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編譯：方瑩 東南大學(xué)腦與學(xué)習(xí)科學(xué)系

研究生導(dǎo)師：柏毅

作者：Seonghun Kim, Yeonju Jang, Seongyune Choi, Woojin Kim, Heeseok Jung, Soohwan Kim, Hyeoncheol Kim

        人工智能(AI)技術(shù)與社會功能緊密結(jié)合，并且由于人工智能的性質(zhì)，在教學(xué)過程中使用教育技術(shù)對傳授學(xué)生的主題至關(guān)重要。技術(shù)教學(xué)內(nèi)容知識(TPACK)框架被廣泛用于確定教師如何將技術(shù)融入他們的教學(xué)方法。TPACK框架概念化了教師在教學(xué)中整合技術(shù)所需的能力和知識。

        這項工作調(diào)查了使用TPACK框架的技術(shù)有效地教授人工智能所需的教師能力。首先，我們分析了美國、中國、印度、澳大利亞和韓國現(xiàn)有的人工智能課程和學(xué)習(xí)資源，確定了K-12學(xué)生應(yīng)該學(xué)習(xí)的人工智能的一般基礎(chǔ)，將其設(shè)置為TPACK的學(xué)科知識(CK)。然后，我們分析現(xiàn)有的人工智能學(xué)習(xí)工具和學(xué)習(xí)活動，以識別教學(xué)知識(PK)和技術(shù)知識(TK)。

        美國國家科學(xué)基金會(NSF)發(fā)起倡議，支持建立K-12人工智能教育國家指南。明確了人工智能五大理念：感知、表象和推理、學(xué)習(xí)、自然互動、社會影響。2017年7月，中國發(fā)布了《國家發(fā)展人工智能新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》。該計劃規(guī)定，通過開設(shè)人工智能相關(guān)課程、推廣編程教育、開發(fā)教育編程軟件等方式，支持中小學(xué)的人工智能教育。印度中央中學(xué)教育委員會在2019-20學(xué)年為8 - 11年級學(xué)生構(gòu)建了一門人工智能選修課，作為技能教育的一部分。8-9年級的人工智能課程旨在向?qū)W生介紹人工智能，10-11年級的人工智能課程涵蓋了通過人工智能項目周期解決問題、數(shù)據(jù)建模、可視化和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。澳大利亞阿德萊德大學(xué)的計算機科學(xué)教育研究小組(CSER)為教師專業(yè)發(fā)展提供CSER數(shù)字技術(shù)MOOC項目。該項目為中小學(xué)教師開設(shè)了兩門人工智能課堂教學(xué)課程。

        我們研究了幾個韓國教育組織開發(fā)的教育工具、學(xué)習(xí)框架、指導(dǎo)方針、在線講座和學(xué)習(xí)資源。Entry是韓國開發(fā)的一款基于視覺塊的編程工具，用于增強學(xué)生的計算思維。

        韓國科學(xué)創(chuàng)造振興財團(KOFAC)是隸屬于韓國科學(xué)技術(shù)部的準政府機構(gòu)和非營利性機構(gòu)。該基金會旨在促進科學(xué)文化和培養(yǎng)未來的研究人員社區(qū)。KOFAC于2020年2月向公眾發(fā)布了一篇報告。該報告為韓國所有學(xué)校指定了人工智能主題。中小學(xué)生通過以游戲和游戲活動為中心的不插電學(xué)習(xí)命題邏輯的表征方法。小學(xué)生主要使用Entry，中學(xué)生同時使用Entry和Python。韓國信息科學(xué)教育聯(lián)合會是一個以英才教育和終身教育為目的，從小學(xué)到高中的計算機教育激勵和推廣為宗旨的非營利性政府機構(gòu)。韓國信息科學(xué)教育聯(lián)合在2019年發(fā)表了新的K-12計算機科學(xué)教育指南。該指導(dǎo)意見將小學(xué)和初中分為三個階段，高中分為兩個階段。專門從事計算機教育研究和推廣的韓國計算機教師協(xié)會(ATC)開發(fā)并分發(fā)了人工智能(人工智能)教育手冊。該手冊提供了多種編程練習(xí)和活動，以探索人工智能應(yīng)用，如語音識別和視頻識別。

