基于計算思維培養(yǎng)的小學人工智能啟蒙教育課程設計與實施

基于計算思維的人工智能啟蒙教育研究探索單位：北京大學教育學院學習科學實驗室分享人：肖海明時間：2019年5月目錄03010204實驗室簡介研究背景課程設計實施成果05未來展望

第一部分實驗室簡介PART0101北京大學教育學院于2015年正式成立了學習科學實驗室，希望聯(lián)合校內外相關研究力量，共同開展學習科學研究。實驗室主任為原北京大學黨委書記閔維方教授；執(zhí)行主任為北京大學教育學院副院長尚俊杰教授。尚俊杰，首席專家博士生導師，北京大學教育技術系系主任，北京大學教育學院原副院長。研究團隊：20人教授/副教授：吳筱萌，北京大學副教授；繆蓉，北京大學副教授；王愛華，北京大學副教授。青年學者：曹培杰，中國教育科學研究院研究員；蔣宇，中央電化教育館研究員；曲茜美，浙江廣播電視大學講師；朱云，上海戲劇學院講師；肖海明，中國教育技術協(xié)會教育游戲專委會秘書長博士成員：張露，北京大學博士；裴蕾絲，香港大學博士；董安美，香港中文大學博士碩士成員：馬斯婕、龔志輝、曾嘉靈、張媛媛研究助理：夏祺、胡若楠、霍玉龍、周靚、董朝旭目前重點承擔的課題，國家社科基金十三五規(guī)劃課題——基于學習科學視角的游戲化學習研究。重點研究內容：應用游戲化學習方式的中小學生數(shù)學思維培養(yǎng)和計算思維培養(yǎng)策略?；谀X科學的數(shù)學教學研究學習科學視角下的游戲化學習研究計算思維與創(chuàng)造性思維培養(yǎng)人是如何學習的？如何促進更有效地學習？

第二部分基于計算思維培養(yǎng)的人工智能啟蒙教育研究背景PART0202人工智能背景新華社推出了全球首個AI合成女主播——新小萌，兩會期間，由電腦生成的這名主播將與新華社現(xiàn)有的AI合成男主播一起工作。“新華社對其男主播進行了一系列升級。該主播已從過去的坐著播新聞升級成結合肢體動作的站立式播報，并且使用更有表現(xiàn)力的肢體語言”原教育部副部長杜占元在《人工智能與未來教育變革》的報告中指出：有人把智能時代叫做第四次工業(yè)革命或第二次機器革命，也有人認為智能時代是信息時代的自然延伸與發(fā)展。實際上，二者有本質不同。（1）信息主要是物理概念，智能則是擬生物概念，不在一個層面。（2）信息革命包括之前的農業(yè)革命、工業(yè)革命，主要是解決人的體力問題，替代和擴展了人的體能，而人工智能將主要替代和擴展人的腦力。（3）信息技術堪稱工業(yè)革命的頂峰，人工智能則可能超越這個頂峰，成為一個新的革命的起點，可以稱其為“零點革命”。從生物學意義上講，人從動物中分離出來的主要標志是人有了智能，人從動物中分離出來的那一刻可以稱為“零點”，“智人”正是人類的起點，這是人類第一次革命，它是自然產生的；而人工智能將在人的智能上引發(fā)第二次革命，這一次則是人為發(fā)展產生的。人工智能背景未來的孩子需要什么樣的能力？人工智能政策形勢2019年3月，教育部辦公廳關于印發(fā)《2019年教育信息化和

網絡安全工作要點》的通知，再次要求推動在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育。計算思維研究背景Google、美國人工智能發(fā)展協(xié)會(AAAI)、美國計算機教師協(xié)會（CSTA）將計算思維列為人工智能時代的獨特能力要求。中華人民共和國教育部制定《普通高中信息技術課程標準（2017年版)》，明確了信息技術學科的核心素養(yǎng)。計算思維是信息素養(yǎng)的四大核心要素之一。信息意識計算思維數(shù)字化學習與創(chuàng)新信息社會責任010204034大難題缺乏具備相應專業(yè)能力的師資缺乏配套的學習資源支撐缺乏科學體系化的課程缺乏有針對性的評測手段經調查研究，我國實施兒童青少年人工智能教育普遍存在的4大問題。人工智能教育面臨的問題

