聚焦創造力設計人工智能課程 培養拔尖創新人才

劉峽壁 李海花 賈志勇 袁中果

摘要： 科技拔尖創新人才培養是目前基礎教育中亟待解決的重要問題。人工智能是當前乃至未來科技的前沿與制高點，以及人類“認識自己”的學問，通過人工智能課程培養科技拔尖創新人才的創造力恰逢其時。人工智能課程在培養創造力要素上所能發揮的積極作用包括：啟發創新意識與思維、促進跨學科知識整合、提升實踐創新能力、形成自主學習和終身學習能力。在此基礎上設計的人工智能課程體系，在以培養科技拔尖創新人才為目標的北京市翱翔計劃項目中成效明顯，對借助人工智能課程培養科技拔尖創新人才有一定的啟發意義。

關鍵詞：拔尖創新人才；創造力；人工智能課程；翱翔計劃；基礎教育

科技拔尖創新人才，是指能夠在科技領域表現出巨大的創新潛力、超強的創新能力、頑強的創新精神，并創造出卓越的成果，為社會進步做出重大貢獻的人才[1]。當前，我國正從過去的科技追趕者轉變為科技引領者，在此背景下，培養科技拔尖創新人才顯得尤為迫切。這不僅有助于推動傳統產業向高端化、智能化方向發展，還有助于我國自主掌握核心技術，減少對外部技術的依賴，確保國家科技安全。培養科技拔尖創新人才，最重要的是培養其創造力。當前，科技創新面臨的問題日益復雜，只有具備了創造力，學生在處理復雜問題時才能具備獨到見解和創新思維，從而勇于面對未知和不確定性，主動應對挑戰；才能深入理解實際問題的本質，提供具有實踐意義的創新性解決方案。人工智能作為一門研究模擬、延伸和擴展人類智能的新興科學，現已形成了機器學習、神經網絡、符號智能、行為智能、進化計算和群智能六大知識體系[2]。人工智能與教育在本質上具有內在統一性[3]，都旨在幫助人類“認識和發展自我”。通過學習人工智能技術，學生不僅能獲得對于人工智能的全面認識，構建宏大的人工智能世界觀，為其未來深入研究人工智能技術奠定堅實基礎，還能更好地認識自身智慧，并從中體會數學、物理等學科對于認識自身的價值與樂趣。這讓學生能自覺地運用與發展自身智慧，保持對科學研究的好奇心，從創新和創造中找到真正的滿足與快樂。因此，人工智能課程在基礎教育階段科技拔尖創新人才培養中可發揮重要作用。

一、創造力的關鍵要素解析

回顧歷史，科技拔尖創新人才取得成就往往依賴于以下關鍵要素：創新意識與思維、跨學科知識整合能力、實踐能力、自主學習和終身學習能力。

（一）創新意識與思維

創新意識與思維是指個體在面對問題、挑戰或機遇時，所展現出的積極、靈活、開放、前瞻性的認知和思考方式。它不僅涉及創造新的產品、服務或解決方案，更包括在日常生活、學習和工作中持續追求改進和變革的態度與行為。顯然，創新意識與思維是創造力的根基。

（二）跨學科知識整合能力

跨學科知識整合能力是指個體能夠將來自不同學科領域的知識、理念和方法有效地整合并應用于解決復雜問題或開展綜合性工作的能力。這種能力涉及對多學科知識的理解、整合以及創新性運用。完成科技創新，不是依靠單一學科就能實現的，而是必須綜合運用多學科知識與技能。這表明，在科技發展日趨復雜、多學科交叉日益突出的今天，跨學科知識整合能力是創造力不可或缺的要素，其重要性愈發凸顯。

（三）實踐能力

實踐能力是指個體將理論知識轉化為實際行動，在實際操作和實踐活動中能夠熟練運用所學知識與技能以解決問題、完成任務的能力。在科技創新的過程中，實踐能力至關重要，實驗、實地調查、項目開發等科技活動無一不需要實踐能力的支撐。因此，沒有實踐能力，創造力也就無從談起。

（四）自主學習和終身學習能力

自主學習和終身學習能力是指個體具備在獨立學習和持續學習的過程中，主動獲取新知識、培養新技能并持續提升自身素質的能力，包括對學習目標的設定、對學習資源的有效利用等。科技創新是發現新問題、解決新問題的過程，這一過程一定不是僅靠已有知識體系就能完成的，必然需要自主學習能力作為支撐。自主學習和終身學習能力也是自我驅動力的體現，促使個體主動設定學習目標、安排學習計劃、推動自己不斷前進，從而在適當時候達到自己創造力的高峰。

