中小學生人工智能素養四維框架的探索

【中圖分類號】G434【文獻標志碼】A 【論文編號】1671-7384（2025）06-066-04

2017年國務院《新一代人工智能發展規劃》明確提出實施全民智能教育項目，標志著人工智能教育正式上升為國家戰略。2024年11月20日，教育部辦公廳印發《關于加強中小學人工智能教育的通知》，明確加強中小學人工智能教育的總體要求。基礎教育階段作為創新人才培養的關鍵環節，開展人工智能素養教育具有雙重價值，即個體發展價值與社會需求價值。個體發展價值在于培養計算思維、創新意識和智能社會適應力；社會需求價值在于為數字中國建設儲備具備人工智能基礎能力的未來公民。

從實踐到反思：人工智能教育的斷層現象溯源

為推進中小學生人工智能素養培育，提高學生人工智能技術應用水平，教育部教育技術與資源發展中心組織實施“全國學生數字素養能力提升實踐活動”，并專門設置了“優創未來”和“智能博物”項目。通過分析近幾年競賽作品評審反饋報告，筆者發現當前中小學人工智能教育存在三大斷層現象。

一是認知斷層。通過對競賽作品的匯總分析，發現部分學生在設計AI解決方案時，缺乏對AI技術本質的理解，片面認為AI作品就是有語言識別、圖像識別、文字識別等技術應用的作品，對數據、算法、模型、深度學習、神經網絡等概念模糊，提出的方案缺乏可行性，有的僅僅是為AI而AI。即認知呈現“三多三少”特征：應用場景認知多，原理機制理解少；工具使用了解多，算法思想掌握少；成品展示形式多，過程性思考體現少。

二是思維斷層。在“優創未來”項目中，許多學生停留在“技術實現”階段，在解決復雜問題時缺乏從數據中提取信息、構建模型和優化結果的思維能力。比如，在處理大數據集時，學生需要經過多次訓練才能掌握如何通過數據分析來支持決策；在設計算法時缺乏對優化和效率的考慮。即思維表現為“三重三輕”傾向：重技術實現輕問題分析；重結果呈現輕過程優化；重單一方案輕系統設計。

三是實踐斷層。學生對AI的應用場景和落地邏輯缺乏實踐性理解，認知的不足，導致學生在實踐方面局限于“人臉識別”“語音助手”等常見應用，缺乏利用AI技術全面設計作品、解決實際問題的實踐。同時跨學科融合不足，單一技術視角限制了AI在真實場景中的應用。即實踐存在“三集中三缺乏”現象：場景集中在消費領域，缺乏產業應用認知；技術集中在感知層面，缺乏認知智能實踐；學科集中在信息科技，缺乏跨學科整合。

人工智能技術迭代與素養發展的動態共生

在人工智能時代，教育的核心自標、教學方式以及學習者的能力需求都需要重新審視和定義。首先，教育目標需要從知識傳授轉向能力培養。傳統教育強調記憶與應試，而AI時代的知識獲取已變得極為便捷。未來的教育應更注重批判性思維、創造力、協作能力等核心素養的培養，幫助學生在海量信息中辨別真偽、解決問題。例如，AI可以輔助數據分析，但人類仍需具備邏輯推理與倫理判斷能力，以應對復雜社會問題。其次，教學方式需要向個性化與交互性轉變。AI技術能通過算法分析學習者的行為數據，提供定制化學習路徑。教師角色將從“知識灌輸者”轉型為“學習引導者”，利用AI工具設計動態課堂，激發學生自主探究。再次，學習內容需要融入AI素養培育。學生不僅要掌握學科知識，還需理解AI的基本原理、應用場景與社會影響。例如，編程思維、數據倫理應成為通識教育的一部分，同時警惕技術濫用帶來的風險。最后。教育評價體系需革新。單一的考試分數無法反映AI時代所需的能力，多元評估（如項目實踐、跨學科協作）將更受重視。AI時代需重新定義AI教育，這是構建“人機協同”新生態的關鍵。唯有打破傳統框架，才能培養出適應未來社會的創新型人才。因此，如何構建“知識、思維、實踐、倫理”人工智能素養四維框架成為實施AI教育亟待研究的課題。

人工智能素養四維框架

人工智能素養四維框架（圖1）是滿足學生在人工智能時代全面適應社會需求、實現個人發展所必備的綜合能力結構。它融合人工智能認知、思維、實踐與倫理四個緊密關聯且相互促進的維度，形成一個有機整體，全面塑造學生在人工智能領域的核心競爭力。人工智能認知奠定扎實的知識基礎，人工智能思維為學生提供思考問題的方式和創新動力，人工智能實踐確保知識技能的有效應用和轉化，人工智能倫理則規范引導技術應用的道德方向。四者協同作用，使學生能夠理性思考、深刻理解、熟練運用并負責任地發展人工智能技術，以應對人工智能時代復雜多變的挑戰與機遇，推動技術與社會的良性互動和進步。

維度一：人工智能認知

人工智能認知是指學生對人工智能技術全面、深入的理解與認識。這包括對人工智能的發展歷程、技術原理、應用領域以及未來趨勢的掌握。它是學生構建起關于人工智能完整知識體系，并能基于此對人工智能相關事物做出準確判斷和合理解釋的綜合素養。

