義務教育階段開展人工智能教育的現狀分析與思考*

（福州教育研究院，福建 福州 350001）

一、概述

近年來，人工智能在商業、社交、工業、安防等領域的成功應用案例不斷涌現，技術對人類生產、生活的影響顯著，各類特征識別、模式識別、自然語言理解、智能機智人等也日益被大眾了解并走進人們的日常生活、學習，人工智能必將成為引領未來的關鍵技術。

2017年7月8日，國務院印發《新一代人工智能發展規劃》的通知，指出人工智能的發展將深刻改變人類社會生活、改變世界；并提出“廣泛開展人工智能科普活動；在中小學階段設置人工智能相關課程”[1]。2018年7月30日，福建省教育廳印發《福建省教育廳關于義務教育階段學校開展人工智能教育試點工作有關事項的通知》（閩教基〔2018〕56號），文件明確福建省將在義務教育階段學校開展人工智能教育試點，以“促進福建省中小學校人工智能應用和普及水平能穩步提升，讓更多學生能感受體驗到人工智能技術在學習和生活中的廣泛應用，激發學生探索學習人工智能技術的興趣，為培養人工智能人才打下基礎”[2]。各省市也陸續出臺各種政策規劃和實施細則，人工智能教育在中小學，特別是義務教育階段的普及勢在必行。

二、人工智能教育在義務教育階段基本情況

（一）數據分析

人工智能在義務教育階段的教育實踐是一個較新的研究領域，經檢索、查閱中國知網文獻數據，2000年至2019年10月期間，有關人工智能在教育領域的研究論文共有1096篇，其中，提及在中小學階段的研究論文有327篇。在發表年度趨勢圖（如圖1）中，可看出大量的研究[1]論文發表于近兩年，一半以上的文章是2018年以后的。

圖1 發表年度趨勢圖

通過知網對查閱文獻進關鍵詞共現網絡分析，選擇與“人工智能教育”臨近節點的關系分析后，出現詞頻度較高的是“人性化學習”“深度學習”和“教育應用”三個關鍵詞（如圖2）。

圖2 關鍵詞共現網絡分析

從近二十年與人工智能教育有關的研究論文主題中得出的詞云圖（如圖3），呈現出重要的主題為“人工智能”“教育”“學 習 ”“智 能”“ 學習者”“計算機 ”。

圖3 論文主題詞云圖

基于以上數據分析可看出，目前有關“人工智能教育”的論文研究呈現的方向（主題）大部分集中在以下幾個方面：人工智能概念界定及研究領域的介紹、人工智能教育產品的研發、人工智能在教育教學中的應用途徑及前景。鮮見具有可操作性的義務教育階段的實施指導和可借鑒的課程形態介紹。

（二）教學現狀

據統計，至2018年底，國內已有70余所高校開設了與人工智能相關的近90個二級或交叉學科，以期從上位布局并完善人工智能學科建設。

2003年高中技術課程標準（信息技術）明確在高中信息技術學科中實施人工智能內容的教學，其中，在信息技術基礎（必修模塊）安排2-3課時的人工智能基礎知識介紹和基本應用（模式識別類及自然語言識別類）體驗，并設置了《人工智能初步》選修模塊供師生選擇學習。大部分學生可通過基礎模塊中有關人工智能內容學習體驗了解其基本概念和應用價值。而在選修五《人工智能初步》課程中主要介紹了人工智能的概念和特點，知識表達、簡易專家系統和易于高中生掌握的人工智能語言，為部分學生提供進一步學習的方向[3]。2017版的高中信息技術課程標準也在必修一和選擇性必修四設置《人工智能初步》的教學內容[4]。

目前，義務教育階段課程設置中，沒有明確的人工智能學科課程。相關學科如小學的科學、綜合實踐課程（信息技術）中均未有系統的人工智能教學規劃，近期出臺的福建省、山東省相關文件中，大部分均以“試點”的形式推動人工智能教育的普及。2018年國內出版發行的與人工智能相關的中小學讀本、教材十幾種。2019年1月19日，教育部教育裝備與發展中心與五地（北京、武漢、廣州、深圳、西安）教科院所聯合發布中小學人工智能教育裝備、課程指南（3-8年級）、學生用書（3-8年級）等項目研究成果。在政策支持、技術支撐的大好形式下，預計2019年各類人工智能的研究項目和發行物將大量涌現，教育實踐將得以有效實行。

