全球中小學(xué)人工智能教育支撐環(huán)境白皮書介紹

1、全球中小學(xué)人工智能教育支撐環(huán)境白皮書發(fā)布會Global Artificial Intelligence Education Support Environment White Paper for K-12該共識致力于引領(lǐng)實施適當(dāng)?shù)恼邞?yīng)對策略，通過人工智能與教育的系統(tǒng) 融合，全面創(chuàng)新教育、教學(xué)和學(xué)習(xí)方 式，并利用人工智能加快建設(shè)開放靈 活的教育體系。中國教育部部長懷進鵬先生“2021年人工智能（AI）和教育國際論壇”在 開幕式上強調(diào)了人工智能在教育中的 重要性，并提到我相信，通過我們的 努力，人工智能會賦予教育權(quán)力，改 變教育，創(chuàng)新教育，這無疑將為所有 人創(chuàng)造一個更美好的未來。為了促進青少年人

2、工智能教育，分析人工智能教育的支撐環(huán)境，白皮書中，主要探討影響K12學(xué)習(xí)人 工智能的關(guān)鍵要素，以及針對K12教師如何進行教 學(xué)和自主學(xué)習(xí)提供了一些參考，為未來青少年教育 的AI發(fā)展指明可能的趨勢，為教師、學(xué)者以及其他 與教育相關(guān)人員提供對應(yīng)的參考信息 。人工智能運用于K-12教育，可以分2條思路來看，一是運用人工智能技術(shù)，引領(lǐng) 教育系統(tǒng)性變革，二是進行人工智能教育，簡單來說就是K-12學(xué)生接受人工智能相 關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)。本白皮書提出五大關(guān)鍵要素，是開展K-12人工智能教育的必要因素， 幫助一線教學(xué)人員了解每種元素目前可用的資源。A I 教材就是指用于AI教學(xué)的教材。A I 的開放教育資源指各類應(yīng)

3、用AI技術(shù)增強的開放 教育資源，通常是數(shù)字化資 料。教師發(fā)展在線社區(qū)用于與教師學(xué)習(xí)、 交流的在線社區(qū)。用于K-12教學(xué)的實驗設(shè)備。A I 實驗室開源算法與所需要 的數(shù)據(jù)，工具指AI開發(fā)工具。開源算法、工具與數(shù)據(jù)集核心要素框架結(jié)構(gòu)312456人工智能與教育概述人工智能影響著教育領(lǐng)域， 人工智能在教育中的應(yīng)用預(yù)計將在未來六年內(nèi)爆炸式的增長， 聯(lián)合國教科 文組織也發(fā)布過， 人工智能技術(shù)可以幫助教育系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)推動教育平等、提高教育質(zhì)量。開放教育資源與教師在線發(fā)展社區(qū)開放教育資源通常是數(shù)字化的資料， 可供教學(xué)、學(xué)習(xí)、研究之用， 它對于開放教育與遠(yuǎn)距教學(xué)有很大 的幫助， 也有助于使教育資源的分配更加平等

4、。K - 1 2 人工智能教材和教學(xué)模式讓K - 12 接觸人工智能， 培養(yǎng)他們對人工智能研究及利用人工智能解決問題的濃厚興趣， 希望他們 未來能夠技術(shù)創(chuàng)新。K - 1 2 人工智能算法和數(shù)據(jù)人工智能的三個要素是： 算力、算法和數(shù)據(jù)。對其中的兩個要素做了重點討論， 其中對人工 智能核心技術(shù)的算法進行了簡要的說明。人工智能教學(xué)實驗室實驗環(huán)境是學(xué)習(xí)人工智能的一個必要條件， 不同類型的實驗環(huán)境對應(yīng)不同的學(xué)習(xí)人群， 可以選擇 出最適合自己的學(xué)習(xí)（ 教學(xué)） 平臺?？偨Y(jié)及展望隨著智能時代的到來， 人工智能在多個領(lǐng)域日益發(fā)揮其重要的應(yīng)用價值。然而， 在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域， 人 工智能教育仍然面臨許多問題， 所以應(yīng)

5、盡快解決問題， 開展人才培養(yǎng)。開放教育資源一詞最初是在教科文組織2000年主辦的一次會議上提出的，是在提供全球范圍內(nèi)免費獲得教 育資源的背景下推廣的。開放教育資源采用開放授權(quán) 的教材，通常是數(shù)字化的資料，可供教學(xué)、學(xué)習(xí)、研 究之用。它們以開放許可證（即知識共享）發(fā)布，具 體說明如何根據(jù)特定需要使用、重復(fù)使用、改編、共 享和修改材料。它們可以包括教科書、講稿、教學(xué)大 綱、作業(yè)和考試。OpenLearnOpenLearn目前擁有約35，000頁的高質(zhì)量 資源，包括1，000多個課程，它的使命很簡 單：惠及所有需要免費接受高等教育的人。MITOCWMITOCW是來自數(shù)千門麻省理工學(xué)院課程 的材料的免

