蓝皮书案例篇⑧ | 西安交通大学附属小学——小学人工智能教育的实践与探索
导读
2月23日，《中小学智慧校园蓝皮书（2021-2022）》总报告正式发布（点击查看）。本蓝皮书包括总报告、理论篇、人物篇、案例篇等多部分内容。
案例背景
面向未来教育，创新教育教学模式
教育是面向未来的事业，今天世界已经步入了人工智能时代，大数据、云计算、人工智能正在不断推动社会向前发展，与此同时传统的教育模式已不能适应未来社会的发展，我们需要面向未来，探索与未来时代发展相适应的教育。
面对未来教育带来的机遇和挑战，近年来，西安交通大学附属小学针对“未来教育”进行了积极的探索，不断创新教育教学模式，以小学人工智能教育为依托，采用多种举措进行研究与实践，在“未来教育”道路上不断深化和发展。
实践成果
厘清了人工智能教育概念，人工智能教育与steam、创客教育的关系。 学校参与编写《中小学人工智能学生用书》，汇编印刷了《小学开源智能机器人课程》、《小学图形化编程课例》、《小学scratch编程案例》、《小学高年级智能机器人案例－小车跑起来》、《学生人工智能创意设计作品》等优秀教学成果集。
构建了人工智能教育课程体系和创建了人工智能教育ICAPC课堂教学模式。
使得学生发展核心素养得以落实，学生解决问题能力得到提高，发展了学生的计算思维，学生的创新意识和创新能力明显提升，促进了学生的个性化发展。
培养了一支优秀的从事人工智能教育的教师团队，团队成员的理论素养和实践能力得到明显提升。
人工智能教育作为学校的特色，显著提升了学校的办学品质，获得多项荣誉称号。
先后接待多所慕名而来的不同国家的学校，成立了“西安市中小学人工智能课程研究中心”，发挥了学校的示范引领作用，产生了良好的社会影响。
应用场景
1、项目的主题：小图编程精灵在自画图上行走
2、问题的提出：在小学低年级，因为年龄比较小，电脑操作不熟练，一入学就让学生乐高机器人搭建和学习编程，效果未必好。如何选择适合小学生低年级学生学习的人工智能装备是一个具有挑战的问题。
3、项目的目标：通过引导学生利用纸和笔给小图机器人设计行走路线，达到培养学生逻辑思维、设计思维的目标，同时通过让学生玩小图编程精灵感知人工智能技术的神奇魅力。
4、项目的实施：
材料和器材准备：一张白纸（大小可以是A4纸的四倍）、黑色的笔、带各种图形的板尺、与小图编程精灵配套的场景图、小图编程精灵。
实现方法：第一步：学生用黑色的笔在白纸上或与小图机器人配套的场景图上给小图机器人设计行走路线。设计的方法：画各种线，可以是直线，也可以是折线、曲线或封闭的图形等。同时在各种线之间可以使用带各种图形的板尺画出圆形、三角形等图案把他们连接起来。第二步：把小图编程精灵摆放在自己画的线路图上，打开小图编程精灵的启动开关就会在线路图上行走。
应用场景：在小学低年级的人工智能课程的课堂或小学低年级人工智能社团。
5、项目实现的技术原理：小图编程精灵内置高性能处理器、摄像头，运用人工智能机器视觉技术进行图像识别。
6、项目的总结：两年前西安交大附小开始探索在低年级开展人工智能教育，最初使用乐高的人工智能套件，发现学生的年龄太小，使用乐高套件有一定的难度，之后又尝试让低年级的学生使用图形化编程软件学习编程，由于刚入学的低年级学生电脑操作还不熟悉，学习编程也有一定的困难。现在对刚刚入学的低年级学生开展“小图编程精灵在自画图上行走”项目学习，该项目抓住了低年级小学生喜欢画画的心理，激发了学生学习的兴趣，而且易于上手，让学生从小体验感知人工智能技术的神奇魅力，同时提升了学生的逻辑思维和设计思维。
1、项目的主题：垃圾分类
2、问题的提出：垃圾分类工作现在已经在西安市全面展开。我校于9月1日也开始执行垃圾分类工作。在面对种类繁多的垃圾，让学生在短时间内进行学习是非常困难的。在垃圾分类的大背景下，如何设计一个人工智能项目，让学生能有兴趣的进行垃圾分类知识的学习，了解垃圾的属性以及分类方式是一个很有意思也很值得研究的项目。基于此，我们进行了AI自识别垃圾分类的智能仪器项目。