        技術(shù)教學(xué)內(nèi)容知識(TPACK)是一個概念框架，用于確定在教學(xué)中技術(shù)整合所需的教師能力的基本素質(zhì)。TPACK建立并擴展了舒爾曼教學(xué)內(nèi)容知識(PCK)。舒爾曼將教師知識分為學(xué)科知識(CK)、教學(xué)知識(PK)和教學(xué)內(nèi)容知識(PCK)。學(xué)科知識是關(guān)于學(xué)科主題的知識，教學(xué)知識是對內(nèi)容知識的傳遞，而教學(xué)內(nèi)容知識是對主題的表征和組合，使其為他人所理解。在教學(xué)內(nèi)容知識的基礎(chǔ)上，Koehler和Mishra提出了TPACK的概念框架，將技術(shù)知識(TK)作為一個新的維度來回答教師如何將技術(shù)融入教學(xué)。技術(shù)知識是對信息技術(shù)更深層次的理解和掌握。

        TPACK解釋教師如何理解技術(shù)、教學(xué)方法和內(nèi)容，從而產(chǎn)生有效的教學(xué)效果.隨著技術(shù)知識的融入，它引入了學(xué)科知識和教學(xué)知識之間新的交集:學(xué)科技術(shù)知識(TCK)、技術(shù)教學(xué)知識(TPK)，以及最重要的技術(shù)教學(xué)內(nèi)容知識(TPACK)。技術(shù)內(nèi)容知識表示理解技術(shù)和內(nèi)容如何相互模擬，明確地理解技術(shù)如何改變內(nèi)容。技術(shù)教學(xué)知識代表了對利用技術(shù)進行教學(xué)的教學(xué)變革的理解。最后，TPACK是技術(shù)知識、教學(xué)知識和學(xué)科知識的融合，強調(diào)使用技術(shù)的概念和教學(xué)方法，建設(shè)性地使用技術(shù)來教學(xué)內(nèi)容。

        我們采用集體案例研究的方法來了解K-12人工智能教育的教師能力。我們同時研究了世界上可用的人工智能教育資源，以獲得對人工智能教育教師的核心能力的更廣泛的理解。

        本節(jié)利用TPACK框架分析了美國、中國、印度和澳大利亞的人工智能教育資源和工具。我們分析了這些國家每個學(xué)校水平的人工智能資源，并討論了每個國家技術(shù)知識、教學(xué)知識和學(xué)科知識。表1總結(jié)了美國、中國、印度和澳大利亞的AI資源和工具分析。

        各國的人工智能教育資源在小學(xué)和中學(xué)的編程語言和物理計算工具的技術(shù)知識(TK)方面表現(xiàn)出相似性，但在機器學(xué)習(xí)教學(xué)在內(nèi)容難度上存在分歧，每個國家和學(xué)校的教師在編程技能的水平和范圍上存在差距。

        雖然對人工智能教育沒有一個公認的教學(xué)知識(PK)，但人工智能的教學(xué)知識與計算機科學(xué)教育教學(xué)法有相似之處。。美國、中國和澳大利亞的教學(xué)知識強調(diào)以項目為基礎(chǔ)的活動，鼓勵學(xué)生使用人工智能技術(shù)解決問題，而不是對人工智能概念和理論的膚淺理解。

        學(xué)科知識(CK)不同于每個國家的人工智能教育目標和人工智能教育資源的困難程度。美國和澳大利亞要求具備學(xué)科知識水平的人工智能讀寫能力，以提高學(xué)生解決問題的能力，而中國和印度則要求具備學(xué)科知識水平，以培養(yǎng)未來的人工智能專家。所有國家的學(xué)科知識涵蓋了人工智能的主要研究領(lǐng)域，不同國家的學(xué)科知識在機器學(xué)習(xí)主題上都存在一定分歧。

