育人為本，求實創新
——中國人民大學附屬中學AI 教育實踐探索

劉小惠/中國人民大學附屬中學校長

袁中果/中國人民大學附屬中學信息技術教研組組長

人工智能是一個新興的學科交叉領域，全球對人工智能的關注使得不少國家開始積極布局人工智能，紛紛在國家層面制定人工智能發展戰略。人工智能在大國間的角逐，尤其是人工智能人才的爭奪，進入到了白熱化階段。為了培育人工智能專業人才并參與到國際競爭中，大學在布局；為了普及人工智能教育，提升全民的人工智能素養，中小學和校外機構也在積極行動。人工智能知識與技能的普及，已經上升到國家發展戰略層面。

人工智能教育勢在必行

2017 年，英國發布的《在英國發展人工智能》（Growing the artificial intelligence industry in the UK）提出，要加強人工智能培養力度，要創造多元的技能培訓計劃，要提升國民的科技素養。2019 年，美國時任總統特朗普簽署《美國人工智能倡議》（American AI initiative）行政令，將人工智能技術發展提升到國家戰略層面的高度，提出并確認了人工智能人才的重要性。加拿大《泛加拿大人工智能戰略》（Pan-Canadian Artificial Intelligence Strategy）在2017 年聯邦預算中提出了一項為期五年、金額高達1.25 億加元的計劃，旨在投資AI 研究和發展相關人才。2019 年，俄羅斯發布了國家層面的人工智能戰略，提出到2024年，必須大幅增加在人工智能及相關領域具有專門知識的人才數量；到2030 年，必須在俄羅斯實施世界一流的教育計劃，以培訓人工智能領域的高素質專家和管理人員。近幾年，歐盟委員會、德國、法國、芬蘭、印度、日本、新加坡等都推出了人工智能國家戰略和人才培養計劃。

2017 年7 月，為搶抓人工智能發展重大戰略機遇，構筑我國人工智能發展的先發優勢，加快建設創新型國家和世界科技強國，國務院印發了《新一代人工智能發展規劃》，其中指出，人工智能已成為國際競爭的新焦點，中國應逐步開展全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育，建設人工智能學科。近幾年，我國很多高校成立了人工智能學院，設置了人工智能專業，加強人工智能人才培養。全國各地校內外也如火如荼地開展了中小學人工智能教育宣傳和推廣工作，但在落地實施過程中卻暴露出不少問題。究其原因，還是對中小學人工智能教育是什么、教什么、如何教等認識不夠、理解不足所致。2017 年版《高中信息技術課程標準》中設置了人工智能模塊，但落地實施困難。義務教育階段如何開展人工智能教育，還沒有國家層面的具體指導文件。中小學人工智能課程不成體系，沒有考慮小學、初中、高中到大學的銜接，教材水平參差不齊。人工智能知識技能迭代較快，中小學師資水平亟待提升。

人工智能課程的設置與實施，必須堅持立德樹人的課程價值取向，以培養具備良好信息素養的公民為目標，具體包括信息意識、計算思維、數字化學習與創新和信息社會責任等核心素養。人大附中在人工智能教育和教育智能化方面已經開展了多年的探索和實踐，形成了適合本校學生發展的課程體系。在開展教學實驗過程中，教師和學生都得到了發展和提升。

人工智能技術應用助力教育教學

在人工智能促進教育教學方面，人大附中鼓勵教師充分利用智能化工具和手段，探索信息技術與學科教學深度融合的教學模式，借助人工智能技術有力支撐學生個性化發展和教師對學生開展個性化輔導。同時鼓勵教師充分利用適合本學科教學的在線教學工具、平臺和課程資源，開展基于人工智能技術的以學為中心的混合式教學改革試驗，提升在線教學的師生互動性和學生的獲得感。

圖1：吳文慶老師的在線課堂

混合課堂是指將在線教學和傳統教學的優勢結合起來的、線上與線下結合的教學方式。傳統的課堂在教室內開展教學活動，也許一塊黑板、一支粉筆就夠了。新冠肺炎疫情的暴發對傳統教學提出了挑戰，“停課不停學”的要求倒逼老師們必須把課堂轉移到網上。從傳統課堂到網絡課堂絕不是簡單的網絡化和數字化，它是一個課堂重構的過程，原來的課堂呈現方式和師生交互方式都發生了改變。借助基于人工智能技術的在線工具和手段的老師，在線課堂效果和交互性會更好，同時也能更好地提升教師的智慧和創新能力。

