中小學生人工智能素養現狀、問題及提升策略

【摘 要】為了加強中小學生人工智能素養培養開展本研究。本文以Q市為例，通過問卷調查發現大部分學生具有較高的課程參與度、問題分析能力、算法思維和責任意識，但原理知識水平、知識遷移、自主探究和展示評價能力仍待提升，據此提出人工智能教學從知識教育轉向素養培育的建議。

【關鍵詞】中小學生；人工智能素養；素養測評；提升策略

【中圖分類號】G434" "【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2023）010-031-03

引" 言

目前，我國中小學人工智能教育正逐步從知識教育邁入素養提升的新發展階段，明確中小學人工智能學科核心素養內涵、制定科學有效的測評體系與探索科學的教學方式的需求愈發迫切。本文立足中小學生人工智能素養培養，以Q市為例，通過問卷調查，多視角分析中小學生人工智能素養培育的整體現狀和主要問題，構建中小學生人工智能測評模型，并據此提出對策建議。

調查設計及實施

1.調查設計

本文中調查問卷從人工智能意識、智能技術應用、實踐計算思維和智能社會責任四個指標維度全面測評學生的人工智能素養。為保障調研代表性，采用分層隨機整群抽樣的方式，抽取部分高中、初中和小學發起問卷調查。經過數據清理和校驗，共獲得有效樣本147 967個，其中高中11 475個、初中57 240個、小學79 252個。參與調查的學生男女比例分別為49.11%和50.89%。調查涉及學生的基本信息和人工智能素養測評相關題項共40個主要問題。

2.調查主要內容

本調查主要從問題提出、任務分析、任務實施以及展示評價四個一級維度及若干二級維度，側重調查學生與人工智能素養相關的能力，結合中小學人工智能課程目標、人工智能素養內涵以及不同學段學生認知特點設計出各學段表現性評價量規，運用德爾菲法檢驗評價指標和層次分析法賦值指標。采取隨機抽樣的方法抽取28所學校，深入課堂考察了28個班級的學生在人工智能課程學習過程中四個方面的能力：一是依據教師提供的情境自主發掘、歸納并提出須解決問題的能力；二是依據問題解決的需要，針對主題開展需求分析，提出解決方案、流程和產品設計思路的能力；三是運用相關人工智能知識、技術、設備開展實踐探究，創新性解決問題的能力；四是依據對人工智能設計流程以及對相關算法的理解，對自己作品的制作原理、設計思路、實現功能等方面進行介紹，并結合他人的意見進一步改進作品的能力。

3.訪談

訪談作為本次調查的輔助環節，用于挖掘各項數據背后的本質，分別從學生和教師的角度了解師生對于中小學人工智能課程的真實感受，探究教學實踐中的優勢與不足。訪談為半結構化訪談，訪談對象包括一線教師和中小學學生。其中，受訪教師是實地調研學校的人工智能任課教師，受訪學生由調研團隊從課堂中隨機抽取。對學生的訪談提綱從學習基礎、環境因素、教師教學、學習過程四個角度進行設計；對教師的訪談提綱從對人工智能素養的理解、教學方式、教學過程中的困難三個角度進行設計。

Q市中小學生人工智能素養的現狀

通過本調查組的大量研究、調研與分析，最終總結出目前Q市中小學生人工智能素養的整體特點。本調查基于各指標維度的題項類別及得分意義不同，不能用統一的標準衡量得分結果，因此在采用計算得分率（得分率=實際所得分數/該維度總分×100%）進行數據分析的基礎上，設置權重轉化成5分制，其中4.00分-4.30分為較低水平，4.30分-4.60分為中等水平，4.60分以上為較高水平。調查數據顯示，Q市小學的各個維度得分高于其他學段，其原因在于Q市2019年開展人工智能教育試點時小學試點學校居多，2022年實現了全市中小學人工智能課程的全面普及（表1）。