表1 利用TPACK框架分析美國、中國、印度和澳大利亞的AI資源

        我們分析了韓國四家機構(gòu)在TPACK框架下開發(fā)的K-12人工智能教育資源。表2描述了使用TPACK框架組件的資源分類。我們利用韓國的人工智能教育資源，分析教師對每個人工智能的核心競爭力。總之，教K-12人工智能的老師應(yīng)該知道使用Python、Scratch和Entry編程。監(jiān)控一個使用教育編程語言的項目的班級需要對基于項目的學(xué)習(xí)進行教學(xué)知識。此外，發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)的教學(xué)知識也是必要的，教學(xué)生研究有意義的概念，并將其應(yīng)用于實踐的形式。無論年級高低，教師都應(yīng)該對啟發(fā)式搜索算法、知識表示、機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)和人工智能倫理提出要求。

表2 利用TPACK框架分析韓國AI資源

        基于之前對K-12人工智能教育資源的分析，我們提出了TPACK來改進K-12人工智能教育的教學(xué)。表3展示了教師有效地向K-12學(xué)生講授人工智能的全部能力。

        提出的K-12人工智能教育的TPACK是基于對教師知識水平和程度的三個考慮而構(gòu)建的。這些考慮反映了教師對每個年級的人工智能內(nèi)容知識的廣度和深度。我們建立TPACK是為了提高學(xué)生的能力以達到K-12的目標。通過K-12級人工智能教育，我們希望畢業(yè)的學(xué)生能夠輕松理解大學(xué)級別的人工智能課程。因此，我們建議教授人工智能的教師的知識深度要達到人工智能專業(yè)大學(xué)生的水平。

        我們對教師的勝任力進行綜合構(gòu)建，描述了用于K-12人工智能教育的TPACK的每個組成部分和交叉部分。我們將每個教學(xué)知識、學(xué)科知識和技術(shù)知識概念化，并對學(xué)科教學(xué)知識、學(xué)科技術(shù)知識、技術(shù)教學(xué)知識和TPACK進行詳細描述，提出提高K-12人工智能教育所需的教師能力。

        首先，我們認為人工智能教育是計算機科學(xué)教育的教學(xué)知識，因為我們認為人工智能是一種先進的計算機科學(xué)學(xué)科。向K-12年級學(xué)生教授人工智能的教師應(yīng)該做好準備，利用他們對人工智能技術(shù)的理解，讓學(xué)生具備解決問題的技能。除了作為知識的傳授者之外，教師還應(yīng)該扮演輔助者的角色，支持學(xué)生并使其智能化。第二，對K-12學(xué)生講授人工智能的教師要求學(xué)科知識達到人工智能專業(yè)大學(xué)生的水平。第三，教師要求技術(shù)知識利用數(shù)字軟件，如文字處理器、excel、搜索引擎和技術(shù)知識來支持編程環(huán)境。同時，教師應(yīng)該能夠根據(jù)自己的學(xué)科技術(shù)知識選擇適合人工智能教育的教育平臺。

表3 由TPACK提出的K-12人工智能教育教師的勝任能力

        在這項工作中，我們回顧了美國、中國、印度、澳大利亞和韓國當前的人工智能教育資源、指南和課程，并確定了應(yīng)該教給K-12學(xué)生的核心人工智能基礎(chǔ)。然后，我們定義了教師有效教授人工智能需要具備哪些能力。我們采用了TPACK框架，并將人工智能教學(xué)的每個組件概念化。通過對人工智能教育教師能力的分析，我們能夠有效地教授K-12的人工智能學(xué)科，為未來幾代人適應(yīng)人工智能融合的社會做好準備。