面向核心素養的中小學人工智能課程設計研究

馬昊學 鄭蘇 張玲（通訊作者） 寧夏大學教育學院

●問題提出

在智能時代，人工智能教育受到了空前重視，人工智能正逐步成為中小學課程的重要內容之一。但當前中小學人工智能課程在教學實施中存在一些問題，主要有：一是目標定位模糊，規范指導不足，即課程設計和開發處于困境，教師制訂教學目標存在困難。二是內容主題分化，領域邊界不清。一線教師對人工智能學科的領域邊界沒有清晰認識，導致教學內容的廣度和深度與中小學生人工智能課程內容產生偏離。[1]三是學習評價失位，缺少過程“證據”。人工智能課程鼓勵采用項目式學習方式，但在實施過程中存在評價內容與教學目標不對應、評價由學生素養偏向項目結果導向、有評價結果卻沒有數據佐證學生學習實效的問題。

為培養適應智能社會發展的未來公民，在中小學階段，教師應設計系統、全面且具有指導性的人工智能課程目標，界定人工智能課程的內容模塊和核心內容，評價學生的素養提升實效。本文基于對我國人工智能教育相關標準的分析，從課程目標、內容體系和評價設計三方面構建了面向核心素養的中小學人工智能課程模型，試圖為一線教師人工智能課程教學提供參考范例。

●我國中小學人工智能課程相關標準分析

2021年底，中央電化教育館和中國教育學會中小學信息技術教育專業委員會相繼發布了《中小學人工智能技術與工程素養框架》（簡稱《素養框架》）和《中小學人工智能課程開發標準》（簡稱《開發標準》），這兩份文件為人工智能課程設計和教學實施提供了理論依據，以下從培養目標、內容體系和評價建議三方面開展分析。

從培養目標來看，《素養框架》提出學生應該能夠運用特定的思維和推理方式在實踐中解決問題，具體從“理解人工智能技術原理、制訂問題的解決方案并實現目標、溝通與協作”三個實踐原則衡量學生的人工智能技術與工程素養。[2]《素養框架》針對每個學段的學生在人工智能課程學習后應該知道和能夠做到的具體要求都做了明確闡釋，課程目標具體清晰可操作，易于設計教學內容和開展評價。但需要注意的是，《素養框架》以“全面滲透知識與技能、過程與方法以及情感態度與價值觀這三個層次的目標，發展學生的能力與素養”為課程目標設計的理念，與學科核心素養導向的課程設計仍存在距離。《開發標準》提出以“適應未來智能社會的關鍵能力培養”為總體目標，實現在人工智能意識、技術應用能力、實踐創新思維和智能社會責任四個方面的培養[3]，其課程目標與信息科技學科核心素養相呼應，體現了正確價值觀、必備品格和關鍵能力的培養要求，強化了從知識技能學習向核心素養育人的目標導向轉變。

從內容體系來看，《素養框架》分為“人工智能與人類”“人工智能與社會”“人工智能技術”和“人工智能系統設計與開發”四個領域，提出了12個一級指標和32個二級指標。《開發標準》劃分了“人工智能與社會”“人工智能與人類智能”以及“人工智能原理與技術”三大主題。兩份文件在主題劃分上的區別在于《素養框架》中提出了“人工智能系統設計與開發”要求，難度較高，而《開發標準》則在“人工智能原理與技術”中將人工智能關鍵技術細化，更符合中小學課程的基礎性原則。在內容設置上，《素養框架》體現出圍繞主題逐漸深化、螺旋上升的設計理念，對學生關聯內化學科內容，達成學習進階提供幫助。《開發標準》則將內容橫向劃分，在不同學段學習不同模塊內容，以便于教師把握教學目標，并開展跨學科主題學習。

從評價建議來看，《素養框架》以“基礎知識、學習能力、探究能力、問題解決、團隊合作、情感價值觀等多種能力”作為評價內容，從過程視角提出了在“新知學習”“自主探究”“合作交流”和“學習效果”學習活動中的評價內容。《開發標準》則從縱向角度描述了學生在不同學段的關鍵特征，為劃分評價維度和開展測評提供了思路。值得關注的是，兩份文件中的評價建議均未明確指向其培養目標，《開發標準》中雖提出“課程評價以科學工程基本素養為發展導向，以基礎關鍵能力提升為目標”，但也缺少在核心素養層面的具體劃分和描述。

總體而言，《素養框架》和《開發標準》為中小學人工智能課程設計提供了頂層設計，為定位課程目標、界定課程內容和構建評價體系

提供了切實思路：①目標是課程育人價值的集中體現，需要立足總體定位，面向核心素養構建培養目標，對人工智能課程在中小學不同階段的目標進行細化。②課程內容設計應橫縱結合、結構明確，橫向設計凸顯人工智能跨學科性質，縱向設計滿足各學段學生學習進階需要。③課程評價應向素養評價轉向，對其學習效果的評價應當是證據導向的素養評價，而不是結果導向的知識測試。[4]