人大附中高一信息技術教師通過在線直播系統給學生教授python編程環境安裝和配置時，發現很多學生家里計算機上安裝python 插件會遇到各種各樣的問題，造成很多學生沒有辦法開展編程實踐。為了解決市面上通用的教學直播系統無法開展在線信息技術教學實驗的問題，信息技術組教師聯合第三方技術公司設計了專用的信息技術課教學系統，除了能完成普通的直播、回放等功能外，在學生進行在線編程實驗時，教師還可以遠程查看學生的虛擬編程界面，對學生開展一對一的輔導。但系統不允許教師查看學生本地計算機信息，以保護學生的隱私。同時，系統中設計了智能批閱功能，能對學生提交的編程作業自動批閱，生成批閱報告，教師再根據批閱報告有針對性地對學生開展輔導。教師自己參與設計的專用在線教學系統，順利解決了學生編程實驗環境的配置問題，同時記錄了學生在線實驗的時長、實驗開展次數和開展情況，教師可以精準掌握每位學生的學習情況，這些都是傳統課堂和通用直播系統無法解決的。

疫情期間，數學組吳文慶老師在講授函數的疊加時，借助在線數學工具軟件，實現了函數疊加過程的可視化（見圖1）。本節課的教學內容來自學生感興趣的內容——生活中的周期現象，教學案例是學生課前自主收集的，最后由老師進行篩選及整合。在教學過程中，教師讓學生說出自己研究三角函數疊加的思路與方法，學生利用平時所學的數學軟件，通過屏幕共享實時分享自己的研究成果，可視化工具讓兩個函數疊加后的結果一目了然，引發學生們踴躍發言。這節課實現了老師與學生的良好互動，教學相長。學生們在老師的引導下，將生活中的實際問題歸因到三角函數的疊加，理解了降噪耳機的工作原理，同時能夠循序漸進地研究三類不同層次的三角函數的疊加。

美術組靳美老師在藝術課上借助信息技術手段，將科學原理和過程可視化，為學生們展示了顯微攝影鏡頭下沉淀反應的過程，如奔騰的瀑布一般，傾瀉而下。學生們看后都說，原來沉淀反應不僅僅是枯燥的化學公式，還可以這么富有動感，這么美。靳老師帶著學生通過基爾里安攝影術實驗拍攝西紅柿放電實驗過程（見圖2），大大激發了學生的學習興趣，學生們分組合作，拍攝了西紅柿放電，還嘗試拍攝了其他水果的放電過程，如橘子、蘋果等，拍出的圖片非常漂亮。這也是技術、藝術與科學的融合。

英語組譚松柏老師利用人工智能技術，通過網絡模擬測試系統，找出語音不標準的學生，對學生開展個性化輔導，使全班學生的整體短文朗讀水平獲得大幅度提升。譚老師通過在線寫作批改平臺，提升學生寫作自主學習能力和自我糾錯意識及能力，有位學生對自己的作文修改了50 次，從78.5 分提升到87 分。通過對比學生修改軌跡分析學生寫作過程中的問題，也可以為老師預留出時間和精力來關注寫作思維和寫作手法上的提升。人大附中的老師在使用這些人工智能技術軟件的時候，不僅僅是單純的用戶，還參與了軟件的定制開發和完善改進，讓軟件的內容和表現形式更適合學生的學習需要。

生物組的和淵老師和輦偉峰老師將虛擬現實技術應用在生物課程中，講授《人類的血液循環》時，讓學生看到血管內發生的事情。地理組楊萌老師講《河西走廊》時，讓學生通過虛擬現實設備學習地理地貌環境。在人大附中，不僅教師使用虛擬現實手段授課，學生還協助開發了虛擬現實教學工具。虛擬現實課上的學生在施一寧老師的指導下開發了太陽系的直觀立體展示系統。這個系統可以用攝像頭識別學生設計的太陽系各星球的識別圖，呈現出不同星球的立體模型，盡可能真實地對太陽系八大行星進行展示以及運行演示，學生可以直觀、生動地了解太陽系八大行星的模樣、尺寸、自轉公轉形式、運行周期、運行軌道等。

人大附中在教育信息化和教育智能化應用方面有自上向下的規劃，在實施上自下向上。教育教學應用需求由一線教師和相關應用部門提出，信息化部門負責提供技術支持和指導。在建設智慧校園系統時，由校長牽頭，學校各部門共同參與，確保教育智能化服務于教育教學的目標不偏離。