二、指向創造力培養的人工智能課程體系設計

國家對培養科技拔尖創新人才的重視由來已久。2008年初，北京市教委就成立了“北京青少年科技創新學院”，面向高中生啟動“翱翔計劃”，在青少年中培養科技拔尖創新人才，建立讓高中生“在科學家身邊成長”的培養機制。為激發學生對科學的興趣，增強學生的創新精神和實踐能力，并充分鍛煉和提高學生的創造力，我們面向北京市翱翔計劃數學與信息科學領域高中基地校設計了人工智能課程體系，并自2017年起開設課程。該課程體系分為基礎教學與創新實踐教學兩個階段。

（一）基礎教學階段

基礎教學階段旨在讓學生掌握人工智能基礎知識與基本實踐技能，了解人工智能與所學基礎學科的關系，并在此過程中引導學生觀察生活，開展應用創新思考，形成初步的科技創新項目。基礎教學階段包括“人工智能入門”和“人工智能+基礎學科”兩大類課程。

1.“人工智能入門”課程

“人工智能入門”課程的教學任務包括：讓學生學習、掌握人工智能的基本概念，構建初步的人工智能知識體系，培養學生的人工智能思維方式與能力，使其掌握利用人工智能知識解決實際問題的初步方法和技巧；培養學生的人工智能實踐能力，使其具備開發人工智能應用系統的初步能力；激發學生學習人工智能的興趣和在人工智能領域創新的積極性。為培養學生的創造力，激活他們的創新意識與思維，教師在教學中有意識地引導學生進行創新思考。例如，在機器博弈教學中，教師鼓勵學生發現AlphaGo的不足，并提出創新性解決方案。再如，在學習智能小車后，教師引導學生進行應用遷移，要求他們思考如何在智能小車上進行創新。在教學過程中，教師還布置了下棋機器人、自主機械臂等學習項目，要求學生在課程結束時自主完成一個指定項目，以培養學生的實踐能力。這些學習項目的設計涉及跨學科知識與技能，因此，無論是理論學習還是實踐操作，學生均需要綜合運用所學知識才能完成學習任務。此外，在教學中教師設計開放性問題供學生思考和解決。如在學習利用神經網絡與機器學習實現人臉識別后，開展人臉識別背景干擾挑戰賽，增加問題難度，讓學生自主解決，從而培養學生的自主學習能力。“人工智能入門”課程內容與創造力要素培養的關系如表1所示。

2.“人工智能+基礎學科”課程

“人工智能+基礎學科”課程通過人工智能與基礎學科的融合，讓學生鞏固對人工智能六大知識體系的認知，同時增強他們的理論功底。在學習該課程的過程中，學生認知人工智能與基礎學科的關系，提升對基礎學科的學習興趣，培養跨學科知識整合能力，也提升了深入學習和研究人工智能的興趣，增強了自主學習與終身學習能力。表2是“人工智能+基礎學科”課程內容框架，從中不難發現，該課程進一步明確了基礎學科知識與人工智能知識的整合關系。例如，在人工智能與物理跨學科融合教學中，教師講解人工神經網絡的物理實現，讓學生利用物理學中的電路知識實現人工神經網絡硬件。通過跨學科學習，學生不僅進一步掌握了電路知識，還對神經網絡原理有了更深刻的認知。更重要的是，他們看到了人工智能的未來以及物理知識的有趣。當學生發現了基礎知識的趣味，他們就會自主地深入學習相關知識。如在DNA計算課程中，學生會驚訝于DNA所具有的超大存儲量與超強并行計算能力，從而感受到生物學的魅力，形成自覺探索生物知識的內驅力。

（二）創新實踐教學階段

在創新實踐教學階段，教師要求學生利用課程所學解決新的應用問題，形成開放性創新成果，并引導學生在所設想的題目上不斷深入思考和動手實踐，形成實際的科技創新作品。

教師圍繞完成一項科研項目的完整過程，指導學生走完科學研究的全過程，包括開題、查閱資料、提出方案、實驗論證、撰寫技術報告等所有環節。在這一過程中，資料調研、提出方案、開展實驗、撰寫論文等環節均需要學生自主學習。通過自主學習的不斷強化，學生逐步獲得終身學習的能力。在教師的指導下，學生獨立或分組完成具有創新性的人工智能系統，完成從模仿創新到獨立創新的轉變，從而培養其創新意識、思維與實踐能力。

在此過程中，“導師+助教”形式的科研團隊緊密跟蹤整個科研過程，在每個環節中進行細致的指導與督促，確保學生能順利完成整個過程，得到系統和充分的科研訓練。

比如，學生在學習機器博弈算法時，教師引導學生思考AlphaGo系統所存在的不足，學生認識到該系統具有強大的機器博弈能力，但缺少自主行為能力，需要依靠人來幫助其觀察棋局和執行動作。于是，某小組在此基礎上開展自主博弈機器人的研究。在上述創新實踐教學過程中，學生增加攝像頭、機械臂以及相應人工智能算法，完成了可自主下棋的機器人系統。后續又有其他學生在學習了解自主博弈機器人的構成及智能方法后，結合自身對航天科技的興趣，將其推廣應用于火星探測中的建筑物自動搭建，完成了相應的科技創新項目。正是這種基礎教學與創新實踐教學的結合，以及應用推廣式創新，使得學生的創新意識、思維能力、科研能力、成果產出得到了有效提升。

