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第四节
人工智能:武侯智慧教育的教学探索及运用实践

近年来,在信息科技领域,人工智能的热潮正席卷全球,众多领域和行业都受到其直接、快速、甚至颠覆性的影响,受其撼动,世界各国纷纷展开行动,战略布局,人工智能人才也成为国家急需的高层次技术人才。

任何一项科学技术的大发展,必然会影射到教育领域,影响深远的人工智能,也自然不会例外。在中国政府的重视下,2017 年国务院发布了《新一代人工智能发展规划》,提出加快人工智能高端人才培养,建设人工智能学科。人工智能日益成为教育界热点话题,武侯教育人也早早着手在相关教育上发力。

通过借智、借力,武侯提前做好相关顶层设计。2018 年 1 月,武侯搭建了多元合作平台,与电子科技大学、成都市教科院签订了《教育大数据与人工智能项目战略合作协议》,在人工智能课程建设、本土化教材研发、师资培训培育、教育大数据分析四个方面积极开展合作。在专家团队的指导下,研制形成了《武侯区人工智能教育实施方案》,为区域人工智能教育,提供了科学完备的顶层设计。

一、环境课程师资:武侯人工智能教学的基础奠定

作为新兴的前沿项目,展开人工智能教育,武侯面临AI环境、课程、专业师资方面的全方位难题。

(一)人工智能教育环境的构建

人工智能的教育环境,既包括基地、设备、设施等硬环境,也包括课程、教材等软环境。硬环境建设、改造方面,武侯区在北二外成都附小建成了 711平方米的“武侯区中小学生人工智能教育基地”,集互动课堂、活动空间、实践体验、展示展览于一身,面向全区中小学生免费开放;基地已开设多类课程,多期开课,开放数千个学位。周末和节假日为学生提供“跨校选课”学习。学生在“武侯乐学通”平台线上预约,在基地体验智慧生活、智慧航天等前沿的人工智能技术,接受以编程教育为核心的人工智能教育系统课程学习。

在装备方面,通过联合共建,武侯持续提升人工智能教育的装备水平。面对技术与设施设备欠缺的难题,武侯先后引入专业人工智能企业。划拨专项资金,通过人工智能课程服务、教师培训基地建设,不断提升人工智能教育装备技术水平。

武侯购置AI机器人、 AI讯飞答题器和AI运动手环等智能设备,配备到从全区遴选出来的 14 所“人工智能”试点学校,实现幼儿园、小学、初中K12 全学段覆盖;建设 5G智慧校园,利用校园安全视频监控系统结合嵌入感烟、感温、火焰、可燃气体探测器等多种传感器的机器人技术,进行 24 小时不间断巡逻,及时检测校园中可能发生的异常情况并提醒保安人员,实现人工智能自动维护校园安全;建立区校两级云平台,通过云管理、云运维等技术改造教室灯光和音响,实现“教室声光环境智能化”,“清听工程”“雪亮工程”最大限度保护师生的“亮眼睛”和“金嗓子”。

武侯通过数据中心和人工智能教育基地建设,搭建了优质人工智能教育场景,实施开放有序的区域跨校选课,丰富学生人工智能学习体验。武侯并且在全区小学六年级、初中一年级、高中一年级开设了“人工智能普及性课程”。

(二)谁来教:成立人工智能专班,培养专业师资

人工智能是一门融合了计算机科学、统计学、脑神经学和社会科学的综合性学科,涉及自动化、仿生学等多门学科。为解决师资专业性的问题,武侯在全区遴选 150 名“教育信息化种子教师”,同时启动了区域“CIO首席信息官”项目,通过专业培训、课程指导、课堂建设等方式,指导各学校教师开展人工智能教育,着力提升教师人工智能教育能力水平。

在广泛组织学校校长、教师开展人工智能专业培训外,武侯鼓励教师积极参加各级各类人工智能比赛,总计获得国家级一等奖 50 余项,省级一等奖130 余项,市级一等奖 100 余项。通过“以赛代训”“以赛促用”的方式,培养形成一支教学经验丰富、人员结构稳定的人工智能教育人才队伍,解决新课程有教师教的问题。

