作者：顾茜 东南大学脑与学习科学系，儿童发展教育研究所
研究生导师：柏毅 夏小俊
【推荐摘要】：
随着人工智能（AI）带来的社会技术的快速发展，未来对具备人工智能素养的工作者的需求将会显著增加。培养下一代学生的人工智能能力并教育他们如何运用人工智能至关重要。在过去，关于人工智能的研究主要集中在中学和大学教育；然而，关于幼儿教育中人工智能课程的研究却很少。由于幼儿教育AI课程的标准化缺乏一致性，本研究采用由四个关键组成部分构成的框架对幼儿AI课程进行了研究，包括（1）目的、目标、目的或结果声明；（2）主题、领域或内容；（3）方法或程序；（4）评价和评估。我们建议通过三种能力来实现人工智能素养，即人工智能知识、人工智能技能和人工智能态度。本研究证明，使用社交机器人作为学习伙伴和可编程工件有助于帮助幼儿掌握人工智能原理。此外，我们还发现了哪些教学方法对学生的学习影响最大。基于研究结果，我们建议在未来的人工智能教育中采用基于问题的学习方式。
【关键词】：
人工智能；人工智能课程；幼儿园；幼儿教育；人工智能素养
01
介绍
人工智能（AI）被定义为“创造智能机器的科学和工程”（McCarthy, 2007）。人工智能是计算机科学的一个分支，结合了机器学习、算法开发和自然语言处理（Akgun & Greenhow，2021）。在幼儿园中，人工智能的学习主要集中在基本概念和简单的AI活动（如绘制概念图和AI框架）。幼儿园的孩子学习人工智能有很多好处。例如，可以提高计算思维能力和解决问题的能力以及培养几种探究素养技能。
为了确保高质量的幼儿教育，各国政府和政策制定者已经从最早的年级开始将计算思维纳入课程。然而，目前对儿童人工智能教学策略的研究较少。因此，系统设计早期AI课程、教学方法、评估建议以及未来方向十分迫切。
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背景
2.1 现有人工智能教育指南
世界各国许多组织已经制定了向K到12年级学生教授人工智能的标准。其中，AI4K12提出了五大理念框架（包括感知、表征和推理、学习、自然互动和社会影响）。该框架不仅包括每个理念的定义和示例，而且还更详细地介绍了K-12学生在每个类别中的表现。然而，这种框架主要集中在K-12人工智能教育上，最小的年龄范围是2年级，对幼儿园学生的适用性有限。
2.2. 幼儿园人工智能课程
人工智能教育探索了计算机如何感知、思考、行动、学习、决策、创造、感知和理解事物。3岁的学生就适合以简单而基础的方式开始探索人工智能。如果有正确的方法和资源，学习人工智能可以是一种非常有趣和有益的教育体验。为了让幼儿园儿童具备人工智能素养，Kim等人（2021）从三个角度考虑了幼儿教育的课程开发：
1）帮助儿童在日常生活中识别人工智能技术；
2）让他们具备在现实生活中使用该技术的编程技能；
3）意识到使用人工智能技术的潜在伦理问题。
因此，他们总结了实现AI素养的三个能力：AI知识、AI技能和AI态度。
2.2.1. 人工智能知识
人工智能知识旨在帮助学生理解人工智能的基本思想。人工智能知识和能力被分为五个类别，包括“人工智能的定义和类型”、“解决问题和搜索”、“推理”、“数据和机器学习”和“应用”。
2.2.2. 人工智能技能
具有人工智能技能的学生能够根据他们的编程能力进行计算思考。人工智能技能包括“使用人工智能工具”和“计算思维和编程”。“使用人工智能工具”表示使用恰当的人工智能工具解决问题的能力。“计算思维和编程”一词指的是构建简单人工智能应用程序的能力，目的是提高学生的计算思维。
2.2.3. 人工智能态度
AI态度能力提高了学生集体考虑社会中AI各个方面的能力。Kim等人认为AI态度包括“社会影响”和“与人工智能合作”。AI态度能力评估学生识别人工智能对社会的积极和消极影响的能力，以及他们对人工智能使用的批判性观点。
2.3. 幼儿人工智能教育的工具及资源
为了促进K-12年级的学生和教师探索人工智能并欣赏其基本思想，鼓励他们使用辅助工具来帮助理解它。最近出现了一系列工具和技术，使年轻学生更容易使用人工智能。这些工具包括：
l Cognimates
l eCraft2Learn
l Machine Learning for Kids
l Cozmo机器人
l Calypso for Cozmo
l 谷歌的AIY（“AI&You”）视觉和语音套件
根据目前的文献，我们发现之前的研究主要集中在人工智能学习的通用工具上，但缺乏对儿童人工智能课程标准化的全面深入调查。因此，本研究旨在填补早期儿童人工智能课程的空白，从研究设计和教学方法、评估和未来方向等方面对人工智能课程进行多种方式的改进。
03
研究目标和研究问题
本研究不仅有助于全面了解如何为儿童开发有效的人工智能课程的目标、内容、具体方法以及评估，而且还规定了幼儿人工智能课程标准化的一致性。
本研究有两个研究目标，一是开发幼儿教育人工智能课程框架，二是探索可以展示人工智能课程框架的相关活动。因此，我们提出了四个值得研究的研究问题。
RQ1. 早期人工智能教学单元应该包含哪些内容？
RQ2. 早期人工智能教学单元应该包含哪些教学方法和学习设计？
RQ3. 早期人工智能课程研究的评估建议是什么？
RQ4. 早期人工智能课程研究的未来方向是什么?
