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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

来源:教育部学校规划建设发展中心2019-11-29 15:20

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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。

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  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:

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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

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;

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  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;

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  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。

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  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。

  (三)AI教育教学模式及服务

  在中小学AI教育课程体系基础上,为了协助学校开展常态化教学,真正实现“建以致用”,依托清华大学优质资源,采用混合式教学模式,实现线上线下联动,辅以为学校提供教学服务,保证常态化教学落地。

  1 混合式教学模式

  2018年4月,经济合作与发展组织(OECD)出版《教师作为学习环境的设计者:创新教学的重要性》一书,书中基于国际经验,总结出了6类创新教学法,分别是:混合式学习(blended learning)、游戏化(gamification)、计算机思维(computational thinking)、体验式学习(experiential learning)、具身学习(embodied learning)、多元读写与基于讨论的教学(multiliteracies and discussion-based teaching)。

  其中提到的混合式教学(Blended Learning)其实早已成为近几年来中国教育创新改革的重要方向。而开展混合式教学,优质的在线教育资源是必不可少的支撑条件。在线课程作为信息技术推动下产生的在线教育新事物,一直得到了教育界的重视。2014年教育部发文正式启动高等学校在线开放课程(慕课)建设,并从2017年开始启动了“国家精品在线开放课程”评选工作,极大促进了在线课程发展,推动了优质教育资源的公平共享,也为混合式教学改革的开展奠定了基础。

  混合式教学(Blended Learning)是一种将在线学习和课堂教学结合起来的教学组织活动,能够实现面对面教学和远程教学优势互补,也是目前教育领域的一个热门话题。

  学堂科创依托智慧教学云平台,为中小学提供优质的AI教育系列在线课程,以混合式教学方式保证教学质量落地。

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教育混合式教学模式

  2 智慧教学云平台

  学堂科创智慧教育云平台承载学案、教案、案例库、多媒体资源等全面立体的在线课程资源,智能教学系统、智能学习系统、智能测评系统、学生作品分享社区、智能学情管理系等支持教师有效进行备课和开展教学活动。

  学堂科创智慧云平台采用可扩展的软件架构,依托云端虚拟机服务器搭建,根据学校教学需求提供个性化服务,学校无需硬件投入,直接使用云端服务支撑本校创客教学。考虑到为分散在全国众多省、市、自治区的学校提供云端服务,为了保证访问速度和海量用户并发支持,利用内容分发网络(Content Delivery Network)将源站内容发布到最接近用户的边缘节点,使用户可就近取得所需内容,提高用户访问的响应速度和成功率。解决因分布、带宽、服务器能力带来的访问延迟高问题,提供一系列加速解决方案。

  从具体功能来看,科创智慧云平台分为教师智能教学子系统、学生智能学习子系统、实境编程系统、学生作品分享社区、智能在线评测系统、智能学情管理系统等六大子系统,如下图所示:

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  图 学堂科创智慧教育云平台

  3 常态化教学服务

  在AI课程体系基础上,为了协助学校开展常态化教学,真正实现“建以致用”,依托清华大学iCenter资源,将为学校提供本地授课服务、网络双师教学、专家入校指导等丰富的形式,实现保质保量的常态化教学运转机制。

  为保证中小学科创教育的“可持续、常态化”开展,本项目提供配套的师资培训、教师网络教研、教师科研发展等全方位支持。

  4 形成教学成果

  依托清华大学优质资源,积极开展中小学AI教育,指导中小学学校学生参加各类人工智能创新大赛,搭建教学成果交流平台。

  此外,组织教师开展中小学科创教育与信息素养提升的跟踪研究,同时进行教改研究合作,双方共同形成科研成果,发表论文、申报国家级研究课题、申报相关教学成果奖。

  三、实施效果

  学堂科创“中小学人工智能教育解决方案”产品和配套服务推出后,依托清华大学在线教育平台多年来在政府教育管理部门、中小学的积累,快速选择了区域、学校示范点,经过一年多的推广应用,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) 区域AI教育解决方案应用成果

  在服务区域的教育管理部门、科普教育部门上,学堂科创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、香港教育局AI科技体验夏令营,取得了显著的成果,发挥了区域引领作用。

  1 北京市科学中心

  北京市科学中心从2018年起建设“科教专区”,学堂科创作为清华大学iCenter的协助单位,共同承担了“科教专区”的设计与建设任务,2018年底,科教专区验收投入使用。

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 北京市科学中心科教专区设计图

  2019年开始,学堂科创服务北京市科学中心组织了多次面向北京市中小学学生、教师的人工智能科普活动,包括专家讲座、AI产品体验、AI小课堂等,获得了一致好评。

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  图 北京市科学中心中小学AI科普活动

  2 北京市教委

  北京市教委初中生开放科技实践活动2019-2022年度招标在上半年启动,人工智能板块是其中的重要内容。学堂科创设计了了4门人工智能课程,全部中标,于2019年暑假开始,面向全市26万初中生开放选课。

