人工智能技術在基礎教育中的應用

郭瑾 佟安然 高偉

摘 要：為提高我國未來人才競爭力，需從基礎教育階段培養學生人工智能技術素養。通過解讀2013-2019年《地平線報告（基礎教育版）》，分析人工智能相關問題和發展趨勢，提出與人工智能相結合的教學方式及教師和學生培養方向，以期強化人工智能技術在基礎教育中的應用深度。

關鍵詞：人工智能;基礎教育;《地平線報告》;教育技術

0 引言

從1956年人工智能學科被正式提出以來，人工智能（Artificial Intelligence，AI）至今已有60多年的歷史，作為計算機科學分支，人工智能是研究人員和學者十分關注的前沿學科。人工智能研究成果包含圖像識別、語言處理、情景感知、專家系統等多個方面[1]。

隨著信息社會的進步與發展，人工智能在日常生活中發揮著越來越重要的作用，只有充分利用技術才能在未來信息社會占據更大優勢。我國從基礎階段培養信息社會人才，致力于將學生培養成為未來發展的中堅力量。本文結合《地平線報告（基礎教育版）》，分析人工智能技術在基礎教育中教與學的方式，以期提升我國教育競爭力。

自2004年開始，新媒體聯盟（New Media Consortium，NMC）一直致力于文化教育等方面的發展趨勢評估，報告從關鍵趨勢、重要挑戰以及關鍵技術三大方面進行闡述[2]，旨在判斷影響全球教育的新興技術發展趨勢及對各級各類教育機構在教學方面的影響，并作出相應規劃。

面對人工智能帶來的挑戰和機遇，如何在教育中應用人工智能已引起密切關注。美國是信息技術起步比較早的國家，對中小學教育給予了極大重視[3]。2018年秋季開始，美國匹茲堡蒙托學區推出一個新的人工智能項目，使學生能夠更好地體驗人工智能。部分中學也開設了人工智能課程，如佛吉尼亞州的一所縣公立中學開設了人工智能課程，但考慮到課程難度，只作為選修課對部分學生開設。2005年英國蘇格蘭中學將人工智能作為選修模塊，目的是培養學生對知識分類、知識搜索方法以及專家系統等知識的理解和掌握[4]。我國也在2018年與2019年先后出臺了人工智能高中版與初中版教材，著眼于培養具有科學精神的新時代學生[5]。

國外人工智能研究主要以學生為中心，以學習者學習行為為主要方向，且校間合作、校企合作較為常見。我國以教學設計為原則，研究怎樣將人工智能與教育深度融合[6]。本文基于《地平線報告》中人工智能技術的分析，并與我國當前基礎教育相結合，在應用技術與培養方面提出建議，對報告中提及的挑戰與技術進行深層次應用分析，以增強我國人工智能教育完整性，提升學生素質。

1 《地平線報告》研究

1.1 研究方法與步驟

本研究采用系統和定量的內容分析法，對基礎教育版《地平線報告（2013-2017）》中預測的關鍵趨勢、重要技術以及重大挑戰進行客觀系統的分析。內容分析法具有系統性、客觀性和定量性3個特征，本文在熟悉相關文獻的基礎上進行分析，進行層層推理。

本文研究步驟包括：

（1）選擇研究樣本。《地平線報告》包括基礎教育版和高等教育版兩個版本，自出版以來已成為國際教育信息化發展風向標，我國自2011年起就對《地平線報告》進行學習研究，引起了我國教育界廣泛關注。由于2018年的《地平線報告（基礎教育版）》并未如期出版，本文選擇新媒體聯盟2013-2017年連續發布的5期報告作為樣本，并結合2019年美國學校網絡聯合會（Consortium for School Networking，CoSN）出版的《基礎教育創新驅動力報告》，這是繼承《地平線報告（基礎教育版）》理念與方法發布的最新版本報告，該報告分為3個專題，分別為趨勢篇、挑戰篇和技術驅動篇[7]。

（2）確定分析單元。每年的報告均包括關鍵趨勢、重要挑戰及關鍵技術3個主要單元，且每單元內容數目固定，將報告中每個單元涉及的6個關鍵趨勢、6項不同階段的挑戰、6個技術按時間段進行分類。

（3）歸納分析單元。在認真閱讀報告的基礎上，總結每年報告中的關鍵技術、重要挑戰與重要趨勢，結合上一步驟確定的單元，將內容歸納整理到表格中。

1.2 關鍵技術進展

通過對2013-2017年《地平線報告（基礎教育版）》和2019年《基礎教育創新驅動力報告（趨勢篇）》的關鍵趨勢進行整理，獲得6年間關鍵趨勢，如表1所示。

2013-2017年的關鍵趨勢是按照遠期、中期和近期的方式進行劃分的，2019年的關鍵趨勢并未按照遠期、中期和近期的方式劃分，而是將總體創新趨勢的前5名排列出來。從表中可看出，近幾年的關鍵趨勢如學習創造者、STEAM學習、個性化發展等多以學生為中心[8]，但對于教育者而言，學習者（即創造者）個性化發展等趨勢也可為教育者帶來發展機遇，教育者可以以這些反映未來社會發展的趨勢為出發點對教育教學進行討論和應用。