04
人工智能课程设计框架
支持课程开发的框架多种多样，每个框架都与不同的意识形态和对课程的思考有关。由于需求和学习者认知水平的不同，有必要开发一个更适用于幼儿教育的人工智能课程设计框架。本研究旨在提出Scott（2008）开发的框架，以有效指导幼儿教育人工智能课程的设计和实施（图1）。该框架可以应用于从学前教育到大学教育的任何教学环境。
该框架包括四个关键维度：（1）目的或目标；（2）内容与活动；（3）方法或程序；（4）考核评价（McLachlan等，2018）。
图1 幼儿园课堂人工智能课程设计的四要素框架
05
幼儿人工智能课程的设计、评估与实施
5.1. 课程设计
本课程设计包括四个单元和课程目标。其细节如表1所示。
表1 早期儿童人工智能课程设计大纲
5.2. 课堂材料
除了课程计划、演讲幻灯片、学生练习册和教师指南外，本研究拟定的早期人工智能课程还包括了课堂材料包。每个单元的课程计划包括课程目标、需准备材料、知识、活动和评估建议。不熟悉人工智能概念的教师可以查阅教师指南从而减少工作量。学生练习册是一种教学材料，为学生的学习提供支持，并确保学生的知识和能力符合教学计划。
5.3. 课程结构
表1展示了人工智能课程中建议的教学内容，包括最适合K3-5年级儿童的教案、课程和活动。本课程适合不同层次的儿童。课程由易到难，以增强孩子的思考和解决问题的能力。本课程包括四个单元、四个活动和一个项目。每个单元由两个课时组成。每个单元都包含至少一个人工智能活动。虽然每个单元涵盖不同的人工智能主题，但课程流程是一致的（如表2所示）。
表2 各单元课时分配及学习目标大纲
5.3.1. 第一单元：初识人工智能
在第一单元中，向孩子们介绍人工智能的基本概念（表3）。第一个单元的学习目标是了解人工智能的基本知识，如什么是人工智能、日常生活中人工智能的例子，以及人工智能中的五大思想。
孩子们将进行的第一个活动是画出我们日常生活中已经使用的人工智能，并分享想法。
表3 第一单元（A部分）的课程计划
表4 第一单元（B部分）的课程计划
5.3.2. 第二单元：机器学习
在第二单元中，将向孩子们介绍了机器学习的基本概念（表5）。第二单元的学习目标是了解机器学习的概念、机器学习的工作原理和机器学习的例子。机器学习是一个不断发展的计算算法领域，旨在通过学习周围环境来模仿人类智能。机器学习的例子包括智能汽车、导航复杂的网络搜索和自动推送系统。
第二个活动包括孩子们玩谷歌的Quick Draw!并分享他们的想法。这个活动可以帮助孩子们更好地理解机器学习。
表5 第二单元的课程计划
5.3.3. 第三单元：人工智能技术
第三单元主要向孩子们介绍了人工智能技术（表6）。人工智能技术包括面部识别、计算机视觉、光学字符识别、语音识别。其中，人脸识别是一种基于图像、视频或面部的其他视听元素来识别或验证主题的技术。这种识别通常用于访问应用程序、系统或服务。第三个单元的学习目标是学习如何在图像中检测人脸以及人脸识别是如何工作的。那么，人脸识别对社会有什么影响呢？需要讨论的要点是，“面部识别技术是保护敏感信息的安全方法吗？”
第三单元的活动则为孩子们玩PictoBlox并分享他们的想法。
表6 第三单元的课程计划
5.3.4. 第四单元：人工智能伦理
在第四单元中，向孩子们介绍人工智能伦理（表7）。第四单元的学习目标是了解人工智能的缺陷和偏见。在人工智能系统中可以看到两种偏差，例如数据驱动偏差和交互偏差。
本单元的第一个活动是让儿童绘制“人工智能对人类的帮助”并分享想法，该活动可以帮助孩子们更好地理解人工智能。第二个活动则让孩子们画出概念图。在此处，概念图可以帮助孩子更好地理解所有的单元，其创建是为了评估孩子对这个单元的掌握程度。
表7 第四单元的课程计划
5.3.5. 项目
在本课程中，我们为儿童设计了智能植物（浇水）项目（表8）。