三、教學評價與效果

為評價人工智能課程體系是否達到了培養學生創造力的目標，我們基于創造力培養要素，結合信息技術課程標準和人工智能技術要點，將人工智能核心素養劃分為五個維度，分別是智能意識、智社責任、智算思維、智通思維、智數學習[4]。

智能意識是指要具備對人工智能信息和人工智能價值的判斷力，具備主動考慮用人工智能方法解決現實問題的意識。智社責任是指要明確人工智能是用來服務人類的，因此，研究和應用人工智能需要符合道德規范和法律法規的約束。這二者共同對應于人工智能創新意識。智算思維是指利用人工智能的基本概念和方式方法等組成的知識體系，進行問題求解、系統設計以及人類行為理解等涵蓋人工智能科學廣度的一系列思維活動，對應于人工智能創新思維。智通思維是指學生具備將所學人工智能知識融會貫通的能力，將知識節點鏈接在一起，有效探索上位知識點和下位知識點，形成利用人工智能思維解決問題的方式和方法，對應于人工智能跨學科知識整合能力與實踐能力。智數學習是利用人工智能與數字化資源相融合的方法完成學習和探究，實現更高效的學習，對應于自主學習與終身學習能力。

在此基礎上，我們研制了十級人工智能核心素養測評體系（見表3），分別設計了相應的測試題目（包括筆試題目與動手操作題目），并根據學生學習階段，確定對應評測等級，從相應等級題庫中抽取筆試題目與動手操作題目。筆試題采取在線答題的方式，動手操作測試現場進行并錄像，最后教師對學生的筆試題答題情況和現場操作表現進行評分。此外，我們在課程實施中通過觀察、交流、測試等多種方式，及時收集學生在各個教學節點的知識掌握情況、技能熟練程度、學習態度和參與度信息，根據這些信息評定學生層級，對學生進行過程性評價。過程性評價結果有利于教師對學生進行個性化指導，并對教學內容與方式進行科學調整。我們綜合上述過程性評價（占30%）和人工智能核心素養測評結果（占70%），全面了解學生的學習情況和進步情況，并為診斷學生不足和制訂后續學習方案提供可靠參考。

總結六年多的學生學習成果來看，通過翱翔計劃專業拓展人工智能課程的學習，學生的創造力得到了有效提升。他們從最初對人工智能的模糊認知，發展到能夠運用人工智能思維方式觀察學習和生活，主動探索有趣的創新應用，并獨立完成從選題到方案實現，再到實驗以及撰寫論文和匯報講演的全過程。學生的創新作品參加各級各類科技活動與競賽，取得了優異成績，如全國青少年信息學奧林匹克聯賽一等獎、全國青少年科技創新大賽一等獎、“明天小小科學家”一等獎、國際青少年人工智能交流展示會特等獎等。若干學生因此升入清華大學、北京大學、中國科學技術大學少年班等國內頂尖高校繼續深造。

四、結論

本文針對基礎教育階段科技拔尖創新人才培養這一亟待解決的問題，基于人工智能與教育的內在統一性，從“認識自己”的角度論述人工智能課程對于培養科技拔尖創新人才創造力的意義，根據對創造力要素的分析來設計課程體系，應用于北京市翱翔計劃專業拓展人工智能課程。結果表明，本文所述方法可有效達到啟發創新思維、促進跨學科知識整合、提升實踐創新能力以及培養自主學習和終身學習能力的目標，為科技拔尖創新人才的成長奠定堅實的基礎。

參考文獻

[1] 陳權，溫亞，施國洪.拔尖創新人才內涵、特征及其測度：一個理論模型[J].科學管理研究，2015（4）：106-109.

[2] 劉峽壁，張毅.人工智能入門[M].北京：中國人民大學出版社，2023.

[3] 劉峽壁.論人工智能與教育的內在統一性[J].中小學數字化教學，2023（4）：29-32.

[4] 劉峽壁，徐啟發，冷曉莉，等.人工智能全學段貫通式人才培養的作用與策略[J].中國科技教育，2023（4）：17-20.

（作者劉峽壁系北京理工大學計算機學院教授、博士生導師；李海花系北京市第六十五中學科技中心副主任；賈志勇系北京市第八十中學信息技術教研組組長，北京市骨干教師；袁中果系中國人民大學附屬中學信息技術教研組組長、特級教師、正高級教師）

責任編輯：牟艷娜