我國中小學人工智能教育研究現狀與趨勢
——基于CNKI中文文獻的可視化分析

謝惜珍 盛 瑤 黃德財 陳 莉

（江西師范大學 新聞與傳播學院，江西 南昌 330022）

近年來，伴隨著人工智能技術的迅猛發(fā)展，國家和各省市著手規(guī)劃和開展中小學人工智能教育。2017年，國務院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中指出，要在中小學階段設置人工智能相關課程和開展人工智能競賽，逐步推廣編程教育，鼓勵社會力量參與編程教學等[1]。2018年，教育部印發(fā)的《教育信息化2.0 行動計劃》通知中提到，要“完善中小學人工智能課程方案、標準和內容”。[2]2019年，教育部印發(fā)的《2019年教育信息化和網絡安全工作要點》中指出：“要推動在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育。”[3]在國家政策的引領下，多個省市逐步出臺相關政策，設置課程，開發(fā)教材。目前，我國在中小學階段開展人工智能教育尚處于探索期，亟待從當前的研究和實踐中探索未來中小學人工智能教育的發(fā)展方向。本研究使用SATI 在線分析和Cite Space 5.7.R5W 軟件對中小學人工智能教育研究的文獻進行統(tǒng)計與梳理，采用文獻分析法和定量研究法對該領域的總體發(fā)展趨勢、文獻來源、機構分布、關鍵詞共現網絡、關鍵詞聚類和關鍵詞時區(qū)圖等方面進行研究，從數據與圖譜中分析我國中小學人工智能教育的現狀、問題和發(fā)展趨勢，以期為我國中小學人工智能教育的研究提供參考和借鑒。

一、文獻來源與分布

（一）文獻來源

（二）文獻分布

對不同年份的發(fā)文數量進行統(tǒng)計，如圖1 所示。從文獻數量與年份的分布來看，2017年及其之前的年份中相關研究較少，自2017年開始，有關中小學人工智能教育的文獻數量呈較大幅度增加，尤其在2020年達到了110 篇的峰值，這與我國頒布的相關政策有關，如2017年7月《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》的頒布，標志著我國中小學人工智能教育的正式展開。在國家政策的引領下，一線教師和相關研究領域的學者更加關注中小學人工智能教育，從理論研究和教學實踐多方面、深層次探討人工智能教育的發(fā)展路徑。

圖1 發(fā)文量隨年份變化圖

通過SATI 在線分析，對檢索到的文獻進行文獻來源分析，結果見表1。從文獻來源分布來看，通過對中小學人工智能教育文獻來源期刊及載文量進行分析，得到載文量排名前20 位的期刊。由表1 可知，中小學信息技術教學領域和數字化、信息化教學領域的期刊在中小學人工智能教育中發(fā)揮著“領頭羊”的作用，其中不乏一線教師對人工智能教育的思考，涵蓋豐富的實踐教學案例，我國相關領域的學者也對人工智能教育開展了研究，讓實踐經驗與理論指導更加緊密結合，從而形成良性的教學—研究循環(huán)。

表1 載文量排名前20 位的期刊及載文情況

根據發(fā)文機構的關注度，本研究選取發(fā)文量在3 篇以上的機構，如表2 所示，北京地區(qū)的高校、科研機構和中小學校對中小學人工智能教育的關注度較高，反映出首都地區(qū)優(yōu)越的教育環(huán)境和政策落地的先發(fā)優(yōu)勢，因此也成為人工智能教育改革的重要風向標。此外，江蘇師范大學和西北師范大學也緊隨其后，其中西北師范大學設立了我國第一個智能教育博士點，可見我國高校正嘗試從高等教育發(fā)力探索開展人工智能教育的途徑。

