中小學人工智能教育：學什么，怎么教

方圓媛 黃旭光

摘要：2018年5月，美國人工智能促進協會聯合美國計算機科學教師協會和卡耐基梅隆大學計算機科學學院啟動了美國K-12人工智能教育行動（AI4K12），制定了K-12人工智能教學指南，開發了教學資源目錄。K-12人工智能教學指南構建了包含5個知識主題的內容框架，設計了各主題的學習內容，按學段制定了分級學習目標，并提供了教學活動建議。教學資源目錄匯集了已有的各種高質量人工智能科普資源，并依據教學功能進行了梳理、分類和標注。作為美國基礎教育領域開展人工智能教育的第一個專業行動，AI4K12為我國中小學人工智能教育的開展提供了諸多啟示，包括：進一步完善中小學信息技術課程標準中有關人工智能部分的標準，在現有基礎上擴展修習學段，豐富課程內容，深化課程層次;依據AI教學目標和AI知識內容特點，選擇并設計教學活動和策略，進一步加強AI教學策略的研究，通過利用現有AI科普資源和開發專門教學用資源的方式建設AI教育資源。

關鍵詞：美國K-12;人工智能;行動

中圖分類號：G434

文獻標識碼：A

一、問題的提出

（一）中小學階段開設人工智能教育的國家政策要求

自上世紀50年代中期人工智能（Arhficial Intelligence，以下簡稱AI）概念正式提出以來，經過60多年的發展和積淀，伴隨著互聯網、大數據、云計算和新型傳感等技術的發展，人工智能正引發可產生鏈式反應的科學突破，催生一批顛覆性技術[1]，對人類社會生產與生活的各個方面產生著深刻的影響。

2017年7月，中共中央、國務院印發《新一代人工智能發展規劃》（以下簡稱“規劃”）。作為搶抓人工智能發展重大戰略機遇，構筑我國人工智能發展先發優勢的重要戰略部署，規劃提出了到2030年我國新一代人工智能發展的指導思想、戰略目標、重點任務和保障措施。在保障措施有關要求中，規劃指出“支持開展形式多樣的人工智能科普活動” “實施全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程”[2]。2018年4月，教育部印發《教育信息化2.0行動計劃》，在“信息素養全面提升行動”中要求“加強學生信息素養培育……完善課程方案和課程標準，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”[3]。

其實在以上兩個文件頒布之前，教育部于2003年4月頒布的《普通高中技術課程標準（實驗）》中已首次在信息技術課程中設立“人工智能初步”選修模塊[4]。在規劃發布后，2018年1月出版的《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》中，則更進一步地將人工智能的內容更充分地融人到信息技術課程中。最新的高中信息技術標準設計了“人工智能初步”（包含人工智能基礎、簡單智能系統開發、AI技術的發展與應用三部分內容）[5]作為高中課程方案選擇性必修模塊，明確制定了課程內容和學業標準，并對教學策略提出建議。

（二）中小學校開展人工智能教育的實踐探索

與形勢發展和政策要求相呼應，國內一些城市已有一批教師和專業人員開始了在中小學引入人工智能教育教學的實踐探索。根據推動力量的不同，這些實踐探索大致可以分為兩類，一類是中小學內部，由學校和教師發展起來的實踐。這一類實踐又可細分為兩種。一種是在STEM或創客課程中引人人工智能的內容。比如：北京第二外國語學院附屬中學將人工智能的元素和技術引入學校傳統的機器人課程以及機器人社團活動中，在機器人設計、編程開發等過程中滲透人工智能知識的學習與動手實踐[6];此外，北京景山學校和溫州中學也有教師在教學中嘗試尋找編程、機器人等人工智能技術在科學課程與綜合課程中的定位，試圖挖掘人工智能技術帶給綜合課程更大的創造空間[7]。另一種是開設專門的人工智能課程。中國人民大學附屬中學開發了人工智能校本課程體系，從面向全體的常規課普及教育，到部分選修的跨學科實踐應用，再到少數的前沿探究，形成人工智能縱向金字塔分層課程體系[8]。此外，人大附中還開設了全國中等教育領域首個人工智能實驗班，為實驗班研發了“人工智能與關于心智的生物學”等研修課程[9]。北京市海淀區翠微小學、北京市十一學校[10]、華南師范大學附屬中學等也開設了人工智能內容的相關課程。

