人工智能時代中小學生智能素養框架構建及其培養機制探討

侯賀中 王永固

摘 要：本文首先梳理了國內外智能素養和人工智能課程的研究進展，在此基礎上從意識、態度、知識、技能、思維、創新、倫理等七個維度構建了中小學生智能素養框架，并將其分為初級、中級、高級三個階段，針對不同階段的智能素養做了詳細的分析和說明，最后從國家、企業、學校三個層面提出智能素養培養機制的構建路徑。

關鍵詞：智能素養;人工智能;人工智能課程;中小學生

中圖分類號：G434文獻標志碼：A文章編號：2096-0069（2020）06-0050-06

收稿日期：2020-06-08

基金項目：2019年浙江工業大學校級科研項目“面向智能經濟的AI+創客空間構建與服務創新”（20190108）

作者簡介：侯賀中（1993— ），男，山東滕州人，碩士研究生，研究方向為創客教育、信息技術教育;王永固（1976— ），男，山東日照人，博士，教授，碩士生導師，研究方向為學習科學與技術、互聯網+教育教學創新。

引言

近年來，隨著大數據、云計算以及機器學習算法的發展，人工智能有了顯著的進步。但人工智能的發展意味著在未來依靠簡單重復勞動的職業將被機器所替代，這勢必會對人才培養和就業造成影響。為了讓學生更好地適應人工智能時代，學校有必要開設人工智能課程培養學生的智能素養。2017年7月國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》中指出，要“在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育”[1];2018年4月教育部印發的《教育信息化2.0行動計劃》中提到“充實適應信息時代、智能時代發展需要的人工智能和編程課程內容”[2]。國家多次強調推廣人工智能教育和編程教育足以表明開設人工智能課程、培養學生智能素養是發展人工智能的重要手段。

一、國內外智能素養研究進展

（一）國內智能素養研究進展

目前國內關于智能素養的研究并不多，不同學者對智能素養的概念和構成有著不同的理解。汪明認為智能素養是確保學生適應并超越人工智能時代的基本素養，基于信息素養，他將智能素養定位為集智能知識、智能能力、智能情意與智能倫理于一體的多維復合結構體[3]。趙飛龍等人把智能素養看作是科學素養的重要組成部分，認為培養學生智能素養的核心目標在于培養學生人工智能的鑒賞力、理解力和應用力[4]。作為基礎教育人工智能教育的目標之一，智能素養逐漸成為人們適應人工智能時代基本的綜合素養，對于如何培養智能素養，周邵錦等人將其概括為培養開放包容的智能態度、迅速掌握各種輕型智能工具、運用人工智能學科思維解決現實問題三個階段[5]。可以看出正確的智能態度、豐富的智能知識、熟練的智能技能是智能素養的重要組成部分。

（二）國外智能素養研究進展

人工智能時代的到來讓國外的研究者和教育者也逐漸意識到未來智能素養對于勞動者立足于社會具有重要的意義。龐塞從未來工作崗位要求的角度出發，將智能素養概括為計算機素養、理解力、數據處理能力、人工智能問題解決能力、邏輯能力、計算思維的集合[6]。相對于智能素養這個概念，國外更多地將人工智能時代所必須具備的技能、思維、知識等看作是信息素養的一部分。2019年3月聯合國教科文組織（UNESCO）發布了《教育中的人工智能：可持續發展的挑戰和機遇》，其中提到計算思維已經成為學習者在人工智能時代必須掌握的關鍵能力之一，并將其列入數字化能力框架;萊昂斯等人在21世紀必須掌握的數字化技能中提到了計算思維與編程、人工智能、大數據與預測分析、云計算、機器學習等前沿技術[7]。與國內學者的觀點相比，國外學者更加看重技能的掌握和思維的形成，注重培養編程能力和計算思維。

（三）國內外人工智能課程解析

1.國內人工智能課程解析

2003年我國就在《普通高中技術課程標準（實驗）》中提到了把“人工智能初步”列入信息技術科目的選修模塊中，最近幾年人工智能教育更加引起教育部門和學者的重視。2017年，北京市海淀區率先開設了人工智能課程，并制定了小學、初中、高中三級培養目標框架和相應的課程內容[8];2018年4月華東師范大學聯合商湯科技編寫出國內第一本高中人工智能教材;2018年7月西北師范大學和科大訊飛共同發布了全球首本初中版人工智能教材。但是由于缺少統一的人工智能課程標準，學者們對于人工智能教育的目標和內容眾說紛紜。王本陸等人結合人工智能的特點和未來職業的發展趨勢，指出創造力、人文素養和計算思維將成為人工智能時代人才所需的核心能力[9]，但是人工智能的實現是以編程為基礎的，人工智能教育應該更加注重編程能力的培養。陳凱泉等人把人工智能教育目標定位于培養學生的編程能力與計算思維、讓學生了解人工智能技術、能運用人工智能解決簡單的實際問題[10];艾倫同樣認為中小學人工智能教育目標應該是培養學生在人工智能程序設計方面的技能[11]。在課程內容方面，國內很多學者都提議把人工智能課程分為小學、初中、高中三個層次，讓學生接受系統的人工智能教育。