6、費開放出版物，涵蓋了整個麻 省理工學(xué)院課程。MERLOTMERLOT是一個由教育工作者，學(xué)習(xí)者和研究人員組成的國際社區(qū)。多媒體教育資源學(xué)習(xí)和在線教學(xué)，為90多萬名學(xué)生和47，000多名 教師提供服務(wù)。ConnexionsConnexions 項目每月為數(shù)百萬用戶 提供教育內(nèi)容，以改善學(xué)習(xí)成果。有 數(shù)千本教科書式的書籍，都可以輕松 在線訪問，并且可以隨時隨地下載到 幾乎任何設(shè)備。OLI提供數(shù)十門大學(xué)水平的課程，以及一個平臺，可以對學(xué)習(xí) 體驗的任何方面進行研究和實驗。致力于在課堂上保持低成 本的課程，并為獨立學(xué)習(xí)者提供免費的課程。OLIMachine Learning for kids青少年訓(xùn)練計

7、算機如何完成所給的任務(wù)。 它可以一步一步地指導(dǎo)他們創(chuàng)建機器學(xué)習(xí) 模型，可以識別的類型有文字、數(shù)字、圖 像、聲音。使用者首先收集你想要識別的 例子，然后通過實例來訓(xùn)練計算機識別它 們，最后可以制作一款能使計算機識別它 們的游戲或應(yīng)用程序。可汗學(xué)院可汗學(xué)院的計算機編程課程是完全免費 的，它帶領(lǐng)兒童和學(xué)生完成學(xué)習(xí)計算機、 人工智能相關(guān)的課程。C該組織以K-12年齡段為目標(biāo)，定制了包 含人工智能等內(nèi)容的免費課程，可用于 讓4-6歲和8-12歲的孩子開始學(xué)習(xí)。每門 課程都包括視頻教程及有趣的實踐練習(xí)， 幫助孩子們應(yīng)用他們所學(xué)的知識，同時 保持他們的學(xué)習(xí)興趣。Elements of AI該課

8、程已遍布全球，畢業(yè)學(xué)生來自170多個國家。超 過750，000名學(xué)生報名參加了AI元素課程。大約 40%的課程參與者是女性，是計算機科學(xué)課程平均 水平的兩倍多。該網(wǎng)站的課程分為兩種，一種是簡 單的人工智能介紹，另一種是構(gòu)建AI應(yīng)用。社會中的成本、地理和結(jié)構(gòu)性不平等往往共同導(dǎo)致教 育機 會和公平性問題。通過開放教育， 高質(zhì)量的材 料以最低（ 或無） 成本提 供， 并且訪問障礙最小， 為學(xué)生準(zhǔn)備未來生活提供了公平的競爭環(huán)境。3組建人工智能工作站往往需要高昂的成本， 而開放教育的目標(biāo) 是制作高質(zhì)量、免費的在線學(xué)習(xí)材料。2和傳統(tǒng)的教科書不一樣， 開放式教育資源可以不斷的更新、調(diào)整和改 進。因此他們永遠(yuǎn)

9、也不會過時。1教師的專業(yè)化發(fā)展被看作是一種由標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)的、根植于教師工作。其聚焦于學(xué)生學(xué)習(xí)，而且適合于教師職業(yè)發(fā)展的終身化 、情景式的形式，目的就是發(fā)展、實施和分享教師間的知識 ；實 踐與滿足所有學(xué)生需求的一種線上與線下的活動。青少年人工智能創(chuàng)新計劃（元卓計劃）ISTE AIAI for Teachers阿里云天池0102030405能培養(yǎng)孩子們良好的品質(zhì)和道德激發(fā)人工智能思維和創(chuàng)造力適應(yīng)孩子們的年齡、發(fā)育和理解力在當(dāng)前的趨勢下提供有用的信息適合反復(fù)閱讀教材讀本選擇原則主要針對K-12所用的教材與教學(xué)模式進行探討，介紹了一些全球各國關(guān)于人工智能教 材和課外讀物，將它們按照年齡段分類。另 外，必須

