面向素養(yǎng)培育的中小學(xué)人工智能教育實(shí)踐探索

摘要： 中小學(xué)開展人工智能教育是大勢所趨。但目前中小學(xué)開展人工智能教育在課程內(nèi)容、目標(biāo)、方法、技術(shù)支撐等方面仍面臨挑戰(zhàn)，我們應(yīng)以全納的態(tài)度，以人工智能素養(yǎng)的培育為重點(diǎn)，在合理分層、構(gòu)建課程體系、開展項(xiàng)目學(xué)習(xí)、搭建平臺(tái)資源以及建構(gòu)雙師教學(xué)模式等方面開展實(shí)踐探索。

關(guān)鍵詞：信息技術(shù);人工智能教育;核心素養(yǎng);項(xiàng)目學(xué)習(xí);計(jì)算思維

作為世界第二大經(jīng)濟(jì)體，中國今天所取得的成就世界矚目。但在高科技領(lǐng)域，尤其是人工智能芯片領(lǐng)域卻依然受制于人。專家指出，“中國芯”的短板在于后備人才的培養(yǎng)，即缺乏具有創(chuàng)新創(chuàng)造精神的人工智能人才。“少年智則國智，少年強(qiáng)則國強(qiáng)。”當(dāng)今的中小學(xué)生是祖國未來的建設(shè)者，從小培養(yǎng)他們的人工智能素養(yǎng)與創(chuàng)新創(chuàng)造精神，他們才可能成長為人工智能社會(huì)的棟梁之材。因此，在中小學(xué)校開展人工智能普及教育具有重大戰(zhàn)略意義。本文結(jié)合中小學(xué)人工智能教育的問題與挑戰(zhàn)，談?wù)勅绾螐膮^(qū)域?qū)用嫱苿?dòng)人工智能普及教育與創(chuàng)新型人才培養(yǎng)。

一、當(dāng)前中小學(xué)人工智能教育面臨的問題與挑戰(zhàn)

（一）難以界定課程的基礎(chǔ)知識(shí)、核心概念和關(guān)鍵技術(shù)

2017年，國務(wù)院發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，并在《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》^[1]中將“人工智能初步”列為選擇性必修模塊，包含AI基礎(chǔ)、簡單AI應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)、AI技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用三部分內(nèi)容。與國家政策和課標(biāo)要求相呼應(yīng)，國內(nèi)一些省市相繼在中小學(xué)開始了人工智能教育的實(shí)踐探索。2020年8月，教育部辦公廳設(shè)立了包括上海市浦東新區(qū)在內(nèi)的90個(gè)國家級(jí)信息化教學(xué)實(shí)驗(yàn)區(qū)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的關(guān)鍵詞之一即為“人工智能教育”。

可以說，作為一個(gè)新興領(lǐng)域，人工智能教育發(fā)展勢頭迅猛。但在“摸著石頭過河”階段，教育工作者們迫切需要在課程標(biāo)準(zhǔn)、課程體系、教學(xué)內(nèi)容、課程設(shè)置等方面的指引。由于目前小學(xué)和初中階段還缺乏對(duì)應(yīng)的人工智能課程標(biāo)準(zhǔn)，缺乏完整的課程內(nèi)容體系要求，因此人工智能的基礎(chǔ)知識(shí)、核心概念、關(guān)鍵技術(shù)等都難以有明確的界定，區(qū)域、學(xué)校層面的實(shí)踐也難以有明確的指定教材，往往以自選讀本作為參照。

（二）片面關(guān)注編程技能提升，忽視計(jì)算思維培養(yǎng)

計(jì)算思維作為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，其培養(yǎng)日益受到重視，也被認(rèn)為是信息技術(shù)教學(xué)的核心。編程是人工智能教育實(shí)踐的重要部分，如部分學(xué)校在小學(xué)階段開展Scratch圖形化編程，初中和高中開展Python語言編程，結(jié)合相關(guān)開源硬件開展人工智能教育。如果過度強(qiáng)調(diào)編程，強(qiáng)化利用編程工具開展編程語言訓(xùn)練，忽視對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)，那么一旦脫離了編程工具的環(huán)境，學(xué)生很難將學(xué)到的編程知識(shí)遷移到新的情境中。缺乏計(jì)算思維內(nèi)核的編程技能，將無法培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力，也很難培養(yǎng)出適應(yīng)智能社會(huì)的人才。

（三）傳統(tǒng)方式授課，較少開展項(xiàng)目學(xué)習(xí)