3、项目的目标：通过搭建垃圾分类装置锻炼学生的实际动手能力以及交流与协作能力，让学生在高稳定度和低学习门槛的教学环境中，可以较为容易的学习理解人工智能的相关知识，较深的体验图像识别的底层算法等。并且通过引导学生制作垃圾分类的卡片，让学生进行垃圾分类知识的学习，了解垃圾的属性以及分类方式。
4、项目的实施：
材料和器材准备：本套装含AI bit主控板、9G舵机模块、全彩LED模块、木质分类垃圾桶套材、舵机控制器、锂电池、锂电池充电器 、垃圾认知卡片、安装工具及USB下载线等。
实现方法：第一步：搭建垃圾桶。用所给搭建工具将木质分类垃圾桶套材进行搭建，并把AI bit主控板、舵机、LED模块与其进行连接。第二步：连接电源，保证装置连接完好，将程序下载到主控板上。第三步：识别垃圾分类的卡片。学生通过让装置识别垃圾分类知识卡片，来进行学习。
应用场景：在小学三年级以上的人工智能课程的课堂或小学三年级以上的人工智能社团或垃圾分类知识普及活动。
5、项目实现的技术原理：该项目运用了AI bit 运行图像识别相关算法来进行图像检测以完成垃圾的自动识别，在完成识别后自动控制对应垃圾桶开盖收集垃圾。
6、项目的总结：本项目是顺应时代召唤，从实际生活取材，以垃圾分类为大背景设计的以人工智能开源硬件主板 AI bit 为核心进行人工智能知识学习的PBL教学模式装置，应用 AI bit 运行图像识别相关算法来进行图像检测以完成垃圾的自动识别，在完成识别后自动控制对应垃圾桶开盖收集垃圾。通过配套的一体化编程软件和项目式学习课程，由简入难的引导学生学习人工智能的相关知识，将人工智能技术当中的图像识别技术浅显易懂的带给学生，培养学生的计算思维与设计思维，增强学生的环保意识。
学生上社团课体验垃圾分类
1、项目的主题：编程教育与数学学科教学的融合
2、问题的提出：今天的世界已经步入人工智能时代，python语言作为人工智能时代的首选编程语言，应用无处不在。在2017年版的高中信息技术课程标准中，python也入选高中的教学编程语言。编程教育如何融入到数学学科的教学呢？
3、项目的目标：通过小学北师大版六年级数学下册中的一道练习题，画一个正六边形，按一个中心点旋转手中的六边形，不停画下去，生成图示的图案。
手工绘制美丽图案
实现编程教育与数学学科教学的融合的教学目标，同时进一步激发学生学习数学的兴起，也可以从解决实际问题入手引导学生学习python语言。
4、项目的实施：小学生要用python语言解决此问题，先要提供适合小学年龄和心里特点的支持python语言的编程工具。深圳点猫科技推出的海龟编辑器是很适合一款编程工具。可以从www.codemao.cn网站中的下载中心下载。
海龟编辑器打开的界面如下，它主要由菜单栏、命令区、编码区、控制台四个部分构成。
海龟编辑器的界面
可以用海龟编辑器的海龟库绘制图案，海龟库是python语言的一个绘制图像的函数库。教学的过程应该先进行学法指导，用计算思维的方法引导学生把图案的绘制分解成三个部分绘制六边形、旋转一定的角度、重复一定的次数。接下来要进行编程指导，为了培养学生的良好编程习惯，编程时先要初始化，再进行具体编程任务的实现。本例中应该先对画笔的初始位置、画笔的颜色进行初始化，画正六边形的过程被多次调用，可以引导学生把绘制六边形定义为一个函数。旋转的角度和重复的次数应满足相乘等于360。
编程绘制图案的四个关键步骤图示如下：
实现编程绘制美丽图案的四个关键步骤
完整的程序代码和执行效果如下：
采用这样的策略和方法很好完成了项目的目标。
应用场景：在小学高年级数学课堂教学。
5、项目实现的技术原理：该项目运用了海龟编辑器提供的python语言实现编制数学课本中的美丽图案。
6、项目的总结：通过用编程的方法引导学生解决小学数学课本中练习题是一种很好的策略，可以使原本枯燥的练习题学起来更有兴趣，同时可以把编程教育很好的和数学学科结合。
建设基础
01
理论基础