10、從青少年開始普及計算思維和人工 智能的思想方法，培養(yǎng)他們對人工智能研究 及利用人工智能解決問題的濃厚興趣，最后 則希望他們未來能夠擁有技術(shù)創(chuàng)新的能力。普 及 認(rèn) 知 類不同的年齡階段學(xué)習(xí)人工智能的教材書籍不同，比如科普認(rèn)知類的書籍，幼兒、小學(xué)生適合用 生活實際發(fā)生的事情進行科普，通過案例將抽象的概念具體化，幫助孩子們理解感知人工智能。幼兒、小學(xué)階段初中階段高中階段思 維 培 養(yǎng) 類幼兒、小學(xué)階段初中階段高中階段技 術(shù) 能 力 類主要對教師可以采用的AI教學(xué)實踐進行詳細(xì)描述，人工智能時代使教育和教師 驟然面對一系列嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在人工智 能時代教師如何成功應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，是 教育成功應(yīng)對挑戰(zhàn)的關(guān)鍵；

11、教育成功應(yīng) 對這些挑戰(zhàn)，又是我們?nèi)祟惓晒?yīng)對挑 戰(zhàn)的關(guān)鍵 。舉三個例子說明一下。1-項目式教學(xué)實踐人工智能機器人Cozmo編程思維及交互應(yīng)用，該項目是由Cozmo機器人編程語言創(chuàng)始人 所設(shè)計的人工智能體驗夏令營。Cozmo是一款人工智能玩具，該項目是基于CMU的 Calypso（以規(guī)則為基礎(chǔ)的編程語言）的課程培訓(xùn)體系。2-基于問題的學(xué)習(xí)實踐2020年中國青島市嶗山區(qū)的一場人工智能公開課，人工智能機器識 別人臉識別的基本原理。以問 題為課堂導(dǎo)入的引子，所有的學(xué)習(xí) 活動全部都是圍繞初始問題而展開， 個體知識的獲取 隱含在解決問題的過程中，學(xué)科知識是服務(wù)于問題 解決的助手。3-體驗式教學(xué)實踐Zhor

12、ai是MIT媒體實驗室的一個團隊開發(fā)的旨在向小學(xué)兒童教授機器學(xué)習(xí)概念的會話代理。學(xué)生在這 個平臺上與人工智能對話代理交談，了解與機器的 自然交互、機器如何學(xué)習(xí)、機器如何表征信息的知 識和推理，以及此類代理的社會影響。學(xué)生教智能 體有關(guān)動物的知識，智能體使用先驗知識猜測動物 來自哪個生態(tài)系統(tǒng)。在這個過程中，學(xué)生學(xué)習(xí)機器 感知和推理，以及人工智能倫理。人工智能基礎(chǔ)層可以按照算法、 算力與數(shù)據(jù)進行再次劃分。人臉識別人臉識別算法是任何面部檢測和識別系統(tǒng)或軟件的基本組成部分。專家將這些算法分為兩種中 心方法：第一種幾何方法側(cè)重于區(qū)分特征。人臉識別技術(shù)中被廣泛采用的區(qū)域特征分析算法， 它融合了計算機圖像處

13、理技術(shù)與生物統(tǒng)計學(xué)原理于一體，利用計算機圖像處理技術(shù)從視頻中提 取人像特征點，利用生物統(tǒng)計學(xué)的原理進行分析建立數(shù)學(xué)模型，即人臉特征模板。決策樹決策樹是最廣泛使用和最實用的機器學(xué)習(xí)算法之 一，它涉及到的數(shù)學(xué) 不多，非常容易使用和解 釋。決策樹算法屬于受監(jiān)督學(xué)習(xí)算法的家族。與 其 他受監(jiān)督的學(xué)習(xí)算法不同，決策樹算法也可 用于解決回歸和分類問題。使用 決策樹的目標(biāo) 是創(chuàng)建一個培訓(xùn)模型，該模型可以通過學(xué)習(xí)從先 前數(shù)據(jù)（培訓(xùn) 數(shù)據(jù)）推斷出的簡單決策規(guī)則來 預(yù)測目標(biāo)變量的級別或值。這兩種算法在學(xué)校中的應(yīng)用面部識別技術(shù)現(xiàn)在正在公共生活的各個方面引入。這包括將面部識別 和面部檢測迅速整合到K-12教育中，以解

14、決校園安全，自動注冊和學(xué)生情緒檢測等問題。在這種有爭議的背景下， 我們需要考慮將這項技術(shù)應(yīng)用于特 定的教育環(huán)境中。比如，面部識別技術(shù)的一個突出的教育應(yīng)用是校園安全。除了識別未經(jīng)授權(quán)的入侵者之外， 還開發(fā)了系統(tǒng)，以檢測視頻對象是否有攜帶危險物品入校。采用決策樹算法和其他技術(shù)一起，對學(xué)生信息進行統(tǒng)一分類，綜合分析學(xué)生的愛好和需求， 以實現(xiàn)目標(biāo)數(shù)據(jù)挖掘。除了可以在學(xué)生選課系統(tǒng)發(fā)揮作用，還能夠在高校教務(wù)管理中應(yīng)用。目前，人工智能基礎(chǔ)性算法已經(jīng)較為成熟，各大企業(yè)紛紛發(fā)力建設(shè)算法模型工具庫，并將其封裝 為軟件框架，供開發(fā)者使用，可以說軟件框架是 算法的工程實現(xiàn)。企業(yè)的軟件框架實現(xiàn)有閉源和 開源兩種形式。蘋