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提倡“將項(xiàng)目整合于課堂教學(xué)，重構(gòu)教學(xué)組織方式，創(chuàng)設(shè)有利于學(xué)生開展項(xiàng)目學(xué)習(xí)的數(shù)字化環(huán)境等”^[2]，但實(shí)際上，項(xiàng)目學(xué)習(xí)的開展仍需要進(jìn)一步加強(qiáng)指導(dǎo)。筆者對(duì)國家“一師一優(yōu)課”平臺(tái)上2019年度有關(guān)“人工智能初步”模塊的共20節(jié)曬課進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，大部分教師采用講授法、任務(wù)驅(qū)動(dòng)、自主/合作探究、體驗(yàn)式學(xué)習(xí)等教學(xué)方法落實(shí)知識(shí)傳授與素養(yǎng)提升，只有兩節(jié)課采用項(xiàng)目學(xué)習(xí)方式。

（四）缺乏平臺(tái)、資源以及優(yōu)質(zhì)師資的支撐

人工智能是一門綜合實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，若缺乏與課程配套的軟硬件平臺(tái)，將很難使學(xué)生理解編程的邏輯與效果。尤其從圖形化編程進(jìn)階到Python代碼式編程時(shí)，問題更加凸顯。因此，開展中小學(xué)人工智能教育，急需簡單易用且功能豐富的教學(xué)工具平臺(tái)、貼近生活的教學(xué)課程、相關(guān)的軟硬件環(huán)境，尤其缺乏針對(duì)中小學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)的互動(dòng)性動(dòng)畫類資源。在教學(xué)實(shí)施上，中小學(xué)校的人工智能師資還存在較大缺口。

二、對(duì)中小學(xué)開展人工智能教育的認(rèn)識(shí)與思考

（一）以全納的態(tài)度開展人工智能教育

人工智能教育不是為了培養(yǎng)少數(shù)高智商的創(chuàng)新天才。中小學(xué)開設(shè)人工智能課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)未來智能社會(huì)發(fā)展需求的能力，讓他們能夠利用人工智能技術(shù)工具解決學(xué)習(xí)、生活中的問題。因此，人工智能教育應(yīng)該是面向所有學(xué)生的普惠性教育內(nèi)容，區(qū)域、學(xué)校應(yīng)以全納的態(tài)度為學(xué)生提供接受人工智能教育的機(jī)會(huì)，讓每個(gè)學(xué)生都能成為合格的智能時(shí)代公民。

（二）面向人工智能素養(yǎng)的培育

人工智能課程的內(nèi)容設(shè)置要面向?qū)W生人工智能素養(yǎng)的培育。綜合信息技術(shù)學(xué)科要求和智能化社會(huì)對(duì)人才的要求，在人工智能三要素（數(shù)據(jù)、算法、算力）的基礎(chǔ)上，可從人工智能意識(shí)、計(jì)算思維、人機(jī)協(xié)同能力、智能社會(huì)責(zé)任四個(gè)維度對(duì)學(xué)生加以培養(yǎng)，尤其應(yīng)加強(qiáng)對(duì)學(xué)生計(jì)算思維的培養(yǎng)，使學(xué)生成長為具備人工智能素養(yǎng)的人。

一是掌握人工智能基礎(chǔ)知識(shí)與技能，發(fā)展人工智能意識(shí)。通過人工智能課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可提高對(duì)人工智能技術(shù)的鑒別力與理解力，聽得懂新聞中出現(xiàn)的人工智能技術(shù)，能分辨身邊的人工智能來電和智能客服。二是提高計(jì)算思維能力。學(xué)生能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)將復(fù)雜的問題分解為簡單的問題，化簡為可計(jì)算的模型，將復(fù)雜的步驟簡化為自動(dòng)執(zhí)行的操作，表達(dá)為形式化的流程圖算法，并能夠?qū)⒔鉀Q問題的方法遷移到其他問題的解決中。三是提升智能時(shí)代人機(jī)協(xié)同的能力。學(xué)生要能夠在課程學(xué)習(xí)的過程中體驗(yàn)人工智能工具給生活帶來的便利，比如會(huì)利用某App工具認(rèn)識(shí)花草。四是樹立人工智能社會(huì)責(zé)任意識(shí)。學(xué)生通過學(xué)習(xí)，能夠感悟人工智能技術(shù)與人、自然、社會(huì)的關(guān)系，把握數(shù)據(jù)、算法、系統(tǒng)和社會(huì)的關(guān)系，分辨人工智能技術(shù)的“善與惡”，形成技術(shù)安全和責(zé)任意識(shí)，提升技術(shù)倫理和道德意識(shí)。