(三)教什么:AI课程建构

面对人工智能课程内容的空白与匮乏,武侯成立了教材编写组。在省市专家团队引领下,组织武侯骨干教师编写人工智能本土教材,形成了一套涵盖小学、初中、高中三个学段的人工智能教材——《K12 人工智能教育》丛书,由电子工业出版社出版发行。同时,引入 28 个优质人工智能课程和资源包,内容包括机器人、3D打印、开源硬件、 STEAM创意科学、创意木工五个类别的课程,实现全区中小学校人工智能教学全覆盖,解决了在新领域“教什么”的问题。

二、方式与策略:武侯人工智能教育的开展

在完成了人工智能教育硬件配备、软件资源及配套服务的需求方案制订、政府采购等前期准备工作后,武侯在全国率先开展人工智能教育的全域整体推进工程。针对人工智能教学,武侯成立活动开展组,将人工智能分解为 3D打印、智能编程、 STEAM教育、智能木工坊、机器人等多个分类资源包,面向全区所有学校发布资源包,并提供设施设备支持和场地建设,由学校自主选择开展相关活动。区域内 52 所学校,以每周 1 节课或 1 次集体活动的频率开展人工智能课程教学或人工智能兴趣社团。

武侯聚焦学生信息科学素养,实行“一校一特色”的人工智能教学策略,促使学生知识结构变化与凝练。比如武侯实验中学以创客活动、人工智能编程课程,来提升学生信息化应用能力,利用校内资源,开设无人机、3D打印、机器人、创意设计和影视制作等 10 余门“创客课程”。龙江路分校探索人工智能三级课程体系人才培养模式,构建“编程基础班——编程竞赛班——竞赛特训班”三级梯队式人工智能人才培养路径;龙江路小学以“乐悦”课程为载体,学校设置了AI功能教室,组建了人工智能教育课程中心,设计 3~6 年级的人工智能课程框架,学校以全员进阶普及化模式,来开展人工智能课程。

武侯区每年还举行区级人工智能展示交流活动,鼓励学生展示创新;同时,积极鼓励学生参加省市、国家的人工智能比赛活动,以赛促学。

从 2018 年开始,武侯分别开展了多届“我与人工智能”展评活动,学生通过现场演示、互动、竞赛等多种形式参与评比展示,共征集到人工智能征文 410 篇,创意编程作品 145 件,特色创客作品 87 件,不断提高学生的信息素养和创新能力。

武侯通过人工智能教育,引导学生开展探究型、体验型学习,有效增强了学生探索思维和创新能力。近年来,武侯组织学生参加“全国中小学电脑制作活动”“中国青少年机器人竞赛”“机器人工程挑战赛亚洲锦标赛”“世界教育机器人锦标赛”等大型科技赛事,获一等奖 50 余人次,获“国家实用新型发明专利”46 个,356 个优秀人工智能创意作品,在人工智能系列活动中展出交流。

三、人工智能运用:三系统着力,支撑武侯老师智慧教学

武侯将人工智能作为科技手段,支撑智能教育评价、智能教师助手、智能研修系统,辅助教师实现差异化、精准化地教,助力深度学习。

(一)智能教育评价

武侯利用人工智能技术,赋能教育,进行口语自动测评和体质健康评价。

1.口语自动测评

通过AI英语听说教学与模拟考试系统,重点关注学生AI人机对话时的口语表达与课文朗读、背诵,反映并纠正学生个体问题,提升学生的口语表达能力与信心,便于教师重点解决班级共性问题,有利于教学活动的精准化开展。

北二外成都附中、成都市金花中学总结使用自动测评经验、撰写的《人工智能英语教学与考试应用案例》,荣获 2021 年中央网信办、国家发改委、教育部等多部门联合评选的年度典型案例;石室锦城外国语学校撰写的《基于AI答题器的初中英语听说课精准教学》,荣获中国技术教育协会 2022 年“人工智能助力教育数字化转型”典型案例。

2.体质健康评价

体育教学中,通过使用带有多种智能传感器的AI运动手环,持续采集学生的运动轨迹、心率、卡路里并传输至教师端,通过教师端蓝牙功能,将数据投影至LED,教师实时分析数据,了解班级学生运动整体状况,科学设置运动量,实时检测调整教学活动安排,以保障学生运动效能和生命安全;同时,利用数据横向纵向对比,分层布置课堂锻炼任务及差异化布置家庭作业。川大附小南区的“数据支撑下的体育课堂——篮球行进间运球”一课,在2022 年成都市教育教学研讨活动中展示。