2.國外人工智能課程解析

日本自2016年就開始展開人工智能教育，目標是幫助兒童建立這個時代需要的“人工智能思維”，對于“人工智能思維”這個概念，斯坦福大學的蔣里博士認為它有三大核心，分別是讓孩子了解、掌握人工智能的基本原理，讓孩子擁有區分人的智能和人工智能的能力，以及培養孩子與人工智能協作的能力[12]。卡耐基梅隆大學的圖雷茨基（Touretzky）教授曾提出學生必須知道的五個人工智能大概念：計算機利用傳感器感知世界、智能體用模型進行推理、計算機能從數據中學習、讓智能體與人類舒服地交互是一個大挑戰、人工智能是一把雙刃劍，根據這五大概念他開發了人工智能課程，該課程使用Cozmo機器人來培養學生的智能素養[13]。而在歐洲，芬蘭、瑞典等國也在大學的支持下開展面向全民的人工智能教育項目，以此來培養學生和勞動者的智能素養。

從以上內容不難看出，目前各國的人工智能教育均有一定的發展，對人工智能課程的目標和內容有不同的看法和理解，但總體來說，課程的內容都把培養人工智能態度和意識、發展人工智能知識和技能、培養相關的思維包括在內，這也為構建智能素養框架提供了思路。

二、智能素養的內涵與框架

（一）智能素養的內涵

從字面意思來看，智能素養和信息素養一樣是對人提出的要求，而人已經具有了智能，因此有學者認為對人提出智能素養或人工智能素養是不準確的[14]。但是從內涵來看，智能素養并不僅僅是要求人具有智能，更重要的是擁有了解智能、應用智能、開發智能的能力。在人工智能時代，人們首先要具有使用人工智能的意識、知曉相關的倫理道德，之后才能進一步學習人工智能知識和技能，進而產生創新想法，所以在構建智能素養時要從多方面全面考慮。

（二）智能素養的框架

從某種程度上來說智能素養與數據素養是類似的，本文參考郝媛玲等人提出的數據素養基本要素[15]，結合人工智能時代人才培養的要求以及人工智能課程的內容，從智能意識、智能態度、智能倫理、智能知識、智能技能、智能思維、智能創新等七個維度構建了智能素養金字塔模型（如圖1所示）。

第一層是意識態度層，包括智能意識、智能態度和智能倫理，這一層是智能素養的基礎，也是人工智能教育的基本要求。在人工智能時代，擁有智能意識是學生形成正確人工智能觀的前提，智能態度和智能倫理是學生正確使用人工智能的保證。

第二層是知識技能層，包括智能知識和智能技能，這一層是智能素養的重要部分，也是人工智能教育的主要內容。智能知識包括人工智能的概念、相關技術、基本原理、發展簡史等，智能技能以利用人工智能解決實際問題、使用編程工具開發人工智能作品為主。

第三層是核心思維層，主要由以計算思維為主的多種思維構成，這一層是智能素養的核心，也是人工智能教育的核心。計算思維是應用計算工具來理解、推理自然系統和人工系統的過程，它包括邏輯思考能力、算法思考能力、遞歸思考能力以及抽象思考能力。人工智能的發展是建立在計算機科學的基礎上的，開發實用的人工智能產品離不開良好的計算思維，所以培養學生的計算思維是發展智能素養的核心環節。

第四層是創新創意層，這一層是智能素養的最高表現形式，是人工智能教育的最終目標。人工智能強大的計算能力和重復勞動能力決定了未來重復勞動和依靠人力計算的崗位將會被人工智能取代，只有那些具有創造性的工作依然由人類掌握，因此培養學生的智能創新能力就顯得至關重要。

目前國內已有的人工智能課程對不同學段的學生有不同的要求，本文在參照這些課程目標的基礎上擺脫了學段的限制，從易到難將智能素養分為初級、中級、高級三個不同的階段（如圖2所示）。

1.初級智能素養

初級智能素養包括智能意識、智能態度、智能倫理、智能知識和智能技能，在這一階段學生不需要培養智能思維和智能創新，主要以感受、了解人工智能為主。具體要求如表1所示。

具備初級智能素養是學生適應人工智能時代的基本保證。人工智能的發展意味著未來會有越來越多的人工智能產品進入人們的生活，如果對人工智能持有懷疑或抵觸的態度、無法熟練使用人工智能產品，將會難以適應迅速發展的人工智能時代。