三、從區(qū)域?qū)用骈_展人工智能教育的實(shí)踐與建議

近年來，上海市加速人工智能產(chǎn)業(yè)聚集，先后出臺(tái)了多種政策文件，舉辦世界人工智能大會(huì)，把發(fā)展人工智能作為優(yōu)先戰(zhàn)略選擇，推動(dòng)人工智能創(chuàng)新布局。上海市中小學(xué)人工智能教育的發(fā)展積極融入智能上海的城市整體建設(shè)。《上海市教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》^[3]提出，“編制具有上海特色的多層次課程教材，逐步強(qiáng)化、優(yōu)化編程和人工智能等教學(xué)內(nèi)容”。基于對(duì)人工智能教育的認(rèn)識(shí)與思考，結(jié)合上海市人工智能教育的整體發(fā)展要求，浦東新區(qū)從區(qū)域?qū)用嫦到y(tǒng)謀劃中小學(xué)人工智能教育。以下是我們的實(shí)踐與建議。

（一）在全納理念下分層實(shí)施人工智能教育

若要在不同學(xué)段、不同層次學(xué)校開展人工智能教育，應(yīng)該根據(jù)學(xué)校具體情況實(shí)施不同的實(shí)踐路徑，可分為“融入課程、科普主題、學(xué)科開展、興趣社團(tuán)、競賽活動(dòng)”五種形式（見表1）。

（二）構(gòu)建中小學(xué)人工智能教育課程體系

美國啟動(dòng)的K-12人工智能教育行動(dòng)^[4]將適合中小學(xué)生學(xué)習(xí)的人工智能知識(shí)分為感知、表示和推理、機(jī)器學(xué)習(xí)、人機(jī)交互、社會(huì)影響五個(gè)主題，并分年段給出了分級(jí)學(xué)習(xí)目標(biāo);匯集七類人工智能科普資源目錄，給出教學(xué)功能和實(shí)例。詳細(xì)的課程內(nèi)容、課堂教學(xué)活動(dòng)建議以及豐富的資源目錄，為教材編制以及學(xué)校實(shí)施課程提供了依據(jù)。

借鑒國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，浦東新區(qū)將課程培養(yǎng)目標(biāo)定位于培養(yǎng)學(xué)生了解人工智能的概念、應(yīng)用方向以及實(shí)現(xiàn)原理;掌握計(jì)算機(jī)和編程知識(shí)，能夠使用編程語言進(jìn)行人工智能學(xué)科項(xiàng)目實(shí)踐;掌握傳感、運(yùn)動(dòng)、控制知識(shí)，并能夠?qū)⑵溆糜诮逃龣C(jī)器人;培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力、設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手實(shí)踐能力、溝通協(xié)作能力;培養(yǎng)學(xué)生的人工智能素養(yǎng)。根據(jù)課程目標(biāo)，在區(qū)域開展人工智能學(xué)校試點(diǎn)初期，為學(xué)校設(shè)置“基礎(chǔ)+簡單應(yīng)用”“綜合應(yīng)用”兩類課程。課程內(nèi)容的知識(shí)主題單元分為“理解與實(shí)驗(yàn)”和“理解與實(shí)踐”，各自對(duì)應(yīng)適合不同學(xué)段開展的主題內(nèi)容（如圖1）。

（三）面向人工智能素養(yǎng)的項(xiàng)目學(xué)習(xí)方式

項(xiàng)目學(xué)習(xí)能促進(jìn)學(xué)生培養(yǎng)對(duì)信息問題的鑒別力、對(duì)知識(shí)學(xué)習(xí)的掌控力、對(duì)問題求解的思考力。根據(jù)人工智能課程的特點(diǎn)，我們提倡將知識(shí)技能學(xué)習(xí)與項(xiàng)目活動(dòng)融合開展，從問題出發(fā)，基于真實(shí)情境，開展小組合作學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在“想中學(xué)、做中學(xué)、用中學(xué)、創(chuàng)中學(xué)、講中學(xué)”，腦、手、心并用，多種學(xué)習(xí)方式相結(jié)合，綜合提升學(xué)生的人工智能素養(yǎng)。

