中小學人工智能教育面面觀

》 馬 濤

正高級教師，北京市特級教師，北京市海淀區(qū)教育科學研究院教育網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)中心主任。首屆教育部基礎教育教學指導專業(yè)委員會委員，中國教育技術(shù)協(xié)會中小學專業(yè)委員會常務理事。中央電教館“全國中小學新媒體新技術(shù)教學應用研討活動”專家委員會副主任，中央電教館全國中小學電腦制作活動評審專家，國培計劃中西部骨干培訓主講教師。北京市教育科學研究院基礎教育教學指導委員會信息技術(shù)學科兼職教研員，北京市中小學教師信息技術(shù)應用能力提升工程1.0、2.0項目專家。主編《中國互聯(lián)網(wǎng)學習白皮書》之2017至2021年《人工智能教育（基礎教育）發(fā)展報告》，主編人民教育出版社、中國地圖出版社聯(lián)合出版的高中2017版課標《人工智能初步》教材并通過教育部審定。

》 魏 寧

北京市東城區(qū)教育科學研究院研修員，本刊特約撰稿人/專欄作者。

厘清人工智能教育的核心內(nèi)容

魏寧：馬老師，您好，很高興有機會和您一起聊聊中小學人工智能教育這個話題。我們先從一份報告說起吧，教育部教育管理信息中心從2017年起每年都會發(fā)布并出版《人工智能教育（基礎教育）發(fā)展報告》，作為《中國互聯(lián)網(wǎng)學習白皮書》的重要組成部分，對當年度中國基礎教育領域人工智能教育的發(fā)展狀況進行總結(jié)、盤點，并探討人工智能教育的發(fā)展趨勢。我知道，您從2017年開始就擔任了這一報告的主編，近年來也一直追蹤、關注中小學人工智能教育的發(fā)展，對這一領域有著非常深刻的見解。

馬濤：感謝雜志提供這樣一個機會，能夠一起聊聊中小學人工智能教育這個話題。剛才您提到的這個報告，它的背景源自2017年國務院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》。規(guī)劃中明確提出：“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。”于是，人工智能教育開始引發(fā)持續(xù)關注，成為中小學教育的熱點，在這一背景下，《人工智能教育（基礎教育）發(fā)展報告》得以推出。這個系列報告到今年已經(jīng)5年了，并且仍在以每年一本的方式繼續(xù)推出，這也是目前國內(nèi)基礎教育階段人工智能教育領域堅持時間最長的系列報告，它見證并記錄了中國中小學人工智能教育的發(fā)展歷程。其中包括了人工智能教育的推廣、普及狀況，教師和學生對人工智能教育的認知狀況；中小學人工智能教育相關課程的開設狀況；類型結(jié)構(gòu)，還存在哪些問題和困惑等。我有幸擔任了這一系列報告的主編，見證了近年來國內(nèi)人工智能教育的蓬勃發(fā)展。

魏寧：通過5年來對人工智能教育的觀察，您覺得當前人工智能教育開展面臨的最大問題是什么？最大的困難是什么？

馬濤：實事求是地說，開展人工智能教育的最大困難和問題是我們對人工智能核心內(nèi)容的理解仍存在偏差，對什么樣的課堂才真正屬于人工智能教育存在認知誤區(qū)。我認為，體現(xiàn)出人工智能核心算法、人工智能功能調(diào)用，實現(xiàn)人工智能功能的課堂才是人工智能教育。但在我們比較常見的認識中，會認為機器人課就是人工智能課，智能硬件課因為有智能兩個字，也被認為是人工智能課，甚至編程課也被認為是人工智能課。以至于有的學校開設了編程課程、創(chuàng)客課程，就認為自己開設了人工智能課程，這種以非人工智能的內(nèi)容混淆人工智能課程內(nèi)容的現(xiàn)象還是比較普遍的。所以，我們需要引導方向，讓大家清楚人工智能的核心內(nèi)容到底是什么。

魏寧：但對于中小學生來說，人工智能核心算法的掌握難度是顯而易見的，我們是不是應該從義務教育階段到高中，給學生一個認識的梯度？

馬濤：是這樣的，要想在中小學推動人工智能教育，確實需要從小學到高中將其分為不同的層次來開展。

在小學和初中階段，學生的數(shù)學基礎、認知基礎決定了他們對人工智能的核心算法不會有太大的把控能力，此時可以借助一些開放的人工智能平臺內(nèi)容去呈現(xiàn)人工智能的功能，讓學生理解人工智能到底是什么。這時我們就發(fā)現(xiàn)，在2017年《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》發(fā)布后，科技部就公布了首批4家國家新一代人工智能開放創(chuàng)新平臺名單，也就是大家熟悉的BATI，這些平臺開放人工智能庫函數(shù)，讓大家能夠免費使用，這樣小學生也可以在圖形化編程下實現(xiàn)人工智能功能的調(diào)用。通過這樣的方式，在小學和初中階段，學生可以在不用過多學習基于數(shù)學的算法內(nèi)核情況下，用簡單的編程語言去調(diào)用庫函數(shù)的方式實現(xiàn)人工智能的基本功能，如語音識別或圖像識別等，進而用這樣的技術(shù)功能來解決生活中的問題，實現(xiàn)人工智能創(chuàng)新應用于生活問題解決。