人工智能課程引領學生未來發展

中小學需要開設人工智能課，讓學生了解什么是人工智能，人工智能能做什么，會對我們的生活產生什么影響，這樣學生才能更好地適應未來社會。如果有部分學生通過選修課喜歡上了人工智能而選擇其作為自己的人生追求，那么最終也許有一小部分學生能夠成長為引領未來的人工智能專家。人大附中開發了滿足不同基礎的學生發展需要的人工智能課程群，因為沒有現成的適合中學教學的教材，很多內容都是老師原創開發或二次開發，其中很多教學案例都來源于生活中的真實場景，而且與時俱進。比如霧霾天，老師用照片的去霧算法作為實踐案例；社會上熱議黑洞照片時，老師就把黑洞照片的生成原理和實踐開發成教學案例。

人大附中在人工智能課程的設置、實施和評價等過程中，一直圍繞提升學生信息素養的目標開展。為滿足學生的多元化學習需求，我們構建了信息技術課程體系，既關注學生基本信息素養的培養，也關注學生人工智能素養的提升，同時考慮學生的專業發展，將課程劃分為基礎類、拓展類和榮譽類。人工智能課程群（見圖3）是信息技術課程的一個子集，在信息技術課程體系（見表1）中，除了國家必修課、選擇性必修課和國家選修課外，還為學生開設了校本選修、研究性學習、大學先修和信息學競賽類等幾十門課程。

國家必修課數據與計算信息系統與社會選擇性必修國家選修課校本選修課研究性學習研修課大學先修信息學奧賽數據與數據結構網絡基礎數據管理與分析人工智能初步三維設計與創意開源硬件項目設計算法初步移動應用設計數據挖掘自然人機交互自然語言處理建模與仿真空間科技前沿樂高機器人VEX 機器人基礎FTC 機器人基礎C++程序設計Java 小程序開發Arduino 入門微電影創作數字創意……空間科學技術機器人腦機交互計算機視覺數據科學機器學習計算機視覺樂高機器人VEX 機器人Arduino 項目計算機工程空間站設計自動駕駛數據可視化人工智能賽車未來空間站設計計算概論Computer Science算法設計初級算法設計中級算法設計高級基礎課程拓展課程榮譽課程

圖3：人大附中人工智能課程群

序號上課時間年級學分課程層次/類型課程名稱高中選修1234567891 0微電影鑒賞與創作數字創意高中選修選修選修平面設計理論選修高中高中高中平面設計實踐微電影創作人工智能中的數學建模高中選修選修高一高二高二高二研學研學研學11高二研修研修12高中高一信息學奧賽APP 交互式產品設計航天科技機器學習人工智能“看”世界：計算機視覺未來空間站設計探究和人工智能一起玩賽車計算+X：計算思維與學科交叉創新13高中研修14高中研修周五16:30-17:50周五16:30-17:50周四16:30-17:50周五16:30-17:50周四16:30-17:50周四16:30-17:50周五16:30-17:50周五14:30-16:15周五14:30-16:15周五14:30-16:15周五14:30-16:15周四14:30-16:15周四14:30-16:15周四14:30-16:15 11212212222222

為了促進學生的多元發展和個性化成長，人大附中每學期都為學生開設一兩百門選修課，其中信息技術和人工智能課程都有十幾門（見表2）。周三至周五的16:30-17:50 是學生自由選修時段，學生可以選擇自己喜歡的課程學習，如果沒有自己喜歡的課程，可以直接放學。

為了推進全國中小學人工智能教學，由人大附中牽頭，聯合南京外國語學校、西安高新一中、人大附中實驗小學、成都教科院等全國十幾家單位，申報了教育部2019 年度教育信息化教學應用實踐共同體項目——“基于在線課程平臺的橫向跨學科、縱向分層次的中小學人工智能課程建設與實踐共同體”，在中央電化教育館指導下開展了為期一年半的研究，已經形成了一批中小學人工智能課程和資源，希望今后能以合適的方式實現全國中小學共享，一起推動中小學人工智能教育的發展。我們項目組還開展了公益雙師教學實驗，在人大附中分校開設的《人工智能通識》課程，線下有四十多名學生參加，通過教學平臺，全國五個城市的七所學校共三百多名中學生同時在線參加學習。

結束語

中小學人工智能教育需要堅持創新，不斷探索有利于學生發展的教學模式，把最新的技術和理論傳授給學生。中小學人工智能教育必須務實，要將知識和技能在課堂落地，要對學生做價值觀引領和計算思維訓練。我們要有開放的態度，批判性地借鑒國際中小學人工智能教育的最新研究成果。獨行快，眾行遠。人大附中樂于共享資源和成果，愿與兄弟學校們結伴同行，共同促進人工智能教育的普及和青少年創新人才培養。