中小學人工智能普及教育的貫通式設計

魏小山 黃凌峰

以ChatGPT為代表的生成式人工智能浪潮席卷全球，對人類的學習、生活和工作方式產生了強烈的沖擊，催生全球范圍內社會范式的急劇變革，社會和個人的發展將越來越依賴人工智能。因此，每個公民都需要對人工智能技術有正確的認識和基本的素養。面對生成式人工智能給教育帶來的挑戰與沖擊，國家已在宏觀層面加強了中小學人工智能教育頂層設計，在課程建設、教師培養、資源投入等方面采取了系列措施。如我國早在2017年就發布了《新一代人工智能發展規劃》，明確指出要完善人工智能教育體系，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^[1]，并通過《普通高中信息技術課程標準（2017版2020年修訂）》和《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》，不斷健全完善中小學階段的人工智能課程體系。在此背景下，區域和學校也應協同多方力量，積極為中小學生提供人工智能教育的機會，讓他們盡早建立起對人工智能的全面認知，了解其潛在的風險和益處，力求以最少的投入實現中小學人工智能教育最大范圍的覆蓋和最快速的普及。

一、普及中小學人工智能教育所面臨的困難

當前，全國各地都在積極推進中小學人工智能教育，如廣州、武漢、蘇州、長沙、浙江、上海、深圳等。但我們還需清醒地認識到，大多數地區還缺乏相關的落地性政策、推進主體和配套經費，軟硬件條件差異較大，全面普及中小學人工智能教育還面臨諸多挑戰。

（一）課程缺乏一體化頂層設計

雖然我國在政策層面已經表現出了開展人工智能教育的決心，但在具體實施中仍缺乏進一步的細化，尤其缺乏系統化的人工智能培育體系和完善的層級培養策略。這導致政府、科研機構、企業和學校未能形成共識，無法共同致力于中小學人工智能教育的落地普及。目前，人工智能教育主要依托于信息技術（科技）課程、校本課程、社團、STEM教育等開展。其中，信息技術（科技）學科是中小學人工智能普及教育最重要的陣地，然而其課程標準中缺乏對人工智能教育的一體化設計，以至于課程內容的確定與銜接、教學設計與實施、教學資源配套等缺少理論依據。同時，課程標準中人工智能相關模塊的學習較為后置，如在高中信息技術課程中被安排在選擇性必修中學習，在義教信息科技課程中被安排在九年級。這就導致在具體實施中，人工智能模塊的課時基本得不到保障。

（二）課程內容難度兩極分化

目前，中小學人工智能教學中普遍存在著兩種現象。一方面，部分學校將人工智能學科中高深的模型和理論直接引入課堂，超出學生已有認知和邏輯思維能力，導致學生難以理解并產生抵觸情緒，失去學習人工智能的興趣；另一方面，一些學校只注重學生的感知和體驗，注重通過簡單而大量的動手實踐來吸引學生學習，學生對人工智能的了解始終停留在表層，難以深入了解其背后所蘊含的思想方法。究其原因，人工智能教育的培養目標還不夠明確，缺乏一條從教學目標到教學內容的明晰路徑，學生學到的只是與人工智能相關的知識和技術，無法融會貫通地加以運用，自身的潛能也未能得到充分發揮，與創新意識的培養更是相距甚遠。此外，現有的教學對如何安全、符合道德規范地使用人工智能等內容的重視程度還遠遠不夠。

（三）師資、軟硬件資源嚴重缺乏

現階段，我國中小學人工智能教育的師資在數量和質量上都存在明顯的不足。人工智能是一門涉及多個領域的交叉學科，具有復雜性、跨學科性的特點，對教師智能素養和知識水平的要求較高。然而，目前我國中小學人工智能課程開發與建設的主力軍仍然是信息技術（科技）教師，他們在人工智能專業知識儲備、技術運用水平和教學實踐經驗方面存在一定不足，開展人工智能教育的意愿也不高^[2]，缺乏專業的培訓和共同成長的平臺。此外，中小學階段的人工智能課程需要依托與日常生活緊密聯系的場景來推動學生對人工智能內涵的理解，而對場景的體驗、剖析、設計與制作都離不開軟硬件的支撐^[3]，如體驗平臺、硬件和模型生成的算力等。然而，大部分地區和學校缺乏相關配套資金購買硬件和服務，人工智能教學環境搭建耗時多且兼容性差，相關開源硬件種類龐雜且質量參差不齊，相關教學資源數量少且交互不足……這些因素加劇了人工智能教育在中小學普及的難度，提高了人工智能教育落地的“門檻”。工具和環境的缺失容易導致人工智能教育停滯在知識層面的學習，使智能素養的培育流于形式。

二、中小學人工智能教育的貫通式設計理念與實踐

本研究針對當前我國中小學人工智能教育面臨的實際問題，提出貫通式設計方案，以期為我國中小學人工智能教育體系建設提供有價值的參考，為各地開展人工智能教育教學實踐提供有益的借鑒。

