小學階段“知識表示與推理”AI課程的中美比較

摘要：近年來，人工智能教育逐漸滲透至中小學階段，國內外相關課程標準的提出對進一步明確教學內容和教學目標有著重要的指示作用。作者采用國際比較的視角對兩份具有廣泛影響力的人工智能課程指南的課程定位、具體概念和目標要求進行分析、對比，發現小學階段同樣有必要涉及原理性知識的具體概念學習，但需結合學生的認知發展水平將目標要求設定在經驗、映射等相對低階的等級，這個結果將有利于教師深入開發具體的課程和開展教學實踐。

關鍵詞：AI課程比較；知識表示與推理；小學

中圖分類號：G434" 文獻標識碼：A" 論文編號：1674-2117（2024）06-0083-05

盡管國內外諸多權威機構和學術團體已明確了人工智能教育的核心大概念，但在實際教學實踐環節中，如何精準地將這些大概念融入各學段的課程體系，并合理地設定不同學段的學生針對這些大概念所應達到的認知深度目標，仍是一個亟待深入研究的議題。構建一個貫穿各學段且內在聯系緊密、邏輯過渡連貫的人工智能學習進階體系將成為青少年人工智能課程設計的首要任務。為此，筆者橫向比較了中美兩國兩份極具代表性的課程指南，旨在揭示支撐人工智能大概念理解的關鍵概念及具體概念。同時，依據科學教育領域的學習進階理論框架，對比兩份課程指南中的目標層級要求，以便揭示各學段人工智能大概念的認知水平和進階規律。研究結果將有助于推進中小學人工智能教育的課程改革，為中小學人工智能課程的系統設計提供有益啟示。[1]本文主要展示的是有關“知識表示與推理”大概念學習進階的比較成果。

《行動指南》與《開發標準》

目前，在國際范圍內，美國人工智能促進協會（AAAI）與美國計算機科學教師協會（CSTA）于2018年5月共同發布的《美國K-12人工智能教育行動指南》（以下簡稱“《行動指南》”），是頗具代表性的人工智能課程框架之一。我國對人工智能課程內容的設計主要體現在《高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）》和《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》兩份國家課程標準中，人工智能作為義務教育階段信息科技課程六個學科邏輯主線的一部分，貫穿于1～9年級的課程內容要求中。而中國教育學會中小學信息技術教育專業委員會于2021年10月發布的《中小學人工智能課程開發標準》（以下簡稱“《開發標準》”）中更加凸顯了課程設計的系統性和層級性。

鑒于此，筆者聚焦于美國的《行動指南》和我國的《開發標準》，進行內容比較。選擇這兩份文件加以對比主要是基于兩個考慮：第一，《行動指南》和《開發標準》均以人工智能教育為核心議題，明確地描述了人工智能課程的目標及內容要求[2]，具備在內容層面進行比較的條件。第二，《行動指南》和《開發標準》均采用螺旋式課程設計的方式，圍繞人工智能的關鍵概念和方法，對不同學段的內容難度進行了較為系統的描述，這為深入探尋“知識表示與推理”這一核心大概念在教學中的進階路徑提供了良好基礎。

“知識表示與推理”大概念

在當前的青少年人工智能教育實踐中，學習的重點往往側重于機器感知與機器學習等技術性知識。然而，僅僅關注機器感知和機器學習，對于學生充分認知人工智能是存在局限性的。盡管機器感知和機器學習在大數據處理及模式識別領域起著不可或缺的作用，但它們主要關注從數據中挖掘規律和模式，而對如何有效利用并整合先驗知識的關注相對不足。相反，知識表示與推理這一維度則提供了必要的結構框架，不僅能夠將機器學習的結果予以有序組織和合理詮釋，更可以指導進一步的邏輯推理進程。為了系統地理解機器智能，學習“知識表示與推理”內容是極其必要的，如果缺失這部分內容的學習，學生可能會缺乏對復雜問題的深層次理解能力和解決方案的設計能力。因此，全面學習人工智能應包括“知識表示與推理”這一重要部分，以便學生在未來的專業領域學習中可以更好地構造和設計出具有更強智能水平和更廣泛應用前景的AI系統。

中美課程的課程定位比較

首先，從課程定位來看，兩份課程框架均以人工智能原理為核心內容，旨在引導學生深入理解人工智能的本質、實現的機制及其與人類社會的互動關系，并聚焦于學科五大核心概念：“機器感知”“知識表示與推理”“機器學習”“人機自然交互”以及“人工智能的社會影響”。[3]這與核心素養的培養目標相一致，以核心概念作為主線組織教學內容，幫助學生構建具有關聯性、系統性的知識地圖。其次，如表1所示，兩份課程框架提出的教學目標要求貫穿了小學至高中各學段，明確定義了各學段的人工智能課程目標及具體內容要求，這為設計具有連貫性和一致性的課程內容提供了堅實的基礎，同時也表明了在中小學開展原理性知識教學的可能性，并非將深奧的原理知識簡單地下放，而是根據兒童的認知發生階段設置相應的教學目標。這啟示人工智能教育領域的研究者們，應當幫助學生盡早接觸并建立對人工智能的基礎認知，以確保不同學段之間的知識銜接自然流暢。[4]