表2 發(fā)文量在3 篇及以上的機構分布

二、研究過程

（一）研究熱點

關鍵詞是文章主題與內容的高度凝練與概括,高頻關鍵詞則代表了某一領域的研究熱點。本研究選取關鍵詞作為分析節(jié)點,時間間隔為一年，分析項目選擇方法為“Top N=50”，關鍵詞顯示的閾值調為10，生成了關鍵詞共現網絡圖譜（如圖2）。圖中每一個圓形節(jié)點代表一個關鍵詞,頻次越高則圓圈越大，連線的密集程度則代表著關鍵詞間相互聯系的密切程度。圖2 中的熱點詞匯包括“人工智能”“中小學”“機器人”“人工智能課程”“人工智能技術”“創(chuàng)客教育”等。為了更好歸納高頻關鍵詞，將頻次排名位于前十五的關鍵詞列于表3 中。此外，節(jié)點中介中心性大于0.1，說明該節(jié)點在整體網絡中的位置越重要。中介中心性大于0.1 的關鍵詞有“人工智能”“人工智能教育”“中小學”“機器人”“人工智能課程”“機器人教育”“人工智能技術”“中小學信息技術課程”。可見，中介中心性大于0.1 的關鍵詞與頻次排名前幾位的關鍵詞基本一致，它們是我國中小學人工智能教育的重點內容。其中，創(chuàng)客教育、編程、信息素養(yǎng)等也是中小學人工智能教育重點關注的內容，將人工智能教育融入這些內容，體現了我國中小學人工智能教育的發(fā)展特色。

根據圖2 和表3 可將關鍵詞的內容歸納為個三個方面：

表3 頻次位于前十五的關鍵詞及頻次

圖2 關鍵詞共現網絡圖譜

1.人工智能教育。主要體現在人工智能課程的形式和人工智能技術兩方面。人工智能課程開展的形式有以下三種：第一種是單獨開設一門人工智能課程，編制或使用專門的“人工智能教材”來上課，學習的內容也與人工智能知識相關[4]；第二種是將人工智能內容與其他相關課程內容相融合，在這些課程中涉及人工智能的內容，包括信息技術課、機器人課程、計算思維教育、編程教學、STEAM 教育和創(chuàng)客教育等[5]；第三種是將人工智能與其他學科進行跨學科課程設計，如與語文、數學、生物和化學等學科內容結合[5]。人工智能教育的關鍵技術則包括機器學習、自然語言處理、計算機視覺、知識圖譜、人機交互和機器人。[6]

2.機器人教育。“機器人教育是指學習、利用機器人，優(yōu)化教育效果及師生勞動方式的理論與實踐。”[7]我國中小學機器人教育大部分是通過學校采購機器人設備和器材，如鍛煉動手能力的Arduino 機器人、程序開發(fā)Raspberry Pi 機器人和功能性機器人，再由信息技術課程教師指導學生組裝、編程機器人，并參加機器人相關的競賽。[8]隨著智能技術和設備的進步，還可借助圖形化編程軟件Dobot Block 及其內部嵌入的人工智能模塊接口，實現機器人自動識別貨物并將其安放到指定位置[9]。

3.編程和創(chuàng)客教育。學習人工智能技術知識時，需要通過編程來實現對智能機器的控制，所以編程教育也成為人工智能教育中重要的環(huán)節(jié)。麻省理工學院開發(fā)的青少年編程工具Scratch、APP Inventor 和我國本土研發(fā)的編程貓等工具，為低年齡學段的學生提供了趣味編程，能讓學生在實現編程創(chuàng)作樂趣的同時也逐漸接觸人工智能知識。我國高中信息技術課程的編程語言從Prolog 語言更替為在人工智能應用范圍更廣的Python 語言，為學生進一步學習人工智能打下基礎。創(chuàng)客的興起讓創(chuàng)客教育成為技術教育的聚集地，信息技術課程和創(chuàng)客教育旨在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新創(chuàng)造和動手能力，與人工智能教育旨在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新、創(chuàng)造思想相契合。

講到汽車市場的起伏，我們也并不擔心，因為：第一，汽車技術本身正在快速升級，麥格納機電智能系統(tǒng)已經在技術儲備方面大大超出了同業(yè)；第二點，即便有所波動，但是汽車電子化和智能化的趨勢不會變；最后，其實當市場在下滑的時候，對于那些真正的強者反而意味著更多機遇，因為市場有可能出現新一輪洗牌過程。