人工智能教育的发展，需要先进的理论支撑。国际AI教育学会会长卢金教授提出的“交织型智能”的理论和周以真教授提出的“计算思维”的理论是人工智能教育的重要理论支撑。
“交织型智能”有七个智能要素：学术性智能、社交智能、元认识智能、元认知智能、元主观智能、元情境智能、准确的自我效能感。“交织型智能”应成为未来教育和培训体系的核心。
计算思维已成为21世纪学生必备的关键能力，在高中课程标准中，计算思维已经成为信息技术学科的核心素养。同时，还应用思维型课堂、建造主义、深度学习、成功智力、分布式智能等理论来支撑整个人工智能教育生态。
02
课程建设基础
①构建人工智能教育课程体系
课程建设是人工智能教育的核心载体，提出了“培训先行、研发课程、社团试点、课堂深入、赛事提升、区域示范”的人工智能教育课程建设的整体规划，形成了人工智能教育校本课程开发的六条路径，构建了人工智能教育的课程体系。
人工智能课程开发的路径
人工智能教育课程体系
②参与编写《中小学人工智能学生用书》
西安交通大学附属小学在教育部装备中心、西安市教育局、西安市教育科学研究所的引领下参加了“中小学人工智能教育项目”。在项目实施过程中，西安交通大学附属小学承担了分配给西安的研发任务，该校部分教师参与研发了“中小学人工智能教育装备配备方案、中小学人工智能课程指南（3-8年级）和中小学人工智能学生用书（3-8年级）、中小学人工智能装备”。重点完成了“中小学人工智能学生用书”五年级上下册人工智能应用这部分内容的编写。同时，还为这部分内容编写了配套的资源，资源包括教学建议、教学设计、教学课件、微课等相关资料。目前，中小学人工智能学生用书已应用在西安交通大学附属小学3-6年的人工智能课程中。
③创建人工智能教育ICAPC课堂教学模式
传统的教学模式以教师为中心，已不能适应人工智能教育的新需求，需要变革教学模式。为此专门创建了基于人工智能教育的ICAPC课堂教学模式（“I”是“交织型智能”英文“interwoven intelligence”的缩写。“C”是“计算思维”computational thinking的缩写，“A”是“人工智能”artificial intelligence的缩写，“P”是“项目学习”Project-Based Learning的缩写，“C”是“构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运行（Operate）”中Conceive的缩写。），该模式以学生为中心，把周以真教授的计算思维理论和林崇德教授的思维型课堂理论相融合，运用建造主义、成功智力、分布智能、交织型智能等理论而构建。
基于人工智能教育的ICAPC课堂教学模式
该模式的特点是把培养和发展学生的“交织型智能”作为核心教学目标，把计算思维作为学生分析问题、解决问题的重要工具和方法，把生活常见的人工智能知识和技术作为课程内容的载体，采用项目式学习方式引导学生自主探究，运用CDIO工程教育理念对学生的学习过程进行科学评估。
03
空间建设
西安交通大学附属小学把原有的3D打印实验室、机器人教室、创客空间进行了改建，同时新建了人工智能教育活动空间。新建的人工智能活动空间融入了智能感知技术、学习分析技术、情感计算技术。打造空间装修与设计，教学与应用，四维一体的人工智能活动空间。空间内设计了智能恒温系统、智能灯光系统、智能窗帘系统等，划分了四个区域：
①AI学习讨论区
配备智慧黑板，可以实时记录监测人工智能教室的使用情况，教师机装有“基于教学过程评价的大数据测评系统”。配备20台笔记本电脑和30套人工智能教育装备，设计了适合合作学习的桌椅，点到面的沟通结合，方便小组教学和互动讨论。引导学生课堂上自主探究，从遇到问题，剖析问题，解决问题，迁移问题，分享问题等几个环节来锻炼学生的思辨过程。建立起一种科学的可持续化的思维模式。
②AI活动区
AI活动区配备了各种智能装备，如自主编程的人机对话机器人，可以带着宾客们参观、讲解。可编程的实时卫星定位监测系统，揭秘生活中的高德地图，摩拜单车的定位原理。意念赛车，学生们通过脑电生物反馈技术，驱动小小赛车的快慢，让赛车更平稳的在跑道上行驶，以此锻炼学生大脑的相应区域从而有效的训练和调整他们的注意力。
