發(fā)展人工智能教育推動(dòng)拔尖創(chuàng)新人才早期培養(yǎng)

【摘要】本文剖析了中小學(xué)開(kāi)展人工智能教育的雙重價(jià)值取向及其培養(yǎng)發(fā)力點(diǎn)，闡述了上海市浦東新區(qū)通過(guò)構(gòu)筑區(qū)域中小學(xué)人工智能教育生態(tài)系統(tǒng)，圍繞區(qū)域、學(xué)校、課堂精準(zhǔn)發(fā)力，培養(yǎng)早期拔尖創(chuàng)新人才與學(xué)生創(chuàng)新能力的經(jīng)驗(yàn)?！娟P(guān)鍵詞】人工智能教育；拔尖創(chuàng)新人才；早期培養(yǎng)中小學(xué)開(kāi)展人工智能教育的雙重價(jià)值取向隨著國(guó)際政治、科技、產(chǎn)業(yè)發(fā)展形勢(shì)風(fēng)云變化，加強(qiáng)科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)已成為社會(huì)共識(shí)。人工智能技術(shù)引領(lǐng)當(dāng)下科技產(chǎn)業(yè)革命，國(guó)家戰(zhàn)略、教育政策文件及信息科技學(xué)科新課標(biāo)相繼提出并細(xì)化了中小學(xué)階段開(kāi)展人工智能教育的相關(guān)要求。在中小學(xué)開(kāi)展人工智能教育，一方面可以培養(yǎng)學(xué)生的人工智能素養(yǎng)，使學(xué)生理解智能時(shí)代的各種新技術(shù)、新手段、新應(yīng)用、新發(fā)展，更好地適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需要；另一方面可以識(shí)別發(fā)現(xiàn)潛質(zhì)學(xué)生，做好拔尖創(chuàng)新人才的早期培養(yǎng)，可以讓學(xué)生認(rèn)識(shí)人工智能技術(shù)帶來(lái)的前所未有的挑戰(zhàn)，看到自己的差距，培養(yǎng)勇于追求、不斷創(chuàng)新的進(jìn)取精神和使命感。在人工智能教育實(shí)施過(guò)程中，要重視學(xué)生的個(gè)性差異，有意識(shí)地發(fā)現(xiàn)在智能、志向、人格特征等方面遠(yuǎn)超平均的潛質(zhì)學(xué)生，進(jìn)行有針對(duì)性地培養(yǎng)。中小學(xué)人工智能普及教育與拔尖人才早期培養(yǎng)的“發(fā)力點(diǎn)”人工智能的學(xué)習(xí)是一個(gè)由淺入深的系統(tǒng)性工程，中小學(xué)人工智能普及教育與人工智能拔尖創(chuàng)新人才早期培養(yǎng)面對(duì)的群體不同，培養(yǎng)定位不同，教學(xué)實(shí)施的發(fā)力點(diǎn)也各有側(cè)重。1.人工智能普及教育強(qiáng)調(diào)素養(yǎng)導(dǎo)向的課程、資源、活動(dòng)設(shè)計(jì)人工智能普及教育強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)體系化的人工智能課程內(nèi)容，開(kāi)發(fā)多樣化數(shù)字資源，組織實(shí)施素養(yǎng)導(dǎo)向的教與學(xué)活動(dòng)。（1）要有體系化的人工智能課程內(nèi)容，解決“教什么”的問(wèn)題。課程體系化設(shè)計(jì)可以確保課程內(nèi)容的連貫性和系統(tǒng)性，幫助學(xué)生更好地認(rèn)識(shí)人工智能的發(fā)展，理解人工智能原理思想與技術(shù)方法，有效利用智能社會(huì)中的技術(shù)、工具與服務(wù)，在建立興趣的基礎(chǔ)上，提高運(yùn)用人工智能相關(guān)技術(shù)思想分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力及創(chuàng)新創(chuàng)造能力。（2）要有匹配課程的多樣化數(shù)字資源，解決“用什么來(lái)教”的問(wèn)題。一是數(shù)字化資源要與課程內(nèi)容相匹配，應(yīng)結(jié)合課程內(nèi)容思考資源設(shè)計(jì)。