1.關于人工智能意識

人工智能意識維度在小學、初中和高中的得分分別為4.38、4.07和4.3。分析結果發現，大部分中小學生的人工智能意識水平較低，大多數學生能夠識別出生活中的人工智能技術應用實例并將人工智能應用與使用場景進行匹配，但在辨別的過程中不能較為準確地排除其他技術應用的干擾，且對人工智能技術適用情況的掌握稍顯薄弱。

2.關于智能技術應用

智能技術應用維度在小學、初中和高中的得分分別為4.61、4.56和4.36。中小學生的智能技術應用能力總體處于中等水平，學生會從自身的角色出發，對問題進行深入地推理、分析，將問題整體分解為若干部分進行研究，并從多角度探尋問題解決思路，提高問題分析能力。同時學生在實踐活動中表現出較強的主動性，能夠順利完成人工智能作品，具備較強的實踐操作能力。大部分學生對于人工智能技術的應用范圍有所了解，但欠缺對相關技術背后的原理掌握，導致了學生在運用相關技術解決具體問題時有一定的困難。

3.關于實踐計算思維

實踐計算思維維度在小學、初中和高中的得分分別為4.83、4.75和4.74。中小學生的實踐計算思維水平較高，但各二級維度發展不均衡。其中，學生的合作能力與創造力水平較高，問題解決能力的水平相對較低。學生會借助程序設計語言、流程圖以及偽代碼等描述和規劃任務實施路徑，理順任務要素之間的關系，能夠有條理地組織相關信息，并據此選擇合適的編程工具或功能模組逐步開展實踐。在此過程中，學生能夠把握程序設計中的算法內涵，形成清晰的任務實施思路，提高算法思維水平。

4.關于智能社會責任

智能社會責任維度在小學、初中和高中的得分分別為4.75、4.66和4.69。中小學生的智能社會責任水平較高，多數學生能夠正視并理智應對人工智能技術在發展過程中存在的風險、倫理問題等。學生能夠普遍意識到人工智能正在對醫療、交通、教育等行業進行重構，認識到人工智能作為一項技術，在推動人類社會進步的同時，也可能對人類社會產生負面的影響。同時，多數學生能夠在發展和使用人工智能的過程中，辯證地看待人工智能對社會產生的正面影響和負面影響之間的關系，力爭避免或減少其對社會造成負面的、破壞性的影響。

Q市中小學生人工智能素養培養的主要問題

1.知識遷移能力仍待提升

本文結合問卷數據和師生訪談發現，部分學生將人工智能知識應用于生活實踐的能力較弱，不能準確地辨別生活中的人工智能技術應用。其原因可能有：一是自主學習能力不足。部分學生知識基礎薄弱、自信心不足，過于依賴教師講解，不能自發、有意識地歸納總結所學知識。二是知識遷移渠道相對單一。課堂學習作為知識遷移與運用的主要渠道，如果課堂缺乏形象性、情境性和聯想性的遷移載體，遷移就會淺表化、形式化。

2.原理知識水平尚需提高

調查發現，各學段學生在回答有關智能技術核心原理層面的問題時，正確率總體較低，這表明學生對于技術背后的原理性知識理解不夠清晰，難以靈活運用人工智能知識解決現實問題。這可能是由于原理性知識內容較為晦澀，僅僅通過教師的講解無法引起學生思考，同時降低了學生學習的興趣。此外，當下中小學的人工智能課程尚未納入統考科目，學生在學習中會減少時間和精力的投入，缺乏主動探究、思考原理性知識的積極性。

3.自主探究能力有待增強

課堂觀察發現，部分學生在人工智能作品制作過程中，過于依賴教師的詳細指導，尤其是遇到困難時，習慣于通過尋求老師、同學的幫助來解決問題，較少嘗試通過查閱資料、積極思考等自主探究的方式解決問題，說明學生缺乏自主探究能力。這可能是由于學生在學習和自主探究過程中，不能自主地從教師為其創設的問題情境中合理地收集人工智能相關信息，也缺乏足夠的運用正確方法對信息進行整理和分析的能力。