●中小學人工智能課程設計模型構建

本研究借鑒了《素養框架》和《開發標準》的設計建議，結合課程實施問題分析，構建了面向核心素養的中小學人工智能課程設計模型（如圖1）。該模型由三層構成，底層描述了課程總體定位和核心素養目標，中間層以螺旋上升結構呈現了課程內容體系，頂層為基于證據的多元評價。

圖1 中小學人工智能課程設計模型

1.面向核心素養制訂課程目標

明確課程目標定位，是在解決“為何學”的問題，它是整個課程設計的準則。筆者將培養目標細化為人工智能意識、技術應用能力、實踐創新思維和智能社會責任，進一步從感知、認識、體驗、應用和創新創造五個層面設置課程目標（如圖2）。

圖2 中小學人工智能課程目標框架

人工智能意識是指對人工智能概念、特征和原理的正確認識，對人工智能技術應用的敏感性，對人工智能與人類智能異同的鑒別力，并認識到人工智能對人們生活帶來的重要影響和對社會發展存在的巨大潛力。技術應用能力是指對人工智能技術實現方式的理解和掌握，通過體驗人工智能典型應用，學會靈活運用人工智能技術解決問題，合作探究，運用設計思維制作具有實用性的主題項目作品或方案。實踐創新思維是指通過人工智能平臺資源和工具，利用算法進行實際問題解決和創新活動實踐，形成對人工智能技術從容使用和綜合應用的能力，并能夠將工程思維和創新思維融入人機協同工作中。智能社會責任包括認識人工智能帶來的倫理和安全挑戰，學會保護個人數據和隱私安全，遵守人工智能技術應用相關法律法規，維護國家安全，形成人工智能技術安全和責任意識，自覺維護人工智能與人類社會的和諧發展。

培養目標貫穿整個課程體系，在各學段中有分層次的水平要求。感知層屬于課程準備階段，要求學生認識人工智能技術，能識別人工智能技術應用。認識層屬于起步階段，要求學生對人工智能基礎知識進行表示，描述出人工智能的特征和未來發展的方向。體驗層要求學生進行知識推理，通過典型的人工智能技術應用場景，理解人工智能解決問題的過程和方法。應用層要求學生進行知識應用，借助人工智能平臺和工具，合作探究完成主題項目實踐活動。創新創造層要求學生通過項目設計和實踐，創造性地解決實際問題，認識人工智能技術可能帶來的倫理和安全挑戰。

2.重構課程內容滿足學習進階

由于人工智能學科具有綜合性強和實踐性強的特點，而中小學生的認知水平又存在差異，所以人工智能課程在內容選擇上應滿足基礎性、生活化的原則，在內容組織上應滿足系統性、螺旋式的原則。課程內容要面向全體學生，應包括應具備的正確價值觀、必備品格和關鍵能力，也要兼顧知識技能和學科思維。

考慮到小學和初中各學段學生都是初次接觸人工智能課程、小學低段學生認知水平和動手能力較弱的現實情況，同時為銜接高中信息技術課程中人工智能選修課的內容，筆者將課程內容設計涵蓋三年級至九年級，分啟蒙、入門、基礎和進階四個階段進行，各個年級可以依據學生先前學習經驗選擇適合的階段開展學習，并以感知、認識、體驗、應用和創新創造五個層次目標結構內容，具體安排如下頁圖3所示。

圖3 中小學人工智能課程內容進階矩陣

（1）啟蒙階段：感知人工智能

啟蒙階段包括“認識身邊的人工智能”模塊，重在讓學生感知人工智能，通過感受人工智能在各個領域中的場景應用，感受人工智能技術支持的人機交互新方式。在人工智能意識方面，了解語音助手、人臉解鎖、車牌識別等人工智能產品和服務，初步認識人機協同的簡單實現方式。在技術應用能力方面，學會識別生活中的人工智能應用，描述其運用的人工智能技術并進行分類，能說出機器人和人工智能的區別，感受不同領域中的人工智能應用。在實踐創新思維方面，了解機器學習的簡單過程，初步認識排序和機器分類的智能思維，知道順序、循環的程序結構。在智能社會責任方面，結合典型的應用情境，認識到人工智能能夠勝任人類難以完成或者效率不高的工作，從技術的價值體現角度認識人工智能對人們生活帶來的變化。感知人工智能的目的在于引起學生興趣，使其能夠自主觀察發現生活中的人工智能技術并對其實現方式具有一定的理解，為之后深入學習人工智能技術的實現方式奠定基礎。

