学生说“计算机不是冰冷的机器”

用筷子和橡皮筋搭的桥能承重14块空心砖?如何能够做到呢?乌鲁木齐八一中学的同学就做到了。在该校的科技节的各种活动和比赛上,“筷子搭桥”吸引了很多同学跃跃欲试。同学们用60支筷子和橡皮筋搭出了各种各样的“桥”,有正方形底架、长方形底架,还有栅栏式的,A字形的,夹板式的……

上面的场景是乌鲁木齐八一中学深厚的科技教育事件的一个镜头,重视科技教育、策划科技节和各种科普活动,是该校特色的惯例。近年来,乌鲁木齐八一中学深入推进人工智能课程建设,并与2018年底成立“智能科技教育工作室”,标志着该校在新时代背景下向智能教育的扩展和侧重。

八一中学的智能科教工作室在课程、活动、比赛中探索人工智能与机器人课程的应用。工作室由课程研发组、竞赛组、学习平台运营组、交流建设组、创新实验室组构成。工作室孵化了《IOT远程生态基塘控制系统》《基于AIOT的多场景无障碍互动门板》《大数据环境侦测与生长预测机器人》等十余项科技创新项目,辅导学生获得自治区一等奖以上荣誉60余项,其中1名学生获得“中国青少年科技创新奖”,2名学生获得全国学生信息素养提升实践活动人工智能专项“创新之星”,多名学生获机器人赛项国际一等奖。

图1乌鲁木齐八一中学智能科技教育工作室全景图

抛开软硬件束缚聚焦“学科大概念”

智能时代到来,人工智能思维成为适应未来社会的必备素养,“蹿红”的人工智能教育致使蜻蜓点水学技术、以偏概全教编程、蒙眼乱跑搞创客等偏航现象层出不穷。面对“课时少”、“内容多”、“知识散”等问题,工作室聚焦“学科大概念”,抛开具体软件或硬件的束缚,将软件、硬件等按其认知层次和实践需要划分为相互联通的认知路径,通过“大单元”整合核心思维、关键能力和基础原理等,依托真实、有趣、引人的项目情景,促使学生进入持久的深度学习,形成真实的学力,获得思辨问题的智能思维和解决问题的思考力。

图2乌鲁木齐八一中学智能科技教育课程积木

工作室构建了“科普”与“科技”齐驱并进的智能科技教育路径,既注重基础素养,启发心智、激发兴趣;也发展职业素养,启蒙职业选择。面向不同学情、不同需求的学生,工作室设计了科普、科技和科研等不同取向的学习路径,满足通识教育、个性发展和职业启蒙的多层次育人目标,形成了学校K12阶段智能科技课程群。

图3乌鲁木齐八一中学智能科技课程群

图4 K12-智能科技课程授课

学校的智能科技课程群开发围绕核心素养,以“学科大概念”为锚点组织具体的单元任务。在教学实践中发现,以“智能原理”为项目主线更适宜,因为智能原理对粗粒度知识和细粒度知识的兼容性更好。通过抽象和分类建立起人工智能的知识体系树,有利于学生建立人工智能的系统性认知。

深度跨学科,铺设项目式认知路径

智能科技课程从技术的角度透视人,而STEAM教育以学生为中心关注人,两者在知识成分、认知单位、人本意识等方面存在共性。基于此,工作室构建了“STEAM+AI”的智能科技课程育人模式,将STEAM教育特征输入教学融合模型,以矫正单一学科知识的视角,将关注素养的教学行为输出到人工智能知识结构中,最终实现与人工智能教育在知识空间、实践空间、思维空间的对应与融合。

图5基于STEAM教育的中小学(人工)智能科技教育模式

在课程研修阶段,每个课例紧紧遵循课程标准,做到每节新授课由课题组成员通过“线上+线下”的方式互相听评课,课程内容当周调整。以“图形化程序设计”、“智慧APP设计”和“AIOT智慧大脑”这三项课程举例来说:

“图形化程序设计”课程——突出人工智能的核心思想,例如学生通过《简易动物专家系统》一课体验程序、绘制树图等认知过程学习决策原理和函数等知识,学生通过《最优派车》一课在决策原理基础上复用搜索策略寻找最短距离,在算法层面拓展学习排序算法,在情景方面深入路线规划,了解深度优先搜索、广度优先搜索和启发式搜索的原理。

图6 《最优派车》授课实景

“智慧APP设计”课程——着重学习训练识别模型的一般过程。例如,《探秘鸢尾秘旅,破解AI黑匣》一课从学生发现识花软件不能精准识别花名的问题出发,明确优化识别模型和提高软件识别信度的学习目标。学生学习搜集样本、标记特征、训练模型、校验模型和调用模型的识别模型训练过程,为创新作品打下基础。

图7项目学习过程性材料

“AIOT智慧大脑”课程——是拔尖课程之一,通过“AI大脑+IOT+终端”实践环境,综合应用人工智能的基本原理、核心思想等加以创作。AI大脑负责训练模型,实现交付特征数据后返回识别的语音、图像等结果,BY-IOT负责软件与硬件交互、硬件与硬件传输消息、信息互通等,学生运用简易的原理解决实际生活中的问题。

