人工智能背景下的中小学创新实验室设计及课程开发初探

河南省郑州市教育局实验教学装备管理中心(450000) 张 超郑州师范学院附属小学(450000) 贺红晓

近几年，技术的发展、政府的重视，让人工智能迅速成为社会热点。我国不少地方都已经开始探索在义务教育阶段开展人工智能教育，人工智能下的创新实验室也应运而生。但是，由于各地基础和条件各不相同，人工智能教育项目面临诸多问题，如创新实验室的建设没有装备标准可供借鉴，创新项目的软件开发缺少教研部门参与的顶层设计，同时也少有与创新环境相配套的课程，致使创新项目的发展难以深入进行。

中小学阶段，正是培养学生创新能力的关键时期。在有效培养学生创新能力方面，创新教育发挥着重要作用。要使创新教育扎实开展、稳步推进，创新实验室的建设是基础。因此，在各中小学建设创新实验室，是学校开展创新教育的首要条件。根据新课程的发展趋势，结合我市中小学创新教育的实际状况，进行创新实验室的建设及课程开发势在必行。

本文从我市中小学创新教育现状出发，依托试点学校，为学校提供创新空间设计方案，使实验室空间建设更加符合学生核心素养发展的需要；同时，对不同学段、不同主题的创新课程进行开发，进一步引导培养学生自主探究、自我成长的能力，从而推动以深入构建培养学生“实践创新”素养为根本目的的创新教育蓬勃发展。

1 加强创新实验室建设，为课程建设提供硬件支持

1.1 设计建设与升级改造相结合，打造优质学习空间

一方面在没有创新实验室的学校进行项目设计，为学生的创新实践活动打造优质的学习空间；一方面对部分中小学实验室进行升级与改造，扶持多样化的校园创新实验室建设(见图1～3)。同时，在相关课程专家的引领下，进行基于创新空间的课程开发，为校园的发展提供有力的支撑，也为更多学校开展创新教育提供了资源和借鉴。

1.2 提供前沿技术支持，优化装备配置

为了充分发挥创新实验室的功能，丰富创新课程的研发，先后引进各种新技术及平台，如:开源硬件平台 Arduino/Frizing、图形化编程平台 Scratch、3D 打印平台 Printer、智能机器平台 Robot、互动新媒体平台 Processing、数字化实验系统 DIS、物理引擎实验平台 Algodoo、物联网+平台 ESP8266等。这些新技术和平台的使用，有效促进了创新课程的研发。目前，3D打印、机器人编程、图形计算器等先进技术和软件在实验学校都得到了不同程度的应用。

1.3 教学资源整合，为课程开发储存资源

借助信息化手段对全市实验教学相关资源进行收集，为各类创新课程的开发提供丰富的素材资源。如“实验教学创新优质课平台”“教师自制教(学)具和学生小制作小发明平台”“实践教育优质课平台”等管理平台的开发，收集并筛选了一批我市中小学教师和学生的优秀课例和作品，为多种类型的创客课程开发提供样本。

2 积极推进创新课程开发，为创新教育的落地提供依托

人工智能(Artificial Intelligence)，英文缩写为AI，它是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。人工智能可以对人的意识、思维的信息进行过程的模拟。人工智能从诞生以来，理论和技术日益成熟，应用领域也不断扩大，可以设想，未来人工智能带来的科技产品，将会带来人类生活的极大改变。

人工智能的核心是编程和智能硬件，因此人工智能的课程开发主要与这2个方面有关。由于中小学生受认知和能力所限，开始接受的人工智能课程大部分是人工智能中最基础和最直观的课程，例如基础编程、基础的智能硬件、简单机器人、人工智能体验等。在这些课程中，编程课程往往作为评价其发展水平的核心指标。基于人工智能背景下的创新课程开发与实施也是从以上方面着手研究。下面，以我市某小学的“人工智能背景下的创新课程”研发及实施为例加以阐述。

2.1 人工智能背景下创客课程基本理念

人工智能背景下创新课程基本理念是:着力培养面向未来的创新型人才。

主要包括以下几个方面:

(1)尊重个性:尊重学生的个性化发展，以科技为导向，用世界一流的学科融合教育模式，帮助学生按照自己的兴趣、潜力实现个体的最优发展，培养具有仁爱精神、独立意志、社会担当、终身学习能力和幸福感的地球公民。