中美課程的具體概念比較

查閱高等教育人工智能原理相關的教材，可以發現有關“知識表示與推理”的內容以兩個關鍵概念為主線展開，分別是：①知識表示。主要圍繞知識的類型、人的知識表示方法、機器的知識表示方法來組織內容。②推理。在人工智能學科領域范疇內，推理是指機器在已有的知識庫中搜索知識或者根據已有的知識生成新知識來解決問題的方法與過程，主要涉及推理的過程、搜索的算法、推理的算法等內容。《行動指南》和《開發標準》兩份課程框架中提及的教學內容與高校教材相契合。在小學階段安排的具體概念的對應關系如上頁表2所示。

進一步比較發現，兩份文件在小學階段的具體概念的設置具有兩點共性：第一，兩份文件均認可在小學階段以“人的表示方法”和“人類的推理過程”作為教學內容，以便為學習者在后期學習、理解機器的表示方法和表示過程奠定良好的基礎。第二，兩份文件均沒有在小學階段設置知識的類型相關的教學內容，這部分內容在高校的教材中有所要求，高校階段對知識表示的學習過程偏實踐、應用，在應用階段，知識的類型很大程度上決定了知識表示方法的選擇，而小學階段的追求仍在“理解”層面，尚不需要區分知識的類型。兩份文件的不同之處在于，《行動指南》在小學階段還設置了機器的表示方法、機器的搜索算法、機器的推理算法相關的具體概念作為教學內容，這些具體概念的學習體現了人工智能課程的本質，即通過人工智能課程學習人工智能的原理，而非人類的認知原理。而《開發標準》并未將這些具體概念納入小學范圍，主要的原因在于我國的人工智能教育仍處于發展初期，當前低段的學生在學習人工智能過程中多以體驗、感受為主，尚未涉及具體原理的學習。

進一步，筆者分別梳理繪制了兩份文件中關于“知識表示與推理”部分的大概念、關鍵概念和具體概念的層級類屬關系圖，如上頁圖1、圖2所示，對比可以發現，《行動指南》對關鍵概念的描述較為具體，有助于教師更好地設計教學目標，并以此為基礎設計教學活動，具有一定的參考價值。

中美課程的目標要求比較

為明晰《行動指南》和《開發標準》在小學階段對“知識表示與推理”內容的目標要求，筆者借鑒科學教育領域中的學習進階研究成果，以北師大郭玉英等人開發的科學概念的發展層級模型[5]為依據，對比兩份文件中各關鍵概念在學段上的要求。基于此，筆者構建了知識表示與推理概念理解的學習進階模型（如表3），進一步對兩份文件關于“知識表示”與“推理”這兩個關鍵概念在小學階段所提出的目標要求進行了詳盡的歸類與分析。

經過歸類、分析、統計，得出的結果如上頁圖3所示。從分布情況來看，《行動指南》在小學學段（K2，K3-5）對知識表示與推理的目標要求覆蓋了“經驗”“映射”“關聯”3個層級，其中《行動指南》對小學學段的學生要求相對集中于“映射”層級，即能夠將日常生活中的表示和推理的經驗與智能機器的知識表示與推理的過程建立對應關系。《開發標準》在小學學段（預備階段、階段一）提出的教學目標要求為“經驗”層級。兩份課程標準設置的教學目標符合科學概念理解發展的過程，緊密圍繞人類如何進行知識表示、機器如何進行知識表示、人類如何進行推理、機器如何進行推理以及知識表示與推理的關系設置進階。

開展人工智能原理性知識教學的思考

在為小學階段的兒童引入人工智能原理性知識的教學之前，教師的首要任務是精準定位適合低齡學生認知特點的內容范疇，并清晰設定預期的學習成效。為了厘清人工智能原理性知識“知識表示與推理”大概念在小學階段開展教學所需涉及的具體概念及其目標要求，本研究使用內容分析法對中小學人工智能課程框架中相關的描述進行梳理，以便為教學設計、教學實施、教學評價等活動奠定良好基礎。本研究主要得出以下結論以及對應的教學建議。

第一，兩份課程文件將人工智能原理的教學深入至“知識表示與推理”的教學，對于孩子們理解人工智能原理具有重要意義與價值，同時，有效銜接小學階段和更高學段的人工智能教學內容是至關重要的。但由于K-12階段的人工智能教育具有強烈的普及性質，并且小學階段的兒童的認知發展處于具體運算階段，因此有必要“降維”開展人工智能教育。

第二，兩份課程文件對小學學段提出的教學目標要求均處于概念理解發展層級的低階層級（經驗、映射），結合兒童的認知發展階段，面對邏輯思維結構水平的兒童（7～11歲），可通過簡單的推理、數學符號運算等方面的訓練，幫助兒童簡單地理解人類是如何進行知識表示和推理的，而對于達到形式思維結構水平（11～13歲）的兒童，訓練項目的要求可提高，如通過經歷問題解決、邏輯推理的過程，幫助兒童理解機器是如何進行知識表示和推理的，促進兒童進行內化的心理運算。

參考文獻：

[1]孫薔薔，霍力巖.高質量學前教育課程指南國際比較研究[J].比較教育研究，2022，44（07）：95-104.

[2][4]鐘柏昌，詹澤慧.人工智能教育的頂層設計：共識、差異與問題——基于4套標準文件的內容分析[J].現代遠程教育研究，2022，34（04）：29-40.

[3]AAAI.AAAI launches \"Al for K-12\" initiative in collaboration with the Computer Science Teachers Association（CSTA） and Al4All[DB/OL].（2018-05-15）[2021-11-19].https：//aaai.org/Pressroom/Releases/release-18-0515.pdf.

[5]郭玉英，姚建欣.基于核心素養學習進階的科學教學設計[J].課程·教材·教法，2016，36（11）：64-70.