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中小学人工智能教育课程体系与教学模式研究应用成果(一)

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来源:教育部学校规划建设发展中心“未来学校研究与实验计划”未来学校创新成果

作者:师雪霖,汪建红,张娇月,李国顺,李娜

单位:北京清创未来教育科技有限公司

摘要:北京清创未来教育科技有限公司是清华大学发起的“学堂在线”平台旗下K12人工智能与编程教育平台。依托清华大学优质资源,响应国家政策,推动人工智能、编程教育进入中小学,解决缺乏标准指引、课程体系不健全、教学资源匮乏、师资力量不足等问题,组织清华大学计算机系专家学者、中小学优秀教师联合设计、开发了“中小学人工智能教育课程体系”,提供“纸数联动”的立体化教学资源。并依托“学堂在线”平台,设计了混合式教学模式,保证优质资源的教学落地。经过一年多来的研究和推广,已经在全国4所学校开展了常态化教学,助力北京市科学中心、北京市教委初中生开放科技实践活动中的人工智能教育板块,取得了宝贵的教学反馈和学生学情数据。

一、项目背景

(一) 背景与趋势

随着信息技术和人工智能技术的快速发展,人类社会正在快速步入一个崭新的智能时代。世界各国也纷纷开始部署新一代的人才培养战略规划,大力发展和普及编程和人工智能教育,抢占先机。新的时代对人才也提出了新的要求,2017年国务院发布《新一代人工智能发展规划》大力发展人工智能产业,提出要“广泛开展人工智能科普活动,在中小学设置人工智能相关课程,逐步推广编程教育”。这是我国首次将中小学人工智能、编程教育写入政府决策。2018年初,教育部又颁布了《普通高中信息技术课程标准(2017年版)》,更新了高中信息技术课程内容,着重培养学生的计算思维。义务教育信息技术新课标也即将出台。2019年,《中国教育现代化2035》中关于中小学人工智能教育、信息素养培养也提出了明确的相关要求。推动中小学年编程教育的普及发展,支持鼓励青少年树立远大志向,放飞科学梦想,投身创新实践,加强中国科技自主创新能力的后备力量培养,

中小学人工智能教育课程体系与教学模式研究应用成果

图 国家政策呼唤中小学AI教育

与此同时,国内青少年人工智能、编程教育缺乏标准指引、课程体系不健全、教学资源匮乏、师资力量不足等问题也开始暴露出来:质量良莠不齐,有的课程设计缺乏体系性、专业性,课程内容不符合学生的认知规律,重知识和技能的灌输而忽略了计算思维的培养和创造力的培养。

(二)项目概述

为解决上述问题,北京清创未来教育科技有限公司依托清华大学优质教育资源、在线教育技术,研发了“中小学人工智能教育解决方案”。

清华大学在线教育平台学堂在线的K12频道、教育部在线教育研究中心基础教育研究部示范平台,2018年依托清华大学iCenter创客空间优质教育理念和资源,创立了致力于青少年AI教育的“学堂科创”,依托清华大学优质资源,响应国家政策,推动人工智能、编程教育进入中小学,解决缺乏标准指引、课程体系不健全、教学资源匮乏、师资力量不足等问题,组织清华大学计算机系专家学者、中小学优秀教师联合设计、开发了“中小学人工智能教育课程体系”,提供“纸数联动”的立体化教学资源。并依托“学堂在线”平台,设计了混合式教学模式,保证优质资源的教学落地。经过一年多来的研究和推广,已经在全国4所学校开展了常态化教学,助力北京市科学中心、北京市教委初中生开放科技实践活动中的人工智能教育板块,取得了宝贵的教学反馈和学生学情数据。

二、主要内容

“中小学人工智能教育课程体系与教学模式研究应用成果”是学堂科创 “中小学人工智能教育解决方案”产品、配套服务所取得的创新成果。

学堂科创 “中小学人工智能教育解决方案”提出了中小学“大”AI教育概念,不仅包括侠义人工智能教育,还包括编程教育、机器人教育、创客教育、STEAM教育等完善体系。整个产品聚焦中国学生核心素养,注重思维和能力培养,采用“做中学、创中学”为指导的PBL教学设计方法。

