菏澤市中小學人工智能教育研究

摘要：當代科技發展日新月異，人工智能深刻地改變著經濟和社會發展的面貌，影響人們的日常生活，人工智能改變全球格局引領世界未來。為跟上時代的發展，各國紛紛制定科技戰略和規劃，重視中小學的人工智能教育。本文主要是在研究國內外人工智能教育的基礎上，重點研究了菏澤市中小[]學在人工智能教育方面的現存的問題、原因及應對策略，為學校和政府決策提供依據。

關鍵詞：人工智能;中小學;教育

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A

一、菏澤市中小學人工智能教育研究概況

1.1 研究背景

人工智能的概念最早是在1956年美國達特茅斯學院會議提出，它是一門涉及眾多領域的交叉前沿科學，人工智能的迅速發展深刻改變人類社會生活、改變世界，它已經融入到現代社會中的各行各業，推動了時代的發展。為應對時代發展的洪流，抓住時代發展的契機，構筑人工智能發展的先發優勢，提升整體公民的人工智能教育水平，為加快建設創新型國家和科技強國，2017年國務院出臺《新一代人工智能發展規劃》，在規化中提出了：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，逐步推廣編程教育，鼓勵社會力量參與寓教于樂的編程教學軟件、游戲的開發和推廣，至此國家戰略對于人工智能教育提升到了一定高度，要求在基礎教育階段普及人工智能相關的知識，從小培養孩子對高科技技術的感知，為以后的發展打下堅實的基礎。 2019年5月國際人工智能與教育大會上教育部部長陳寶生主旨報告中提出，要通過頂層設計、政策鼓勵、加快改革等多種形式推動人工智能教育的快速發展。為了未來能全民普及人工智能基礎知識，就需要利用中小學基礎教育的普及性和便利性，在中小學中系統開設人工智能相關課程，培養具有智能時代素質的公民，為我國人工智能人才高地夯實“教育”基礎，有利于夯實全民智能素質和人工智能人才培養的基礎。“中興事件”和“華為事件”也啟示我們培養創新人才的重要性。培養能夠發現問題，綜合運用多學科知識解決實際問題的創新人才是教育界面臨的重大挑戰，也是構建創新性國家的必要條件。

1.2 研究現狀

隨著虛擬現實、無人駕駛、機器人手術、3D打印等一批顛覆性技術的出現，人工智能作為科技創新的核心，未來必將推動高新技術人才的競爭，為跟上科技人才的需求，各國都積極跟上時代發展的步伐，制定國家戰略，繼頒布文件，將人工智能教育列入國家人才培養戰略中，以贏得新一輪的“競賽”。伴隨著人工智能的發展和崛起，各個國家都比較重視本國的人工智能教育，陸續在中小學都設立了人工智能相關課程，比如美國在2016年出臺了《為人工智能的未來做好準備》，在這篇報告中主要論述了人工智能的現狀、應用及在社會和公共政策存在的可能問 題。 2016年，日本發布《日本振新戰略2016——面向第4次產業革命》，在這篇報告中提出了人工智能教育應用政策，指出在中小學必修課中加入人工智能教育課程。2017年1月法國政府發布《法國人工智能綜合報告》，該報告強調跨學科平臺建設，強調計算科學、認知科學及自然語言識別等學科人才的培養。2018年3月，新加坡總理辦公室發布“人工智能新加坡”項目，該項目支持人工智能領域科學活動，通過創客空間共享資源和設施。

人工智能教育的起步在我國相對較晚。在2014年以前，我國在學校的人工智能教育方面，始終以課外活動、興趣小組、培訓班等表層的認知理解為主，系統化的教育比較少見。2015年是我國中小學人工智能教育改革的一個重要轉折點，教育部頒布了《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見》，促使很多學校設立了創客空間，設立了基于智能機器人開展創客教育和STEAM教育，培養青少年對人工智能的興趣，提高學生解決問題的能力，幫助孩子形成創新思維與信息概念。人工智能是一門復雜度綜合性學科，在中小學設置關于人工智能的課程，并非是將大學階段的專業課簡單地遷移到中小學中去，而是調動學生對人工智能的興趣，積極參與和學習。