（二）研究領域

關鍵詞聚類分析是通過統(tǒng)計學方法，將關鍵詞的共現網絡關系簡化為數目相對較少的聚類的過程，以了解本領域的熱點研究范圍。本研究使用Log-likelihood ratio(LLR)算法進行聚類統(tǒng)計,得到了聚類數量為10 的知識圖譜（如圖3）。在該聚類圖中，Q=0.5032>0.3，S=0.8072>0.7，所以該聚類是顯著的和令人信服的。可將聚類的結果劃分為四大領域，分別是人工智能技術、機器人教育、中小學智慧教育和中小學人工智能課程。

圖3 關鍵詞聚類網絡圖譜

1.與人工智能技術相關的有2 個聚類，分別是#0 人工智能和#9 問題解決。主題詞包括“問題解決”“Prolog語言”“專家系統(tǒng)”“知識表示”等。其中，Prolog 不僅是一種邏輯型人工智能程序設計語言，也是問題求解的工具，有學者研究如何開展Prolog 教學，將“人工智能初步”知識點與 Prolog 語言的聯系進行歸納，并設計教學案例[10]。此外，這些主題詞大多是人工智能應用的具體技術，在中小學人工智能教育中，學習人工智能技術不僅能讓學生體會使用人工智能技術解決問題的過程和方法，也為后續(xù)的深入學習打下基礎。

2.與機器人教育相關的有3 個聚類，分別是#2 機器人、#3 機器人教育、#7 智能機器人。主題詞包括“機器人”“教學”“創(chuàng)新教育”“機器人教育”等。該聚類領域與關鍵詞突現一致，該研究領域主要體現在中小學機器人的課程設計中，如將課程分為初、中、高三大階段，內容涵蓋程序設計的基本結構和機器人操作[11]。除此之外，該領域的研究還聚焦STEAM 教育理念下的人工智能課程設計、基于STEAM 教育的中小學人工智能教育模式以及創(chuàng)客課程建設[12]。可見我國機器人教育、STEAM 教育和創(chuàng)客教育這三者與人工智能教育有著緊密的聯系，它們也是我國目前開展人工智能教育的主要形式。

3.與中小學智慧教育相關的有2 個聚類，分別是#4智慧教育和#6 中小學教育。主題詞包括“智慧教育”“大數據”“人工智能技術”“創(chuàng)新實驗室”等。智慧教育就是通過人機協同作用來優(yōu)化教學過程和促進學習者更好發(fā)展的一種未來教育范式[13]。通過使用人工智能技術、AR、VR 等技術來構建學習場景、實時交互，提升智慧教育的質量，同時智慧教育的發(fā)展又能為中小學人工智能教育提供更有利的環(huán)境、資源和平臺等。

4.與中小學人工智能課程相關的有3 個聚類，分別是#1 人工智能課程、#5 中小學信息技術課程、#8 校本課程。主題詞包括人工智能課程、人工智能應用、中小學信息技術課程、校本課程、圖形化編程等。目前在小學和初中階段，國家尚未明確人工智能教育相關課程標準，所以總體來看，人工智能在中小學尚屬于選修內容，主要在校本課程和信息技術課程中開展，如北京宏志中學等以Kitten block 軟件的體驗型人工智能校本課程，使學生完成語音識別、人臉識別和機器學習的輕量化學習[14]。深圳市高級中學開設基于AI 創(chuàng)新實驗室的綜合性探究活動課程，為學生分層教學提供了有效課程機制[15]。

（三）研究趨勢

在關鍵詞聚類的基礎上，以一年作為時間間隔片段，利用Time View 功能制作出關鍵詞時區(qū)圖譜，如圖4所示。

圖4 關鍵詞時區(qū)圖譜

根據時區(qū)圖可將我國中小學人工智能教育劃分為以下三個階段：

1.中小學人工智能教育初探期（2002—2010年）

2001年6月，教育部印發(fā)了《基礎教育課程改革綱要（試行）》的通知，將信息技術教育設置為小學、初中和高中的必修課程。隨后在2003年教育部頒布的《普通高中技術課程標準（實驗）》中，把“人工智能初步”和“簡易機器人制作”設為技術領域的選修模塊,這表明我國開始逐步普及和推廣人工智能和機器人教育。在此背景下，人工智能教育在機器人教育、人工智能課程和信息技術課程等相關課程的開設中不斷發(fā)展。這一時期主要探討中小學機器人教育和高中人工智能教育課程，涌現了較豐富的教學案例，但由于當時技術的發(fā)展還未成熟，相關的配套措施還不完善，以致出現課程性質不明確、師資力量不足、外部環(huán)境不容樂觀等問題。所以這一時期的中小學人工智能教育是以課程標準為導向，主要面向高中學生開展人工智能教學。

