清華大學教育專家、清華大學美院藝術與設計專家共同設計,符合中小學階段學生生理、心理發展規律,真正地将空間服務于教學、服務于學生成長。

1 AI創新空間概述

AI創新空間以承載AI教育為基本,能夠承載計算機編程與算法(人工智能)、智能硬件(含機器人、無人機)、3D、激光切割、虛拟現實、多媒體等覆蓋不同層次的多門課程和各類AI教學活動。

在保證承載AI教學“做中學、創中學”的要求基礎上,充分考慮中小學現狀,根據學校自身情況合理布局,既可結合現有學校教室、實驗室、活動室、新建教學用房等場地進行分區設計、整合,也可以建設全功能綜合AI創新空間,既可以開展“常态化”教學,也可以定期組織AI科技嘉年華活動和培訓,積極營造AI文化氛圍。

綜合性AI創新空間可以功能分區,滿足不同類型課程、活動開展需要,保證一定的空間面積,滿足教、學、做、創、分享、展示的多功能需求。在滿足功能的前提下,可以結合本校、本地文化特色,在視覺呈現上定制化設計。

中小学人工智能教育课程体系与教学模式研究应用成果

圖“六度一體”AI創新空間示例

AI創新空間中還可以打造不同主題的功能區,每個功能區可以聚焦某個主題,在較小空間中承載具體主題的AI教育。在滿足功能的前提下,可以結合本校、本地文化特色,在視覺呈現上定制化設計。

中小学人工智能教育课程体系与教学模式研究应用成果

圖 AI創新空間主題功能區示例

具體AI創新空間設計方案由清華大學iCenter專家、清華美院專家根據中小學創客教學需求、空間環境、文化背景等多方因素,深入學校調研分析後,進行個性化設計。

2 AI創新空間功能設計

AI創新空間根據中小學AI教育需要,以基礎設施+功能區的設計方式,實現空間的最大化利用、設備多用途複用,同時滿足專項教學需要。

(1)基礎空間設施:

 空間基礎裝修——保障空間正常運轉的建築基礎,水、電、網絡等基礎設施;

 空間VI軟裝——符合學生心理規律,體現STEAM創客教育特色,并結合本校、本地文化特色的整體風格呈現;

 通用類教學基礎設備——桌椅、操作台面、工具箱等家具類;一體機、投影儀、攝像頭、雲台等數字化信息化媒體設備;木工、電工等通用工具。

(2)功能區設施:

 AI編程與算法實驗室——承載電腦設計、可視化編程、語言編程、算法設計等系列課程的空間,支持自主學習探究、小組合作探究、師生互動多種教學模式,配備學生桌面電腦、雲端實驗軟件;

 AI智能硬件與機器人實驗室——承載Arduino智能硬件設計、組裝、編程控制等系列課程的空間,開展機器人、智能家居、物聯網等多種項目式教學,支持自主學習探究、小組合作探究、師生互動多種教學模式,配備學生桌面電腦、PAD等信息化設備之外,還需要智能硬件套裝、相關外設組件等;

 AI三維設計與創意實驗室——承載3D造型設計與打印等系列課程的空間,支持自主學習探究、小組合作探究、師生互動多種教學模式,配備學生桌面電腦等信息化設備之外,還需要有桌面型3D打印機,可選配3D掃描儀;

 AI多媒體工作室——承載學生多媒體設計、微視頻、微電影拍攝、編輯等系列課程的空間,配備虛拟錄播室設備與軟件;

 AI輔助設計與激光切割工作室——承載學生計算機輔助設計、創意物化、機械搭建等系列課程的空間,配備激光切割機,學生桌面電腦,計算機輔助設計軟件。

(二)AI課程體系

中小學AI教育課程結合當前中國學生核心素養發展要求,科學技術前沿發展趨勢,尤其是以人工智能技術為特色的全體系課程,奠基課程為每個學生打開A大門,廣博課程讓學生按興趣選擇領域學習,卓越課程為拔尖學生參加科技創新項目奠定堅實的基礎。

1 課程體系

中小學AI教育是一個系統化的教育框架,作為其中核心的課程也必須是體系化、逐步進階的系列課程組合。

中小学人工智能教育课程体系与教学模式研究应用成果

圖 AI教育課程體系

AI教育課程體系分為AI文化與能力、AI設計與創意、AI智能硬件與機器人、AI編程與算法、AI學科創新五大系列,AI文化能力融合貫穿于其它四個系列;每個系列提供奠基、廣博、卓越不同層次課程。每層次根據學生能力發展水平、先修課程基礎達到不同的培養目标,如上圖所示。

具體課程列表如下:

中小学人工智能教育课程体系与教学模式研究应用成果

中小学人工智能教育课程体系与教学模式研究应用成果

中小学人工智能教育课程体系与教学模式研究应用成果

表 AI課程體系

上述列表中的課程,為本項目第一期課程體系,依托于清華大學教育資源,每年進行疊代,保證10%-30%的更新率。此外,結合當前技術發展趨勢、中小學AI教育需求不斷增加新的課程。

2 在線教學資源庫

為保證源于清華的教學資源在中小學具體教學中能完全實現AI系列課程的培養目标,實現“普惠——卓越——拔尖”分級教學質量水平目标,本項目依托學堂科創智慧雲平台,為學校教學提供全方位、立體化的在線教學資源庫:

中小学人工智能教育课程体系与教学模式研究应用成果

圖 立體化在線教學資源庫

如圖所示,每門課程的每個學時都有配套的教案、教材、項目庫、微課視頻等衆多資源,完整貫穿教師教、學生學的全過程。

其中,由專業教育專家設計的教案,能幫助本地教師深入掌握教學目标、PBL項目式教學的組織實施方式、評價方式,保證教學質量。

中小学人工智能教育课程体系与教学模式研究应用成果

圖 在線教學資源庫——教師教案

此外,豐富的多媒體立體化資源,不但可以保障教師教的質量,更可以供學習自主學習,培養自主學習能力。

中小学人工智能教育课程体系与教学模式研究应用成果

圖 在線教學資源庫——多種形式的電影級微課

3 配套硬件教具

科創教育以“做中學、創中學”為主要學習方式,因此配套的硬件的教具格外重要。除了創客空間中标準配置的通用教學設備(一體機)、學生桌面電腦、通用工具(木工、電工工具)等,本項目還根據課程特點,設計了衆多配套硬件教具:

(1)支持智能硬件系列課程的Arduino智能套件、智能小車、無人機、機器人套件;

中小学人工智能教育课程体系与教学模式研究应用成果

圖 AI智能硬件教具

(2)支持3D打印造型建模的桌面式3D打印機,有條件可選配3D掃描儀;

中小学人工智能教育课程体系与教学模式研究应用成果

圖 3D打印機及3D掃描儀

(3)支持計算機輔助設計(AutoCAD)、激光切割的設備。

中小学人工智能教育课程体系与教学模式研究应用成果

圖 AutoCAD相關設備

此外,可以根據需求,選配其它擴展類硬件教具。清華大學iCenter多年創客教育探索中,和大量硬件供應商形成了戰略合作關系,在以教學儀器設備選型集成上具有豐富經驗。