1.3 研究的意義及重要性

現代社會的發展，促使人民重視人工智能教育，培養具有應對未來智能社會的公民，重視全民的人工智能素質的提高必須從小開始，所以在中小學中普及人工智能教育是人工智能時代國家戰略性選擇。本課題在研究國內外的中小學關于人工智能課程的學習和開設情況，重點調查研究菏澤市的中小學開始人工智能課程開設現狀，分析問題存在的問題和原因，為地方政府和學校制定相關政策提供參考意義。

二、研究人工智能教育的主要方法及重難點分析

2.1主要方法

要分析人工智能教育情況需要收集分析各種資料，從中挖掘資源的價值，本課題主要通過以下三種方法進行具體任務的實施。

（1）問卷調查法：針對各個學校開設學習人工智能課程相關情況，編制設計了調查問卷，了解調查菏澤市中小學對人工智能課程的開設和學習情況，并對結果進行分析和討論。并同時進行走訪調查，實地了解開設課程情況。

（2）理論研究與應用研究相結合：本課題首先對研究內容進行理論分析，特別對不同學科知識點相關性挖掘、學生學習行為挖掘與反饋，案例報告的自動評測等創建或改進相關模型、算法，提出相應的機制、對策或建議，做到理論創新，同時又要進行應用研究，將理論成果應用現實問題中，既對跨學科相關知識挖掘進行驗證，創建相應的學科知識圖譜，又要對現實的案例進行分析、挖掘并進行教學和實踐。

2.2重點難點及分析

本課題首先通過社會調查、數據挖掘方法、自然語言處理方法、知識表示與融合等人工智能關鍵技術依據STEM 教育模式，挖掘各學科間知識聯系，構建學科知識圖譜。以此為基礎，設計STEM教育框架下跨學科項目，包括學科知識融合、工程實踐等。進一步研究人工智能跨學科教育，包括教學環境設計，題目來源設計、教學內容設計、教學目標設計及教學評價設計等內容，最終在上述研究的基礎上為創新思維人才培養打下夯實的基礎，人工智能技術在人工智能教育中的應用和提高中小學生的人工智能素養的研究把人工智能技術融入到STEM教育和創客教育中是個挑戰。

三、菏澤市人工智能教育存在的問題

人工智能這門學科屬于前沿交叉科學，對于教學內容和教育師資等都有很高的要求。菏澤市共2000多所中小學，其中只選取了部分學校進行調查研究，包括菏澤市內的學校也有鄉村中小學，通過調查研究分析，發現菏澤市中小學人工智能教育及課程建設存在的主要問題如下。

第一，課程目標定位和內容缺乏合理性。人工智能教育提出也是最近幾年，很多學校反應緩慢，也缺乏統一的人工智能課程標準，并且也沒有中小學人工智能課程具體內容的規定，認識也不統一，不同的教材選擇的內容模塊和難度也存在差異。不同的學校在進行學習的過程中，也沒有統一的標準，基本上是一個學校一個樣，普遍的做法還是沿用的以前信息技術課程的內容，忽視了對學生創新能力、計算思維和高科技人才素質的培養。

第二，師資力量薄弱。由于人工智能是個新興的行業，各高校開設人工智能和大數據等相關專業也是從近些年開始，時間較短，而社會上對人工智能人才的需求量很大，并且國家也未有服務于中小學的人工智能師范專業及對應的教師資格認定制度，所以現在中小學都缺乏具有人工智能素養的師資，相應硬件資源也同樣匱乏，在菏澤市現有的中小學對該課程的任課教師嚴重缺乏，基本所有學校還是有信息技術老師擔任，這部分老師基本都不是人工智能相關專業畢業，普遍不具備教授人工智能課程的專業能力，即使安排了相關的課程，也很難實際開設這門課程。更有甚者很多學校開設不起來人工智能相關知識課程，特別是菏澤市鄉村學校，關于人工智能教育的培養更加不容樂觀。

第三，配套基礎設施不完善，教學軟硬件環境和資源缺乏。由于人工智能課程是個交叉前沿的課程，一般涉及的技術都是當前比較前沿的科技，比如虛擬現實、機器人、自然語言處理等等，這些知識的傳授是需要有專業的實驗室來進行，對整個軟硬件的要求都很高，缺少必要的實驗器材和實驗室，目前具備這個能力的學校寥寥無幾，這方面的資源太過缺乏。特別是一些鄉村中小學基本沒有能力開始人工智能課程，在市里的學校雖然部分學校有點能力進行人工智能教育，但是也沒有得到充分的利用。