另一類是中小學外部力量如高校、事業單位、科研院所等推動發展的實踐。比如：北京師范大學課程與教學研究院與有關單位合作，通過組建項目團隊，研發測評系統及AI教學技術平臺，并在全國幾十所中小學校開展教學實踐探索[11]。中央電化教育館組織力量研發了中學（包括初中和高中）人工智能課程與配套數字資源，并在全國17個省（市、自治區）組織了22所實驗校開展課程教學的實驗。

（三）中小學開展人工智能教育的討論和疑問

我國尚未出臺人工智能課程的國家標準，現有的信息技術國家課程標準僅涉及了人工智能的部分內容。同時，各地師資水平、軟硬件環境條件差別較大，隨著實踐的開展，圍繞中小學開展人工智能教育的討論和疑問也越來越多，主要包括以下幾個方面：第一，在教育目標上，小學、初中和高中學段人工智能教育目標的應然狀態是什么，是否要在小學階段引入人工智能的內容或開設專門的課程？有人指出，從全國范圍看， “中小學對人工智能課程價值的認識有待提高”[12]。第二，在學習內容上，人工智能不僅有著非常專業的理論知識，還涉及數學、生物、控制論、信息學等多個學科領域，并劃分為計算機視覺、自然語言處理、數據挖掘等子領域。如何從復雜的知識體系中抽取適合學生學習的內容，并依據課程目標設計不同層次的學習內容？有研究者指出，目前存在“把人工智能課程窄化為編程語言課程”的現象[13];還有人指出，中小學的人工智能教育多為編程教育和機器人教育，編程教育“多停留在指導學生利用程序設計語言完成具體的編程題目。機器人教育，多停留在簡單的實體安裝層次”， “教材大多屬于產品說明書或用戶指南類，缺少對學生思維能力培養的科學引導”[14]。第三，在課程設置的方式上，大部分人都提到了開設專門的人工智能課程，也有人通過分析國家課程標準后提出，小學階段的人工智能技術教學內容可以安排在小學科學課程中，初中階段的人工智能課程可以在綜合實踐活動（占初中課時總數的16%-20%）課程中做出適當安排，高中階段可安排在信息技術和通用技術課程中[15]。第四，在有關資源上，很多人都提到了缺乏專業師資和軟硬件資源。在師資方面，有人指出， “我國中小學人工智能相關內容的教學工作以信息技術教師承擔為主……很多老師的知識理論儲備和計算機操作技能距離專業水平還有一定的差距，專業的人工智能教師比較匱乏”[16];也有人認為， “缺乏具有知識結構和專業素養的教師來執教……沒有接受過專業的培訓，難以掌握課程重難點、教學目標不明確，教學經驗缺乏”[17]。在教學資源方面，有人提出，“除部分發達地區之外，多數地區還沒有與教學相適配的實驗室”[18];有人認為“很多中小學教師拿到教材后，由于沒有好的經驗和做法作為參照，課堂實施存在困難”[19];還有人指出， “人工智能課程不宜采用傳統的‘講授式教學，更適合應用情境化、基于問題、基于案例的教學模式……有較好價值的中學人工智能教育案例研究的成果很有限”[20]。

盡管我國各地教育水平不一，在中小學階段開設人工智能相關課程困難重重，但部分地區已經開始了中小學人工智能教育教學的探索。由于各地、各學校相關的軟硬件條件存在差異，課程實施的類型不同，造成質量參差不齊，在課程目標和內容的制定，課程實施策略的使用和課程資源的選擇和使用等方面還處于摸索階段，亟需有價值的借鑒和參考。

二、美國K-12人工智能教育行動解讀

（一）背景、任務與進展

在美國國家科學基金會的資助下，2018年5月，美國人工智能促進協會（The Association for theAdvancement ofArtificiallntelligence， AAAIO）聯合美國計算機科學教師協會（Computer Science TeachersAssociation，CSTA②）和卡耐基梅隆大學計算機科學學院組成了聯合工作組，啟動了美國K-12人工智能教育行動（AI for K-12 Initiative，以下簡稱AI4Kl2）[21]。該行動有三項任務。第一是為在K-12階段開展人工智能內容的教學制定國家指南。第二是為K-12教師開發一套精心策劃的人工智能資源目錄。第三是推動形成K-12 AI資源的開發社區。卡耐基梅隆大學教授，美國人工智能領域著名研究者大衛·圖雷斯基（David Touretzky）任工作組組長。2019年7月，AAAI在費城發布了K-12人工智能教學指南（K-12 Guidelines for Artificial Intelligence，以下簡稱指南），設計了基礎教育從小學到高中開展人工智能教學的目標與內容。同時發布了AI教學資源目錄（AI Resource Directory），目錄中提供了包括知識點講解視頻、示范軟件和教學活動等類型的資源，以為教師開展教學提供支持。由于這是第一次系統地研究如何在中小學引入AI教學，工作組主要在原有的K-12國家計算機科學課程標準的基礎上開展“指南”研制工作，并進行了細致充分的論證。