中小学人工智能教育课程体系与教学模式研究应用成果

图 学堂科创中小学AI教育理念

该解决方案具体包括:

中小学人工智能教育课程体系与教学模式研究应用成果

图 学堂科创中小学AI教育解决方案

具体介绍如下。

(一) AI创新空间

中小学AI创新教育空间(简称AI创新空间)是开展AI教育的重要场地,以“做中学、创中学”为主要学习方式,注重综合运用能力、动手实践能力的培养,因此不仅仅承载着一般教室的教学活动功能,也不是单纯的实验室,更是一个融合教、学、做、创、分享、展示的“六度一体”多功能空间。

中小学人工智能教育课程体系与教学模式研究应用成果

图 六度一体AI创新空间

学堂科创中小学AI创新空间,依托清华大学iCenter创客教育核心理念、针对中学的AI教育需要,由清华大学教育专家、清华大学美院艺术与设计专家共同设计,符合中小学阶段学生生理、心理发展规律,真正地将空间服务于教学、服务于学生成长。

1 AI创新空间概述

AI创新空间以承载AI教育为基本,能够承载计算机编程与算法(人工智能)、智能硬件(含机器人、无人机)、3D、激光切割、虚拟现实、多媒体等覆盖不同层次的多门课程和各类AI教学活动。

在保证承载AI教学“做中学、创中学”的要求基础上,充分考虑中小学现状,根据学校自身情况合理布局,既可结合现有学校教室、实验室、活动室、新建教学用房等场地进行分区设计、整合,也可以建设全功能综合AI创新空间,既可以开展“常态化”教学,也可以定期组织AI科技嘉年华活动和培训,积极营造AI文化氛围。

综合性AI创新空间可以功能分区,满足不同类型课程、活动开展需要,保证一定的空间面积,满足教、学、做、创、分享、展示的多功能需求。在满足功能的前提下,可以结合本校、本地文化特色,在视觉呈现上定制化设计。

中小学人工智能教育课程体系与教学模式研究应用成果

图“六度一体”AI创新空间示例

AI创新空间中还可以打造不同主题的功能区,每个功能区可以聚焦某个主题,在较小空间中承载具体主题的AI教育。在满足功能的前提下,可以结合本校、本地文化特色,在视觉呈现上定制化设计。

中小学人工智能教育课程体系与教学模式研究应用成果

图 AI创新空间主题功能区示例

具体AI创新空间设计方案由清华大学iCenter专家、清华美院专家根据中小学创客教学需求、空间环境、文化背景等多方因素,深入学校调研分析后,进行个性化设计。

2 AI创新空间功能设计

AI创新空间根据中小学AI教育需要,以基础设施+功能区的设计方式,实现空间的最大化利用、设备多用途复用,同时满足专项教学需要。

(1)基础空间设施:

 空间基础装修——保障空间正常运转的建筑基础,水、电、网络等基础设施;

 空间VI软装——符合学生心理规律,体现STEAM创客教育特色,并结合本校、本地文化特色的整体风格呈现;

 通用类教学基础设备——桌椅、操作台面、工具箱等家具类;一体机、投影仪、摄像头、云台等数字化信息化媒体设备;木工、电工等通用工具。

(2)功能区设施:

 AI编程与算法实验室——承载电脑设计、可视化编程、语言编程、算法设计等系列课程的空间,支持自主学习探究、小组合作探究、师生互动多种教学模式,配备学生桌面电脑、云端实验软件;

 AI智能硬件与机器人实验室——承载Arduino智能硬件设计、组装、编程控制等系列课程的空间,开展机器人、智能家居、物联网等多种项目式教学,支持自主学习探究、小组合作探究、师生互动多种教学模式,配备学生桌面电脑、PAD等信息化设备之外,还需要智能硬件套装、相关外设组件等;

