多維度透視美國K-12人工智能教育實踐

隨著人工智能 （Artificial Intelligence， AI）" 技術的迅猛發展，全球教育領域對人工智能教育的關注持續升溫。美國中小學進行了將人工智能技術與基礎教育有機結合的教育實踐。

在師資培養上，美國政府通過立法和資金支持推動教師的專業發展，設立了針對K-12階段人工智能課程的多種培訓項目和資助計劃；在素養培養上，美國精心設計了課程體系，提供了針對K-12階段學生的人工智能素養培養路徑；在教育體系構建上，美國注重教育教學質量的提升，以政府倡議和校際合作等形式推動高質量的人工智能教育發展，強調將人工智能與其他學科進行跨學科融合，強化對學生跨學科學習能力的培養。

師資培養：打造中小學人工智能教育的核心力量

美國重視人工智能教育教學方面的師資隊伍培養，通過實施系統化措施提高教師的教學質量。這些措施主要集中在促進教師專業發展的框架系統和教育模式上，為K-12階段的教師提供了有針對性的、穩定的專業發展機會。

第一，美國政府積極投入資金，出臺了一系列法案以支持教師專業發展。《每個學生都成功法案》和《國家行動計劃：應對美國STEM教育體系的重大需求》要求增加STEM教師培養的資金投入；“面向全體學生的計算機科學計劃”要求對計算機科學教師開展全過程培訓，培訓項目結合跨學科、綜合性的實際教學和學習，不僅能讓教師獲得新的教學理念，還能為教師建立起理論與實踐之間的聯系。

第二，美國高校和相關機構通過實施多種職業發展項目和資助計劃，全面支持教師在人工智能課程方面的職業成長。美國高校通常通過職業發展中心（Career Services）提供支持職前教師職業發展的服務，提升年輕學者的教學和科研能力。《美國人工智能計劃：首個年度報告》囊括了國家科學基金會設置的教師早期職業發展計劃（Faculty Early Career Development Program， CAREER）等15個類型多樣的獎學金項目，資助有潛力成為研究和教育學術榜樣的職業教師。美國教育考試服務中心（ETS）、國際教育技術協會（ISTE）聯合Code.org等平臺還推出了“教師人工智能101”（AI 101 for Teachers）等免費的專業學習課程，幫助K-12階段教師提升人工智能專業素養。這些項目不僅關注教師的職業發展，還通過不同形式的措施激發教師教學和學習的活力，確保教師能夠在人工智能教育領域持續成長。

此外，為支持人工智能教育發展，美國K-12人工智能教育行動（AI for K-12 Initiative）發布了人工智能教學資源目錄（Al Resource Directory），內容涵蓋了書籍報告、在線課程材料和示范軟件等多種類型的豐富資源，對不同分類進行了具體闡釋，標注了主題內容、適用學段和應用場景等。該目錄為教師充分提供了優質軟硬件資源，既有利于教師開展自學和教學設計，也有利于教師組織學生開展相關學習活動。

素養培養：構建中小學人工智能教育的路徑體系

人工智能素養可以定義為了解和理解人工智能的基本功能，以及在日常生活中合乎道德地使用人工智能應用程序。美國通過構建課程體系和制定學習規劃，推進K-12階段學生的人工智能素養培養，為未來社會儲備具有人工智能技術基礎的創新人才。

美國各州開展K-12階段人工智能教育的情況不盡相同，有些州將人工智能融入為計算機課程的組成模塊，有些州則開設了專門的人工智能選修課程。為規范K-12階段中不同年齡層次的中小學生需要掌握的特定知識和學習目標，美國發布了《CSTA K-12計算機科學課程標準（2017年修訂版）》，對計算機科學教育的課程內容和體系進行了規范。而后，美國人工智能促進協會（AAAI）于2019年發布了《K-12人工智能教學指南》（K-12 Guidelines for Artificial Intelligence，以下簡稱“指南”），明確了在小學到高中階段開展人工智能教學的目標與內容，為各州制定適切的人工智能課程體系與教學標準提供指導和范例。指南通過詳細劃分人工智能的五大核心主題（Five Big Ideas in AI），為各學段的學生設置了更明確的學習目標，構建了具體的課程內容框架。這五大主題分別是：感知、表示和推理、機器學習、人機交互、社會影響，通過細致劃分算法和編程知識，在逐步遞進的各個主題下設置具體的學習目標和知識點，輔助教師制定詳細的教學計劃，促進不同學段的學生循序漸進地掌握人工智能相關原理及應用（見下表）。

二年級之前，人工智能教育尚在初級階段，主要通過簡單有趣的活動激發學生的興趣，例如學習開發具有簡單序列和循環的程序以表達想法或解決問題，讓學生初步理解人工智能，學會識別生活中的人工智能應用，提升他們創新實踐、協作探究等基礎技能。

三至五年級，人工智能教育逐漸成為培養學生批判性思維和技術素養的重要組成部分。許多學區開始引入人工智能基礎課程，課程內容通常以生活中常見的智能工具來解釋人工智能概念（如智能助手和聊天機器人），并讓學生實際自主動手操作機器人和編程工具（如Lego Mindstorms或Dash機器人），理解機器學習和人工智能的基本原理。

六至八年級，越來越多的學校將人工智能的基本概念納入課程體系。這一階段的教學需要學生掌握基礎的編程技能，以實踐活動的形式鍛煉學生解決實際問題的能力。課程內容涉及了人工智能的倫理問題和社會影響，引導學生基于隱私、安全、就業等方面的具體問題，探討和分析人工智能決策及系統設計中不同目標的解決方式。

九至十二年級，許多州已將計算機科學課程納入必修課程之一。2023年，美國有30個州要求所有高中提供計算機科學基礎課程。在這一階段，人工智能教學內容更加系統和深入，學生將接觸機器學習、數據分析和人工智能應用等核心知識。許多學校還提供算法優化等高級課程，幫助對人工智能興趣較濃厚、有意從事人工智能工程或研究的學生開展更深層次的學習。

體系建設：完善中小學人工智能教育的宏觀框架

在推動人工智能教育方面，美國致力于在中小學階段構建起一個完善的教育體系，為所有學生提供高品質的人工智能教育，其宏觀目標不僅在于填補計算機科學領域的人才空缺，還為國家未來的科技發展提供支持。

美國為各州政府和學校提供先進的教學設備和資源，鼓勵他們開發高質量的人工智能課程和項目。例如，AI4K12倡議（AI for K-12 Initiative）為學校提供標準化的人工智能課程框架，結合具體的教育資源，輔助學校設計并實施高質量的人工智能教育內容，推動了各學校將人工智能教育納入課程體系。此外，Code.org與微軟合作推出的人工智能與編程課程專門面向K-12階段的學生，通過互動式學習平臺解析機器學習、數據分析等核心人工智能概念，鼓勵學生將這些技術應用到數學和科學課程中，確保學生能夠系統、扎實地掌握人工智能知識，為未來繼續深造和職業發展打下堅實基礎。

在教學體系上，美國注重跨學科融合教學，重視將人工智能與科學、數學、語言藝術和社會科學等學科結合，以此創新構建教學框架，優化學生的學習體驗，發展學生多領域的應用能力。例如，Project Lead The Way（PLTW）是一個面向K-12學生的STEM教育項目，融合了人工智能與數學、科學、工程等學科。在“計算機科學與人工智能”課程中，學生可以使用人工智能技術分析數據、解決工程問題，并應用數學模型和編程技能，持續開展項目化學習。