（一）樹立中小學人工智能教育觀

在國家課程標準缺乏對人工智能教育一體化設計的大背景下，從事人工智能教育的教師需要突破自身學段壁壘，具備全局觀。這就意味著，教師需要明確每個學段人工智能教育的育人目標是什么，指向的關鍵能力是什么，教什么內容。此外，教師還需要明確應通過怎樣的項目融入核心知識點和技能，通過怎樣的平臺、硬件和資源來達成目標。

為幫助教師形成人工智能教育觀，本研究構建了區域化中小學人工智能教育課程指南，涵蓋小、初、高三個學段的人工智能培養目標、關鍵能力、課程內容、項目主題以及教學資源，以彌補當前中小學人工智能教育無法體系化開展的不足。我們依托信息技術（科技）課程，對人工智能課程進行模塊化設計，將其巧妙融入三個學段中開展項目式學習，確保在不影響信息技術（科技）課程總體實施的情況下，有效滲透人工智能教育。

此外，我們定期為教師提供人工智能素養提升培訓，并配套提供課程指南、課程內容以及數字化教學資源。即使現有師資基礎薄弱，教師也可以通過邊學邊模仿的方式開課，待他們能力提升后，再發揮個人智慧，不斷豐富和完善課程內容。這一系列舉措，讓系統性的中小學人工智能教育能盡早并有效得以普及。

（二）明確中小學人工智能課程的培養目標

在國家層面，人工智能尚未被確定為基礎教育的獨立學科，因此，本研究談及的培養目標主要是從人工智能課程出發，探索培養學生適應未來智能社會所需的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力。參照中國學生發展核心素養的具體內容，并對標信息科技學科核心素養的總體目標，我們提出區域化的中小學人工智能課程核心素養：智能意識、智能思維、智能應用創新和智能社會責任^[4]（見表1）。這些核心素養旨在讓學生在開展人工智能活動時，一是擁有智能意識，為他們運用人工智能思想、方法解決問題提供內在動機^[5]；二是具備智能思維，為他們提供解決問題的思路和方法；三是能進行智能應用創新，為他們提供解決問題的實現路徑；四是具備智能社會責任，為他們正確使用人工智能提供保障。

（三）形成人工智能素養貫通式學段水平層次劃分

本研究根據不同學段的學生特點和發展需求，對四個核心素養需要達到的水平層次做了以下劃分（如圖1）。

在智能意識方面，小學階段的主要目標是培養學生的感知能力。教師要通過看得見、摸得著的人工智能技術，以生動有趣的故事形式，引導學生辨認和識別人工智能，讓他們對人工智能產生好奇心，知道它“是什么”。初中階段的主要目標是培養學生的認知能力，借助人工智能的三大特征、三次發展浪潮、常見算法與應用等內容，讓學生從內部特征、歷史發展與原理等方面來明晰人工智能的潛力，知道它能“怎么樣”。高中階段的主要目標是培養學生的理解能力，借助自動化等概念以及人工智能的研究方向等內容，讓學生在理解概念的基礎上，進一步構建系統化和具體化的知識體系，能夠重新建立或者調整認知結構，達到知識的融會貫通，并使知識得到廣泛的遷移^[8]，知道它“為什么”被稱作人工智能。

在智能思維方面，小學階段的主要目標是培養學生的表達能力，讓學生能夠使用圖形等方式表達現實生活中客觀物體的關鍵特征，使用流程圖等方式描述人工智能技術的工作過程。初中階段的主要目標是培養學生的抽象思維能力，讓學生在描述人類是如何執行相同任務的基礎上，了解分析計算機是如何對數據進行抽象的、如何進行學習的。高中階段的主要目標是培養學生的遷移能力，借助人工智能算法原理等內容，讓學生能夠總結人工智能解決問題的過程與方法，并遷移到與之相關的其他問題中。

在智能應用創新方面，小學階段的主要目標是培養學生的應用能力，讓學生學會使用人工智能App，使用圖形化工具的人工智能模塊搭建項目。初中階段的主要目標是培養學生的實踐能力，引導學生學會利用數據分析問題，使用人工智能技術改造生活。高中階段的主要目標是培養學生的創新能力，引導學生善于發現問題，綜合運用現有的知識、技能、思維能力分析問題，提出有別于常規的解決方案，合理運用人工智能技術設計出人工智能項目并解決問題。

在智能社會責任方面，小學階段的主要目標是培養學生的暢想能力，讓這個年齡段的學生從多個方面對智能社會進行想象，對智能社會充滿信心，激發他們對各學科的學習積極性，能夠為迎接智能社會的到來做好準備。初中階段的主要目標是培養學生的擔當能力，讓這個年齡段的學生能夠在智能社會中肩負起相應的社會責任。高中階段的主要目標是培養學生的規劃能力，讓這個年齡段的學生對人生、職業做出比較全面長遠的計劃，為未來能夠參與智能時代社會標準的制定做準備。