（二）指南內容概覽

在美國，各州K-12階段開設人工智能課程的情況不盡相同。有的州將人工智能作為計算機科學課程的一個部分，有的州開設了單獨的人工智能課程作為選修課。作為對美國中小學開展人工智能內容教學的專業指導， “指南”在闡述中小學階段學習人工智能意義的基礎上，設計規劃了中小學生需要掌握的人工智能知識以及各學段不同層次的學習目標。

1.中小學階段學習人工智能的意義

AAAI認為，人工智能在當今人類社會已經扮演了非常卓越而顯著的角色。對于孩子們而言，他們生活的世界里隨處可見人工智能的產品，盡管他們或許沒有直接使用過，但是目睹了父母或家人使用，有一定的直觀經驗。不難想象，隨著技術的進一步發展，人工智能在未來世界將會獲得更進一步的發展，而作為未來世界的主人，現在的下一代有必要對人工智能知識獲得基本的認識以更好地適應未來的生活。這種必要性體現在兩個方面：其一，人工智能基礎知識的學習有助于提升孩子們的信息素養。作為未來的公民，當他們面臨人工智能技術應用的公共決策和倫理問題時，提升的信息素養有助于他們做出理性的決策。同時，由于人工智能正在取代簡單重復的底層工作，讓孩子們較早地意識到這一點有助于他們更好地適應未來的就業環境。其二，通過人工智能課程的學習，培養孩子對人工智能領域、對STEM的興趣，同時在知識和技能層面奠定一定的基礎，為他們未來走上專業的職業道路做好鋪墊。

2.學習內容與目標

這部分內容主要圍繞學生應該知道什么和做什么展開。美國最新版K-12計算機科學課程國家標準11-12年級的課程要求中已經包含了人工智能的有關內容，分別是“能描述人工智能如何驅動各種軟件和物理系統，如：數字廣告投放、自動駕駛汽車和信用卡欺詐檢測（3B-AP-08）”和“能使用一種人工智能的算法與人類對手一起玩游戲或解決問題。這里的游戲不需要太復雜，簡單的猜謎游戲、井字棋或簡單的機器人指令足矣（3B-AP-09）”[22]。在這次的“指南”中對人工智能學習內容做了更系統的規劃，并根據學段設計了不同層次的課程目標。

總體來說， “指南”將K-12階段所需學習的人工智能知識分成了5個主題（Five Big Ideas in AI），他們分別是：感知、表示和推理、機器學習、人機交互、社會影響[23]。研制小組認為，這5個主題從性質上足以覆蓋人工智能的各領域，但從數量上又是教師可以控制的。盡管5個主題的提法未必完全符合AI實踐者審視AI的方式，但對于滿足K-12學生的需求是合適的。因此，課程內容和目標以這5個主題為基本框架，并在此基礎上設計了各主題中的主要概念和分級學習目標。

（1）感知（Perception）

計算機使用傳感器來感知世界。感知是從傳感器信號中提取意義的過程。AI領域迄今為止最重要的成就之一就是使計算機能夠足夠好地去“看”和“聽”，以投入實際應用。該主題下的具體應用包括：人臉識別、語音識別、場景理解等。

a.主要概念。這一主題的主要概念包括：人類的感覺和機器傳感器;從感覺到知覺;感知的類型：視覺、語音識別等;感知如何工作：算法;計算機感知的局限;智能與非智能機器。

b.分級學習目標如表1所示。

（2）表示與推理（Representation and Reasoning）

智能代理（Intelligent Agent）（能夠）通過特定的邏輯和模型表示現實世界，并用他們進行推理。表示是自然智能和人工智能的基本問題之一。計算機使用數據結構來構建表示，這些表示輔助推理算法。該主題下的具體應用包括：自動駕駛汽車的路線規劃、網絡搜索、智能下棋的最佳路線推理等。