二是數(shù)字化資源類型應(yīng)多樣化，既有作用于技術(shù)原理思想理解的視頻類資源，又有感受人工智能應(yīng)用互動(dòng)的體驗(yàn)類資源，還有模擬原理運(yùn)作過(guò)程的驗(yàn)證類資源，更有可以動(dòng)手操作實(shí)現(xiàn)技術(shù)運(yùn)用的實(shí)踐類資源。（3）要組織落實(shí)素養(yǎng)培養(yǎng)的教學(xué)活動(dòng)，解決“怎么教”的問(wèn)題。素養(yǎng)導(dǎo)向的課堂教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)應(yīng)體現(xiàn)真實(shí)情境、問(wèn)題驅(qū)動(dòng)、跨學(xué)科融合等特征，能夠促進(jìn)學(xué)生互動(dòng)、體驗(yàn)、探究的項(xiàng)目學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、不插電的計(jì)算機(jī)活動(dòng)等方式組織實(shí)施，幫助學(xué)生形成完善的思維體系、人格特質(zhì)和社會(huì)情感以及多元智能。2.人工智能拔尖人才早期培養(yǎng)強(qiáng)調(diào)學(xué)段貫通、因質(zhì)選學(xué)、供需匹配基于中小學(xué)人工智能普及教育，要識(shí)別并發(fā)現(xiàn)少部分具有人工智能學(xué)習(xí)潛質(zhì)的學(xué)生，并為其提供與學(xué)習(xí)需求匹配的學(xué)習(xí)供給，促進(jìn)其在人工智能特長(zhǎng)領(lǐng)域的充分發(fā)展。（1）學(xué)段貫通，探索課程銜接的拔尖人才早期培養(yǎng)路徑。學(xué)段壁壘是拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的瓶頸。各學(xué)段教學(xué)管評(píng)考方面的政策制度雖未銜接，但可以以貫通中小學(xué)段的進(jìn)階課程體系設(shè)計(jì)為抓手，探索人工智能拔尖人才的早期識(shí)別與培養(yǎng)。從低年級(jí)到高年級(jí)，課程內(nèi)容的廣度和深度逐層遞進(jìn)。在連貫性結(jié)構(gòu)化的課程學(xué)習(xí)過(guò)程中，具有人工智能學(xué)習(xí)潛質(zhì)的學(xué)生更容易展示出特長(zhǎng)。尤其要關(guān)注學(xué)生在真實(shí)情境中運(yùn)用人工智能知識(shí)和技能來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，以及在他們感興趣或表現(xiàn)出特長(zhǎng)的人工智能領(lǐng)域，合理規(guī)劃達(dá)成目標(biāo)的路徑。（2）因質(zhì)選學(xué)，提供異質(zhì)性個(gè)性化的人工智能學(xué)習(xí)課程。拔尖創(chuàng)新人才內(nèi)部存在巨大的異質(zhì)性，需要“因材施教”。要打破班級(jí)制、年級(jí)制的桎梏，實(shí)行混齡制教學(xué)。充分利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新興技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，識(shí)別發(fā)現(xiàn)具備人工智能學(xué)習(xí)潛質(zhì)的學(xué)生，跟蹤分析每個(gè)潛質(zhì)學(xué)生在智力、心智結(jié)構(gòu)和發(fā)展需求等方面的差異，在尊重和保護(hù)學(xué)生研究興趣的基礎(chǔ)上，為學(xué)生在人工智能領(lǐng)域獲得進(jìn)一步發(fā)展，提供異質(zhì)的個(gè)性化人工智能學(xué)習(xí)課程。（3）供需匹配，創(chuàng)設(shè)探索性學(xué)習(xí)空間滿足學(xué)生內(nèi)在需求。