第四，課程內容設計有所欠缺，在小學階段只有個別學校開設了人工智能相關課程，很多學校還沒開設這些課程，特別是鄉村學校，信息技術課程學習的只是簡單的計算機的應用，對于人工智能部分基本沒有開設。中學階段的學校也是有很大部分學校也沒有啟動人工智能的教育，例如部分學校只是學習了辦公軟件（WPS）的用法和一些簡單的畫圖軟件的應用，講授的內容還只是一些計算機的簡單應用，對于人工智能的內容根本沒有涉及。部分學校也只是把人工智能教育作為興趣小組來進行開設，比如舉行“機器人”、“編程”等興趣小組，但是實際也很少能開展相對應的活動，也成了擺設，即使能夠開展活動也只是對極少部分學生進行人工智能教育的啟蒙，沒有進行對人工智能的普及教育。

第五，教學課時沒有保障，中小學的人工智能課程屬于“非主科”，不參與升學的考核，一部分學校、教師和家長重視程度不夠，課時有被其他科目擠占的現象，有點學校隨意被別的課程占用，更有甚著學校安排了課程，基本都沒實際給學生上過課，由于基本沒有考核課時嚴重得不到保障。

四、菏澤市中小人工智能教育實施途徑

4.1科學規劃課程內容

課程內容是進行素質教育的主要扶手，合理科學的規劃各階段學習內容，讓學生高質量的接受人工智能素質教育。人工智能涉及的主要內容有自然語言理解、計算機視覺、智能機器人、自動推理和搜索、知識表示、機器學習和知識獲取等內容。由于人工智能涉及的是多學科的綜合交叉應用，人工智能課程建設還處于研究探索階段，還不成熟，在提高人們的高素質的目標下，要建成一個跨學科、有內部體系結構的課程內容體系，探索多維度多階段有側重有重點的學習。根據學生不同年齡特征安排不同深度的內容，以循序漸進逐步開展，以提高人工智能課程的針對性、實效性和系統性，為國家培養高素質人才。由于小學階段的孩子邏輯思維發展不夠，但隨著孩子年齡的增 長，求知欲探索欲越來越強，接受知識主要以體驗、感覺為主，可以安排小學階段的學生以游戲和體驗高科技產品為主，例如可以讓學生體驗虛擬現實VR產品，讓學生接觸機器人，各種智能產品的應用等等，讓小學生體會到科技的高速的發展為人類帶來的好處及便利。在中學階段規劃內容時，可以把人工智能知識融入到各學科當中，例如可以在數學、語文、生物、化學等學科內容結合，開展跨學科的課程設計，同時可以開展計算機的Python編程課程， 培養學生的計算思維和創新能力。高中階段可以考慮以專題選修課的形式進行，例如可以開設“機器學習”相關課程，可以試著圍繞著深度學習算法、機器學習、強化學習等前沿技術進行，在實施的過程中主要以項目的形式進 行、演示展現在學生面前，讓學生切實體會到科技的魅力，提高培養學生的項目實踐和創新能力。高科技現代技術融入到各具體學科的學習中去，試著提煉出各學科與人工智能相關的內容，然后在講授的過程中融入人工智能相關的知識點。最后總體合理科學的規劃每一個階段知識內容，使得整個中小學階段的對人工智能的學習內容能夠自成科學的課程體系。

4.2建立考核機制

有了課程目標和課程內容的指揮棒，具體實施過程中的效率問題也需要考核，通過建立考核評價機制可以促進學生的全面發展，提升教師的教學質量，提高教師積極性。可以考慮利用人工智能技術挖掘學科間的聯系，跟蹤學生的學習行為，探索自動評價和反饋機制，以此為基礎研究創新人才培養體系構建、課程及教學設計、評價方法， 為培養人工智能素質、數據科學素養提供數據支持和技術手段。