③AI展示区
AI展示区位于AI学习区一侧的墙面上和教室后面的墙面上。侧面展示墙有三部分构成音乐墙、开源文化、创意分享三部分构建。音乐墙可以播放各种好听的音乐，声音振动的频率可以通过发光二极管可视化呈现出来。开源文化区放置各种开源硬件，可以方便了解开源文化发展的历程。创意分享区可以把各种创意在白板上绘制出来。教室后墙摆放了学生的各种优秀作品，后墙的电子屏可以让学生体验常见的各种人工智能技术，如人脸识别、语音乐识别等。
④AI工具区
AI工具区位于教室的右侧，储物柜放置了各种人工智能装备，设计采用语音智能控制，例如，只需轻轻的说一声，“请找出Arduino主控板”第三层左数第二个柜子的LED就会亮，说明Arduino主控板就在这里了，学生可以轻松的找出对应的物品。语音控制储物柜的应用，不仅可以培养了学生的编程能力，也让孩子养成了从哪取放回哪里的好习惯。
04
硬件基础
人工智能教育课程的实施必须配备相应的装备，目前西安交通大学附属小学配备的人工智能教育的装备有两类，一类是专门针对日常人工智能课堂教学，另一类针对社团活动和人工智能的相关赛事。主要装备简介：
①人工智能教育机器人、可拆装教育机器人套件
这两款机器人由教育部装备中心引领的“中小学人工智能项目”组研制，是专门为《中小学人工智能学生用书》配套的装备。
②小图编程精灵
小图编程精灵是一款基于儿童认知发展理论和儿童思维发展水平而设计的编程启蒙机器人，针对 5-9 岁孩子培养其逻辑思维与问题解决能力的一款人工智能教育产品。学生用任意铅笔或中性笔画线，就可以自动判断并控制小图行进，编程命令则使小图可以不通过电脑就能完成程序的编写，通过配套图卡绘制编程命令符进行自动识别程序编写。
③AI Bit
AI Bit专门为人工智能教育而设计，它是一款人工智能视觉开发板，采用国产双核64位人工智能芯片，兼容microbit生态，性能远高于microbit。
④AI Do
AI Do是AI bit的升级版，它是一款人工智能机器人高级开发板，国产双核64位risc-v结构，主板自带OS系统，兼容arduino生态，性能远高于arduino。
⑤AI魔盒
基于树莓派开发板研制的一个包含人工智能场景的实验盒，结合外接的显示设备、音频播放设备、音频采集设备、图像采集设备，可以展现多种人工智能的应用场景和技术过程。
05
软件基础
引导学生学习人工智能这门课程，仅仅靠课程和装备是不够的。为此，学校引导教师变革教学方式，采用线上线下混合教学模式，丰富学生的学习途径。现在已经给学生推送了两种线上学习资源平台，同时正在开发“人工智能课程学习APP”。
①AI教育云平台
由中小学人工智能项目组研发。该平台采用教、学、管、评一体化设计，实现了多样化管理，如小组合作学习、翻转课堂等。支持多元评价，如教师评价、学生自评、互评等。提供了完备的与《中小学人工智能学生用书》配套的教学资源和学习资源，如课堂实录、学习课件、学习视频等。
②西安交通大学附属小学慕课学习平台
是学校根据本校学生的实际，自主研发。该平台已经购买和自主研发了很多与中小学人工智能教育相关的课程，可以通过线上的方式辅助学生学习人工智能的相关知识。学生完成课程的学习，还会获得结业证书。慕课平台的管理人员每月都要对学生在线的学习情况进行分析。
③人工智能课程学习APP
目前学校参加了西安交通大学承担的国家级课题：教育大数据分析挖掘技术及其教育示范应用项目。正在课题组的指导下研发适合学生自主学习人工智能课程的“人工智能课程学习APP”，该APP运用“知识森林”的理论，把知识的传授可以看作由课程、主题、分面、知识碎片四个维度构成，主题主要指知识点，分面是指知识点的各个方面，知识碎片就是指具体的知识。通过构建“知识森林”云平台，对知识点和知识点之间的联系进行标记形成课程的知识体系。在“知识森森”云平台的支撑下，研发的“人工智能课程学习APP”可以对人工智能教学用书的任一页进行扫描，会自动提取出每页知识点的关键词，从而通过增强现实技术形成一棵知识树，知识树上有该知识点的分面和该知识点相关联的其它知识点。点击各知识点就会出现对各知识点的“文字”和“视频”的解读。