但從查閱到的資料和筆者所在地區目前實踐情況來看，義務教育階段如何有效開展人工智能教育教學存在以下幾個現實問題。

1.師資方面

人工智能是一門前沿交叉學科，近年來其核心技術的更新迭代非常迅速。義務教育階段以往從未開設，目前也并沒有正式設置人工智能學科課程，其兩個相近學科（科目）為小學的科學及綜合實踐活動課程中設計與制作活動下的信息技術，這兩個學科（科目）的教師絕大部分還不具備人工智能教學經驗，且即便教師受過教育技術（信息技術）或計算機等相似專業的高等教育，其人工智能方面的知識儲備仍不足以支撐其開展具體的教學或研究工作。

2.內容選擇

百度百科描述人工智能是“研究、開發、模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新的技術科學”。人工智能是利用數字計算機或者數字計算機控制的機器模擬、延伸和擴展人的智能，感知環境、獲取知識并使用知識獲得最佳結果的理論、方法、技術及應用系統[5]。從以上兩個人工智能定義可看出，人工智能涉及多方面的知識，包含眾多領域。目前，常見人工智能應用的關鍵技術有生物特征識別、計算機視覺、自然語言處理、人機交互、機器學習等。2003年版高中信息技術必修模塊對人工智能教學要求定位在對智能信息處理工具軟件的體驗及了解其基本原理層面，在選修模塊的知識框架僅包含“知識及其表達、推理與專家系統、人工智能語言與問題求解”三個主題，與現今的發展有一定差距。人工智能技術內涵和外延的發展迅速，新一代的人工智能研發重點是提升感知識別、知識計算、認識推理、運動執行和人機交互等能力。2017版高中信息技術課程標準提升了對人工智能的認知和體驗要求。新一代人工智能的概念、理論及技術對于義務教育階段如何把握其深度和廣度也是實施教育教學難點之一。

3.課時安排

在義務教育階段，人工智能不是國家單列課程。在國家課程安排方案中，2017年印發的《義務教育階段小學科學課程標準》將開課年級從之前的小學三年級提前到小學一年級，原則上在一、二年級每周不少于1課時，三至六年級仍為每周2課時[6]，2017年印發的《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》包含四個主要活動方式，信息技術屬“設計制作”活動中的一個方向，新綱要在課時安排中指明綜合實踐活動課程在小學一、二年級平均每周不少于1課時[7]；小學三至六年級和初中，平均每周不少于2課時。在《福建省初中綜合實踐活動課程教學與考試指導意見》要求初中階段綜合實踐活動課程的課時數平均每周不少于2課時，課時總數不少于216課時，其中，設計與制作主題活動中的信息技術部分應在八年級上學期完成教學內容，其課時數不少于40課時，綜合實踐活動的四種活動方式在開足規定課時總數的情況下，學校可根據學生活動主題需要，靈活調整、合理安排。目前，福州地區信息技術教學，小學階段三年級至六年級每周一課時，初中階段七年級至八年級每周一課時。兩個科目的課時安排中均沒有明確開展人工智能教育的可用課時數。

另外，在人工智能相應教學設施及實踐環境配備上也沒有可借鑒的可行方案。以上因素對在義務教育階段全面推動、實施人工智能教育均會造成一定影響。

三、義務教育階段開展人工智能教育的幾點思考

義務教育階段能得以有效實施人工智能教育首先需要明確各階段基本的學習目標，結合人工智能具體內容和技術應用，以較可行的課程形態開展教學活動。下面筆者將從這個兩方面論述個人觀點。

（一）義務教育階段的學習目標界定

在我國，目前義務教育階段是指從小學入學到初中畢業的九個年級，一般一至六年級屬小學階段，七至九年級屬初中階段。根據學生的認知特點及現行科學、信息技術兩門課程的教學現狀，可將義務教育階段實施人工智能教育分為三個階段，每個階段的基本學習目標做層級遞進規劃（如表1）。

表1 義務教育階段學習目標規劃

義務教育階段學生認知基礎和思維發展并不完善，因此，在實施人工智能教育時總目標不應設定過高。義務教育階段的人工智能教育重在促進學生了解，認知基本的人工智能概念和應用范疇，明白人工智能技術的基本工作原理和發展方向，會使用模塊化的編程工具體驗、實現簡單的人工智能應用設計，提升學生學習能力和思維品質，以適應未來社會的發展。