4.展示評價能力仍需加強

表現性評價發現，部分學生在展示評價過程中，表現較為拘謹、沉默，不能思路清晰、客觀全面地介紹本組作品的設計思路、具體功能以及創新之處，也未能主動積極地自我反思并給其他小組作品提出改進意見。這可能是由于部分學生不能正確認識這一環節的重要性，未能主動參與到展示評價環節中；或有的教師未能給學生提供足夠的評價支持，如未提供足夠的展示評價機會以及較為完善的評價工具。

提升Q市中小學生人工智能素養的對策

1.創設真實問題情境，促進學習關聯實踐

人工智能技術是提高人類社會生產力的驅動力之一，是改變人類生活、行業生產最直接的表現。因此，對人工智能的學習不能僅僅停留在知識學習和技術操作上，更重要的是培養學生聯系生活的思想與學以致用的能力。只有在真實情境中學會的能力才是真實的能力，而僅通過應試做題習得的能力只適用于測驗，無法遷移到新的情境之中。教師應緊密聯系生活實際，豐富真實問題情境，激發學生探究興趣，引導學生深入思考，運用人工智能知識解決生活問題，在潛移默化中增強學生理論聯系實踐的能力。

2.培養自主學習能力，增強遷移的主動性

在人工智能課程的學習中，學生已學知識的掌握程度對其后續學習產生正向影響。學生只有主動學習，對知識的理解和掌握才會更加牢固，基于牢固的已學知識體系聯結新學知識才能形成知識遷移。首先教師在教學過程中應做好課前任務設計與教學資源發布，引導學生自主學習；其次，教師應創設貼近學生實際的學習情境，引導學生主動尋找新舊知識點間的聯結關系；最后，教師需要運用好課后作業與實踐任務，增強學生的親身實踐體驗，引導學生在實踐體驗中聯結新舊知識，養成自主學習習慣，增強知識遷移的主動性。

3.豐富課程活動形式，拓寬知識遷移渠道

當前學生將課堂學習作為知識遷移的主要渠道，因此教師可以嘗試增設課外學習活動以拓寬知識遷移的路徑。如在課前向學生提供微課視頻、教學短片、學習任務要求和課堂練習等教學資源，引導學生結合已學知識開展課前學習，使學生順利實現學習的遷移。此外，教師還可以通過設置多元的課程活動來豐富課內的遷移載體。如采用合作學習、實踐教學和體驗式教學等學生樂于參與的課程活動形式，讓學生在感知體驗與實踐操作中聯系生活實際，找到與已有經驗的切合點，深化對知識的理解、遷移和認識。

4.提供有效學習支架，減少學生認知負荷

教師可以選擇合適的學習支架來減少學生學習原理性知識的認知負荷。在學習人工智能原理性知識時，教師應給予學生適時、恰當的協助，比如提供可視化工具或探究提示、提出引導性問題等方式為學生設置學習支架，從而適當降低學生因學習內容晦澀而產生的認知負荷。同時，教師可以設計豐富的活動增加課堂的趣味性，讓枯燥乏味的原理性知識變得生動，進而支持學生通過實踐探究形式來學習原理性知識，以便取得更佳的學習效果。

5.調整教學評價設計，培養展示評價能力

首先，教師應重視展示評價環節的教學設計，為學生提供足夠的展示機會以及有力的評價支持。其次，教師要善于把握“介入點”，發揮引導作用。在展示評價中，教師要學會放手，但絕不是對學生的學習放任自流，應適時介入學生的學習加以引導、點撥，避免學生的思辯誤入歧途。最后，教師應充分保證學生的主體地位，推動學生積極參與評價過程，對自身學習作出判斷，并向他人展示學習結果。同時，教師可以引導學生對評價過程中產生的主要問題展開討論，也可以讓學生客觀評價對方作品以及反思組內評價，促進學生的參與以及師生的交流。

注：本文系山東省教育科學規劃創新素養專項重點課題“基于學生創新素養培育的中小學人工智能素養測評體系構建及實踐研究”（課題編號：2022CZD052）研究成果

編" "輯：馮安華