第三部分課程設計基礎PART03032006年3月，曾任美國卡內基?梅隆大學計算機科學系主任的周以真在美國計算機權威刊物CommunicationsoftheACM上發(fā)表ComputationalThinking一文。2010定義：計算思維是一種解決問題的思維過程，能夠清晰、抽象地將問題和解決方案用信息處理代理（機器或人）所能有效執(zhí)行的方式表達出來。計算思維的定義計算思維的定義計算思維是指利用計算機科學領域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中產生的一系列思維活動。具備計算思維的學生，在信息活動中能夠采用計算機可以處理的方式界定問題、抽象特征、建立結構模型、合理組織數(shù)據(jù)；通過判斷、分析、綜合各種信息資源，運用合理的算法形成解決問題的方案；總結利用計算機解決問題的過程與方法，并遷移到與之相關的其他問題中。-《普通高中課程標準（2017年版）》計算思維的核心能力要素Selby,C.&Woollard,J.2013.ComputationalThinking:TheDevelopmentDefinitionK12階段計算思維的核心能力要素計算思維培養(yǎng)，ComputationalThinkinginK–12:AReviewoftheStateoftheField（ShuchiGrover&RoyPea）廣泛認可的組成計算思維和形成支持計算思維學習目標與評價計算思維發(fā)展的課程基礎的要素:抽象和模式概括（包括模型與仿真）Abstractionsandpatterngeneralizations系統(tǒng)化處理信息Systematicprocessingofinformation符號系統(tǒng)與表征Symbolsystemsandrepresentations流程控制的算法概念Algorithmicnotionsofflowofcontrol結構化問題分解（建模）Structuredproblemdecomposition(modularizing)迭代遞歸與平行思維Iterative,recursive,andparallelthinking條件邏輯Conditionallogic效率與性能約束Efficiencyandperformanceconstraints調試與系統(tǒng)化錯誤檢測Debuggingandsystematicerrordetection計算概念計算實踐計算觀念計算思維培養(yǎng)挑戰(zhàn)：目標明確，難度恰當，逐步升級合作：組成團隊，合理分配任務好奇：想方法激發(fā)人們的好奇心好動：設計動態(tài)過程，讓孩子不斷嘗試好勝：孩子天性好玩，讓其在玩中學規(guī)則：玩法規(guī)則明確兒童的心理特點基于Scratch創(chuàng)始人Resnick教授提出的4P模型和創(chuàng)造性學習螺旋生成了本土化的游戲化小學人工智能啟蒙教育課堂教學模式。游戲導課激發(fā)興趣抽象模型解決問題游戲任務自主設計自主探究編程實現(xiàn)課堂總結思維提升進階拓展MitchelResnick（Scratch創(chuàng)始人，終身幼兒園項目發(fā)起人，MIT媒體實驗室教授）4P模型：Project、Passion、Peers、Play創(chuàng)造性學習螺旋游戲化的計算思維培養(yǎng)模式AI課程——設計理念中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)包括包括實踐創(chuàng)新、科學精神等6大素養(yǎng)。終身幼兒園4P模型MIT媒體實驗室MitchelResnick教授提出的4P模型，包括Project、Peer、Passion、Play。STEAM教育理念強調打破常規(guī)的學科界限，提倡“跨界”學習。讓兒童在“做中學”建立跨學科的創(chuàng)新思維和應用能力。計算思維培養(yǎng)依據(jù)課程以培養(yǎng)學生的計算思維為核心，計算思維包括算法思想、抽象、分解、評價4大核心要素。設計基礎研究基礎總結

第四部分實施成果PART0404方案規(guī)劃——整體設計科學系統(tǒng)的AI課程設計線上線下融合的智能空間設計基于教育部、國務院的政策要求和我國地方性課程標準與《普通高中新課標（信息技術）》要求，引入CSTAK-12課程標準和Google計算思維培養(yǎng)體系，依據(jù)布魯姆教學目標層次理論設計。創(chuàng)造AI理解AI應用AI感知AI包括走進人工智能、圖形化智能編程、智能機器人技術、人工智能綜合應用實踐，有完整的教材、教學資源、專家資源和測評體系設計建設支持學生學習AI，實施PBL人工智能教學的場所，通過科學設計和加入最新AI技術的軟硬件環(huán)境實施智能教學。AI體驗區(qū)研討區(qū)AR體驗區(qū)腦科學體驗區(qū)教學區(qū)創(chuàng)造區(qū)展示區(qū)機器學習軟件圖形化智能編程軟件AICode軟件智能教學云平臺學習行為智能分析系統(tǒng)教師培訓系統(tǒng)K-8人工智能啟蒙教育解決方案AI課程——課程體系人工智能啟蒙教育課程體系學習層次Leve1感知AILevel2理解AILevel3應用AILevel4創(chuàng)造AI年齡3-67-89-1011-12模塊初識人工智能玩轉人工智能初識機器人創(chuàng)編未來故事走進人工智能玩轉計算機科學不插電學編程（I）不插電編程（II）AI積木編程（I）AI積木編程（II）機器人創(chuàng)意編程（I）機器人創(chuàng)意編程（II）AI代碼編程（I）AI代碼編程（II）K-8課程體系叢書主編：北京大學尚俊杰教授出版單位：清華大學出版社北京交通大學出版社人工智能啟蒙教育教材由感知AI逐漸過渡到理解AI，學會與智能工具打交道。以游戲活動方式，不斷加深對計算機運行原理的理解，培養(yǎng)科學探索精神和AI學習興趣。以STEAM教育理念指導，人工智能學習關聯(lián)到數(shù)學、語文、英語等國家課程學習界定問題—定義角色—拆分角色行為—自然語言描述實現(xiàn)邏輯—流程圖呈現(xiàn)—轉換為代碼實踐—成果分享AR/VR體驗區(qū)腦科學體驗區(qū)教學區(qū)AI作品陳列及多功能展示區(qū)AI體驗區(qū)創(chuàng)造區(qū)專家觀測室計算思維測評北京實驗二小”城宮計劃”上課中活動及研討會議活動及研討會議國家社科基金課題-游戲化學習與計算思維培養(yǎng)研討會2018年游戲化學習與學習科學國際論壇