田爱丽等：如何以实验室建设助推中小学人工智能教学水平提升

当前，人工智能教育的重要性日益彰显。教育部以及上海市、北京市、青岛市教委等先后出台政策文件，要求加强中小学人工智能教育。从学科属性上看，中小学人工智能教育是科学教育的一部分，[1] 具有较强的综合性与实践性，教学中不仅需要传授人工智能的基本知识和理念，更需要在科学实践中帮助学生培养对人工智能的兴趣，激发人工智能思维，掌握人工智能技术和应用方法，培育人工智能应用的社会责任。这需要教师在相应的环境、在学生完成任务的过程中，引导学生掌握相应的技术、创新思维方式、明晰伦理责任等。

实践中，人工智能教学实验室是集“课程教学、应用实践、互动体验”于一体的综合性教学场地，是学校高水平实施人工智能教学必不可少的教学空间。许多人工智能教育的实验校、实践基地正在陆续建设和使用人工智能教学实验室，以此展开高水平教学。例如，同济大学第一附属中学在校内建设了“AI+深度学习馆”、大国交通为主题的智能实验室，开展人工智能特色课程建设；上海市徐汇中学建设了“智能交通”“智能飞行”等场馆，培养智能时代学生的工程素养；吉林省实验中学建设了人工智能赋能跨学科教学的功能教室；江苏省靖江高级中学计划新建大模型与学科融合应用中心、智慧生活馆、数学学习室等，为开展跨学科综合性学习、体验前沿技术等人工智能教育营造更好的教学环境。[2] 青岛市教育局先后为全市中小学建设了200余间人工智能实验室。

上述人工智能教学实验室的建设和教学实践为提高人工智能教学质量提供了诸多经验借鉴。然而，实践中一定程度上存在着实验室建设定位不明、保障不足和教学中目标不清、支持不到位以及资源浪费等现象。因而，建设和使用人工智能教学实验室并展开高水平人工智能教学是当前亟须关注的时代教学问题。

1. 以学校为主导定位实验室功能。学校要结合自身办学定位、学生发展目标、教师培训目标，制定人工智能实验室建设的功能、思路、目标以及实验领域。实验室建设需要聚焦当前社会生产生活的常见现象和场景，以学校现有条件和潜在资源为基础，设计学校人工智能教学的场景，如智能交通、智慧农场、智能医疗、智慧工厂、智能家居、智慧旅游等，并基于具体场景和教学需求为人工智能教学实验室进行定位和命名。应当成立学校人工智能教学的领导与管理机构，由专人具体负责和专门团队支持，在此基础上寻找相关企业的技术支持和科研机构的研究支持。

2.以学生发展为主设计课程教学。为更好挖掘实验室建设与应用的育人价值，需要针对学生发展需求设计与开发相适应的实验课程内容。实验课程内容需要符合学生的认知能力，形成螺旋式上升的实验活动体系。例如，小学阶段可采用“机器人探索”提高学生对人工智能的学习兴趣；初中阶段可以引导学生借助“智能物联系统”体验人工智能感知、推理、学习、预测、生成的简单原理；高中阶段可以通过“计算机视觉”项目发展学生的“人工智能+”能力。此外，实验课程内容也要注重综合性和实践性，将人工智能与其他学科知识有机融合，在跨学科实验项目实施过程中引导学生“做中学”“用中学”和“创中学”。因此，要注意实验室课程教学资源的选用不应是企业产品的直接套用或者是高校产品的简单下放，而是要充分结合学生学习特点，选择和开发适合学生需求的课程和产品。

3.不断完善实验室建设标准和应用规范。为确保实验室教学正常可持续应用，需要不断建设和完善实验室的标准和应用规范。一是依据中小学人工智能的教育教学发展需要，从软硬件环境、课程资源、数据集、实践工具等方面明确基本的配置要求；二是建立实验室管理制度，包括设备使用管理制度、学生实验守则、安全操作规程等，确保实验室的正常运行和设备的安全使用；三是制定与完善实验室数据安全管理办法。人工智能实验教学过程中会应用到大量的数据收集和处理，要明确数据安全和隐私保护的注意事项等。同时，由于智能技术、课程资源的迭代更新速度较快，学校人工智能实验室的建设同样需要在软件平台、课程资源以及硬件方面及时迭代，并在教学过程中不断反思和改进。

不同学校应当基于自身基础和潜在优势，选择合适的人工智能教学实验室建设路径。

1.升级原有的信息技术实验室。首先是网络升级，确保有线和无线网络的畅通。在网络畅通的基础上，丰富和优化课程资源，升级软件工具和平台；添置硬件设施设备，丰富实验平台的资源包、数据库，配置相关实验工具、设备，为师生配置必备的智能终端等。

2.改造相关的学科实验室或功能室。基于学校原有的物理、化学、生物学、地理等学科的实验室或功能教室，升级实验室网络、改造实验室平台、接入学科智能体或AI学伴等，让学科实验室和功能教室插上AI的翅膀、享有数据的支持，促进AI与学科教学的有机融合。