（四）構建中小學人工智能貫通式課程框架

本研究借鑒國際范圍內中小學人工智能教育研究的最新成果和實踐經驗，如美國K-12人工智能教育行動^[9]，在結合各學段培養目標和能力層次劃分的基礎上，融入各學段的課程內容，形成中小學人工智能課程框架（如圖2）。該框架覆蓋了從小學到高中的貫通式人工智能課程，明確人工智能教育要讓學生學習什么，通過體系化的課程幫助學生系統地、科學地認識人工智能，并注重人工智能倫理的培養^[10]。從學生視角來看，該框架能夠幫助不同學段的學生逐步了解人工智能的基本概念、應用領域以及解決問題的能力。從教師視角來看，該框架為教師提供了清晰的教學指導，幫助教師明確每個學段人工智能教育的教學內容、教學目標和教學深度，有效解決當前人工智能教學內容兩極分化的問題。

（五）開發中小學人工智能課程及其配套教學資源

面對大部分教師缺乏人工智能課程開設能力的客觀現實，區域需要出臺全套解決方案，其中最為關鍵的是開發小初高系統化、多維度、情景化的中小學人工智能模塊化課程以及適合混合式學習的課程“數字化示范教學包”。模塊化課程以提升學生人工智能素養為核心，通過大單元設計的項目式學習，引導學生運用人工智能思想方法解決真實問題，在項目實踐中內化人工智能相關知識和技能，發展計算思維，培養正確的人工智能倫理道德^[11]。中小學人工智能課程框架中所包含的教學內容自然融入項目式學習過程中，實現“為真實而學習，在真實中學習”。

“數字化示范教學包”以項目式學習貫穿課程教學始終，包含完整的教學設計、課件、微課、評價以及全套的習題資源（如圖3）。

教師結合學情靈活進行內容重組、活動重組、資源重組等個性化二次開發，從而實現課程重構、智慧融入以及新的生長，在一定程度緩解人工智能教育師資不足的問題。混合式教學則可以線上學習解放學習時空，提升學生自主學習能力；線下教學促進師生互動，實現學習的升華。同時，所有評價均可視化呈現，讓數據賦能，讓學習留痕。

有了課程和資源，還離不開人工智能學習和開發工具。經過深入調研和實際反饋，本研究確定采用上海人工智能實驗室智能教育中心開發的青少年AI學習平臺，以及開箱即用的開發工具XEdu作為課程實施和學生學習的平臺和工具^[12]。無論是借助瀏覽器實現AI項目學習和實踐，還是一鍵部署AI編程環境，都大大降低了一線教師開展人工智能教學的門檻（如圖4）。這使得教師可以更加專注于帶領學生逐步通達人工智能教育的核心。此外，所有的課程都可以基于低成本的攝像頭實施，條件較好的學校可以進一步配備高集成度的開源硬件，如通過行空板部署模型，讓學生通過動手搭建智能應用系統來解決真實問題。

三、結語

生成式人工智能技術正處在快速演進發展之中。中小學人工智能教育不僅要迅速開展，更要瞄準未來，如保證人工智能教育的公平性和包容性，平衡人工智能技術的快速更新和課程內容的穩定性，培養學生對人工智能技術的批判性思維和道德責任感等，努力開拓人工智能教育的新局面。中小學人工智能教育目前屬于起步階段，以構建面向全體的普及類課程為主。在此基礎上，我們要逐步實現多維度人工智能教育，比如發展面向個體的精英課程、打造特色鮮明的區域性課程和學校課程、拓展至校外人工智能環境的體驗與感悟課程，等等。當然，人工智能教育不僅僅指向課程的普及，其最終目的在于全面提升中小學生的人工智能素養，幫助學生在理解人工智能底層原理的基礎上，適應人機共生、人機協同的未來生態，培養學生學會運用人工智能的思維方式和技術手段發現并解決今后學習工作中遇到的各種問題，關注人工智能對社會和個人的影響，學會用更為安全、更為負責和合乎道德的方式去駕馭人工智能，讓每個學生都能成為人工智能時代的合格公民。

注：本文系廣東省基礎教育高中信息技術教研基地（珠海）人工智能項目組、廣東省中小學“百千萬人才培養工程”專項科研項目“中小學人工智能課程和教學資源開發研究”（項目編號：BQW2021JZN005）的研究成果。

參考文獻

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[12]謝作如，方建文.讓學生真正理解數據、算法和算力：談新一代人工智能教育教什么和怎么教[J].中小學信息技術教育，2023（6）：8-10.

［作者魏小山系廣東省珠海市教育研究院信息技術教研員，廣東省基礎教育高中信息技術教研基地（珠海）負責人；黃凌峰系廣東省珠海市斗門區教育研究中心教研員，廣東省基礎教育高中信息技術教研基地（珠海）人工智能項目組核心成員］

責任編輯：牟艷娜