通過對2013-2017年《地平線報告（基礎教育版）》與2019年《基礎教育創新驅動力報告（挑戰篇）》[9]的整理，獲得6年間挑戰和技術方面的縱向對比，如表2所示。

2013-2017年的挑戰是按照可應對的挑戰、有難度的挑戰和嚴峻的挑戰3個維度進行劃分的，2019年給予挑戰難易度系數，可以更加明顯地看出各類挑戰的難度。2019年的挑戰雖然在表述方式上有所差別，但總體內涵相似，教師專業發展與教師教育[10]、推動正規教育與時俱進、數字化公平、推廣教學創新和領導變革持續創新分別對應的新表述如表3所示。

2019年《基礎教育創新驅動力報告（技術驅動篇）》尚未出版。2013-2017年5年間《地平線報告（基礎教育版）》技術進展對比如表4所示。

從表中可以發現，未來幾年的技術方向在人工智能方面占據很大的比例[11]，如3D打印、可穿戴技術、2017年的分析技術、虛擬現實、物聯網等技術均與人工智能有關[12]。

2 《地平線報告》啟示與作用

“人工智能”從字面表述來看可以分為“人工”和“智能”兩部分，“人工”按字面意思可以理解為人類能制造的;“智能”有多方面的含義，包括意識、思維等。高等教育領域采用的熱點技術多為移動學習，包括移動學習平臺管理、與課堂的融合等[13]，但對于基礎教育階段學生而言，由于學生自控能力還不強，在課堂中使用移動設備進行學習存在一定的不可實現性。基于此，本文通過分析發現，可以從教育方式、人工智能技術應用、學生與教師培養等3個方面改善我國基礎教育階段教學。

2.1 教育方式與人工智能技術的應用

2.1.1 教育方式

根據表2提到的種種挑戰，我國基礎教育應采取正式學習與非正式學習相融合的模式，并在擴大與保持學生創新思維與創新性的同時，讓學生了解數字公平。

（1）正式學習與非正式學習相融合的教學模式。正式學習主要指在學校經歷的學歷教育和參加工作后的繼續教育;非正式學習指在非正式的時間和地點發生的，通過非教學性質的社會交往傳遞和滲透知識，由學習者自我發起、自我調控、自我負責的學習。可以通過翻轉課堂等方式將兩種學習方式相融合，讓學生在正式學習場所學到的知識在非正式學習場所中得到鞏固和提升，目前面對基礎教育階段的許多研究仍處于教師層次，但也有少部分面向學生的研究，說明教學模式具有可行性。兩種教學模式相結合不但可以改善傳統課堂高付出、低效率的問題，而且可以增強學生學習興趣，加快學習速度。

（2）擴大與保持創新的同時推進數字公平。2019年《基礎教育創新驅動力報告（挑戰篇）》中擴大與保持創新這一挑戰的難度系數最高，將技術遷移到跨學區及大環境中的挑戰，需要學校靈活組織、改善并提升策略和思維方式，提升學生創新能力，促進創新。澳大利亞將學生的好奇心放在首位，通過科學課程激發學生好奇心，以悅趣化的方式幫助學生理解計算機科學世界[14]。學生只有在不斷接觸新事物的過程中才會產生天馬行空的問題和想法，推進數字公平，讓學生更廣泛地接觸到新事物與新知識，以學生為中心，讓學生自行解決問題，提升在真實世界動手操作能力和創新意識，更好地迎接未來社會發展帶來的挑戰。

2.1.2 人工智能技術

在探究人工智能的同時應該回歸教育本身，強調做好技術與教育的融合研究。為使人工智能與教育更好地契合，可以在學校教學中讓學生接觸易于理解的人工智能技術，如3D打印、虛擬現實、自適應學習等技術均可運用到實踐教學中。雖然3D打印僅在2013年和2015年提到，但自2014年在報告中提出3D打印以來，國際上有多個國家，如美國、英國等國家已將3D打印作為STEM教育中的一項學習內容融合在信息技術課程中進行學習，我國目前也有很多學校將3D打印作為信息課程教學的一個重要內容，或作為校本課程開設。在教學中使用3D打印技術，讓學生以發明者、創造者的身份親自動手操作將作品打印出來，既能夠激發學生的學習興趣，還能夠培養學生動手能力和創新能力。

虛擬現實（Virtual Reality，VR）在2016、2017年被連續提到，與虛擬現實技術相關的還有增強現實（Augmented Reality，AR）和混合現實（Augmented Reality，MR）。虛擬現實指在計算機生成的環境中，學生能夠身臨其境地觀察學習;增強現實除虛擬世界外還能看到真實世界，真實感更強，讓學生產生學習興趣。浙江大學計算機科學與技術學院對于增強現實在教學活動中的應用進行了研究，將增強現實技術加入到信息技術課堂教學中。學生作為知識的主動探求者，在增強現實技術下進行參與、交互、傳遞、反饋、發現、強化[15]。通過結合增強現實技術提高學生對信息技術的現實感知能力，讓學生直觀觀察從書本上難以理解的現象，提升學生數字化學習意識。

