聚焦創(chuàng)造力設(shè)計(jì)人工智能課程 培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才

摘要：科技拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)是目前基礎(chǔ)教育中亟待解決的重要問題。人工智能是當(dāng)前乃至未來科技的前沿與制高點(diǎn)，以及人類“認(rèn)識自己”的學(xué)問，通過人工智能課程培養(yǎng)科技拔尖創(chuàng)新人才的創(chuàng)造力恰逢其時。人工智能課程在培養(yǎng)創(chuàng)造力要素上所能發(fā)揮的積極作用包括：啟發(fā)創(chuàng)新意識與思維、促進(jìn)跨學(xué)科知識整合、提升實(shí)踐創(chuàng)新能力、形成自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)能力。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的人工智能課程體系，在以培養(yǎng)科技拔尖創(chuàng)新人才為目標(biāo)的北京市翱翔計(jì)劃項(xiàng)目中成效明顯，對借助人工智能課程培養(yǎng)科技拔尖創(chuàng)新人才有一定的啟發(fā)意義。關(guān)鍵詞：拔尖創(chuàng)新人才；創(chuàng)造力；人工智能課程；翱翔計(jì)劃；基礎(chǔ)教育科技拔尖創(chuàng)新人才，是指能夠在科技領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的創(chuàng)新潛力、超強(qiáng)的創(chuàng)新能力、頑強(qiáng)的創(chuàng)新精神，并創(chuàng)造出卓越的成果，為社會進(jìn)步做出重大貢獻(xiàn)的人才[1]。當(dāng)前，我國正從過去的科技追趕者轉(zhuǎn)變?yōu)榭萍家I(lǐng)者，在此背景下，培養(yǎng)科技拔尖創(chuàng)新人才顯得尤為迫切。這不僅有助于推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)向高端化、智能化方向發(fā)展，還有助于我國自主掌握核心技術(shù)，減少對外部技術(shù)的依賴，確保國家科技安全。培養(yǎng)科技拔尖創(chuàng)新人才，最重要的是培養(yǎng)其創(chuàng)造力。當(dāng)前，科技創(chuàng)新面臨的問題日益復(fù)雜，只有具備了創(chuàng)造力，學(xué)生在處理復(fù)雜問題時才能具備獨(dú)到見解和創(chuàng)新思維，從而勇于面對未知和不確定性，主動應(yīng)對挑戰(zhàn)；才能深入理解實(shí)際問題的本質(zhì)，提供具有實(shí)踐意義的創(chuàng)新性解決方案。人工智能作為一門研究模擬、延伸和擴(kuò)展人類智能的新興科學(xué)，現(xiàn)已形成了機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、符號智能、行為智能、進(jìn)化計(jì)算和群智能六大知識體系[2]。人工智能與教育在本質(zhì)上具有內(nèi)在統(tǒng)一性[3]，都旨在幫助人類“認(rèn)識和發(fā)展自我”。通過學(xué)習(xí)人工智能技術(shù)，學(xué)生不僅能獲得對于人工智能的全面認(rèn)識，構(gòu)建宏大的人工智能世界觀，為其未來深入研究人工智能技術(shù)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，還能更好地認(rèn)識自身智慧，并從中體會數(shù)學(xué)、物理等學(xué)科對于認(rèn)識自身的價值與樂趣。這讓學(xué)生能自覺地運(yùn)用與發(fā)展自身智慧，保持對科學(xué)研究的好奇心，從創(chuàng)新和創(chuàng)造中找到真正的滿足與快樂。因此，人工智能課程在基礎(chǔ)教育階段科技拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)中可發(fā)揮重要作用。一、創(chuàng)造力的關(guān)鍵要素解析回顧歷史，科技拔尖創(chuàng)新人才取得成就往往依賴于以下關(guān)鍵要素：創(chuàng)新意識與思維、跨學(xué)科知識整合能力、實(shí)踐能力、自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)能力。（一）創(chuàng)新意識與思維創(chuàng)新意識與思維是指個體在面對問題、挑戰(zhàn)或機(jī)遇時，所展現(xiàn)出的積極、靈活、開放、前瞻性的認(rèn)知和思考方式。它不僅涉及創(chuàng)造新的產(chǎn)品、服務(wù)或解決方案，更包括在日常生活、學(xué)習(xí)和工作中持續(xù)追求改進(jìn)和變革的態(tài)度與行為。顯然，創(chuàng)新意識與思維是創(chuàng)造力的根基。（二）跨學(xué)科知識整合能力跨學(xué)科知識整合能力是指個體能夠?qū)碜圆煌瑢W(xué)科領(lǐng)域的知識、理念和方法有效地整合并應(yīng)用于解決復(fù)雜問題或開展綜合性工作的能力。這種能力涉及對多學(xué)科知識的理解、整合以及創(chuàng)新性運(yùn)用。