2.中小學人工智能教育滯緩期（2011—2016年）

在這個時期，有關中小學人工智能教育的研究數量減少，發(fā)文量和關鍵詞頻次有所下降。我國自2003年發(fā)布《普通高中技術課程標準（實驗）》以來，在其后5～6年，中小學人工智能教育受到較多的關注，一線教師積極進行教學實踐。但受限于當時人工智能技術在我國的應用水平，以及相關教學資源的匱乏，我國學界和一線教師對中小學人工智能教育的探索逐漸減少。該時期研究內容和頻率較少，有關研究基本延續(xù)了上一時期的高頻研究內容，包括編程、機器人教育、創(chuàng)客教育等，彼時與人工智能教育直接相關的政策文件還未出臺，所以中小學人工智能教育仍處于緩慢的探索期當中。

3.中小學人工智能教育發(fā)展期（2017—2021年）

2017年被譽為“人工智能元年”，在這一年，國務院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中提出：“在中小學階段設置人工智能相關課程和開展人工智能競賽，逐步推廣編程教育，鼓勵社會力量參與編程教學等。”這是我國首次提出開展中小學人工智能教育，中小學人工智能教育正式拉開了帷幕。2018年1月，《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》不僅在必修一“數據與計算”中納入了人工智能的相關內容，還將“人工智能初步”列為選擇性必修模塊內容。在政策和課程標準的指引下，我國中小學人工智能教育的相關研究迅速發(fā)展，總體研究類型可概括為三類。第一類研究是有關中小學人工智能教育課程的設計與實施，此類研究數量明顯多于前期同類研究，以實踐教學結合理論闡述為主，如人大附中開創(chuàng)的人工智能教育STEAM 金字塔模式；上海市浦東新區(qū)將中小學人工智能教育分為融入課程、科普主題、學科開展、興趣社團、競賽活動五種形式。第二類研究是關于人工智能教材的研究，由于相關政策和課標的相繼發(fā)布，各地紛紛實施相關舉措，中小學人工智能教材也在不斷更新發(fā)展，對教材的比較和分析也成為人工智能教育研究的關注點。第三類是與人工智能教育相關的內容定位研究，因人工智能具有跨學科的特點，課程定位容易模糊，常見與機器人教育、STEAM 教育、計算思維和編程教育混淆，因此“教什么”也是大家關注的重點。如中小學人工智能教育可依據學生的發(fā)展水平分為感悟、體驗和創(chuàng)造，并設計不同水平的教學內容；也可將人工智能課程分為基礎、核心與進階三個層次。總之，我國對中小學人工智能教學內容的探索仍在不斷開展中。

三、建議和展望

通過對我國中小學人工智能教育近二十年來的梳理與分析，可以看出相關研究基本呈穩(wěn)定向上發(fā)展的趨勢，但頂層設計研究相對較少，未形成統(tǒng)一、完備的中小學人工智能教育體系，沒有一套國家標準的規(guī)范化的操作指標，缺少專業(yè)的師資力量，課程內容定位模糊，相關研究還處于探索階段。所以還需從頂層到底層清晰規(guī)劃，完善學科設置，強化師資培養(yǎng)，進一步深入探索中小學人工智能教育的實施路徑。

（一）政府進行頂層規(guī)劃，聯合多方合作研究

縱觀我國中小學人工智能教育發(fā)展，各地多以校本課程的形式開展人工智能教育，雖各有特色，但未能明確指出我國中小學人工智能教育的一條發(fā)展主線和實施底線。所以我國政府部門需制定相應的課程標準，聯合相關的科研機構、高校專家學者、科技企業(yè)以及中小學教師開展合作研究，加強信息技術課程中人工智能內容的建設，從教學內容、教學目標、技術研發(fā)、資源設計等方面進行設計與開發(fā)，將優(yōu)質內容合理整合，形成規(guī)范化與系統(tǒng)化的人工智能教育教學體系。積極借鑒國際上開展人工智能教學的優(yōu)勢國家，如美國及歐洲等國，通過比較與分析，結合我國實際的學情，探索適合我國中小學的人工智能教育內容。