a.主要概念。這一主題的主要概念包括：表示的類型;推理算法的類型;支持推理的表示：算法操縱表示;算法系統及其功能;一般推理算法的局限。

b.分級學習目標如表2所示。

（3）機器學習（Machine Learning）

計算機通過數據學習，機器學習是一種在數據中找到規律的統計推斷。近年來，由于一些學習算法創造了新的表示，AI的許多領域都取得了顯著進步。這種方法的成功需要大量的數據。這些“訓練數據”通常必須由人們提供，但有時也可以由機器自身獲取。該主題下的具體應用包括：訓練手機識別人臉;訓練語音識別系統;訓練機器翻譯系統;圖片搜索等。

a.主要概念。這一主題的主要概念包括：機器學習;機器學習的方法;學習算法的類型;神經網絡基本原理;神經網絡架構的類型;訓練數據對學習的影響;機器學習的局限。

b.分級學習目標如表3所示。

（4）人機交互（Natural Interaction）

智能代理需要多種知識才能與人類自然交互。為了與人類自然地交互，智能代理必須能夠用人類語言交談，識別面部表情和情感，并利用文化和社會習俗的知識來推斷所觀察到的人類行為的意圖。具體應用包括：智能代理（如Alexa、Siri），聊天機器人，提供適應性教育的智能導師系統，動作和面部表情識別等。

a.主要概念。這一主題的主要概念包括：自然語言理解;情感計算;常識推理;意識與心靈哲學;自然交互應用;人機交互;AI在自然交互方面的局限。

b.分級學習目標如表4所示。

（5）社會影響（Societal Impact）

AI的應用對社會既有正面影響也有負面影響。由于人工智能技術正在改變我們工作、出行、溝通和相互照顧的方式，我們必須注意其所能帶來的危害。例如，若用于訓練人工智能系統的數據存在偏見，可能會導致部分人受到的服務質量低于其他人。因此有必要討論AI對我們社會的影響，并根據相關系統在道德層面的設計以及應用來制定標準。

a.主要概念。這一主題的主要概念包括：AI系統正在改變商務、政務、醫療和教育;從經濟層面講，AI使得新的服務變得可能，使得商務更有效率;在開發AI系統時，人類不僅要做出技術層面的決策，也要做出道德層面的決策;AI技術通過多種不同的方式影響社區和人們;人工智能和系統需要道德標準來為人們做出決策;AI和機器人會改變人們工作的方式，創造一些工作，淘汰一些工作。

b.分級學習目標如表5所示。

3.教學活動建議

如何針對以上學習內容和學習目標開展教學，“指南”推薦了四種類型的學習活動：第一種是實驗類活動，教師可以組織學生使用各種類型的AI軟硬件資源，通過實驗，一方面體驗AI的功能，對AI形成直觀認識;另一方面在實驗中探索Al的基本原理。第二類活動是手工模擬AI算法的活動f或不插電活動），學生無需使用任何計算機設備，用紙和筆，通過繪圖、計算來模擬AI的基本算法，理解AI解決問題的邏輯思路和技術路線。第三類活動是設計類活動，教師為學生提供支架，引導和鼓勵他們使用AI開源軟件或服務來開發自己的AI應用，在設計和應用中學習。第四類是案例分析類活動，教師提供與AI相關的多個社會問題的案例，引導學生從多個角度來探索其中的倫理道德問題并尋求改進的途徑。

（三）K-12人工智能教學資源目錄簡介

為了對AI教學提供支持，AI4K12開發了一套資源目錄，并在網站（https：//github.com/touretzkyds/ai4k12/wiki/Resource-Directory）上公布了這套目錄。目錄匯集了各類AI科普資源，根據不同類型資源的教育特點進行了系統的梳理和分類，并作了統一標注。從媒體類型上，AI4K12劃分了專業著作和報告、競賽、課程材料、演示軟件（Demos）、教師職業發展在線課程、K-12學生在線課程、軟件包和視頻七類資源。在此基礎上，依據中小學AI學習特點，AI4K12進一步按照資源的教學功能進行了分類，具體如表6所示[24]。可以看到，這里的資源不僅包括軟硬件資源，還包括教學活動。對資源教學功能的分析提示了何時以及如何使用這些資源，進而為教師教學策略的設計提供了支持。

三、美國A14K12行動成果特色小結

美國AI4K12行動是富有成效的。從短期看，它制定了K-12人工智能教學指南，開發了教學資源目錄，對學習內容和學習目標給出了科學、專業的設計，對教學活動策略提出了具體可行的建議，對教學資源進行了系統的匯聚、梳理和分類。從長遠看，行動聯通了AI研究、實踐和教學三個行業，促進了美國國內K-12人工智能教育專業團體的形成，為未來的發展奠定了基礎。