完成科技創(chuàng)新，不是依靠單一學(xué)科就能實(shí)現(xiàn)的，而是必須綜合運(yùn)用多學(xué)科知識與技能。這表明，在科技發(fā)展日趨復(fù)雜、多學(xué)科交叉日益突出的今天，跨學(xué)科知識整合能力是創(chuàng)造力不可或缺的要素，其重要性愈發(fā)凸顯。（三）實(shí)踐能力實(shí)踐能力是指個體將理論知識轉(zhuǎn)化為實(shí)際行動，在實(shí)際操作和實(shí)踐活動中能夠熟練運(yùn)用所學(xué)知識與技能以解決問題、完成任務(wù)的能力。在科技創(chuàng)新的過程中，實(shí)踐能力至關(guān)重要，實(shí)驗(yàn)、實(shí)地調(diào)查、項(xiàng)目開發(fā)等科技活動無一不需要實(shí)踐能力的支撐。因此，沒有實(shí)踐能力，創(chuàng)造力也就無從談起。（四）自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)能力自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)能力是指個體具備在獨(dú)立學(xué)習(xí)和持續(xù)學(xué)習(xí)的過程中，主動獲取新知識、培養(yǎng)新技能并持續(xù)提升自身素質(zhì)的能力，包括對學(xué)習(xí)目標(biāo)的設(shè)定、對學(xué)習(xí)資源的有效利用等。科技創(chuàng)新是發(fā)現(xiàn)新問題、解決新問題的過程，這一過程一定不是僅靠已有知識體系就能完成的，必然需要自主學(xué)習(xí)能力作為支撐。自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)能力也是自我驅(qū)動力的體現(xiàn)，促使個體主動設(shè)定學(xué)習(xí)目標(biāo)、安排學(xué)習(xí)計(jì)劃、推動自己不斷前進(jìn)，從而在適當(dāng)時候達(dá)到自己創(chuàng)造力的高峰。二、指向創(chuàng)造力培養(yǎng)的人工智能課程體系設(shè)計(jì)國家對培養(yǎng)科技拔尖創(chuàng)新人才的重視由來已久。2008年初，北京市教委就成立了“北京青少年科技創(chuàng)新學(xué)院”，面向高中生啟動“翱翔計(jì)劃”，在青少年中培養(yǎng)科技拔尖創(chuàng)新人才，建立讓高中生“在科學(xué)家身邊成長”的培養(yǎng)機(jī)制。為激發(fā)學(xué)生對科學(xué)的興趣，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，并充分鍛煉和提高學(xué)生的創(chuàng)造力，我們面向北京市翱翔計(jì)劃數(shù)學(xué)與信息科學(xué)領(lǐng)域高中基地校設(shè)計(jì)了人工智能課程體系，并自2017年起開設(shè)課程。該課程體系分為基礎(chǔ)教學(xué)與創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)兩個階段。（一）基礎(chǔ)教學(xué)階段基礎(chǔ)教學(xué)階段旨在讓學(xué)生掌握人工智能基礎(chǔ)知識與基本實(shí)踐技能，了解人工智能與所學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科的關(guān)系，并在此過程中引導(dǎo)學(xué)生觀察生活，開展應(yīng)用創(chuàng)新思考，形成初步的科技創(chuàng)新項(xiàng)目?；A(chǔ)教學(xué)階段包括“人工智能入門”和“人工智能+基礎(chǔ)學(xué)科”兩大類課程。1.“人工智能入門”課程“人工智能入門”課程的教學(xué)任務(wù)包括：讓學(xué)生學(xué)習(xí)、掌握人工智能的基本概念，構(gòu)建初步的人工智能知識體系，培養(yǎng)學(xué)生的人工智能思維方式與能力，使其掌握利用人工智能知識解決實(shí)際問題的初步方法和技巧；培養(yǎng)學(xué)生的人工智能實(shí)踐能力，使其具備開發(fā)人工智能應(yīng)用系統(tǒng)的初步能力；激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能的興趣和在人工智能領(lǐng)域創(chuàng)新的積極性。為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力，激活他們的創(chuàng)新意識與思維，教師在教學(xué)中有意識地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新思考。例如，在機(jī)器博弈教學(xué)中，教師鼓勵學(xué)生發(fā)現(xiàn)AlphaGo的不足，并提出創(chuàng)新性解決方案。再如，在學(xué)習(xí)智能小車后，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行應(yīng)用遷移，要求他們思考如何在智能小車上進(jìn)行創(chuàng)新。在教學(xué)過程中，教師還布置了下棋機(jī)器人、自主機(jī)械臂等學(xué)習(xí)項(xiàng)目，要求學(xué)生在課程結(jié)束時自主完成一個指定項(xiàng)目，以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。