我舉一個例子，曾經(jīng)有這樣一個學生作品，叫做“零接觸電梯外按鈕智能輔助裝置——防疫小衛(wèi)士”，一聽這個名字，就能了解它的創(chuàng)意來自新冠疫情期間，學生希望設計出一種不用手觸摸，通過人的聲音或者揮手就能控制電梯按鈕的裝置，這個作品就體現(xiàn)了利用人工智能技術(shù)解決生活問題這一思路。

而在高中，《高中信息技術(shù)課程標準（2017年版）》里就比較清楚地在選擇性必修模塊里涉及了人工智能的核心算法，但必修模塊里面是沒有核心算法的，更多的依然是體驗型，或者是認知層面的內(nèi)容。

上面說的這些是關于人工智能教育的途徑或方式，我們也可以回想一下信息技術(shù)課程的發(fā)展歷程，從早期的編程教育開始，大家先考慮的是程序設計用什么語言，以及什么樣的語句、語法，到后來開始涉及算法，再到后來提出計算思維。編程經(jīng)歷了從技術(shù)領域到方法領域，最后提升到思維領域這樣的一個發(fā)展、進階過程，人工智能教育我們也有著同樣的期待。

確立人工智能教育的思維目標

魏寧：說到思維層面，您對人工智能教育在思維領域的目標有怎樣的理解呢？

馬濤：剛才我說到，編程的學習就有這樣的一個過程，從編程技術(shù)的學習，到用編程解決問題，最后到計算思維的培養(yǎng)，這是一個從技術(shù)到方法再到思維素養(yǎng)提升的過程。在創(chuàng)客教育中我們也經(jīng)歷過這樣一個過程，就是從開源硬件的技術(shù)使用，到用開源硬件去解決問題，最終通過創(chuàng)新性的方式解決生活中的問題，體現(xiàn)的是創(chuàng)新思維。那么，人工智能教育必然也要經(jīng)歷一個從人工智能的技術(shù)學習到解決問題方法的實踐，最后到人工智能思維的培養(yǎng)的過程。

如果人工智能教育確實要經(jīng)歷這樣的一個過程，那么不同學段的目標就明確了。在小學、初中階段，更多的是去理解人工智能的基本特征和分析、體驗應用方式，高中階段培養(yǎng)學生掌握用人工智能解決生活中具體問題的內(nèi)在原理、基本模式和思維方式。

這樣一來，我們等于也明確地劃分出了小學、初中、高中的不同能力水平，甚至劃分出了不同學段課堂教學的內(nèi)容和形式。有了這樣的劃分，這個課程就避免了不同學段教學內(nèi)容和能力層次重復的問題。

魏寧：對，人工智能思維在不同學段的落位，也間接解決了不同學段差異性的問題。

馬濤：是啊，我們以前在上信息技術(shù)課的時候，就遇到過類似的問題，就是關于“信息”的概念。小學信息技術(shù)第一課是講信息的概念，初中第一課也是講信息的概念，到了高中第一課還是信息的概念。在實際教學中，不管是小學、初中還是高中，都會用烽火臺、結(jié)繩記事等例子來說明信息的概念。這就等于說，關于信息的概念，從小學到高中，教學中用到的案例都是一樣的，學生活動也是一樣的，那么學生的能力差異體現(xiàn)在什么地方？如果體現(xiàn)不出能力差異，我認為這樣的課肯定是存在問題的。

人工智能課程同樣如此，小學的人工智能課可能是讓學生拿著手機去拍花的圖片，用“形色”APP進行識別。初中、高中的人工智能課可能也會有同樣的內(nèi)容，那么，它們的層次差異體現(xiàn)在哪里？

