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學生說“計算機不是冰冷的機器”

發布時間:2021-09-23 07:32:23  |  來源:中國網科學  |  作者: 張銘陽  |  責任編輯:科學頻道

用筷子和橡皮筋搭的橋能承重14塊空心磚?如何能夠做到呢?烏魯木齊八一中學的同學就做到了。在該校的科技節的各種活動和比賽上,“筷子搭橋”吸引了很多同學躍躍欲試。同學們用60支筷子和橡皮筋搭出了各種各樣的“橋”,有正方形底架、長方形底架,還有柵欄式的,A字形的,夾板式的……

上面的場景是烏魯木齊八一中學深厚的科技教育事件的一個鏡頭,重視科技教育、策劃科技節和各種科普活動,是該校特色的慣例。近年來,烏魯木齊八一中學深入推進人工智能課程建設,并與2018年底成立“智能科技教育工作室”,標志著該校在新時代背景下向智能教育的擴展和側重。

八一中學的智能科教工作室在課程、活動、比賽中探索人工智能與機器人課程的應用。工作室由課程研發組、競賽組、學習平臺運營組、交流建設組、創新實驗室組構成。工作室孵化了《IOT遠程生態基塘控制系統》《基于AIOT的多場景無障礙互動門板》《大數據環境偵測與生長預測機器人》等十余項科技創新項目,輔導學生獲得自治區一等獎以上榮譽60余項,其中1名學生獲得“中國青少年科技創新獎”,2名學生獲得全國學生信息素養提升實踐活動人工智能專項“創新之星”,多名學生獲機器人賽項國際一等獎。

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圖1烏魯木齊八一中學智能科技教育工作室全景圖

拋開軟硬件束縛聚焦“學科大概念”

智能時代到來,人工智能思維成為適應未來社會的必備素養,“躥紅”的人工智能教育致使蜻蜓點水學技術、以偏概全教編程、蒙眼亂跑搞創客等偏航現象層出不窮。面對“課時少”、“內容多”、“知識散”等問題,工作室聚焦“學科大概念”,拋開具體軟件或硬件的束縛,將軟件、硬件等按其認知層次和實踐需要劃分為相互聯通的認知路徑,通過“大單元”整合核心思維、關鍵能力和基礎原理等,依托真實、有趣、引人的項目情景,促使學生進入持久的深度學習,形成真實的學力,獲得思辨問題的智能思維和解決問題的思考力。

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圖2烏魯木齊八一中學智能科技教育課程積木

工作室構建了“科普”與“科技”齊驅并進的智能科技教育路徑,既注重基礎素養,啟發心智、激發興趣;也發展職業素養,啟蒙職業選擇。面向不同學情、不同需求的學生,工作室設計了科普、科技和科研等不同取向的學習路徑,滿足通識教育、個性發展和職業啟蒙的多層次育人目標,形成了學校K12階段智能科技課程群。

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圖3烏魯木齊八一中學智能科技課程群

圖4 K12-智能科技課程授課

學校的智能科技課程群開發圍繞核心素養,以“學科大概念”為錨點組織具體的單元任務。在教學實踐中發現,以“智能原理”為項目主線更適宜,因為智能原理對粗粒度知識和細粒度知識的兼容性更好。通過抽象和分類建立起人工智能的知識體系樹,有利于學生建立人工智能的系統性認知。

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深度跨學科,鋪設項目式認知路徑

智能科技課程從技術的角度透視人,而STEAM教育以學生為中心關注人,兩者在知識成分、認知單位、人本意識等方面存在共性?;诖?工作室構建了“STEAM+AI”的智能科技課程育人模式,將STEAM教育特征輸入教學融合模型,以矯正單一學科知識的視角,將關注素養的教學行為輸出到人工智能知識結構中,最終實現與人工智能教育在知識空間、實踐空間、思維空間的對應與融合。

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圖5基于STEAM教育的中小學(人工)智能科技教育模式

在課程研修階段,每個課例緊緊遵循課程標準,做到每節新授課由課題組成員通過“線上+線下”的方式互相聽評課,課程內容當周調整。以“圖形化程序設計”、“智慧APP設計”和“AIOT智慧大腦”這三項課程舉例來說:

“圖形化程序設計”課程——突出人工智能的核心思想,例如學生通過《簡易動物專家系統》一課體驗程序、繪制樹圖等認知過程學習決策原理和函數等知識,學生通過《最優派車》一課在決策原理基礎上復用搜索策略尋找最短距離,在算法層面拓展學習排序算法,在情景方面深入路線規劃,了解深度優先搜索、廣度優先搜索和啟發式搜索的原理。

圖6 《最優派車》授課實景

“智慧APP設計”課程——著重學習訓練識別模型的一般過程。例如,《探秘鳶尾秘旅,破解AI黑匣》一課從學生發現識花軟件不能精準識別花名的問題出發,明確優化識別模型和提高軟件識別信度的學習目標。學生學習搜集樣本、標記特征、訓練模型、校驗模型和調用模型的識別模型訓練過程,為創新作品打下基礎。

圖7項目學習過程性材料

“AIOT智慧大腦”課程——是拔尖課程之一,通過“AI大腦+IOT+終端”實踐環境,綜合應用人工智能的基本原理、核心思想等加以創作。AI大腦負責訓練模型,實現交付特征數據后返回識別的語音、圖像等結果,BY-IOT負責軟件與硬件交互、硬件與硬件傳輸消息、信息互通等,學生運用簡易的原理解決實際生活中的問題。