(2)学科结合:顺应传统学科教育，查缺补漏，互为补充。将技术、科学、工程、编程、造物、劳技、体育、生活、艺术(音乐、美术)等学科融合教育理念融入其中，激发孩子的学习兴趣，提高动手和逻辑思维能力，培养探索和思考精神，促使学生知识内化。

(3)个性定制:未来教育是个性定制的，以尊重个性为中心，以 “项目制”“主题式”教学方式，配合“导师制”“学院制”“走班制”“蜂窝型”资源配置，建立情感信任，打破学科边界，课程融合联接，培养学生掌握知识的能力和自主思考解决问题及动手实践的能力。

(4)面向未来:培养面向未来的创新型人才是目的，学科融合教育是方式，现代科学技术应用是支撑，跨学科融合的个性化定制是主导，培养具备服务社会、国际视野的地球公民是追求。

2.2 人工智能背景下创新课程目标设定

(1)普及创新教育素养:全校学生普及创客基本素养；

(2)培养创新教育名师:培养出优秀的创新教育导师团队；

(3)打造创新空间:打造具有学校特色的校园创新实验空间；

(4)开发校本课程:开发出具有本校文化特色的校本课程体系；

(5)形成创新教育标杆:使学校成为区域内的创新教育标杆学校。

2.3 人工智能背景下创新课程内容选择

本课程体系的内容主要包括5个部分:创新思维培养课程、软件编程课程、智能硬件课程、结构与工具课程和演讲及分享课程。

(1)创新思维培养课程:含有创新方法课程、思维练习课程等；

(2)软件编程课程:以Scratch图形化编程工具为核心，学习编程的基本技术与算法；

(3)智能硬件课程:以乐动模块系列传感器、控制器为主要内容，学习智能硬件原理及应用；

(4)结构与工具课程:以3D建模和3D打印为主要学习内容，了解结构与数学化工具；

(5)演讲及分享课程:以学生作品分享、成果路演为主要形式，学习分享的方法与技巧。

2.4 人工智能背景下创新课程实施基本介绍

(1)课程开设对象：2～5年级全体学生。

(2)课程开设场所：学校微机教室和校园创新空间。

(3)课程所需教学设备：初级实验箱、乐动魔盒、乐动魔块、课程资源、基础工具、智能造物耗材等。

(4)授课形式：不同年级的授课形式见表1。

表1 授课形式

结合学校实际需求及学生能力特点，以普及式班级教学和社团课相结合的授课形式。学生通过学习编程的基础知识技能，智能硬件和结构的知识，掌握基本的编程能力和通过社团活动课再进一步培养学生的创新思维能力、作品设计能力及综合运用能力。

(5)课时安排与任课教师

课时安排:大班教学课直接使用《信息技术》《综合实践》的课时，每周1节；社团课为社团课时，每周四下午2节课后。

任课教师:《信息技术》教师、《小学科学》教师、《综合实践》教师。

2.5 人工智能背景下创客课程实施形式

2.5.1 大班普及课授课内容及安排

普及性的大班课程是以一个班为教学单位，其授课地点为学校微机教室。大班普及课开课年级为4～5年级，每个学期都有对应的课程，共4个模块。

2.5.2 社团课授课内容与安排

本课程作为学校的社团课，授课地点为学校微机教室或学校的校园创客空间。社团课开课年级为2～5年级。其中3年级下、4年级、5年级都将以活动的形式展开。

3 开展各类创客活动，促进师生创新协同发展

3.1 收集师生优秀创客成果，展示师生创新能力

(1)学生作品设计文稿见图4～5。

(2)教师作品展示见图6～8。

3.2 组织师生参加各类创客比赛，增加创客教育生命力

开展研究的最终目的是促进学生的全面发展，为此，我们组织了项目学校的师生参加河南省和郑州市中小学教师自制教具及学生小制作、小发明等相关创客类的评比，以激发师生的创造力与创新力。

在研究过程中，实验教师都能基于实践，在深入落实课程改革的同时，结合学校、学生及个人实际情况，对实验课例的教学进行全方位的创新，形成具备实验学校特色的人工智能背景下的创新教育课程实施方案。如我市某高中的“法庭科学实验课程”、某初中的“初中生简明科学教程”、某小学的“人工智能背景下的创客课程”等。这些创客课程的开发，为我市各级各类学校特色创客课程的开发提供了可供借鉴的样本，具有积极地意义。