2.中級智能素養

中級智能素養包括智能意識、智能態度、智能倫理、智能知識、智能技能、智能思維和智能創新。在這一階段，學生要親身體驗人工智能，能利用人工智能解決生活中的簡單問題。具體要求如表2所示。

與初級智能素養相比，中級智能素養的不同之處在于“主動”和“實踐”。“主動”體現在學生要主動了解、體驗新的人工智能產品，關注人工智能發展趨勢和相關安全問題;“實踐”體現在學生要能利用人工智能解決簡單問題，能使用編程工具開發簡單的人工智能作品，能結合人工智能提出創新想法和創新解決方案。

大部分人工智能產品都是各部分相互聯系、相互制約的系統，人工智能的實現也離不開豐富、有意義的數據支持，因此中級智能素養要求學生了解數據對于人工智能的重要性，并且具備系統工程的意識和概念。智能技能的實現需要人工智能知識的支撐，學生在了解人工智能基本概念的基礎上還要了解相關技術的基本原理才能更好地開發人工智能作品、解決學習和生活中的問題。

3.高級智能素養

在高級智能素養階段學生進入到創新層面，要學會利用開放的人工智能API和SDK，通過編程開發實用的人工智能產品來解決學習和生活中的實際問題。具體要求如表3所示。

隨著人工智能的不斷進步，人機協同工作將會越來越普遍，學生必須形成人機協同的意識以應對將要發生的變化。盡管人工智能給人們生活帶來很多便利，但任何事物都有兩面性，學生需要批判性地看待、分析人工智能相關技術和產品，不能盲目崇拜或抵制人工智能。

思維是智能素養的核心，在高級智能素養階段，學生首先要完成從數據意識、系統工程意識向數據思維、系統工程思維的轉變，強化對數據和系統的認識。在知識方面，除了掌握人工智能相關技術的基本原理，學生還需要掌握機器學習的常用算法和應用場景。有了思維和知識作為基礎，開發實用的人工智能產品、提出創新想法和創新解決方案就會更加得心應手。在中級智能素養階段，學生提出解決方案時只要能實現預期功能即可，不需要過多地考慮實現難度、工作效率等問題，而到了高級智能素養階段，學生要把自己看作是一名開發者，選擇最合適最有效的技術來達到預期的功能。

三、中小學生智能素養培養機制的構建路徑

我國人工智能教育起步并不晚，但是與歐美發達國家相比，編程教育和STEM教育的滲透率還遠遠不夠[16]。由于缺少專門的基礎教育人工智能課程標準，目前的課程基本由人工智能教育組織根據自己的理解獨立開發，這也導致了部分人工智能課程的內容不適合基礎教育，但是智能素養的培養不能僅靠企業以及學校教育，更需要國家、學校、企業三方相互配合，因此本文從這三個角度對中小學生智能素養的培養策略進行探討。

（一）國家層面

在國家層面，教育部門要根據實際情況制定適合中小學生認知水平的人工智能課程標準，指導中小學開設相應的人工智能課程。我國在2017年公布了《普通高中信息技術課程標準（2017版）》，其中將“人工智能初步”列為選擇性必修內容，制定了詳細的教學內容標準，這僅僅是在高中階段把人工智能的一部分內容以信息技術課程的形式呈現給學生，并不是一門獨立的課程。在小學和初中階段，學生主要通過課外培訓機構接觸編程或人工智能，但是目前人工智能教育培訓機構良莠不齊，有些為了搶占市場在課程里加入很多本科生都難以理解的內容，沒有遵循中小學生的認知發展規律，因此，國家教育部門有必要從我國國情以及基礎教育的特點出發，制定中小學人工智能課程標準，規范人工智能教育培訓市場。

（二）學校層面

未來人工智能會進一步與生產生活融合，應用、調試、維護人工智能設備將成為學生必備的知識和技能。學校是開展人工智能教育的主要場所，學校在培養學生智能素養時不能僅僅只讓學生了解人工智能相關的理論知識，更重要的是讓學生通過動手操作親身體驗人工智能。對于中小學生來說，具有跨學科、趣味性、體驗性、情境性、協作性、設計性、藝術性、實證性和技術增強性[17]的STEM教育是培養學生智能素養很好的選擇。因此學校應該把人工智能的內容從信息技術課程中分離出來，以創客課程的形式呈現給學生，讓學生通過具體的項目體驗人工智能的魅力。

教師是普及人工智能教育的主要力量。人工智能課程可能會涉及計算機、數學、設計、機械、人文等多門學科的知識，對于絕大部分教師來說掌握大量跨學科的知識和技能并不簡單，因此很多中小學都面臨著STEM教育和人工智能教育師資不足的困境。此外，個別學校人工智能實踐設備的相對不足和人工智能學習平臺的相對缺乏也限制了人工智能教育在中小學的推進。為此，學校有必要加大在人工智能教育方面的投入，購買相關設備和學習資源，組織教師參加人工智能培訓和STEM教育培訓，邀請人工智能領域專家來校開展主題講座。