④构建线上“人工智能学习空间”
在疫情“停课不停学”期间专门推送了线上“人工智能课程系列”，该课程以交织型智能、计算思维、建造主义等理论为指导，以项目式学习为驱动。
06
教师基础
为了培养一批能够胜任人工智能教育的教师队伍，首先成立了交大附小人工智能教育研究团队，团队成员主要由数学、科学、信息技术、机器人四个学科的老师组成，还专门设立一个人工智能教师这个岗位，招聘了一位优秀的教育技术专业毕业的研究生加入人工智能教育研究团队。为了提升团队专业素质，专门聘请从事人工智能技术的专家定期对该团队及全体教师进行人工智能教育的培训。构建了基于人工智能教育的1361培训模式。
基于人工智能教育的1361培训模式
同时学校会定期把团队的成员送出去培训。例如组织团队成员参加各级各类的人工智能教育方面的大会以及组织团队成员参加各级各类创客教育、steam、人工智能教育方面的师资培训班。每周团队都要开展教研活动，还组织团队成员参加各级各类的创新大赛。倡导教师深度学习和跨界学习，开展基于人工智能教育的教师阅读，推荐阅读书目《人工智能的未来》、《与机器人共舞》等书籍，引领教师获得与人工智能教学相匹配的意识和能力。近几年通过多种举措，已经培养10多位教师能够担当人工智能教育的教学任务，专业能力不断提升。
07
评价基础
人工智能教育课程实施的效果如何，应该有一套科学的评价机制，传统的评价机制已不能适应人工智能教育课程评价的需求。为此，学校把第四代评价理论、基于成效的教学理论及混合学习理论作为开展人工智能教育的重要理论依据。采用了“十维评价”和“青少年创新能力大数据测评系统”对人工智能教育的效果进行评估。
①十维评价
引进了国际上先进的CDIO评价模式，其特点以真实世界产品和系统的构思（Conceive）、设计（Design）、实现（Implement）和运行（Operate）的生命周期为载体，把理论、实践、创新合为一体，培养学生的创新能力。采用CDIO模式可以有效的对学生学习人工智能教育的课程的过程进行评价。依据CDIO模式，制定了人工智能教育课程十维评价模式，从十个维度展开评价。
十维评价
②青少年创新能力大数据测评系统
青少年科技创新能力大数据测评系统是一款用于青少年STEM教育的智能化测评系统。系统依托于美国21世纪核心素养以及中国学生发展核心素养框架理论，结合跨学科学习理念，采用线上线下相结合的方式将移动终端设备融入科技创新教育课堂。
青少年科技创新能力大数据测评系统
Q&A经验分享
Q：开展人工智能课程，也需要优质的合作伙伴做软硬件的相关支持，在选择合作企业时，学校有什么好的建议？
A：一方面，学校所选择的企业要有技术、资金实力，并且已经做出了成功案例；另一方面，教育信息化建设是需要花钱的，在资金无法一次性到位的情况下，学校要有短期和长远的规划，做到可持续性发展。
教育信息化进入学校的教育教学管理，不可能是最完美的样态的呈现，一定需要学校和企业之间共建共享，才会把智慧教学、智慧校园建设的工作做好。
合作指南
人工智能教育机器人、可拆装教育机器人套件、AI教育云平台由教育部装备中心引领的“中小学人工智能项目”组研制；“西安交通大学附属小学慕课学习平台”由学校自主研发；“人工智能课程学习APP”在西安交通大学国家课题组的指导下研发。
审阅指导
赵文安 西安交通大学附属小学科研室主任
关 于 我 们
未来智慧校园研究中心是中国教育智库网（教育部学校规划建设发展中心主办）与北京一零一中共同发起成立的未来智慧校园研究平台。
自2020年3月成立以来，已有全国100余所中小学和20余家教育头部企业相继加入，研究中心依托教育部学校规划建设发展中心相关课题研究成果、北京一零一中等重点学校的实践成果，以及教育领军企业的成功案例经验，结合产学研三方智慧，解决传统教育与新技术相融合的难题。