（一）“指南”學習內容覆蓋AI原理的基本方面，關注對AI技術的反思，學習目標按學段分級

在中小學開展AI教育，核心的問題就是學生學什么，達到什么水平？美國K-12 AI教學指南以5個知識主題（感知、表示和推理、機器學習、人機交互，社會影響）作為框架，并在其基礎上設計了從幼兒園到高中三年級的分學段目標。一方面，5個知識主題不僅涵蓋了AI研究與應用的基本領域，同時還包括了AI的社會影響。這體現了不僅要求學生體驗和學習AI的基本知識和技能，也要求他們能客觀、全面、深刻地對這項技術進行審視和反思的目的。另一方面，所有學段均涉及5個知識主題，各學段目標的差異只在目標的層次上，而不在知識主題上，整體的學習是螺旋上升的過程。比如， “表示與推理”是一個邏輯性很強的主題，幼兒園-2年級學段的孩子和高中生都可以學習。只不過前者只需要達到較低的學習層次比如獲得對有關原理體驗和感性認識，如“使用決策樹進行決策”;而后者則需要達到較高的學習層次如掌握底層的算法和原理，例如“描述不同類型搜索算法的差異”。

（二）“指南”教學策略與活動建議具體清晰，可操作性強，遵循學習規律

如何引導學生學習AI知識？AI4K12給出了具體清晰的建議，不僅提出了支持策略，還推薦了“實驗”“手工模擬”“設計開發”“案例分析”四種類型的教學活動。這四類活動分別對應AI學習的幾種學習目標：體驗AI功能與理解AI基本原理，理解AI算法的原理，設計簡單的AI應用與辯證地認識AI對社會的各方面影響。這些目標在5個知識主題中都有體現。教師可以根據5個主題下分級目標的類型，選擇對應類型的活動進行設計和開展。值得注意的是，四類活動也分別對應AI學習從感性到理性，從理解到應用的各個階段，遵循基本的學習規律。具體來說，除第四類活動是綜合性活動，需要建立在對AI及其應用充分把握的基礎上之外，第一類到第三類活動分別對應學生學習AI從感性認識（認識AI的功能）到理性認識（理解AI的基本原理），從知識理解（理解AI基本算法）到知識應用（使用AI算法模塊開發應用）的學習階段，學生的認識水平在逐步上升。

人工智能本身就是一個跨專業的綜合領域，人工智能的教學自然也涉及多個學科。為了確保AI教學資源的科學性和規范性，需要加強人工智能領域內跨行業的合作。AI4K12行動充分體現了美國AI領域從高校研究者、知名企業實踐者到教師的合作。不同行業的不同視角確保了AI中小學教育的專業性、規范性和適切性。此外，AI引入基礎教育還處于初步發展階段，特別需要高校、科研院所研究者、企業實踐者和一線教師的共同努力，將AI理論知識、研究動態、實踐應用與前沿發展以科學、專業、規范的方式進行組合，確保教學的質量。此外，研究者和實踐者也可以作為外部的人力資源，為學生提供與AI科學家進行對話和學習的機會，提升學習興趣，開闊視野。

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作者簡介：

方圓媛：副研究員，在讀博士，研究方向為教學設計與績效基數、基礎教育信息化（fangyy@moe.edu.cn）。

黃旭光：副研究員，研究方向為基礎教育信息化、基礎教育數字資源的設計與開發（huangxg@moe.edu.cn）。

收稿日期：2020年5月24日

責任編輯：李雅瑄①由于篇幅所限，本部分僅列舉了部分資源，想要獲得更詳盡的資源列表可查閱資源目錄全文或訪問其網站https：//githuh.com/touretzkyds/ai4k12/wiki/Resource-Directory。②“不插電”活動作為一類特殊的資源也納入資源目錄，一方面強調了這類活動在AI學習中的重要性，是其他活動所不可替代的;另一方面為教師設計組織這類活動提供了參考和啟發。①AAAI是美國人工智能研究和實踐領域頂尖的專業組織，它成立于1979年，前身是美國人工智能協會（American Association for ArtificialIntelligence）。作為一個非營利組織，AAAI致力于推動人工智能的研究和負責任的應用，并增強公眾對這個領域的認識。②CSTA是美國計算機科學教師的專業組織，致力于計算機教師的培訓和實踐經驗分享。該組織制定了美國基礎教育計算機科學課程的國家標準。