例如“智慧停車場”項(xiàng)目，教師創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境：國家城市化進(jìn)程加快，交通壓力越來越大，智能化交通管理已成為交通發(fā)展的大方向。接著教師提出問題：如何讓車主方便地找到車位？如何提高停車收費(fèi)的管理效率？學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)施方案，將現(xiàn)實(shí)問題抽象為人工智能視覺、圖像識(shí)別領(lǐng)域里的問題。教師協(xié)助學(xué)生選擇算法以形式化表達(dá)需求，并使用編程語言與計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互。學(xué)生完成作品后，教師組織學(xué)生交流展示，開展過程性評(píng)價(jià)，引導(dǎo)學(xué)生思考“智慧停車場”系統(tǒng)與人以及社會(huì)之間的關(guān)系。項(xiàng)目活動(dòng)培養(yǎng)了學(xué)生的人工智能意識(shí)、計(jì)算思維、人機(jī)協(xié)同能力、智能社會(huì)責(zé)任等人工智能素養(yǎng)（如圖2）。

（四）構(gòu)建區(qū)域人工智能教育支撐平臺(tái)

為有效推進(jìn)人工智能課程的實(shí)施，浦東新區(qū)正在設(shè)計(jì)構(gòu)建1個(gè)區(qū)域人工智能教育支撐大平臺(tái)、個(gè)人工智能教育實(shí)驗(yàn)中心以及100所人工智能教育實(shí)驗(yàn)校。區(qū)域支撐平臺(tái)包括編程平臺(tái)和課程教學(xué)系統(tǒng)，為人工智能教育提供全方位、立體化的在線教學(xué)資源，包含共享的教案、體系化的教材、項(xiàng)目化的資源案例、微課等，貫穿教師教、學(xué)生學(xué)的全過程（如圖3）。師生將借助這個(gè)平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)交流、資源分享、實(shí)踐探究等。

（五）采用線上線下雙師結(jié)合模式

以“人工智能”的方式開展人工智能教育是解決目前師資不足問題的關(guān)鍵所在。人工智能課程的開發(fā)同時(shí)應(yīng)配套人工智能教師培訓(xùn)課程的開發(fā)。課程的設(shè)計(jì)與實(shí)施還可以采用“雙師課堂”模式，一名主講教師與一名伴學(xué)教師。線上+線下“雙師”混合式教學(xué)模式有助于將優(yōu)質(zhì)數(shù)字教學(xué)資源輸送到相對(duì)薄弱的學(xué)校，通過擴(kuò)大優(yōu)質(zhì)教育資源覆蓋面助推教育公平，實(shí)現(xiàn)區(qū)域范圍內(nèi)全納與公平的人工智能教育。同時(shí)，人工智能學(xué)科教研團(tuán)隊(duì)的建設(shè)也迫在眉睫，區(qū)域定期開展研修活動(dòng)將有效提升教師的人工智能素養(yǎng)。

四、結(jié)語

在中小學(xué)開展人工智能教育是時(shí)代的要求，是為培養(yǎng)“中國芯”的擔(dān)當(dāng)，中小學(xué)人工智能教育應(yīng)該以全納的態(tài)度，重視人工智能意識(shí)、計(jì)算思維、人機(jī)協(xié)同能力、智能社會(huì)責(zé)任等人工智能素養(yǎng)的培養(yǎng)。當(dāng)前，我們可借鑒發(fā)達(dá)國家和先進(jìn)地區(qū)的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，梳理人工智能核心內(nèi)容，建立完善課程內(nèi)容體系，以“政府—企業(yè)—社會(huì)—學(xué)校等多方協(xié)同”的方式共建共享資源，以人工智能賦能教師的形式彌補(bǔ)師資短板，以項(xiàng)目學(xué)習(xí)的方式讓學(xué)生獲得學(xué)習(xí)人工智能的成就和快樂，對(duì)人工智能技術(shù)辨善明惡，迎接智能社會(huì)的挑戰(zhàn)。

注：本文系浦東新區(qū)教育科學(xué)研究區(qū)級(jí)一般課題“高中人工智能教育課程體系及教學(xué)策略的研究”（課題編號(hào)：2019B018）、上海市教育科學(xué)研究一般項(xiàng)目“面向計(jì)算思維的初中人工智能教育的實(shí)踐研究”（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)：C20078）的研究成果。

參考文獻(xiàn)

[1][2]中華人民共和國教育部.普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版[S].北京：人民教育出版社，2018：1.

[3] 上海市教育委員會(huì).關(guān)于印發(fā)《上海市教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃（2018—2022）》的通知[EB/OL].http：//edu.sh.gov.cn/xxgk_ghjh_zxgzjh/20200514/0015-gw_3022018002.html.

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

（作者褚金嶺系上海市浦東教育發(fā)展研究院中級(jí)教師，浦東新區(qū)信息科技學(xué)科骨干教師;謝忠新系上海市浦東教育發(fā)展研究院教育信息中心主任，信息科技學(xué)科正高級(jí)教師、特級(jí)教師）

責(zé)任編輯：牟艷娜