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中小学人工智能教育怎么教

——以《深圳市义务教育人工智能课程纲要（修订版）》为例

文_万　珺1　林小红1　谢作如2　钟柏昌1*

（1. 华南师范大学教育信息技术学院；2. 温州市科技高级中学；*通讯作者）

上篇丨

教学资源与工具的选用

人工智能教育的开展，既需要合适的教学模式与方法指引，也离不开丰富的资源支持。教学资源是一切可以用于教育、教学的条件，包括物质、自然、社会及媒体条件，是教学材料与信息的来源。《普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）》明确指出，要配备数量合理、配置适当的实验设备，建设适应教学需要的数字化教学资源[9]。《纲要》将资源细分为3个维度，分别是教学资源、平台资源和空间资源。

人工智能课程教学资源主要包含教师教学材料、学生学习材料和实践课程软硬件环境等。教师教学材料、学生学习材料是师生进行教学和学习的基础，通过这些教学材料，师生得以了解人工智能课程的最新要求与动态，并由此展开教学；实践课程软硬件环境是人工智能课程实施的依托，学生通过体验与实操，才能真正通达人工智能教育的核心。

必要的智能化教学平台是人工智能课程实施的基础保障，学生可在平台上查找资源、模拟训练等。学校可结合自身条件与实际教学需求，配备计算机、软件等基础网络设施，以及人工智能智慧教育平台，例如虚拟仿真实验室、机器学习自定义模型训练平台、人工智能编程平台等，以满足个性化教学、项目式学习等需求。

空间资源的开发也是重点，人工智能实验室建设是人工智能实践课程建设的重要组成部分，应分区布置，使之功能明晰、规整有序，一般应包括配备互动白板、投影设备等的教学区，布局适宜、资源丰富的学习区，配备常用设备、工具和人工智能开发板等的工作坊区，并设立设备储存柜、货架和抽屉等的设备存放区。

中小学人工智能教育可划分为体验级、理解级、应用级、综合级[10]，每个层级的目标与要求是逐层深入的，对应使用的人工智能教学资源与工具也会有所不同，教师可根据不同学段进行对应设计与选用。

第一学段（1—2年级）：游戏化、互动性资源

此学段的学生处于认识数字与培养数感的初级阶段，人工智能的知识储备较为薄弱，关键是激发学生学习人工智能的兴趣，建立学生对人工智能的初步认知；不宜涉及较为抽象的人工智能技术基础、机器学习与深度学习模块相关内容，所以未对应任一层级。

教师要充分考虑学生当前阶段的活动经验和生活经验，选用以游戏化和互动性为主要特点、以故事和动画为载体的教学资源，介绍人工智能的含义和基本特征，激发学生对人工智能的兴趣。例如，教师可在学习区放置各类学习资源，展示案例，引导学生通过智能语音助手收听寓言故事、查询天气预报等，并帮助学生与之进行交互活动，感受人工智能，体会人工智能给生活带来的便利；可在教学区组织学生通过白板、电脑等设备分享交流对身边人工智能应用案例的观察记录，以观察日志、视频解说、绘画创作等表达方式探讨人工智能对生活、社会的影响，深化学生对人工智能的认识。

第二学段（3—4年级）：人工智能仿真平台和智能传感器

3—4年级的学生认知发展处于具象思维阶段，已经具备一定的动手能力，所以对应第一层级——体验级。体验级的教学内容并未真正涉及人工智能的核心算法与模型，不要求学生训练模型，只需借助编程体验工具认识人工智能，对应的认知水平为记忆。

教师可逐步引入人工智能仿真平台和智能传感器等教学资源，通过情境创设、案例分析、项目体验等方式，引导学生在解决问题的过程中掌握人工智能中数据采集与处理的方法，深化对人工智能的认知。例如，在配备常用设备、工具和人工智能开发板的工作坊区，引导学生使用智能摄像头从多类背景、多个角度录入石头、剪刀、布3种手势的数据，制作简易的“AI猜拳机器人”，认识数据和机器学习的基本概念；在教学区结合动画视频向学生演示自动驾驶汽车是如何识别交通标志的，引导学生体会人工智能的感知能力、学习能力与决策能力；使用互动白板、音响系统，讲解“听觉传感器”，并通过类比人类听觉系统的工作过程，引导学生学习机器感知的基本原理和应用特征。