（三）企業層面

據億歐智庫統計，截至2018年上半年，全球共有4998家人工智能技術企業，其中中國大陸有1040家，位居世界第二[18]。扎實的技術支持能為人工智能教育提供可靠的保障，人工智能企業應該充分發揮自己在技術方面的優勢，與學校合作開發人工智能學習平臺和人工智能教材，彌補在課程開發和教材編寫方面的不足。目前，國內的商湯科技和科大訊飛分別與華東師范大學、西北師范大學合作編寫了高中版、初中版人工智能教材，并開發了配套的人工智能學習平臺;英偉達與美國的ECS（Exploring Computer Science）項目合作開發出高中人工智能拓展課程，同時開發了供學生建立、訓練、測試人工智能系統的學習平臺[19]。校企合作的方式能最大程度地提高智能素養培養的質量，有利于國家人工智能產業的發展。

四、結語

近年來，國家通過多個文件把發展人工智能提升到戰略性的高度。目前學術界對于智能素養的概念尚未有統一的界定，大多數人工智能教育的課程仍處于探索階段，智能素養評價標準框架尚需進一步完善，未來很多問題還有待進一步研究。

[1]國務院.國務院關于印發新一代人工智能發展規劃的通知[EB/OL].（2017-07-20）[2020-05-28].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm.

[2]教育部.教育部關于印發《教育信息化2.0行動計劃》的通知[EB/OL].（2018-04-18）[2020-05-28].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201804/t20180425_334188.html.

[3]汪明.基于核心素養的學生智能素養構建及其培育[J].當代教育科學，2018（2）：83-85.

[4]趙飛龍，鐘錕，劉敏.人工智能科普教育探究：以初中“語音合成”課為例[J].現代教育技術，2018，28（5）：5-11.

[5]周邵錦，王帆.K-12人工智能教育的邏輯思考：學生智慧生成之路：兼論K-12人工智能教材[J].現代教育技術，2019，29（4）：12-18.

[6]AIDA P.Artificial Intelligence：A Game Changer for the World of Work[J].SSRN Electronic Journal（S1819-2408），2018（6）：1-11.

[7]LYONS A，KASS-HAMA J，ZUCCHETTI A，et al.Leaving No One Behind：Measuring the Multidimensionality of Digital Literacy in the Age of AI and other Transformative Technologies[R].Japan：Think Japan，2019.

[8]馬濤，趙峰，王有學，等.海淀區中小學人工智能教育發展之路[J].中國電化教育，2019（5）：128-132.

[9]王本陸，千京龍，盧億雷，等.簡論中小學人工智能課程的建構[J].教育研究與實驗，2018（4）：37-43.

[10]陳凱泉，何瑤，仲國強.人工智能視域下的信息素養內涵轉型及AI教育目標定位：兼論基礎教育階段AI課程與教學實施路徑[J].遠程教育雜志，2018，36（1）：61-71.

[11]艾倫.中小學人工智能課程定位分析[J].中國現代教育裝備，2017（20）：1-5.

[12]環球網.斯坦福蔣里博士談未來教育：人工智能既是機遇也是挑戰[EB/OL].（2019-05-27）[2020-05-28].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1634681928423936393&wfr=spider&for=pc.

[13]MARTINES J.Pennsylvania Middle Schoolers to Start AI Curriculum This Fall[EB/OL].（2018-07-27）[2020-05-28].https：//www.govtech.com/education/k-12/Pennsylvania-Middle-Schoolers-to-Start-AI-Curriculum-This-Fall.html.

[14]艾倫.做智能化社會的合格公民：探討智能化時代人工智能教育的核心素養[J].中國現代教育裝備，2018（8）：1-14.

[15]郝媛玲，沈婷婷.數據素養及其培養機制的構建與策略思考[J].情報理論與實踐，2016，39（1）：58-63.

[16]王延平.“現狀、目標、方法”談人工智能k12學科教育[EB/OL].（2018-12-07）[2020-05-28]. http：//www.sohu.com/a/280319930_587438.

[17]余勝泉，胡翔.STEM教育理念與跨學科整合模式[J].開放教育研究，2015，21（4）：13-22.

[18]億歐智庫. 2019全球人工智能教育行業研究報告[DB/OL].（2019-10-03）[2020-05-28].https：//www.iyiou.com/intelligence/download？id=645.

[19]ECS.Artificial Intelligence Alternate Curriculum Unit[DB/OL].（2019-10-03）[2020-05-28].http：//www.exploringcs.org/wp-content/uploads/2019/09/AI-Unit-9-16-19.pdf.

（責任編輯 孫震華）