自適應學習在2015年被認為是2～3年內具有發展潛力的技術，越來越多的學校和教育機構開始關注如何建設與應用自適應學習工具，自適應學習工具不僅促進學生的學習，還可減輕教師負擔、輔助教師了解學生。如美國的Learn Bop工具，致力于分解數學知識，讓學生逐步學習并獨立解決問題;CK-12也是自適應評估系統，涵蓋多門學科，不僅可根據學生對知識的掌握程度設置題目，還能為學生提供形成性診斷報告，針對學生學習情況作出詳細的記錄[16]。多個國家正積極開展自適應研究，我國近十年來自適應學習系統取得了顯著成果，但也存在諸多瓶頸問題，還需及時調整，利用技術檢測每位學生的知識空白點，幫助學生更快更方便地學習知識。

2.2 教師與學生培養方向

（1）培養教師角色與教師專業素養。在基礎教育中進行人工智能技術應用，教師不再是教育教學中的主導者，而應作為引導者幫助學生進行學習，這要求教師具有良好專業素養。2019年教育部發布能力提升工程，目的在于著力推動全國中小學教師（含幼兒園、普通中小學、中等職業學校）提升信息技術應用能力[17]。教師是學生學習的引路人，教師文化素養對學生學習和成長有重要影響。良好的師資隊伍對學生學習有極大幫助作用。

西班牙瓦倫西亞大學對于教師ICT基本模式的研究表明，信息與通信技術（ICT）的整合過程是復雜的，教師在其中起決定性作用[18]。課堂上ICT運用不僅受到教學能力的制約，而且還受到個人專業使用的制約。因此，表現出較強技術和教學能力的教師在其個人專業領域更能頻繁地使用這些資源，并更可能在課堂上與學生一起使用這些教育資源。

（2）培養學生思維與意識。人工智能的諸多技術，對于基礎教育階段的學生而言是一個重在體驗的過程，但這種體驗不是單純的體驗和感知，而是在體驗和感知中培養學生思維[19]。在國外的研究熱點中，“人工智能”作為研究核心，形成被“學生”、“基礎教育”、“孩子”等詞圍繞的結構，其中，“學生”的節點最大，說明國外注重構建以學生為中心的教育。當今社會正處于迅速發展之中，計算思維和數字素養作為近年來的重要挑戰和關鍵技術，被多個國家認為是未來社會應該具備的重要素質之一，因此應該對學生重點培養，為未來發展作好準備。美國麻省理工大學 媒體實驗室從3個維度分析了計算思維包含的要素，分別是計算概念、計算實踐和計算觀念。為了實現計算思維教育，課程內容需包含編程內容，讓學生通過解決實際問題，體驗編程的基本流程等，達到培養計算思維的能力要求。根據調查，美國、英國等國家已在中小學教育中加入編程教育。西班牙國立遠程教育大學對當地4所小學的93名學生進行調查，發現編程學習可以大幅度提高學生對邏輯和數學元素的理解[20]，可見編程學習還有助于學生其它方面的學習，當學生從編程中學習到技能后，可以將能力正遷移到其它課程或生活中。

在小學階段的編程課程中可以使用少兒編程工具，如利用可視化編程語言進行編程教學，有助于幫助學生提高編程能力，在工具的選擇上，教師可以選擇Scratch或MakeCode等作為編程學習工具，使學習者在編程設計中產生創造性學習興趣。如Scratch等進行拖拽方塊的模塊式編程，學生在視覺化的窗口上，通過直觀、趣味化的游戲故事培養學生探索的習慣和創造、表達的意愿，而不是“被編程”，讓學生變得像機器人一樣按照程序指令一步步行動。學生可在學習過程中頻繁接觸計算思維的概念，如分支、循環、事件等，提升系統思考和創新思維能力[21]。基礎階段學生的大腦正處于敏感期，容易培養編程天賦，有利于引導學生由抽象思維轉變成邏輯抽象思維，提升學生合作能力，因此，在基礎教育階段學習編程知識和思想對于學生未來發展大有裨益。對于高年級學生，有能力學習進階編程語言，如Python語言，清晰性和趣味性是Python語言最好的品質，并且適合學生閱讀，以Python作為編程的入門語言，可以讓學生將注意力集中到解決問題的邏輯上。

3 結語

人工智能技術發展十分迅速，學生學習需求呈個性化發展，尤其是基礎教育階段的學生，他們從小接觸網絡，對于網絡充滿好奇，在該階段既應教授學生人工智能知識和技能，還應為學生提供個性化教學、給予學生正確的引導，保證學生健康成長。本文對于最新的研究進展尚未完善，除文中提到的自適應學習、個性化學習等挑戰與技術外，仍有許多方面沒有提及，如芯片、專家系統等諸多硬件與軟件技術需要與基礎教育銜接、融合，怎樣將這些技術加入并融合到基礎教育的課堂教學中是亟待解決的問題，有待進一步探究。

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（責任編輯：江 艷）