人工智能拔尖人才早期培養(yǎng)，應(yīng)該根據(jù)潛質(zhì)學(xué)生身心發(fā)展特點(diǎn)和內(nèi)在需求，創(chuàng)設(shè)具有自主性、交互性、開(kāi)放性、智能性、沉浸性等特征的探索性學(xué)習(xí)空間，讓學(xué)生在真實(shí)問(wèn)題情境和跨學(xué)科的綜合學(xué)習(xí)和探究實(shí)踐中，努力把自己的興趣變成志趣再變成志向。在其中，教師更多的任務(wù)是指導(dǎo)、啟發(fā)和協(xié)助，引導(dǎo)學(xué)生在沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境中感受人工智能前沿技術(shù)的發(fā)展，探索人工智能核心技術(shù)思想的實(shí)現(xiàn)路徑和創(chuàng)造性應(yīng)用。中小學(xué)人工智能普及教育與拔尖人才早期培養(yǎng)的浦東探索上海市浦東新區(qū)立足全區(qū)中小學(xué)人工智能教育推進(jìn)，構(gòu)筑了區(qū)域中小學(xué)人工智能教育生態(tài)系統(tǒng)，圍繞宏觀、中觀、微觀三個(gè)生態(tài)圈層精準(zhǔn)發(fā)力，在人工智能普及教育實(shí)施中識(shí)別并發(fā)現(xiàn)具有人工智能學(xué)習(xí)潛質(zhì)的學(xué)生，并開(kāi)展針對(duì)性培養(yǎng)。1.頂層設(shè)計(jì)：構(gòu)筑區(qū)域中小學(xué)人工智能教育生態(tài)系統(tǒng)以創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)理論為指導(dǎo)，系統(tǒng)思考影響人工智能教育的諸多要素（如學(xué)生、教師、課程、資源、硬件、平臺(tái)、教學(xué)活動(dòng)組織等）之間如何良好有序地運(yùn)作，構(gòu)筑了區(qū)域中小學(xué)人工智能教育生態(tài)系統(tǒng)，包含宏觀“區(qū)域系統(tǒng)協(xié)同層”、中觀“學(xué)校群落互動(dòng)層”、微觀“課堂教學(xué)實(shí)踐層”三個(gè)生態(tài)圈層，聚焦學(xué)生人工智能素養(yǎng)培養(yǎng)、拔尖創(chuàng)新人才早期培養(yǎng)，形成開(kāi)放、共享、協(xié)同、共生的可持續(xù)發(fā)展育人模式。在區(qū)域系統(tǒng)協(xié)同層，構(gòu)建了由浦東新區(qū)教育局牽頭，各實(shí)驗(yàn)學(xué)校主體實(shí)施、高校及研究院專業(yè)引領(lǐng)，AI企業(yè)技術(shù)支撐的“政-校-研-企”多方協(xié)同機(jī)制，形成開(kāi)放共享的區(qū)級(jí)場(chǎng)域，研發(fā)區(qū)域人工智能課程體系，協(xié)同部署人工智能教學(xué)硬件、人工智能教育區(qū)域大平臺(tái)、人工智能課程教與學(xué)資源等。在學(xué)校群落互動(dòng)層，根據(jù)同一學(xué)段學(xué)生基礎(chǔ)不同設(shè)置了“基礎(chǔ)課程?！M(jìn)階課程?！獙?shí)驗(yàn)創(chuàng)新?！狈謱优囵B(yǎng)的學(xué)校群落，建立了小學(xué)、初中跨學(xué)段銜接培養(yǎng)的學(xué)校群落，探索分層進(jìn)階群落的人工智能教育互動(dòng)機(jī)制、推進(jìn)策略等。在課堂教學(xué)實(shí)踐層，面向真實(shí)問(wèn)題解決，實(shí)踐素養(yǎng)導(dǎo)向和拔尖人才早期培養(yǎng)的人工智能教學(xué)新模式。轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教學(xué)方式，突出學(xué)生主體，注重啟發(fā)式、互動(dòng)式、探究式教學(xué)，面向真實(shí)問(wèn)題解決實(shí)施“體驗(yàn)-理解-實(shí)踐”教學(xué)和“主題式研究性學(xué)習(xí)”。2.