這些學(xué)習(xí)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)涉及跨學(xué)科知識與技能，因此，無論是理論學(xué)習(xí)還是實(shí)踐操作，學(xué)生均需要綜合運(yùn)用所學(xué)知識才能完成學(xué)習(xí)任務(wù)。此外，在教學(xué)中教師設(shè)計(jì)開放性問題供學(xué)生思考和解決。如在學(xué)習(xí)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)人臉識別后，開展人臉識別背景干擾挑戰(zhàn)賽，增加問題難度，讓學(xué)生自主解決，從而培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力?！叭斯ぶ悄苋腴T”課程內(nèi)容與創(chuàng)造力要素培養(yǎng)的關(guān)系如表1所示。2.“人工智能+基礎(chǔ)學(xué)科”課程“人工智能+基礎(chǔ)學(xué)科”課程通過人工智能與基礎(chǔ)學(xué)科的融合，讓學(xué)生鞏固對人工智能六大知識體系的認(rèn)知，同時增強(qiáng)他們的理論功底。在學(xué)習(xí)該課程的過程中，學(xué)生認(rèn)知人工智能與基礎(chǔ)學(xué)科的關(guān)系，提升對基礎(chǔ)學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)跨學(xué)科知識整合能力，也提升了深入學(xué)習(xí)和研究人工智能的興趣，增強(qiáng)了自主學(xué)習(xí)與終身學(xué)習(xí)能力。表2是“人工智能+基礎(chǔ)學(xué)科”課程內(nèi)容框架，從中不難發(fā)現(xiàn)，該課程進(jìn)一步明確了基礎(chǔ)學(xué)科知識與人工智能知識的整合關(guān)系。例如，在人工智能與物理跨學(xué)科融合教學(xué)中，教師講解人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的物理實(shí)現(xiàn)，讓學(xué)生利用物理學(xué)中的電路知識實(shí)現(xiàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)硬件。通過跨學(xué)科學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅進(jìn)一步掌握了電路知識，還對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理有了更深刻的認(rèn)知。更重要的是，他們看到了人工智能的未來以及物理知識的有趣。當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)了基礎(chǔ)知識的趣味，他們就會自主地深入學(xué)習(xí)相關(guān)知識。如在DNA計(jì)算課程中，學(xué)生會驚訝于DNA所具有的超大存儲量與超強(qiáng)并行計(jì)算能力，從而感受到生物學(xué)的魅力，形成自覺探索生物知識的內(nèi)驅(qū)力。（二）創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)階段在創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)階段，教師要求學(xué)生利用課程所學(xué)解決新的應(yīng)用問題，形成開放性創(chuàng)新成果，并引導(dǎo)學(xué)生在所設(shè)想的題目上不斷深入思考和動手實(shí)踐，形成實(shí)際的科技創(chuàng)新作品。教師圍繞完成一項(xiàng)科研項(xiàng)目的完整過程，指導(dǎo)學(xué)生走完科學(xué)研究的全過程，包括開題、查閱資料、提出方案、實(shí)驗(yàn)論證、撰寫技術(shù)報告等所有環(huán)節(jié)。在這一過程中，資料調(diào)研、提出方案、開展實(shí)驗(yàn)、撰寫論文等環(huán)節(jié)均需要學(xué)生自主學(xué)習(xí)。通過自主學(xué)習(xí)的不斷強(qiáng)化，學(xué)生逐步獲得終身學(xué)習(xí)的能力。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生獨(dú)立或分組完成具有創(chuàng)新性的人工智能系統(tǒng)，完成從模仿創(chuàng)新到獨(dú)立創(chuàng)新的轉(zhuǎn)變，從而培養(yǎng)其創(chuàng)新意識、思維與實(shí)踐能力。在此過程中，“導(dǎo)師+助教”形式的科研團(tuán)隊(duì)緊密跟蹤整個科研過程，在每個環(huán)節(jié)中進(jìn)行細(xì)致的指導(dǎo)與督促，確保學(xué)生能順利完成整個過程，得到系統(tǒng)和充分的科研訓(xùn)練。比如，學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)器博弈算法時，教師引導(dǎo)學(xué)生思考AlphaGo系統(tǒng)所存在的不足，學(xué)生認(rèn)識到該系統(tǒng)具有強(qiáng)大的機(jī)器博弈能力，但缺少自主行為能力，需要依靠人來幫助其觀察棋局和執(zhí)行動作。