我的理解是，當小學生用“形色”APP識別花卉圖片時，是讓學生理解人工智能的特征與非人工智能的區(qū)別，這是小學第一節(jié)人工智能課可以帶給學生的。到了初中，就不能僅滿足于通過這樣一個智能識別工具理解人工智能的特征，還要能理解或者解釋它的基本原理和方法，雖然學生未必能馬上實現(xiàn)這一功能，但一定要解釋清楚它的機理。到了高中，課堂中必須結(jié)合現(xiàn)有的編程基礎學習相應的核心算法等內(nèi)容，去設計一個解決問題的方案，并在人工智能課里面通過編程來實現(xiàn)。

這樣一來，就把人工智能教育在不同學段的能力區(qū)分出來了，所以在我看來，人工智能教育在不同學段可以有這樣的基本認知方式和實施方式，從而凸顯不同層次教學目標的能力、思維培養(yǎng)。

魏寧：我看您剛才舉的這些例子，以及不同學段能力、思維的層次，實際上已經(jīng)把針對人工智能教育的評價隱含其中了，這里面已經(jīng)體現(xiàn)出了人工智能教育的評價標準。

馬濤：是的，因為到目前為止，針對人工智能教育的評價依然是一個難點，其中不僅要涵蓋人工智能技術(shù)方面的評價，更要呈現(xiàn)對能力、思維、素養(yǎng)方面的評價。當然，人工智能教育評價也是非常值得探索的一個領域。

明晰人工智能教育的課程特征

魏寧：應該說，在2017年提出“在中小學階段設置人工智能相關課程”的要求時，很多學校就開始了有益的探索。隨著近年來高中階段和義務教育階段新課標的相繼頒布，人工智能相關內(nèi)容在課程中的呈現(xiàn)已逐漸清晰，當然，在信息技術(shù)（信息科技）課程之外，一些學校也在以校本課程的形式繼續(xù)開展相關的探索。對于人工智能教育在中小學階段的存在形態(tài)，您是如何看待的？包括近年來關于人工智能教育是否應該獨立設課的討論。

馬濤：幾年前，我們曾經(jīng)有幾個問題——人工智能教育，作為一個熱點，它會維持多長時間？它和信息技術(shù)或信息科技課程的關系是怎樣的？

我們可以從信息技術(shù)課程發(fā)展的歷史上找尋類似的例子。例如機器人教育，在21世紀初曾經(jīng)以非常高的熱度出現(xiàn)過，很多學校也獨立開設了機器人課程。但在一個高熱度過后，它會緩慢降溫，當然，這種降溫到最后不是消亡，它會穩(wěn)定在一個狀態(tài)上并且一直維持下去。我們現(xiàn)在看到在很多教材里面都會有機器人的內(nèi)容，它已經(jīng)穩(wěn)定地成為新的技術(shù)課程中的一個部分。

再來看創(chuàng)客教育。在大約十年前創(chuàng)客教育“火”起來以后，同樣經(jīng)歷了一個快速發(fā)展階段，但在一段時間后也在慢慢降溫，降到一定程度后維持在了一個穩(wěn)定的狀態(tài)上。從存在狀態(tài)看，它是一個獨立存在的板塊，在很多地方我們都能看到開源硬件的影子。這說明，對于創(chuàng)客教育的核心內(nèi)容，它在信息科技或信息技術(shù)課里面所占有的比例，大家是有共識的，它不會消亡。

回到人工智能課程。在剛剛興起的時候，大家可能更多地認為它是一個獨立開設的課程，但從國家課程體系的角度來看，它一直就是信息技術(shù)或信息科技課程中的一部分。在最開始的時候，大家可能更多的是利用地方課程或者校本課程的方式開設。慢慢地，它會更多地固定在信息技術(shù)或信息科技課程中，成為一個部分。當然，在一些條件好的學校，人工智能教育仍然會以校本課程等形式繼續(xù)探索下去，但對于全國范圍的廣大學校而言，人工智能教育的內(nèi)容會回歸到信息技術(shù)或信息科技課程中，會長期、穩(wěn)定地存在下去。

魏寧：您怎么看待人工智能教育和現(xiàn)在流行的創(chuàng)客教育之間的關系？在很多人看來，它們之間存在著交叉關系，甚至不易區(qū)分。

馬濤：我認為，人工智能對創(chuàng)客教育起到了推動的作用。我先說說我自己的親身感受吧。我在擔任一些創(chuàng)客活動評委的時候，在學生的創(chuàng)客作品中，注意到了和以往的一些不同。

例如，有一個作品叫“人工智能識別垃圾桶”，它的生活背景是當時開始實施的垃圾分類。從技術(shù)角度講，它基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡制作，對垃圾拍攝采樣并進行預處理，將圖片放入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡中進行訓練，輸出對應的概率分布并實施對應措施。通過這個案例我們可以看到，借助人工智能技術(shù)，可以做到：突出對外部的感知，突出人機交互，突出系統(tǒng)間信息互聯(lián)互通，從而使創(chuàng)客作品在功能上與以往的基于“自動化”的作品有所不同。