精準(zhǔn)發(fā)力：打造適宜的區(qū)域、學(xué)校、課堂育人環(huán)境聚焦區(qū)域人工智能教育三個(gè)生態(tài)圈層精準(zhǔn)發(fā)力，打造適合學(xué)生人工智能素養(yǎng)培養(yǎng)與拔尖創(chuàng)新人才早期培養(yǎng)的育人環(huán)境。（1）區(qū)域系統(tǒng)協(xié)調(diào)層。研發(fā)了小初高貫通一體化的人工智能課程。組建專家團(tuán)隊(duì)，研究構(gòu)建貫通小學(xué)、初中、高中的人工智能教育課程體系，按照“認(rèn)知→理解→應(yīng)用→實(shí)踐→創(chuàng)新”的課程框架，使課程內(nèi)容的廣度和深度從低年級(jí)到高年級(jí)逐層遞進(jìn)，小學(xué)側(cè)重“感悟”、初中側(cè)重“體驗(yàn)”、高中側(cè)重“創(chuàng)新創(chuàng)造”[1]。通過(guò)體系化的課程內(nèi)容幫助學(xué)生奠定良好的人工智能知識(shí)、技能、倫理的基本功。每個(gè)學(xué)段的人工智能課程內(nèi)容又可以分為基礎(chǔ)課程、進(jìn)階課程和競(jìng)賽課程（面向具有人工智能學(xué)習(xí)潛質(zhì)的學(xué)生）三大類型，通過(guò)系列課程組合的方式滿足不同學(xué)校、不同學(xué)生的差異化需求。伴隨技術(shù)發(fā)展評(píng)估更新相應(yīng)課程內(nèi)容，如在文心一言等AIGC工具出現(xiàn)后，研發(fā)團(tuán)隊(duì)將大語(yǔ)言模型的使用學(xué)習(xí)、簡(jiǎn)單原理理解、模型調(diào)用等納入課程內(nèi)容。選購(gòu)了人工智能課程學(xué)習(xí)所需的硬件設(shè)施。統(tǒng)一為各實(shí)驗(yàn)校提供教學(xué)硬件，其中基礎(chǔ)課程配套的多為集成度高的、不需要搭建的教學(xué)硬件，學(xué)生可以直接通過(guò)編寫(xiě)指令指揮硬件具備人工智能功能；進(jìn)階課程配套的教學(xué)硬件則為學(xué)生動(dòng)手操作提供更多的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐空間，通過(guò)可以自主搭建的、能與區(qū)域人工智能教育大平臺(tái)及學(xué)校已有硬件便捷對(duì)接的教學(xué)硬件和工具，開(kāi)展各類人工智能教學(xué)實(shí)驗(yàn)。選購(gòu)、整合了人工智能教育大平臺(tái)與資源。這包括教與學(xué)系統(tǒng)和人工智能編程系統(tǒng)兩大主要模塊。教與學(xué)系統(tǒng)能夠支持課前教師備課、學(xué)生預(yù)習(xí)，課中人工智能技術(shù)和成果體驗(yàn)、理解、實(shí)踐、應(yīng)用等個(gè)性化活動(dòng)設(shè)計(jì)和實(shí)施，課后學(xué)生自主學(xué)習(xí)和拓展研究、教師課堂數(shù)據(jù)分析診斷的教學(xué)閉環(huán)。編程系統(tǒng)能夠?yàn)閹熒峁┒喾N差異化的編程工具，既有適合低年級(jí)學(xué)生使用的圖形化編程工具，又有適合高年級(jí)學(xué)生使用的代碼編程工具。一鍵切換實(shí)現(xiàn)“積木轉(zhuǎn)代碼”，消除學(xué)生對(duì)代碼編程的焦慮。在區(qū)域平臺(tái)上為師生準(zhǔn)備了大量的感知類、互動(dòng)體驗(yàn)類、理解類、實(shí)驗(yàn)/驗(yàn)證類數(shù)字資源，支持設(shè)計(jì)與組織多種類型的人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)。同時(shí)組織了中心組教師與專家逐課打磨，為教師提供教案、課件、學(xué)習(xí)任務(wù)單等資源。（2）學(xué)校群落互動(dòng)層。形成了基礎(chǔ)、拓展、競(jìng)賽分層培養(yǎng)機(jī)制。