（二）學校依據自身發(fā)展特色，開展融合式與跨學科的人工智能教育

通過對文獻的梳理中發(fā)現，我國開展人工智能教育多與機器人教育、信息技術課程、創(chuàng)客教育、STEAM 教育、編程教育、計算思維等內容相聯系，而這些內容中或多或少都體現出了人工智能教育的相關特征，如通過編程和計算思維強化邏輯思維能力，在創(chuàng)客教育中激發(fā)創(chuàng)造力和動手操作能力等。所以在現有課程的基礎上，適當將人工智能教育與現有的課程體系相融合，將能更好、更快探索發(fā)展之道。此外，基于人工智能的跨學科特性，決定了人工智能教育可通過跨學科整合來實現其教育功能的最大化。如在數學、物理、生物等學科融合相應的人工智能知識，在數學教學中滲透人工智能中的概率等知識，在智能設備中講解其中蘊含的光學、運動學知識，在生物學中將人類神經元與人工神經網絡進行比較，等等。

（三）加強師資培養(yǎng)，共建共享資源

在職前教育培養(yǎng)方面，師范類高校可以嘗試開設人工智能教育師范類專業(yè)，通過師范院校培養(yǎng)人工智能相關人才，經過資格考試和系統(tǒng)培訓后可為我國中小學人工智能教育持續(xù)輸出人才，有利于長遠發(fā)展。在職后教育發(fā)展方面，首先需要開展大規(guī)模在職教師培訓活動，如參加各類教研、“國培”“省培”等，提升教師專業(yè)技能，拓展教師發(fā)展視野。中小學校可與高校合作，鼓勵教師參加相關線上和線下課程，讓教師在高校教師的指導下進行教育活動和科研探究，鼓勵教師將優(yōu)秀的中小學人工智能教育案例進行參展和評比，讓教師在分享、交流與合作中學習先進的教育理念，提升教學水平。中小學還可以聘請相關技術與教育專家參與到中小學人工智能教育體系中來，包括從課程的設計、開發(fā)、實施與評價等方面，也能促進教師的技術能力的提升。

（四）教師選取合適的資源，探索相適應的教學方法

教師是教學過程中十分重要的要素，沒有教師的現代化，就沒有教育的現代化。首先，中小學人工智能教育是一門理論與實踐并重的學科，其中實踐在課程中占據較大比重，所以教師依據合適的教學資源并采用恰當的教學方法，將取得事半功倍的效果。當前中小學人工智能課程存在著資源短缺、案例不足的情況，教師可積極參與高校、各教育單位開展的人工智能課程培訓，主動學習相關課程與教學案例，提升自身技術水平；其次，教師可在課前對人工智能教材進行研讀，比較不同教材的編寫特色與優(yōu)缺點，取長補短，選取適合本學段學生認知基礎的內容進行教學，如小學以感知類內容為主，初中以體驗類內容為主，高中以創(chuàng)新類內容為主，激發(fā)學生的學習興趣；最后，教師可通過參與人工智能教學評比活動，如各類“精品課”“優(yōu)課”，與同行教師進行交流，積累教學素材，獲得教學靈感。

四、總結

中小學人工智能教育體系的完善需要從政府、企業(yè)、科研院所、社會、中小學校、教師等多方著手，共同努力，才能緊跟人工智能時代發(fā)展的步伐。在開設相關課程的過程中，需要綜合考慮多種因素，包括內容的編排與設計等均需符合學生的認知發(fā)展規(guī)律。重點關注用技術賦能教師專業(yè)發(fā)展，從而促進人工智能教育的發(fā)展，通過共建共享資源打造人工智能教育的實踐資源庫，以學生為主體，真正實現創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。此外，還應注重采用多樣化評價手段，聯絡學校、家長、企業(yè)等多方主體對學生進行多維評價，為人工智能教育的全面發(fā)展提供保障。