3.新建智慧教学场景。基于学校条件和资源，一体化设计和建设智慧交通、智慧农场、智能家居、智能艺术、智慧养老等场景或场馆，借助AR/VR等技术实现虚拟与现实资源的深度融合。

4.共享附近教育资源。有些中小学处于区域科技发展的核心区，周边有较多的人工智能企业、场馆、高校人工智能实验室等，学校可整合相关资源、建设相关机制，共享周边人工智能企业和场馆资源，服务师生的教学需要。

1.持续优化课程教学资源。当前已经实施人工智能教学的学校通常将课程分为三层：一是面向全体学生的基础性课程，以信息科技或信息技术课程为依托，强化全体学生的人工智能基础素养；二是面向部分有兴趣学生的扩展性课程，即各类人工智能校本选修课程，满足学生的多样化发展需求，如无人机与人工智能、智能机器开发、AI大模型等；三是面向少数学生的特长性课程，满足在人工智能领域有天赋、肯钻研学生的特殊学习需求，着力培养人工智能领域的创新人才。[3] 比较而言，人工智能教学实验室的课程更多是第二层和第三层的类型，需要较为丰富的课程资源包、工具集、模型库。因而，实验室内的课程资源建设需要不断优化、及时迭代，并非一次性投入和建设。尤其是面向人工智能领域的创新人才培养，学校实验室有时需要与校外高端实验室开展适切合作。

2.不断提升教师智能素养。人工智能教学实验室内有特定的场景或需要解决的任务。在解决问题或者完成任务的过程中，学生需要动脑与动手相结合，需要融合运用人工智能技术与生物学、物理等学科知识，这不仅对学生提出了更高要求，也对教师提出了具备人工智能素养和其他学科基础的要求。因此，培养具有人工智能素养和跨学科知识背景且能够胜任人工智能教学实验室教学的教师队伍是当务之急。一方面，学校要以信息技术、数学、物理等学科教师为基础进行人工智能素养的培训与提升；另一方面，高等师范院校有必要进行及时的课程改革，为各学科师范生开设人工智能素养的相关课程，培养师范生具有基础的人工智能素养。

3.加强人工智能实验均衡性教育。中小学人工智能教育既要鼓励“试点学校”先行探索先进实验室的建设与应用经验，也要避免出现区域性和学校间的人工智能教育“鸿沟”。因此，在推进人工智能实验室建设与应用过程中，一方面需要建立“先行试点—逐步推广—共同发展”的推进机制，通过研制和实施中小学人工智能实验标准确保每个学生人工智能素养都能得到提升；另一方面要加强真实实验室与虚拟实验室的结合应用，拓展学生开展人工智能实验活动的空间，创新实验室教学方式，提高实验室应用效果。

1.制定具体可达的教学目标。在人工智能教学中，不同学段应当有不同的任务分工。小学阶段重在感知和体验，初中阶段侧重理解与应用，高中阶段重在项目创作和前沿应用。各学校应根据学校实际情况，明确本校人工智能教学在人工智能意识与思维、基础与技术、应用与创新、安全与责任等方面的具体教学目标。教学目标的确定与叙写要以学生为主体，兼顾具体目标如“做出、说出”与抽象目标如“感知、体会、领悟”，以及当前目标与长远目标。

2.实施多样的评价方式。人工智能教育重在引导学生掌握人工智能技术和工具，激发学生的好奇心、想象力与创造力。要达成这一目标，学校需要设计适合的评价方式与方法。一是人工评价与智能评价相结合。标准化答案以及模型建构等可由平台智能评价，但在教学过程中，教师要尤为重视学生的个性化表现，尤其是学生的创造性思维、设计与想法。二是过程评价与结果评价相结合。教师应当明确，学生在学习和作品设计与创造过程中表现出的学习品质如对人工智能的热情、好奇、韧性，要比掌握的知识量和完成的具体成果更加重要。三是问答测试与作品呈现相结合。评价中要更加重视学生基于智能技术搭建的作品和完成的项目。四是线上与线下相结合。要充分利用线上的学习数据、展示的作品等综合评价学生的人工智能素养。

3.设计灵活的教学方式。人工智能教学的实施既需要讲授式的知识传递，更需要项目化、任务式等的情境教学和研究型教学。在运用人工智能思维和理念、技术解决具体问题时，师生需要一同进行实践和实验，使用人工智能模型并不断调整与优化技术参数，完成用传统工具和技术所不能完成的任务。同时，教师需要注重设计线上与线下结合、实体与虚拟融合、动脑与动手并重以及课内与课外实践互通、教学与参赛结合等多种多样的教学方式。

4.保障课时安排与使用。基于人工智能教学任务以及所需的教学形式，学校要打破固定的40分钟授课时长，根据教学需要设置长短课。学校可以通过整合课后服务、社团活动的时间，统筹安排校内课时与课外时间、线下课时与线上学时，平衡好人工智能教学与其他课程教学的时间，处理好全体学生人工智能教学基础学时、提高型教学时间安排以及专业型人工智能人才培养的时间安排。

（作者田爱丽系华东师范大学教育学部教授、教育部中学校长培训中心副主任；李锋系华东师范大学教育学部教授、国家高中信息技术课程标准修订组成员）