图 4　学生进行手势识别操作

第三学段（5—6年级）：实体开源硬件与集成化的智能模型训练工具

5—6年级学生认知发展处于从具象思维到抽象思维的过渡时期，思维比较活跃，所以对应第二、第三层级——理解级、应用级。理解级的教学内容需要学生经历人工智能模型的开发过程，重点、难点在于通过不断调整数据集改进模型，对应的认知水平为理解；应用级要求学生运用模型制作智能交互系统，生成的数据集也会更为复杂，对应的认知水平为应用。

教师可运用上机实验、模拟、仿真、搭建简易系统等方式，引入实体开源硬件与集成化的智能模型训练工具等教学资源，让学生掌握人工智能的关键技术与实现方式。例如，借助在线人工智能平台和模拟仿真工具，引导学生采用生成式人工智能工具，通过编写及优化提示语的方式，完成“AI生成绘画”，以可视化的方式学习人工智能关键技术，培养创新思维与实践能力；借助在线人工智能平台和简易工作坊区开发工具，结合查阅的资料，进行数据收集与整理、分类与标注，利用内置处理器完成模型训练和推理，制作“果园采摘机器人”，学会应用人工智能技术解决真实问题。

图5　学生操作开源硬件

第四学段（7—8年级）：人工智能教学平台与实验室入标题

7—8年级学生思维能力与动手能力较强，所以对应第三、第四层级——应用级、综合级。相较于应用级，综合级需要学生分解实际项目问题并形成问题链，灵活运用所积累知识解决问题，对应的认知水平为分析。

教师可设置演示、类比、分析、实验等任务，依托人工智能教学平台与实验室等教学资源，帮助学生理解机器学习与深度学习的实现方式，并引导学生基于生活情境，通过项目式作品开发实践学习人工智能关键技术的基本原理与应用方法，提升人工智能时代的责任意识。例如，通过教学资源进行前期知识累积，利用网络收集所需图片等素材，引导学生正确划分数据集，并借助人工智能平台上的开源代码训练模型，实现对流水线产品的分拣功能，完成“智能分拣系统”的设计与开发，提高学生的人工智能应用能力，学会解决实际情境中的复杂问题；设计一些神经网络实验，引导学生借助人工智能平台和工具设备等资源，动手训练神经网络，如基于MNIST数据集训练LeNet模型，基于CIFAR-100数据集训练VGGNet模型，并比较“手写数字识别”和“鸢尾花分类”案例，加深对深度学习和机器学习的理解。

图6　学生在平台上训练模型

综上，需根据不同学段学生的特点，以及教学内容与定位，比较分析每个学段的学习内容与学业要求，选取合适的资源工具，完成相应学习任务。

小结

对于基础教育而言，如何合理设计人工智能课程，特别是解决“怎么教”的问题，成为当前教育改革的重要议题。本文将教学模式与资源工具的选用划分了多个层级，旨在引导学生逐层递进、由浅入深地学习人工智能，希望由此破解人工智能教育的教学实践困境，也期待能与广大学者共同讨论与改进，推动基础教育领域的人工智能教育发展。

（本文所用照片由温州科技高级中学陈恩慈提供）

参考文献

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[2] 钟柏昌．中小学机器人教育的核心理论研究——机器人教学模式的新分类[J]．电化教育研究，2016，37（12）：87-92．

[3] 袁加欣，孔新梅，杜东燕，等．中小学人工智能机器人课程教学模式研究[J]．中国教育信息化，2022，28（10）：123-128．

[4] 韩蕾，李婷婷，钟柏昌．基于GOMS的趣味交互型机器人教学案例设计研究[J]．数字教育，2016，2（06）：61-66．

[5] 李新房，刘名卓，祝智庭．基于联通主义的双联通教学设计模型（SCCS）研究[J]．远程教育杂志，2016（5）：83-88．

[6] 曹燕华，谢忠新．中小学人工智能课程SCCS教学模式构建及应用研究[J]．教育传播与技术，2023，（06）：32-38．

[7] 钟柏昌，刘晓凡．创新能力培养的学理机制与4C教学模式建构[J]．现代远程教育研究，2021，33（04）：20-32．

[8] 夏莉颖，钟柏昌．试论STEM教育的两种取向与四种方法[J]．中小学数字化教学，2018，（09）：8-11．

[9] 中华人民共和国教育部．普通高中信息技术课程标准（2017年版）[S]．北京：人民教育出版社，2018．

[10] 钟柏昌，顾荣桢．中小学人工智能教育的五级框架——以“停车场自动抬杆系统的优化”案例为例[J]．中国科技教育，2024，（04）：14-20．

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来源 | 《中国科技教育》2024-12，文章编辑：毕晨辉

编辑、排版 | 孟想

一校 | 孟想

复校 | 若惜

终校 | 朱志安