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 北京市教委中标通知书

  3 香港教育局

  香港教育局始终重视开展STEAM教育,而主要课程内容都围绕人工智能展开。2019年暑假,香港师生夏令营700多学生来北京访问,表示要在清华大学体验AI科技类课程。学堂科创设计了2门特色课程和1场人工智能主题报告,面向香港师生开展,取得了师生的一致好评。

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 香港教育局暑期AI科创教育体验课

  (二)中小学学校AI教育解决方案应用成果

  在服务中小学AI教育实施上,学堂科创在河南郑州外国语学校(平原校区)、北京市广渠门中学、广东深圳罗湖外语学校、北京清华大学附属小学开展AI教育,取得了显著的成果,短短一年时间即取得了教学成果。

  1 郑州外国语学校(平原校区)

  郑州外国语学校(平原校区)是河南省平原新区着力打造的创新型学校。2018年郑州外国语学校(平原校区)引进学堂科创“中小学人工智能教育解决方案”,打造了930平米的AI创新空间,承载全校AI教育,面向全校学生开展AI普惠课程。

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 郑州外国语学校(平原校区)实施成果

  经过一年的建设,AI创新空间全面投入使用。学校在人工智能普惠教学工作中,也培养了一批拔尖学生。通过AI教学的常态化落地,在2019年全国青少年电子信息智能创新大赛河南省赛区比赛上,囊括了初中组、高中组第一名。

  2 北京市广渠门中学

  北京市广渠门中学是北京东城区排名较前的优秀中学,也是北京市第一个面向贫困生开设“宏志班”的学校。随着国家考招制度改革,越来越多的大学,尤其是清华、北大开始重视通过自主招生的方式选拔创新型人才。广渠门中学深刻意识到必须面向未来,引进人工智能教育解决方案。

  2018年底,北京市广渠门中学引进学堂科创“中小学人工智能教育解决方案”,首先开展课程教学服务,由学堂科创面向学生开设课程,并于2019年启动了AI创新空间的建设。

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 北京市广渠门中学实施成果

  3 深圳市罗湖外语学校

  深圳市罗湖外语学校 创建于1999年,是在迎接新世纪对人才新需求的形势下诞生的一所具有外语优势的公办学校,其下设高中部、初中部以及深圳市罗芳中学(即深圳罗湖外语初中实验部),现为广东省一级学校,是深圳市第一批“广东省国家级示范性普通高中”学校,广东省重点中学。学校积极探索教育教学创新改革,响应国家在中小学开展人工智能教育的战略方针,具备引进外部教学服务开展本校人工智能创新教育的基础。

  为贯彻落实深圳罗湖区教育创新改革试点任务,开展普惠式人工智能教育、兼顾拔尖学生科技社团培养的目标,借助清华大学旗下公司提供的教育提升支持服务,就教育创新改革开展合作。

  普惠式人工智能实践项目课将开展提升学生信息素养、培养学生计算思维的课程,以“做中学、创中学”为宗旨开展PBL(基于项目的学习)教学。面向全体学生,项目之间没有先后修关系,学生可选修1个或者多个项目。

  学生科技社团指导服务,面向学有余力的学生,组织科技创新大赛参赛队伍,乙方辅导学生准备赛事。

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 罗湖外语学校实施成果

  经过不到一年的教学实施,罗湖外语学校已经初步成为罗湖区人工智能教育的排头兵,获得了区教育局的认可。

  4 北京市清华大学附属小学

  清华大学附属小学的1+X育人方案,多次获得国家、省部级教学大奖。随着人工智能的发展,在小学开展编程教育、人工智能教育也成为X课堂的重要发展方向。

  学堂科创面向清华大学附属小学学生,免费、公益性开展人工只能相关创客营、公益课、X课堂活动,获得了附小、学生、家长的一致好评。

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 清华大学附属小学实施成果

  (三)研究成果

  在服务区域、中小学的AI教育过程中,学堂科创积极总结教学经验、探索教学模式创新,取得了宝贵的教学反馈和学生学情数据。这些数据与清华大学教育研究院合作,为其相关研究提供了非常报告的实际数据。

  此外,学堂科创根据上述经验,参与了全国高等学校计算机教育研究会、全国高等院校计算机基础教育研究会、中国软件行业协会、中国青少年宫协会4个团体联合发布《青少年编程能力等级》团体标准第1部分、第2部分。该标准是国内首个关于青少年编程能力等级方面的团体标准,标准的出台对于规范校外青少年编程教育,推动素质教育的发展具有十分重要的现实意义。

  四、下一步实施计划

  未来,根据3个区域、4所学校的中小学AI教育落地经验,学堂科创将逐步把“中小学人工智能教育解决方案”推广到全国更多学校、政府。

  此外,学堂科创也联手中国青少年宫协会,推出青少年编程能力等级测评,为中小学人工智能教育的普及奠定基础。

  具体内容见附件:中小学人工智能教育课程体系与教学模式研究应用成果

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