 AI三维设计与创意实验室——承载3D造型设计与打印等系列课程的空间,支持自主学习探究、小组合作探究、师生互动多种教学模式,配备学生桌面电脑等信息化设备之外,还需要有桌面型3D打印机,可选配3D扫描仪;

 AI多媒体工作室——承载学生多媒体设计、微视频、微电影拍摄、编辑等系列课程的空间,配备虚拟录播室设备与软件;

 AI辅助设计与激光切割工作室——承载学生计算机辅助设计、创意物化、机械搭建等系列课程的空间,配备激光切割机,学生桌面电脑,计算机辅助设计软件。

(二)AI课程体系

中小学AI教育课程结合当前中国学生核心素养发展要求,科学技术前沿发展趋势,尤其是以人工智能技术为特色的全体系课程,奠基课程为每个学生打开A大门,广博课程让学生按兴趣选择领域学习,卓越课程为拔尖学生参加科技创新项目奠定坚实的基础。

1 课程体系

中小学AI教育是一个系统化的教育框架,作为其中核心的课程也必须是体系化、逐步进阶的系列课程组合。

中小学人工智能教育课程体系与教学模式研究应用成果

图 AI教育课程体系

AI教育课程体系分为AI文化与能力、AI设计与创意、AI智能硬件与机器人、AI编程与算法、AI学科创新五大系列,AI文化能力融合贯穿于其它四个系列;每个系列提供奠基、广博、卓越不同层次课程。每层次根据学生能力发展水平、先修课程基础达到不同的培养目标,如上图所示。

具体课程列表如下:

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课程体系

上述列表中的课程,为本项目第一期课程体系,依托于清华大学教育资源,每年进行迭代,保证10%-30%的更新率。此外,结合当前技术发展趋势、中小学AI教育需求不断增加新的课程。

2 在线教学资源库

为保证源于清华的教学资源在中小学具体教学中能完全实现AI系列课程的培养目标,实现“普惠——卓越——拔尖”分级教学质量水平目标,本项目依托学堂科创智慧云平台,为学校教学提供全方位、立体化的在线教学资源库:

中小学人工智能教育课程体系与教学模式研究应用成果

图 立体化在线教学资源库

如图所示,每门课程的每个学时都有配套的教案、教材、项目库、微课视频等众多资源,完整贯穿教师教、学生学的全过程。

其中,由专业教育专家设计的教案,能帮助本地教师深入掌握教学目标、PBL项目式教学的组织实施方式、评价方式,保证教学质量。

中小学人工智能教育课程体系与教学模式研究应用成果

图 在线教学资源库——教师教案

此外,丰富的多媒体立体化资源,不但可以保障教师教的质量,更可以供学习自主学习,培养自主学习能力。

中小学人工智能教育课程体系与教学模式研究应用成果

图 在线教学资源库——多种形式的电影级微课

3 配套硬件教具

科创教育以“做中学、创中学”为主要学习方式,因此配套的硬件的教具格外重要。除了创客空间中标准配置的通用教学设备(一体机)、学生桌面电脑、通用工具(木工、电工工具)等,本项目还根据课程特点,设计了众多配套硬件教具:

(1)支持智能硬件系列课程的Arduino智能套件、智能小车、无人机、机器人套件;

中小学人工智能教育课程体系与教学模式研究应用成果

图 AI智能硬件教具

(2)支持3D打印造型建模的桌面式3D打印机,有条件可选配3D扫描仪;

中小学人工智能教育课程体系与教学模式研究应用成果

图 3D打印机及3D扫描仪

(3)支持计算机辅助设计(AutoCAD)、激光切割的设备。

中小学人工智能教育课程体系与教学模式研究应用成果

图 AutoCAD相关设备

此外,可以根据需求,选配其它扩展类硬件教具。清华大学iCenter多年创客教育探索中,和大量硬件供应商形成了战略合作关系,在以教学仪器设备选型集成上具有丰富经验。