在小學(xué)和初中分別組建了基礎(chǔ)課程校、進(jìn)階課程校、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新校三類學(xué)校群落，其中前兩類主要開(kāi)展人工智能普及教育，實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新校則更多為具有人工智能學(xué)習(xí)潛質(zhì)的學(xué)生提供探索性研究性學(xué)習(xí)環(huán)境。各學(xué)校群落內(nèi)以及學(xué)校群落間形成了各類教師研修共同體，借助區(qū)域系統(tǒng)協(xié)同層提供的課程、硬件、平臺(tái)、資源、培訓(xùn)等開(kāi)展教育教學(xué)實(shí)踐與研修，不斷提高教師專業(yè)教學(xué)與指導(dǎo)能力。創(chuàng)設(shè)了人工智能主題式探索性學(xué)習(xí)空間。指向人工智能拔尖人才早期培養(yǎng)，在小學(xué)和初中學(xué)段，實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新校共創(chuàng)設(shè)了六個(gè)不同人工智能主題的實(shí)驗(yàn)中心，包括機(jī)器人聯(lián)盟實(shí)驗(yàn)中心、機(jī)甲大師實(shí)驗(yàn)中心、計(jì)算機(jī)視覺(jué)實(shí)驗(yàn)中心、智能語(yǔ)音實(shí)驗(yàn)中心、人工智能VR實(shí)驗(yàn)中心和浦東智慧城實(shí)驗(yàn)中心。人工智能實(shí)驗(yàn)中心不是單純的人工智能教育實(shí)驗(yàn)室，而是一個(gè)融合教、學(xué)、做、創(chuàng)、分享、展示的“六度一體”多功能空間，為具備人工智能學(xué)習(xí)潛質(zhì)的學(xué)生開(kāi)展人工智能主題領(lǐng)域的深度學(xué)習(xí)提供良好適切的科技創(chuàng)新環(huán)境。其中，部分實(shí)驗(yàn)中心還配備了大模型學(xué)習(xí)助手，通過(guò)沉浸式的體驗(yàn)學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、人機(jī)協(xié)同學(xué)習(xí)、項(xiàng)目實(shí)踐及賽事輔導(dǎo)，在跨學(xué)科綜合學(xué)習(xí)中加強(qiáng)潛質(zhì)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力培養(yǎng)。（3）課堂教學(xué)實(shí)踐層。構(gòu)建了素養(yǎng)導(dǎo)向的人工智能“體驗(yàn)-理解-實(shí)踐”式教學(xué)。以小學(xué)計(jì)算機(jī)視覺(jué)單元“人臉識(shí)別”一課為例，在體驗(yàn)環(huán)節(jié)，教師利用教與學(xué)平臺(tái)以及體驗(yàn)類資源、小飛機(jī)器人組織與指導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)計(jì)算機(jī)視覺(jué)的功能與作用；在理解環(huán)節(jié)，教師組織學(xué)生開(kāi)展計(jì)算機(jī)視覺(jué)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生在經(jīng)歷原理運(yùn)作的過(guò)程中理解計(jì)算機(jī)視覺(jué)的簡(jiǎn)單原理、技術(shù)思想、倫理道德等；在實(shí)踐環(huán)節(jié)，基于人工智能硬件、編程平臺(tái)、項(xiàng)目資料，組織學(xué)生開(kāi)展計(jì)算機(jī)視覺(jué)實(shí)踐項(xiàng)目的任務(wù)分析、動(dòng)手編程與調(diào)試、作品交流等。探索了人工智能潛質(zhì)學(xué)生培養(yǎng)的“主題式研究性學(xué)習(xí)”?；趯W(xué)生研究志趣，結(jié)合人工智能領(lǐng)域的熱點(diǎn)和前沿問(wèn)題，確定具有挑戰(zhàn)性和探究性的主題，如“智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”“道路識(shí)別與自動(dòng)駕駛”“大模型在智能語(yǔ)音