圖8學生使用“在線學習平臺”開發項目

搭建科普學習平臺一站式滿足學生需求

為延展認知的物聯空間,工作室開發了“青少年人工智能數字化科普學習平臺(aiknow.top)”,設置了“學習AI”、“聚焦AI”、“我們”、“理念”、“AI實驗室”等板塊組織知識結構,聚合“實驗與環境”、“數據與學習”、“協作與認知”等矩陣,嵌入學習者認知過程中所必要的工具,確保不出“站”就能完成訓練模型、創新應用、協作討論、交流展示等自學與合作的需求,拓展課堂的邊界,保證學生“想學習、想實踐、想交流”在任何地方都能開始。

部分課程采取學習小組共同闖關的形式,每次結業考試采取“任務賽”+“心得”的方式。任務賽采取主題創作、疑難解答等多種形式,通過實驗效果、路演答辯等了解學生真實的學力,確保高通路的思考,準確了解學生對于當期課程的反饋,以持續調優課程。

圖9學習小組匯報任務賽成果

圖10任務賽優秀作品展評

八一中心的老師們認為,“人工智能”并不是高不可攀的技術,因此,工作室構建了“潤物細無聲”的智能科技教育生態圈,形成“人人可學、學有所用、用有所長”的學習氛圍。地基(通識)課程面向全體學生開設,骨架課程面向人工智能特色班和選修課程的學生開設,拔尖課程面向競賽班的學生開設?;顒油ㄟ^編程周、讀書角、實驗室12小時開放、對話教授、科普講座、榜樣分享、頒獎典禮、科技競賽、科技節等多維度提升科技育人實效。

短視頻、微課雙料一等獎

工作室組織教師通過全國高校深度學習師資培訓、全國中學生網絡安全師資培訓、全國青少年人工智能骨干交流活動,以及省市相關單位、學會組織的裁判員、科技輔導員等培訓班、交流活動、研修班,來提高育人能力。以賽促學,多名教師參加“全國人工智能普及教育微視頻大賽”,其中一名教師獲得短視頻和微課雙料一等獎及全部專項獎,育人成果獲得全國教師教育信息化交流展示活動創新案例一等獎、微課一等獎,全國高中信息技術優質課特等獎和示范說課,自治區科學技術普及獎、自治區優課等。研究性成果在《現代教育技術》《中國信息技術教育》《實踐教學與儀器》等雜志發表。

圖烏魯木齊八一中學人工智能科普教育研究成果

除此之外,工作室交流建設組的老師積極推動人工智能教育惠及更多中小學生。疫情期間,我們通過網絡和電視面向全疆高中學生講授第一節人工智能必修課,參與中國人工智能學會中小學工作委員會的“停課不停學”直播公益課程授課,科普實踐課程被收入“中國教育學會”、“中國青少年科技輔導員協會(科技學堂)”等資源庫,實踐經驗在全國、全疆12個地區以及烏魯木齊全市的專題教研和繼續教育中授課分享,聽課人數累計達20余萬,工作室的老師還先后赴多所學校進行授課并分享開課經驗。

烏魯木齊八一中學智能科技教育工作室秉持“共享經驗、共創方案、共建平臺、共育人才”的工作態度,以學生為中心,在繼續探索與時俱進的人工智能教育路徑。

學生們的心得體會:“計算機不是沒有感情的機器”

“人工智能特色課程的學習豐富了我的學習生活,開闊了我的視野,為我們的學習增添了樂趣。我最大的收獲是學會使用了源碼編程器編程簡易代碼,人工智能真有趣!”

“以前覺得人工智能離我們的生活很遠很遠,也特別難。但是通過人工智能特色課,我慢慢改變了對人工智能的看法,還通過自己的努力做一點小小的程序。我希望能為同學們乃至更多人帶來更好的作品?!?/p>

“兩年的創客經歷充滿了回憶,挑燈夜戰,不斷試錯,不斷優化,我能感受到自己的變化與成長。剛開始我還只能使用紅外線傳感器點亮一盞燈,現在我能夠自己開發APP遠程遙控燈,還能用3D設計并打印帶有光影的燈罩。每個賽季都是一次全新的開始?!?/p>

“機器人一直是我對于未來世界的期待,如今我可以隨時走進訓練場,用我設計的機器人完成一些任務,也能幫助學弟們解決一些機器人的問題了?!?/p>

“我認為信息技術是一門很有意思的學科,本學期的人工智能特色課加上老師有意思的教學,為我今后的信息技術打下基礎,也增強了我對這門學科的喜愛?!?/p>

“我最大的收獲是:這門課讓我發生了改變,從原來上課跟不上別人進度,慢慢和大家一起思考,再到現在敢于創新,我一點點見識了自己的改變?!?/p>

“我最大的收獲是學會了如何制作那些組件和控制人工智能為我服務。他們也是一些我曾經沒有接觸過的,沒有用過的新東西。我也進入了一個新的領域?!?/p>

“現在我認識到,信息課不單單只是一門課程,還是一個鍛煉自己創造力與想象力的平臺。在這門課程中,我覺得計算機不單單是一個沒有感情的機器,更像我們的一位老師,一位朋友。我們應認真學好信息課,仔細完成每次作業,將老師傳授的知識全部吸收,并能從中得出自己的見解,在以后能為國家科學事業做出貢獻!”

(以上為2021“云上工作室”系列活動的青少年科學工作室優秀運行案例)