图8学生使用“在线学习平台”开发项目

搭建科普学习平台一站式满足学生需求

为延展认知的物联空间,工作室开发了“青少年人工智能数字化科普学习平台(aiknow.top)”,设置了“学习AI”、“聚焦AI”、“我们”、“理念”、“AI实验室”等板块组织知识结构,聚合“实验与环境”、“数据与学习”、“协作与认知”等矩阵,嵌入学习者认知过程中所必要的工具,确保不出“站”就能完成训练模型、创新应用、协作讨论、交流展示等自学与合作的需求,拓展课堂的边界,保证学生“想学习、想实践、想交流”在任何地方都能开始。

部分课程采取学习小组共同闯关的形式,每次结业考试采取“任务赛”+“心得”的方式。任务赛采取主题创作、疑难解答等多种形式,通过实验效果、路演答辩等了解学生真实的学力,确保高通路的思考,准确了解学生对于当期课程的反馈,以持续调优课程。

图9学习小组汇报任务赛成果

图10任务赛优秀作品展评

八一中学的老师们认为,“人工智能”并不是高不可攀的技术,因此,工作室构建了“润物细无声”的智能科技教育生态圈,形成“人人可学、学有所用、用有所长”的学习氛围。地基(通识)课程面向全体学生开设,骨架课程面向人工智能特色班和选修课程的学生开设,拔尖课程面向竞赛班的学生开设。活动通过编程周、读书角、实验室12小时开放、对话教授、科普讲座、榜样分享、颁奖典礼、科技竞赛、科技节等多维度提升科技育人实效。

短视频、微课双料一等奖

工作室组织教师通过全国高校深度学习师资培训、全国中学生网络安全师资培训、全国青少年人工智能骨干交流活动,以及省市相关单位、学会组织的裁判员、科技辅导员等培训班、交流活动、研修班,来提高育人能力。以赛促学,多名教师参加“全国人工智能普及教育微视频大赛”,其中一名教师获得短视频和微课双料一等奖及全部专项奖,育人成果获得全国教师教育信息化交流展示活动创新案例一等奖、微课一等奖,全国高中信息技术优质课特等奖和示范说课,自治区科学技术普及奖、自治区优课等。研究性成果在《现代教育技术》《中国信息技术教育》《实践教学与仪器》等杂志发表。

图乌鲁木齐八一中学人工智能科普教育研究成果

除此之外,工作室交流建设组的老师积极推动人工智能教育惠及更多中小学生。疫情期间,我们通过网络和电视面向全疆高中学生讲授第一节人工智能必修课,参与中国人工智能学会中小学工作委员会的“停课不停学”直播公益课程授课,科普实践课程被收入“中国教育学会”、“中国青少年科技辅导员协会(科技学堂)”等资源库,实践经验在全国、全疆12个地区以及乌鲁木齐全市的专题教研和继续教育中授课分享,听课人数累计达20余万,工作室的老师还先后赴多所学校进行授课并分享开课经验。

乌鲁木齐八一中学智能科技教育工作室秉持“共享经验、共创方案、共建平台、共育人才”的工作态度,以学生为中心,在继续探索与时俱进的人工智能教育路径。

学生们的心得体会:“计算机不是没有感情的机器”

“人工智能特色课程的学习丰富了我的学习生活,开阔了我的视野,为我们的学习增添了乐趣。我最大的收获是学会使用了源码编程器编程简易代码,人工智能真有趣!”

“以前觉得人工智能离我们的生活很远很远,也特别难。但是通过人工智能特色课,我慢慢改变了对人工智能的看法,还通过自己的努力做一点小小的程序。我希望能为同学们乃至更多人带来更好的作品。”

“两年的创客经历充满了回忆,挑灯夜战,不断试错,不断优化,我能感受到自己的变化与成长。刚开始我还只能使用红外线传感器点亮一盏灯,现在我能够自己开发APP远程遥控灯,还能用3D设计并打印带有光影的灯罩。每个赛季都是一次全新的开始。”

“机器人一直是我对于未来世界的期待,如今我可以随时走进训练场,用我设计的机器人完成一些任务,也能帮助学弟们解决一些机器人的问题了。”

“我认为信息技术是一门很有意思的学科,本学期的人工智能特色课加上老师有意思的教学,为我今后的信息技术打下基础,也增强了我对这门学科的喜爱。”

“我最大的收获是:这门课让我发生了改变,从原来上课跟不上别人进度,慢慢和大家一起思考,再到现在敢于创新,我一点点见识了自己的改变。”

“我最大的收获是学会了如何制作那些组件和控制人工智能为我服务。他们也是一些我曾经没有接触过的,没有用过的新东西。我也进入了一个新的领域。”

“现在我认识到,信息课不单单只是一门课程,还是一个锻炼自己创造力与想象力的平台。在这门课程中,我觉得计算机不单单是一个没有感情的机器,更像我们的一位老师,一位朋友。我们应认真学好信息课,仔细完成每次作业,将老师传授的知识全部吸收,并能从中得出自己的见解,在以后能为国家科学事业做出贡献!”