一、二年級的學生剛開始認知世界，學習可塑性較強，易接受直觀、具體、形象思維，這個階段重點可放在學習習慣及學習興趣的培養。針對人工智能教育的內容設計，可側重于用形象、生動的方式呈現身邊的人工智能，幫助學生初步了解人工智能是什么？人工智能能做什么？不能做什么？

三至六年級的學生具備一定的抽象及邏輯思維能力，有主動學習的意愿，能發現并嘗試解決問題，可提供一些人工智能方面的實踐體驗活動，加深學生對人工智能概念及應用領域的了解，并可通過簡單問題的解決，感受人工智能技術，在活動中讓學生思考未來的人工智能可能是什么？培養學生問題意識和創新思維。

七、八年級的學生能理解一些抽象的概念，具備一定的知識歸納能力，可通過觀察進行知識概括，本階段可結合具體實例進行分析，利用思維工具呈現問題解決思路，并可嘗試用編程語言，實現簡單的人工智能應用體驗，了解人工智能的基本工作原理。

人工智能技術的發展對人類社會的產生影響存在雙面性，因此，各階段規劃中，應有意識的在教育教學中滲透安全、倫理及法律意識，以幫助學生樹立正確的技術觀和道德觀。

（二）目前幾種可行性課程形態

在義務教育階段，沒有獨立的人工智能課程，短期之內以獨立課程形態出現的可能性也不大。依照國家義務教育階段的課程設置，除國家統一課程外，地方與學校課程占有一定的課時量，另結合目前學校教學實際，筆者認為以下面三種形態來開展人工智能教育或較可行。

1.校本課程

充分利用地方與學校課程課時，學校教研團隊自主開發與人工智能主題相關的課程，形成系列化的課程體系，由教師團隊確定教學目標并進行相應課程實施與評估。可根據學情，從人工智能研究的基本領域出發，結合學校及教師資源，逐步架構課程體系、完善課程內容和教學資源。必要時可與校外企業聯合，建立課程研發、實施及管理團隊，形成具有學校特色校本教學、教研模式，促進校本課程的有效實施。以校本課程形式開展人工智能教育，有一定的課時保證，且教學經過統籌規劃，相關人工智能教育內容可相對完整。

2.項目課程

在綜合實踐活動主題或小學科學學科課程教學中，開展人工智能項目式學習也是一種可行的實施模式。項目可用人工智能的一個研究領域或關鍵技術來進行教學單元設計，或是用一個主題情境連接多個相關的人工智能應用。也可結合綜合實踐活動中的考察探究、設計制作等活動的主題內容，融入人工智能教育內容，引導學生了解人工智能相關理論和技術。項目亦可圍繞人工智能，以時下熱門的創客或STEAM融合課程為設計理念來展開。項目課程因課時安排有限，所以，建議在實施時充分利用信息技術手段，為學生搭建拓展學習和體驗的數字化資源，為學生個性化學習提供支持。

3.活動課程

活動課程即師生利用課余時間（下午第四節課、中午或周末），不占用國家課程的課時，整合學校與教師等資源開設的專題實踐活動。活動課程課時安排應為學校、教師和學生三方協調統一，以興趣小組等形式開展相應的學習、實踐活動。另外，活動課程可結合一些相關的學生競賽項目，例如面向中小學生全國性競賽中的科技創新類比賽：青少年科技創新大賽、青少年機器人競賽、青少年創意編程與智能設計大賽、青少年人工智能創新挑戰賽、青少年電子信息智能創新大賽、中小學信息技術創新與實踐大賽等。基于某個具體的賽事來帶動學生學習人工智能技術，體驗人工智能應用。

義務教育階段人工智能教育教學中理論知識的介紹應貼近時代變化的趨勢，實踐部分可充分利用四大公司（百度、阿里云、騰訊、科大訊飛）建構的國家級新一代人工智能開放平臺來開展體驗活動。上述三種課程形態，可從不同層面促進人工智能教育在義務教育階段的實施，不論是相對系統化的校本課程教學還是有所側重的項目及活動課程學習，對學生感受、體驗并探究人工智能相關知識、技術領域，適應未來社會發展都應是有效的嘗試。