中小學信息技術課程中的人工智能教育

魏立成

摘 ?要 發展與研究人工智能教育越來越受到中小學教育工作者的廣泛關注。人工智能知識普及將引導更多的青少年了解并有志于在該領域學習和探索。以有效的教學策略及方法，在綜合實踐活動課程、校本課程中開展科學的、成體系的人工智能教育，讓學生了解人工智能的基本概念、原理，感悟人工智能編程的魅力，培養學生計算思維以及創新能力。闡述人工智能技術發展、人工智能教育現狀，針對中小學各個階段提出人工智能課程教學目標和內容設計的建議，并指出人工智能教育的核心要點。

關鍵詞 人工智能;中小學;信息技術;計算思維

中圖分類號：G623.58 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）19-0076-03

0 ?引言

隨著人工智能逐漸滲透到人們的日常工作、學習以及生活中，人類社會正全面進入人工智能時代。例如：車輛在一些場景下已經實現自動駕駛;拍照時在人工智能的支持下，成像效果更完美;人們在家里通過智能語音對話，構建家庭智慧應用。當前，我國已經部署新一代人工智能人才培養戰略規劃，因此，對于中小學而言，要積極配合國家大戰略，普及人工智能基本知識，建設人工智能實踐及創新教育試點校，進而迎接人工智能發展的大機遇。

2017年，國務院發布《新一代人工智能發展規劃》，明確提出要廣泛開展人工智能教育活動，在中小學階段設置人工智能相關內容，逐步推廣編程教育[1]，最終實施全民智能教育項目。可以通過建設人工智能宣傳展館，完善人工智能科普基礎設施，鼓勵企業搭建人工智能編程開源平臺，推進人工智能教育。中小學需要積極開展人工智能普及教育，舉辦人工智能項目競賽，鼓勵學生積極參與。教育部通過發布《2019年教育信息化和網絡安全工作要點》，推動在各學段設置人工智能相關內容，同時進行中小學信息素養測評，最終逐步推廣人工智能編程教育。

在中小學組織人工智能課程教學，目的是讓學生了解關于人工智能的基本工作原理，了解人工智能對當今社會工作生活的影響，進行人工智能計算思維等能力的培養與教育，挖掘學生應用人工智能技術的能力，對培養學生的邏輯判斷能力、獨立思考解決問題能力、創新意識都有很大的幫助。要真正意義上把人工智能教育引進中小學課堂，首先要解決的問題是如何科學、系統地開展人工智能教育，這是信息技術課程要探索的問題。

1 ?人工智能技術

歷史上，技術的不斷進步與發展，推動人類去認識世界、改造世界。從“蒸汽時代”到“電氣時代”，再到現今的“信息時代”，技術的發展由機械化朝著自動化方向邁進，也向著人們不可預見的方向發展，但當下必須抓住機遇。新一代的人工智能實現了機械化和自動化的有機結合，也是第三次工業革命“信息時代”的延續，催化了信息技術應用的新飛躍。就目前來看，人類智能生活時代的發展離不開人工智能技術。

英國科學家圖靈1950年在《計算機器與智能》一文中提出著名的“圖靈之問”[2]，激起社會各界對機器是否具有智能的思考。進入21世紀以后，以機器學習（Machine Learning）為代表的人工智能技術，正在對人類的思考、行為、心理、生活、工作等方式進行高強度的仿真，基本原理在于以由大量節點相互聯結而構成的“人工神經網絡”運算模型為基礎，設計擬合計算模型，進而變換為數據的運算。從另一視角，以信息數據處理來觀察，抽象模擬出人腦神經元網絡的特點，使得人工智能從外部看來，類似模仿人腦進行識別、記憶、分析、建模等相關工作[3]。這種利用數據模型來模仿人類智能的操作已經達到真實應用階段，能夠實現人類的自主學習、自主表達、自主思考、自主分析、自主行動等活動，從而使得機器能夠智能化地工作、運行。

就目前的發展趨勢來看，人工智能時代越來越近，已經開始慢慢地改變人們的生活。智能手機、智能家居、智能生活這些在生活中的體現也將影響中小學教育事業，人工智能與教育的融合將是必然，這也是要著重研究的方向。如何將人工智能作為一個得力的工具，使其助力教育發展？良好的人工智能課程教育可以不失時機地引導學生興趣，推動學生學習，有利于學生對于人工智能這個概念形成更清楚的認知，這對學生今后的生涯規劃以及學科選擇都具有重要作用，也具有積極的正面影響。

2 ?人工智能教育現狀

目前，中小學信息化課程大部分還停留在計算機入門應用以及基礎的編程實現。在一些學校已經開展了初步的人工智能教育課程，學校也引入一些外部資源，滿足人工智能教育的需要，但從授課現狀來看，還存在下面一些不足。

2.1 ?以傳統的信息技術教學方式教授人工智能課程

從人工智能課堂實踐來看，大部分課堂還是以傳統的信息教學思維模式對學生進行簡單的技能訓練，對于計算思維的培養比較忽視。無論是校內的信息課程，還是機器人模塊組裝教育，只是讓學生簡單地模仿，并沒有讓學生理解智能運行的機制，以競賽引導的信息教育更多的是關注編程技能的提升。此外，現階段中小學人工智能知識的教育內容有的類似于軟件的使用說明書，按步驟介紹軟件的使用或是設備的安裝說明[4]，在培養學生利用人工智能解決問題的思維能力上有所欠缺。