(二)教师智能助手

1.双师协作课堂

AI机器人进入课堂,成为智能教学助手,协助教师进行课堂教学管理,将教师从烦琐的事务性工作中解放出来、减轻教师负担。比如川大附小南区“机器人进课堂——小明的一天”,机器人代替教师发布课堂指令,进行课堂提问、追问,实时评价学生,巡视课堂,构建有效的双师协作课堂。

2.自动批阅系统

蜜蜂作业小程序、讯飞智能教育平台,可以自动批阅学生作业以及语文、英语作文,减轻教师课后批改作业、作文的工作强度与负担。

3.自动出题系统

正确云、爱学堂、智学网等智能平台,能自动生成对同一知识点但具有多种辨识的个性化试题,实现组卷出题、精准推送、智能批阅、自动分析。

(三)智能研修系统

1.教师数据画像

人工智能采集教师教学数据以及课堂学生行为数据,利用多模态整合数据,进行教师数据画像,促使教师反思教学行为,调整教学方向,提升教研品质,促进教师专业发展。

2.智能培训云平台

通过同步直播,线上、线下结合,开展网络研修。智能获取学时,自动签到,记录教师学习轨迹;智能回放系统快速生成教研回放视频,助力教师自主研修;直播间互动分享交流、问卷调查,搭建网络学习共同体,促进教师共同专业提升。

四、人工智能武侯运用:支撑学生自主化深度学习

武侯将人工智能技术作为手段,融入学习场景中,促进学习者自动化与关键教育场景的智能化,从而大幅提高学习效率,让深度学习真实发生。

(一)智能学习过程

利用智能学习平台,通过对学生学习过程的伴随式数据采集,结合数据深度挖掘与人工智能应用,学生自主个性化学习,实现家校互联,有效做到减负增效。例如:武侯实验中学的“双线融合”学习模式,课前自主预学、完成测评,课中深度独学、合作共研,课后自评自改、在线反馈。

(二)智慧学科工具

运用计算机视觉技术,对自然界的植物进行图像识别,判断其种类,支持学生在生物课、综合实践课堂上的自主探究性学习;运用图像识别技术,进行人脸识别,支持学生在信息、科学课、人工智能课堂上进行合作探究。例如:龙江路小学“i宝跟我走”一课运用VR、 AR、 MR技术,对宏观、微观现象进行亲身体验,支持学生跨学科综合学习。

(三)智慧数据画像

武侯聚焦五育并举,拟定 64 个评测量表,采集学生品德发展、学业发展、身心发展、审美素养、劳动与社会实践五大维度数据,初步建成静动态数据相结合的表征数据库,形成了数据精准画像的武侯学生素质综合评价体系,促进学生自我认识、调整生涯规划,陪伴孩子健康成长;辅助教师了解学生,调整教学策略、因材施教,助推学校提供更适切的教育服务。

棕北中学“让每一个孩子智慧生长和全面发展——智慧教育背景下数字画像赋能‘五育’并举”,获互联网教育国家工程实验室 2022 年度智慧教育优秀案例。

五、智能管理精准服务:人工智能的教育治理

武侯以教育数据中心为核心,通过数据的汇集、治理、共享、应用,实现区域学校发展水平监测、学位预测、装备管理、线上督导,服务于学校和其他部门,实现智能治理。

武侯智汇云平台构建“优教”的教师空间、“乐学”的学生空间、“和家”的家长空间、“智理”的学校空间、“智享”的活动平台、“智育”资源中心,通过资源精准推送,实现武侯时时能学、处处可学、人人皆学的无边界学习。