4.3提高教師專業素養

在知識的傳授過程中，教師是學生知識學習引路人和學生實踐的指導者。只有提高了教師自身的人工智能綜合素質才能更好的教導學生，由于人工智能學科是新型前沿的課程，對人工智能教師總體素質就提出了較高的要求， 但是目前各學校的人工智能教師基本都是信息技術教師擔任，中小學信息技術教師普遍總體素質不是很高，并且人工智能知識都是非常前沿的科技發展技術，學校教師普遍不具備這方面的知識素質，所以學校應考慮提高教師的總體素質，安排教師參加一些有針對性對前沿技術和人工智能課程相關的培訓學習;教師自身也要注意主動學習當前前沿的技術以及一些實際應用，關注國家和地區的人工智能發展政策，時刻注意提高教師的總體專業素質，提高教師AI教學平臺操作、跨學科知識整合等專業素養，這對當前的教師來說是一種不小的挑戰。

4.4以賽促學

學校在條件許可之下可以組織學生參加一些力所能及國家允許的競賽，積極引導組織學生參加，以點帶面，鼓勵有興趣和有特長的學生積極參加，以帶動更多的學生關注人工智能素質的全面提高，從而帶動人工智能教育發展，吸引更多的學生參與其中，從而達到人工智能教育的目的。可以建立一些課外學習興趣小組，可以按不同的側重點設立各小組，提高認識，以帶動更多的學生關注人工智能知識素質的提高。

4.5充分利用本地資源

知識的傳授需要軟硬件環境，對于人工智能知識的傳授很多學校都不具備這方面的條件，但是本地有一些大中專院校具備這方面的資源，還有一些社會培訓機構也建立了人工智能實驗室，可以探索利用現有資源，建立中小學與大中專院校、培訓機構等的扶持與合作。 特別是一些大中專院校基本都開設了同人工智能相關的專業，可以充分利用高校的優秀師資及實驗環境，請相關教師到中小學進行人工智能課程的設計、內容組織進行指導，還可以請這些專業教師做一些前沿知識技術的科普報告，或是帶領學生到在菏高校參觀學習，提高學生的整體素養。培訓機構在人工智能教學資源建設方面經驗較豐富，對于有資質的培訓機構，學校可以考慮與他們合作，為學生提供成體系的課程內容以及相應的配套設施。

4.6提高認識

提高全社會整體對人工智能教育的思想認識，提高學校、學生、家長對人工智能教育的重要性的認識，人工智能教育是當代智能社會必須具備的素養，不是可有可無的課程，要保證這部分內容知識的課時量及學習時間。

五、研究總結與展望

本課題的主要工作是調查分析各個學校教育現狀，以菏澤市各個學校關于人工智能教育數據信息息為基礎，借助數據挖掘技術分析對人工智能教育相關的問題，闡述了問題存在的大致原因，提出了提高中小學生人工智能教育素質的策略，通過以上研究分析，為學校和政府決策提供了一定的應對策略。人工智能教育的目的是“育人”，把知識的種子從小種到孩子們的心中，為培養具有信息素養、計算思維、創新能力和適應智能時代的高端人才打下基礎，科教興國，使得未來不再出現“華為事件”、“中興事件”等卡脖子事件，使得未來有足夠的實力來應對未來可能面對的各種高科技事件。

參考文獻

[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[OL].<http：//www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm>

[2]中國教育在線.教育部關于印發《教育信息化2.0行動計劃》的通知[EB/OL].http：//chuzhong.eol.cn/news/201804/ t20180 425_ 1597 232. shtml，2018-04-13.

[3]胡尊美，宋麗娜. 菏澤市中小學人工智能教育研究[J].數碼科技，2021（3）.

[4]方圓媛，黃旭光.中小學人工智能教育：學什么，怎么教——來自“美國K-12人工智能教教育行動”的啟示. [J].中國電化教育，2020，（10）：32-39.

[5]段世飛，龔國欽.國際比較視野下的人工智能教育應用政策[J].現代教育技術，2019，（3）：11-17

[6]廣州市教育研究院.廣州創建全國智慧教育示范區的優秀成果——《人工智能》教材[J].教育導刊，2020，（4）：2.

[7]袁中果，梁霄等.中小學人工智能課程實施關鍵問題分析——以人大附中人工智能課程實踐為例[J].中小學數字化教學，2019，（7）：19-22.

課題：2019年菏澤市社會科學規劃課題，自籌課題項目號2019-39.