（2）入門階段：認識和體驗人工智能

入門階段包括“工程搭建”和“創意編程”模塊，重在讓學生認識和體驗人工智能，本模塊學生需要掌握人工智能技術的簡單實現方式，在已有人工智能技術應用的基礎上進行模仿和制作。在人工智能意識方面，在搭建中形成對工程結構的初步認識，在圖形化編程軟件中體驗翻譯、文字朗讀、語音識別、獲取天氣、AI圖像識別和機器學習（ML5）等人工智能服務和功能模塊。在技術應用能力方面，學習順序、循環和分支結構，培養學生用計算機的方式解決問題的能力。通過搭建過程步驟的分解，對積木模塊進行分類、排序和編碼，完成穩定的搭建以解決問題。在實踐創新思維方面，在圖形化編程平臺中完成基于場景的編程創意設計，在搭建機器人、小車等項目的過程中探究如何穩定且實現一定功能，在模仿和創造中培養其工程思維和創新思維。在智能社會責任方面，從智能音箱、智能垃圾桶、無障礙停車場等典型應用場景中體會人工智能給人們生活帶來的便利，了解人工智能帶來的巨大價值和潛在問題。認識和體驗人工智能的目的在于讓學生理解人工智能技術便利人們生活、提高工作和學習效率的原因，能夠合理使用人工智能技術。

（3）基礎階段：人工智能技術應用

基礎階段包括“智能控制”和“人機交互”模塊，重在讓學生應用人工智能技術，本模塊要求學生能夠模擬人工智能已有的場景應用，解決生活中的實際問題。在人工智能意識方面，結合典型場景認識人工智能在教育、醫療、農業、經濟等領域中的應用，知道“無人駕駛”技術的現狀和未來發展趨勢。在技術應用能力方面，體驗人工智能模塊的人臉識別、物體追蹤、物體識別、巡線追蹤、顏色識別和標簽識別技術，在復雜場景地圖中完成巡線、避障和圖像偵測控制小車搬運貨物等任務，學會人機協同解決復雜的現實問題。在實踐創新思維方面，學生模仿已有的人工智能應用，結合生活中發現的問題和現實需求，針對性地進行改進和創新，培養學生的設計思維和創新思維。在智能社會責任方面，理解人工智能技術的優勢，同時認識到人臉識別、無人駕駛等技術發展存在的潛在威脅，學會在人工智能技術應用中保護個人安全隱私。人工智能技術應用的目的在于培養學生運用人工智能技術解決生活中的實際問題的能力，通過多種方式智能化控制軟硬件，實現人機交互，是從模仿學習到自主創作的重要過渡階段，重在實踐。

（4）進階階段：人工智能創新創造

進階階段包括“設計未來智能產品”和“暢想未來智慧社會”模塊，重在讓學生嘗試用人工智能進行創新創造。這一階段為銜接高中信息技術課程中人工智能內容，將前幾階段的知識遷移應用，關聯內化。在人工智能意識方面，掌握人工智能的核心概念、典型特征，了解人工智能的發展歷程，形成對未來人工智能可能發展方向的認識。在技術應用能力方面，體驗手寫識別、機器學習、自然語言處理等人工智能技術，認識智能推薦及其原理，了解算法、大數據和算力，學會選擇合適的人工智能技術，綜合應用解決問題。在實踐創新思維方面，基于已有的關于人工智能技術的知識和技能，運用設計思維的方法，嘗試合作設計一款人工智能產品，進一步提升學生的創新素養。在智能社會責任方面，知道人工智能發展應遵循的倫理規范，引導學生對未來智能社會進行暢想，反思人工智能技術的快速發展和巨大潛力可能對社會帶來的積極與消極影響，并開展辯論商討應對的策略。該階段作為初中階段人工智能學習的總結，需要將之前學習的內容鞏固深化，因此要求學生全面理解人工智能技術應用現狀，做出創新設計，提出有實用價值的設計方案或作品。

3.收集評估證據開展多元評價

收集評估證據開展多元評價，是將學生學習表現外顯表征為人工智能意識、技術應用能力、實踐創新思維和智能社會責任方面的素養達成，是開展課程評價的關鍵。

開展基于證據的多元評價需要從兩方面入手：一是將學習過程中的各種證據收集記錄，反饋學生的學習結果，反思改進教學。教師需要預先確定能夠促進學生素養發展的評價標準、評估證據以及資料的收集方式。評估證據如設計方案、產品草圖、設計流程圖、問題解決記錄表、過程視頻等；資料收集可以填寫紙質記錄表，提交圖片、錄音和視頻材料，或者自動收集數字教材等數字學習系統中的交互數據和學習日志。二是學生在真實情境中解決問題的過程需要一系列證據的支撐，在項目制作、科學探究的過程中，學生需要運用設計思維、工程思維、計算思維去分析、判斷和推理，在這一動態連續的過程中獲得素養層面的提升。

●結語

當前，多數人工智能課程未能形成體系，未能實現普惠以滿足全學段的學習進階需求。厘清面向核心素養的課程目標、明確課程內容的邏輯關系、豐富評價方式和工具將是后續實踐的關鍵。