于是，某小組在此基礎(chǔ)上開展自主博弈機(jī)器人的研究。在上述創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)過程中，學(xué)生增加攝像頭、機(jī)械臂以及相應(yīng)人工智能算法，完成了可自主下棋的機(jī)器人系統(tǒng)。后續(xù)又有其他學(xué)生在學(xué)習(xí)了解自主博弈機(jī)器人的構(gòu)成及智能方法后，結(jié)合自身對航天科技的興趣，將其推廣應(yīng)用于火星探測中的建筑物自動搭建，完成了相應(yīng)的科技創(chuàng)新項(xiàng)目。正是這種基礎(chǔ)教學(xué)與創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)的結(jié)合，以及應(yīng)用推廣式創(chuàng)新，使得學(xué)生的創(chuàng)新意識、思維能力、科研能力、成果產(chǎn)出得到了有效提升。三、教學(xué)評價與效果為評價人工智能課程體系是否達(dá)到了培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造力的目標(biāo)，我們基于創(chuàng)造力培養(yǎng)要素，結(jié)合信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)和人工智能技術(shù)要點(diǎn)，將人工智能核心素養(yǎng)劃分為五個維度，分別是智能意識、智社責(zé)任、智算思維、智通思維、智數(shù)學(xué)習(xí)[4]。智能意識是指要具備對人工智能信息和人工智能價值的判斷力，具備主動考慮用人工智能方法解決現(xiàn)實(shí)問題的意識。智社責(zé)任是指要明確人工智能是用來服務(wù)人類的，因此，研究和應(yīng)用人工智能需要符合道德規(guī)范和法律法規(guī)的約束。這二者共同對應(yīng)于人工智能創(chuàng)新意識。智算思維是指利用人工智能的基本概念和方式方法等組成的知識體系，進(jìn)行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類行為理解等涵蓋人工智能科學(xué)廣度的一系列思維活動，對應(yīng)于人工智能創(chuàng)新思維。智通思維是指學(xué)生具備將所學(xué)人工智能知識融會貫通的能力，將知識節(jié)點(diǎn)鏈接在一起，有效探索上位知識點(diǎn)和下位知識點(diǎn)，形成利用人工智能思維解決問題的方式和方法，對應(yīng)于人工智能跨學(xué)科知識整合能力與實(shí)踐能力。智數(shù)學(xué)習(xí)是利用人工智能與數(shù)字化資源相融合的方法完成學(xué)習(xí)和探究，實(shí)現(xiàn)更高效的學(xué)習(xí)，對應(yīng)于自主學(xué)習(xí)與終身學(xué)習(xí)能力。在此基礎(chǔ)上，我們研制了十級人工智能核心素養(yǎng)測評體系（見表3），分別設(shè)計(jì)了相應(yīng)的測試題目（包括筆試題目與動手操作題目），并根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)階段，確定對應(yīng)評測等級，從相應(yīng)等級題庫中抽取筆試題目與動手操作題目。筆試題采取在線答題的方式，動手操作測試現(xiàn)場進(jìn)行并錄像，最后教師對學(xué)生的筆試題答題情況和現(xiàn)場操作表現(xiàn)進(jìn)行評分。此外，我們在課程實(shí)施中通過觀察、交流、測試等多種方式，及時收集學(xué)生在各個教學(xué)節(jié)點(diǎn)的知識掌握情況、技能熟練程度、學(xué)習(xí)態(tài)度和參與度信息，根據(jù)這些信息評定學(xué)生層級，對學(xué)生進(jìn)行過程性評價。過程性評價結(jié)果有利于教師對學(xué)生進(jìn)行個性化指導(dǎo)，并對教學(xué)內(nèi)容與方式進(jìn)行科學(xué)調(diào)整。我們綜合上述過程性評價（占30%）和人工智能核心素養(yǎng)測評結(jié)果（占70%），全面了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和進(jìn)步情況，并為診斷學(xué)生不足和制訂后續(xù)學(xué)習(xí)方案提供可靠參考?？偨Y(jié)六年多的學(xué)生學(xué)習(xí)成果來看，通過翱翔計(jì)劃專業(yè)拓展人工智能課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生的創(chuàng)造力得到了有效提升。他們從最初對人工智能的模糊認(rèn)知，發(fā)展到能夠運(yùn)用人工智能思維方式觀察學(xué)習(xí)和生活，主動探索有趣的創(chuàng)新應(yīng)用，并獨(dú)立完成從選題到方案實(shí)現(xiàn)，再到實(shí)驗(yàn)以及撰寫論文和匯報講演的全過程。學(xué)生的創(chuàng)新作品參加各級各類科技活動與競賽，取得了優(yōu)異成績，如全國青少年信息學(xué)奧林匹克聯(lián)賽一等獎、全國青少年科技創(chuàng)新大賽一等獎、“明天小小科學(xué)家”一等獎、國際青少年人工智能交流展示會特等獎等。若干