15、果公司等少數(shù)企業(yè)選擇閉源方 式開發(fā)軟件框架，目的是打造技術(shù)壁壘；目前業(yè) 內(nèi)主流軟件框架基本都是開源化運營。比如 Scratch、 TensorFlow 、飛槳等等。PyTorc機器學(xué)習(xí)框架App Inventor通過對現(xiàn)有的K-12人工智能教育中算法教學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)、書籍、平臺總結(jié)，算法教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)有：各國的教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)還待統(tǒng)一；教學(xué)內(nèi)容的順序與算法難度難以量化與評估；互聯(lián)網(wǎng)平臺學(xué)習(xí)環(huán)境還有進步的空間；算法教學(xué)與基礎(chǔ)學(xué)科教學(xué)之間的配合，沒有準(zhǔn)則或案例。眾所周知，人工智能的三個要素是：算力、模型和數(shù)據(jù)。大家的關(guān)注點可能一直在算力和算法上，而作為三要素之 一的數(shù)據(jù)一直被剝離在“人工智能”之外。但實際上人工

16、 智能數(shù)據(jù)在人工智能商業(yè)化落地中發(fā)揮著不可替代的作用。當(dāng)一個算法模型設(shè)計好后，就需要大量標(biāo)注好的數(shù)據(jù)去訓(xùn)練機器，從而使得機器更加“智能”，得以在實際應(yīng)用場 景中施展拳腳。若希望算法進一步提升性能，則需要更多 精細(xì)化的數(shù)據(jù)加以訓(xùn)練，不斷迭代。檸 檬 類 數(shù) 據(jù) 集我們對目前收集的教材及讀本進行了分析，以下數(shù)據(jù)集是目前青少年人工智能教學(xué)中常用的針對不同人工智能技術(shù)領(lǐng)域的部分典型數(shù)據(jù)集。簡要的描述了AI實驗環(huán)境，分別從幾種類型進行了介紹，其中包括經(jīng)濟型、標(biāo)準(zhǔn)型、進 階型。不同類型的實驗環(huán)境對應(yīng)不同的學(xué)習(xí) 人群，可以選擇出最適合自己的學(xué)習(xí)（教學(xué)） 平臺。實驗環(huán)境是學(xué)習(xí)人工智能的一個必要 條件，通過實驗

17、環(huán)境，學(xué)習(xí)者們可以把所學(xué) 到的理論知識進行實踐。2018年，非洲一位“最敬業(yè)老師”在網(wǎng)上火了，因為貧窮，計算機在他們那邊幾乎是一 種難以企及的東西，那他們的學(xué)生怎么上計 算機課呢？老師腦洞大開，自己拿粉筆手繪 計算機頁面在黑板上，這樣來教學(xué)生們怎么 使用計算機。非洲老師手繪計算機經(jīng)濟型實驗室的特點：適合于一些貧窮、落后的國家或地區(qū)，以開放免費的經(jīng)濟型資源為主的簡易、低成本方案。飛槳AI Studio是基于百度深度學(xué)習(xí)平臺的人 工智能學(xué)習(xí)與實訓(xùn)社區(qū)，提供在線編程環(huán)境、 免費GPU算力、海量開源算法和開放數(shù)據(jù)， 幫助開發(fā)者快速創(chuàng)建和部署模型。Colaboratory，老師們可以在瀏覽器中編寫和 執(zhí)行 Python 代碼，并且無需任何配置、免費 使用 GPU、輕松共享。標(biāo)準(zhǔn)型適合于一般性學(xué)校，通過專項建設(shè)，可以建成的，多數(shù)學(xué)校均可負(fù)擔(dān)得起的方案。個人也可以組件自己的工作站。個人工作站“少年云”新型鄉(xiāng)村數(shù)字學(xué)習(xí)空間進階型是在標(biāo)準(zhǔn)型基礎(chǔ)上的升級，有研究和教學(xué)兩個應(yīng)用方向。研究方向項目數(shù)量少、人員少，但是所用設(shè)備最為精密；而教學(xué)人員多、項目數(shù)量多，需要支撐教師進行教學(xué) 活動，所以二者差異較