这个项目可以提高孩子对各个方面的理解，比如了解基本的Micro: bit编程知识，读取温度和湿度值，用编程控制生长灯和水泵，了解植物的不同部位（即花、叶、茎、根）和光合作用，观察和记录植物生长因子。学习目标是了解编程知识。每组有3-5个孩子。这个项目旨在通过基于问题的学习提高孩子们的批判性思维能力、沟通能力和合作能力。智能LED生长灯、自动湿度控制、智能环境（温度控制）等其他小组项目也适合儿童参与。
表8 小组项目
5.4. 教学方法
在查阅相关文献时，我们认为相比起项目化学习，基于问题的学习更适合幼儿园的孩子。大量研究发现，在小组项目活动中，真实的问题可以激发孩子的好奇心和求知欲，促进主动学习。
此外，我们采用小组活动的方式，通常需要3-5人共同完成项目。每个孩子都有不同的长处，他们必须共同努力才能实现自己的目标。在这个过程中，学生除了获得知识外，还获得了团队合作和反思等软技能。此外，孩子们的创造力、团队精神和领导力，以及动手能力、计划能力和项目执行能力都可以通过小组项目得到锻炼。
此外，还可以参考的教学方法有很多。首先，学习活动应以有趣和高效的方式开展。因此，我们绘制概念图，将人工智能与我们的日常活动联系起来以教育孩子。其次，在传统教学方法的基础上，选择合适的电子学习工具和平台，可以提高孩子的学习兴趣。
5.5. 评价建议
在实施我们的课程时，关于教学评价的建议如下。
首先，可以对学生的人工智能知识进行前测和后测，以观察其知识量在课程结束后提高了多少。同时，也有必要根据儿童的经历、年龄、年级和性别来调查他们在人工智能表现上的差异。其次，我们可以使用评估档案来观察教室内发生的活动。评估档案是一份观察清单，包括五个量表，如“学习环境”、“日程安排”、“课程”、“互动”和“个体化”。第三，我们可以进行教师访谈，为课程的改进寻求进一步的建议。最后，可以让孩子们进行自评，询问孩子们与之前的人工智能课程相比，他们理解了多少知识。
06
讨论
6.1. 本研究的意义
本文重点介绍了早期人工智能课程及设计框架，可供教育工作者和研究人员作为资源使用。论文提供了人工智能各课程（概念、教学方法）、教学活动、小组项目的设计，以及各单元、活动、小组项目的教案。除此之外，还对教学方法和评价提供了建议。这些内容可以帮助人工智能教育者或研究人员找到并开发最适合K3-5学生的课程。
6.2. 未来方向
早期人工智能课程是一个非常新的课题，且早期人工智能教育是一个有潜力的领域。本文提出了未来研究方向，供研究人员和教育工作者参考。
首先，我们建议研究人员或教育工作者选择合适的电子学习工具或平台作为教学材料。例如，电子学习平台（阅读大战）可以对儿童的学习成绩、学习习惯和兴趣产生积极影响。
第二，早期人工智能课程是一门独立的学科。因此，早期人工智能教师教育也是一个重要的研究课题。
第三，人工智能课程能否提高儿童的21世纪技能也是值得研究的。“21世纪技能”包括创造力、批判性思维和解决问题的能力、协作能力、信息技术技能、新形式的读写能力、社会、文化和元认知意识。
最后，社会经济地位（SES）是否影响幼儿的AI学习也值得研究。一些研究人员（Druga等，2019）调查了SES是否会影响儿童对人工智能概念的理解。结果表明，高SES儿童比低SES儿童更能理解人工智能概念。
07
结论
本文设计了各种人工智能课程（概念、教学方法）、教学活动、项目、评估建议，为幼儿教育开发人工智能课程框架，以及开发框架内的活动。课程设计包括人工智能知识、人工智能技能和人工智能态度三个部分，并为儿童提供了四个单元、五个活动和一个项目。在教学方法上，我们认为基于问题的学习更适合幼儿园课堂。此外，我们确定了四个评估建议并提出了今后研究的方向。
查阅原文：Jiahong Su和Yuchun Zhong《Computers and Education: Artificial Intelligence》
DOI：10.1016/j.caeai.2022.100072
转自：“百研工坊”微信公众号
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