至于人工智能與創(chuàng)客的區(qū)別，從作品的角度看，人工智能作品突出認知、理解、決策，而創(chuàng)客作品更突出開源硬件。所以在作品創(chuàng)作中，突出各自的特點即可。

魏寧：如果從STEAM的角度看人工智能教育，其實，很多人工智能作品也體現(xiàn)了STEAM的特征。

馬濤：是的，人工智能的作品很多都能體現(xiàn)出STEAM的特征，如當做出一個好的作品的時候，它應該有一個合理的、美觀的外觀設計，有一個完整的封裝與制作。這里就體現(xiàn)了藝術(shù)的一面，就是STEAM里面的“A”。再有，作品制作的過程，涉及通用技術(shù)中的結(jié)構(gòu)問題，以及勞動技術(shù)里面的制作問題，它隱含的工程思維，就是STEAM里面的“E”的體現(xiàn)。

破解人工智能教育的師資困境

魏寧：剛才我們聊了很多，總的感覺是人工智能是一個非常專業(yè)的領域，我們目前對人工智能教育的準備其實還是不足的，需要加快發(fā)展，我想這里面會有一個瓶頸問題，就是師資問題，它會制約課程的發(fā)展，您怎么看中小學人工智能教育的師資問題？

馬濤：是的，人工智能師資問題的確是一個掣肘的問題。我們也可以換一個角度來看待這個問題，我們發(fā)現(xiàn)，在2017年之前，全國的高等學校在本科里設立人工智能專業(yè)的還非常少，基本都是在碩士層次以上才有相關的專業(yè)，這樣的根基肯定會導致基礎教育領域的人工智能師資匱乏。當然，近年來，高校在本科階段開設人工智能專業(yè)蓬勃發(fā)展起來了，可以有相應的師資填充進來，但數(shù)量上還是不能滿足中小學人工智能教育的需求。

魏寧：客觀上在人工智能師資短缺的背景下，我們可以用什么方式盡量彌補呢？

馬濤：在師資問題短時間內(nèi)無法有根本性轉(zhuǎn)變的情況下，學校可以考慮借助外部課程資源來填補空缺。當然，這也要看學校的經(jīng)費狀況。

如果學校的經(jīng)費比較充裕，就可以選擇付費的課程資源，有非常多的企業(yè)提供了全套的人工智能課程，其中涵蓋了教學進度、教學內(nèi)容、輔助資源、學生活動、評價方式，甚至還有線上的教師支持。如果學校的經(jīng)費不足以支持這樣的付費資源，那么就要考慮如何用免費的途徑填補空缺。第一個就是免費的編程環(huán)境，BATI提供了免費的人工智能庫。第二個就是硬件設備，如果學生的電腦上有麥克風、攝像頭、揚聲器，就可以在電腦上實現(xiàn)語音識別、語音合成、語義理解和圖像識別等功能。如果學校有開源硬件或機器人，能連接攝像頭、互聯(lián)網(wǎng)，也能通過互聯(lián)網(wǎng)來實現(xiàn)語音識別或圖像識別，這就等于利用學校現(xiàn)有的硬件資源，實現(xiàn)了人工智能的教學功能。當然，這還需要教師來做整體的課程設計。在免費的教學環(huán)境下，我還是希望能有一個完善的教研體系，把教師培訓做好，讓老師們有一個學習、交流、展示的空間。不論是實體性的線下培訓還是提供線上資源，它們對教師的學習成長都會有幫助。這也是以教研渠道提升師資能力的一種方式。

總之，對于人工智能教育的師資問題，長遠看還是寄希望于有人工智能教育背景的學生不斷補充進來。短期的方式就是，經(jīng)費充足的學校可以考慮購買商業(yè)化的課程資源，由這個商業(yè)化的體系輔助教師一步一步往前走，經(jīng)過一兩輪教學實踐后，教師就可以獨自掌控課堂了。如果沒有這樣的條件，就需要開源設備的支持，以及比較詳實的教材、教師指導用書，加上一套完整的教師培訓體系、教研體系的支撐。

魏寧：很高興今天和馬老師聊了很多關于中小學人工智能教育的話題，希望我們的中小學人工智能教育越來越好，涌現(xiàn)出更多成熟的教學案例，培養(yǎng)出更多的人工智能優(yōu)秀人才。

馬濤：我也很高興借助雜志提供的平臺，和廣大信息技術(shù)教師分享我的一點看法，同樣也預祝中小學人工智能教育有著更加美好的未來。