六、人工智能教学应用,武侯的先行者脚步

近年来,武侯各级学校,已经在全国率先开展人工智能教育区域性授课,将人工智能融入学生的学习和生活。

成都市武侯实验中学以“科技成就未来,创意改变世界”为指导,在人工智能教育方面实行“编程基础班—编程竞赛班—优培生竞赛特训”三级梯队式人才培养模式,引进人工智能在线编程体系课程与配套创客实施课程。学校开设有K12 人工智能趣味编程、3D打印设计、影视制作、 Python编程、物联网、 C++编程、无人机、无人机Python编程等各类选修与模块课程。无人机项目,成为特长。早在 2017 年,学校就开设了无人机飞行选修课程。通过系统地学习无人机实操飞行,有效的锻炼了孩子们的手、眼、脑的协调能力;其后,学校在无人机实操飞行的基础上增加了无人机制作、组装环节,通过无人机学习,并亲自参与无人机项目制作,以及传感器、发动机、螺旋桨、控制器等组装,提升孩子的科技素养,增强动手能力。2019 年,学校更将“无人机”与“Python编程”相结合,开设了无人机Python编程课程,培养学生科学探索和计算思维的能力。

学校在“全国青少年国际创新科技大赛”“全国青少年创意编程与智能设计大赛”“四川省中小学‘幸福科技’创客大赛”等省级以上比赛中,有众多同学获奖;在市区级各类创客活动中,更是有超过 500 多人次获奖。

四川大学附属中学紧跟智能时代的脚步,将人工智能逐步融入教学、管理、资源建设等全流程应用中;初中部校区通过建设未来班级,利用智能技术,构建包含智能学习、交互式学习、质量监测大数据分析的新型教育环境;同时陆续开设机器人创客、3D设计与打印、 Scratch趣味编程、 Arduino开源硬件互动编程、无人机等课程,师生共同学习成长。

武侯实验中学附属小学开设的人工智能课程——3D打印,以“优雅与可持续的精彩演绎”为主题。通过学习,同学们从没有任何基础,到后期能够独立设计制作作品,激发了学生对人工智能的学习兴趣,同时也让学生可以更近距离地接触和了解人工智能。

北京第二外国语学院成都附属小学以“传承、借鉴、求新、跨越”的全新理念,与时俱进。2018 年 3 月,学校引进创意科学STEAM课程,利用社团课时间给孩子们带来不一样的课程,让孩子们在课程中感受到科学的趣味;2018 年 9 月,学校开设了机器人编程教学,用Playgrounds App让学生了解了什么是“命令”,以及“函数、 for循环、条件代码、逻辑运算符、 while循环”等,寓教于乐,让学生在游戏中学会基本的编程。

成都市簇桥小学校于 2018 年引进了人工智能课程——3D打印,学校坚持课内外相结合,鼓励学生通过参与、体验、实践与动手制作等方式,提高科学人文素质。通过学习,学生对人工智能基础知识和技术的理解认识得到提高,学生的信息素养、创新意识和创新能力得到了加强。

成都市龙江路小学分校通过创新实验室、3D打印和STEAM教育,在人工智能创新课程方面不断取得教学成果。创新实验室是孩子们创意、设计、制作的智造车间,让孩子们的奇思妙想变为现实;“少儿学 3D打印”作为学校创新教育系列校本课程之一,学生通过构建 3D模型,增强空间想象能力。

成都市磨子桥小学分校在 2018 年开设信息技术课堂,引进“人工智能——开源硬件与编程”教育课程,课程以软件为基础,以硬件为创作点,在掌握相关的指令和逻辑运算基础上,开展硬件方面的教学,突出scratch和各类传感器的实际应用,启发学生各类创想、创新意识,完成更为实用的各类作品。

STEAM是一种重实践的超学科教育概念,能够培养学生设计探索电子制作的兴趣。成都市龙祥路小学探索通过STEAM创新教育与传统科学课程融合,培养学生创新精神、创新思维和创造能力。学校建成标准配备的科学专用教室两间,设施设备齐全,为科学课程的顺利开展提供了良好的保障。学校组织学生参加武侯区“小诸葛”创意设计大赛及成都市青少年科技创新大赛,并多次荣获“团体一等奖”“优秀组织奖”等荣誉。

近几年,因为在人工智能教育领域的有效探索,武侯先后被教育部评为“未来教育行动计划创新示范区”“网络学习空间应用普及活动优秀区域”“全国人工智能助推教师队伍建设改革试点区”。 /vnNSSMlrNwyeZS01KG9U5D69ETWGMY10Lrzs8of6ag8TgU5So6F4q/VFQ8IdK8h

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