2.2 ?人工智能課程教學體系、課程內容單一

中小學信息技術教材中較少介紹人工智能相關理論知識，未詳細介紹目前人工智能之核心原理以及運行機制。雖然從小學到高中各個學段，學校都會安排與人工智能相關主題的教學內容，但是由于并不是從上而下成體系介紹，有些內容存在重復，內容之間不存在遞進關系。另外，這些內容也是碎片化的，缺少實踐活動和具體案例分析，沒有系統化地介紹人工智能原理、知識、方法、能力。從小學到初高中有關人工智能的內容介紹不連續，增加了學生的學習障礙，降低了學生的創新水平。因此，應在分析學情的基礎上開發符合學生年齡段特點的完整的人工智能課程，讓學生接受系統的人工智能教育。

3 ?人工智能課程內容

中小學開展人工智能教育應在理解人工智能思想和基本動作原理的基礎上，激發學生對人工智能應用的探索興趣，將原有對信息處理模式化認識轉變為人工智能思維模式，提升運用人工智能思維解決問題的能力。將信息化課程結合人工智能知識重新進行設計與梳理，建設完整的、上下貫通的課程體系，不同學段有符合其認知發展規律的人工智能教育，也就是做好學情分析。依據皮亞杰的認識理論，可以考慮按階段實施中小學人工智能課程，逐步引導學生認識人工智能知識與原理，理解人工智能技術，感悟人工智能產生的威力，通過實際案例，達到利用人工智能技術進行創新創造的目的。

3.1 ?人工智能課程的初級階段：重在認知、理解與嘗試

小學階段的學生對于科學原理以及數據理論認識并不深刻，缺乏對原理理解的可能性。但這個階段的學生對外界事物充滿好奇，容易對人工智能對生活和學習的影響產生興趣。人工智能已經在不同類型、不同維度和不同場景中得到應用，包括日常生活中的一些手機APP或是家用電器。通過直接的產品體驗，讓學生建立起對人工智能技術最直觀的感受，了解人工智能的特點，體會生活中人工智能技術的魅力，激發其探究的熱情和主動性。通過視頻，以直觀的形式，從人工智能的歷史、原理以及最新的前沿技術等讓學生對人工智能的應用領域等建立認識，讓學生明確在當前這個階段，人工智能可以做什么，后續還能做什么，短期內還不能做什么。通過一些小實驗，讓學生利用一些簡單的人工智能構件工具提升生活的智慧。

3.2 ?人工智能課程的提升階段：重在感悟與實踐

初中階段，學生的學業負擔加重，科目增多，大致對科學實踐有一個初步的認識。人工智能可以是一門單獨的學科，通過一系列教育與教學活動，讓學生親身獲取人工智能知識，理解人工智能核心原理，知道人工智能如何實現“智能”，培養學生融合各學科知識，進而引入人工智能解決實際問題。這個階段的人工智能課程通過設計體驗類和簡單的創作類實踐，讓學生感悟人工智能并不是真正的智能，實際上也是模擬計算的結果。

3.3 ?人工智能課程的最終階段：重在創造創新

高中生需要建立起獨立思考、進行簡單科學探索的能力。課程內容的設計偏重于創造創新，課程的內容要與生活相結合，重視在真實情境下如何解決問題，通過案例教學法，圍繞學生身邊事，采用可操作可實踐的方式，層層遞進，體會人工智能與現實生活的密切聯系。引導學生發現人工智能中存在的問題，思考問題的根源所在，進而提出解決問題的辦法，進一步激發其創造力。

4 ?實施人工智能教育的重點

教師是推動人工智能教育發展的第一資源。學校可采用招募和聘請相結合的方式，著力培訓對人工智能感興趣的教師。主管部門要幫助教師了解人工智能教育時代教師角色的轉變方向，提升人工智能教育專業能力，以期帶動人工智能教育。充分利用社會精英以及家長資源，聘請校外輔導員，積極有效開展教育教學。

通過課程實施、課堂實踐、課題研究，利用人工智能、大數據、物聯網、云計算等智能技術，推動教學方式、教學環境、學生培養模式的變革。課程應采用PBL（Project-based Learning，項目式教學）模式，學生以任務驅動為學習主線，根據真實問題進行研究分析并應用人工智能知識解決，激發內在驅動力，全面提升綜合素養能力，比如創意搭建、動作編程、運動控制、工程設計、計算思維、開源硬件、Python、人工智能算法等。

5 ?結語

人工智能教育是趨勢也是發展的必然要求。中小學教師要深入研究在中小學開展人工智能教育的教學方式以及教學策略，完善信息技術課程內容，這是時代賦予的使命。學校應加強對人工智能教育的關注，注重培養學生的人工智能思維模式及創新能力。在中小學開展人工智能教育，應從不同年齡階段學生的認知能力以及知識掌握的不同程度出發，合理考慮課程內容，設計各階段的學習內容，從認識、理解、感悟、實踐、創新五個階段逐步深入，逐漸加深學生對人工智能相關知識的掌握，為將來深入學習人工智能打下堅實的基礎。

參考文獻

[1]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）[2021-07-05].http：//www.gov.cn/zheng

ce/content/2017-07/20/content_5211996.html.

[2]Turing A M. Computer Machinery and Intelligence

[J].Mind，1950，59（236）：433-460.

[3]黃鄭亮.全球價值鏈視野下的歐盟人工智能競爭力分析[J].國際關系研究，2020（1）：51-66，155，156.

[4]徐多，胡衛星，趙苗苗.困境與破局：我國機器人教育的研究與發展[J].現代教育技術，2017（10）：94-99.