（1）知識體系層面。在發展歷程方面，中小學生需要對人工智能從萌芽階段到蓬勃發展的整個演進脈絡清晰把握，了解各個時期的標志性事件以及推動其發展的關鍵因素。在技術知識方面，要求中小學生初步理解和掌握人工智能核心技術構成，例如，機器學習、深度學習、自然語言處理、計算機視覺等技術模塊，明白它們的運作原理以及相互之間的關聯和協同機制。

（2）應用實踐層面。中小學生要具備信息意識，對人工智能發展要有一定敏感度和價值的判斷力；具有一定的信息感知力，熟悉人工智能及其呈現與傳遞方式，善于利用其交流和分享信息、開展協同創新；熟悉對常見人工智能硬件、軟件在實際問題上的應用。小學低年級注重生活體驗；小學中高年級初步學習人工智能基本概念和基本原理，并體驗其應用；初中階段深化原理認識，探索利用人工智能手段解決問題的過程和方法。教師要引導學生正確處理人與技術、人與機器、人與數據、人與人工智能的關系，提高解決實際問題的能力，促進思維發展，培養創新精神。

維度二：人工智能思維

人工智能思維是指學生運用人工智能的邏輯、算法和數據處理方法來分析和解決問題的思維方式。是個體在面對人工智能領域各種現象、問題和技術挑戰時，能夠迅速抓住核心要點，運用科學的思考方法和邏輯框架，進行分析、綜合、判斷和推理，從而形成有創意且切實可行的解決方案的能力體現。

（1）人工智能基礎思維。人工智能基礎思維主要體現在計算思維、數據驅動思維、規則驅動思維。在中小學信息科技教學中，重點突出了計算思維，能將復雜的問題進行抽象、分解、建模，并通過設計算法形成解決方案，算法設計為問題解決規劃精確步驟流程。邏輯推理保證思維嚴謹，判斷方案合理性。而人工智能又強調依賴海量數據訓練模型的數據驅動思維，中小學生要能體驗模型構建的全過程，同時在規則驅動思維指引下解決實際問題。

（2）人工智能高階思維。人工智能高階思維主要體現在人機協同思維、創造性思維、批判性思維。目前人工智能的發展水平和實現方式決定相當長時間內人機協同成為主要應用場景。因此中小學生利用人機協同的思維方式解決現實問題成為主要手段。教師要鼓勵學生打破常規，探索新的應用場景和解決方案，通過批判性思維幫助我們理性評估AI的能力與局限，避免盲目信任或否定。

維度三：人工智能實踐

人工智能實踐是指學生在真實情境中運用人工智能知識和技能開展活動的能力。它表現為能夠熟練操作人工智能相關工具、平臺和框架，將人工智能技術應用于特定領域，解決實際問題或提升工作效率。

（1）工具操作的熟練度。熟練使用人工智能相關的軟件工具、編程語言以及開發平臺是進行有效實踐的基礎。這包括但不限于數據處理工具、機器學習框架、深度學習庫等。

（2）技術應用的合理性。能夠根據真實情景實際需求選擇合適的人工智能技術，并將其正確應用于相應的業務場景中。無論是機器學習、自然語言處理、圖像識別，還是算法、模型，都需要精確地匹配與實施策略。

（3）問題解決的針對性。在面對真實情景挑戰時，能夠運用人工智能的知識和技術提出創新性的解決方案。通過分析問題的本質，結合現有技術和資源，制定出切實可行的執行計劃。利用人工智能優化工作流程，減少不必要的人力物力消耗，從而實現效率的最大化。確實保證學生能在真實情景中選擇最優化方案解決實際問題。

維度四：人工智能倫理

人工智能倫理是指學生在接觸和應用人工智能技術時，所應遵循的道德規范、倫理原則和社會責任。這要求個體能夠認識到人工智能技術的潛在風險，對人工智能技術潛在倫理風險的敏銳洞察力和批判性思維，能在實踐中權衡不同利益相關者的需求和權益，確保技術應用的健康發展。

（1）道德規范的認識與遵守。明確并遵守涉及隱私保護、數據安全等方面的基本道德規范。尊重人權，確保人工智能的應用不會侵犯個人或群體的權利和自由。

（2）倫理原則的理解與實踐。確保算法決策過程透明，避免偏見和歧視；致力于提高人工智能系統的穩定性和可靠性，降低潛在的風險和威脅；明確技術開發者、使用者及管理者的責任，建立有效的問責機制。

（3）對潛在風險的敏感度與批判性思考。對于可能出現的問題保持高度敏感，能夠預見并評估人工智能技術可能帶來的負面影響；通過批判性思維分析復雜情況，識別出需要優先考慮的倫理問題，并尋求合理的解決方案。

人工智能素養培育實施策略

策略一：課程設置與教學資源

（1）分階段課程體系。學生人工智能素養培育要緊密結合信息科技教學內容，設置合理的分階段課程體系，是開展中小學人工智能教育的基礎。基礎教育階段（九年）以興趣啟蒙和基礎認知為主，結合STEAM教育開展項目化學習、跨學科主題學習。其中，小學階段通過游戲化學習（如編程機器人、AI繪畫工具）理解基礎概念（如算法、數據）；初中階段學習Python基礎、簡單機器學習模型（如決策樹），分析真實數據（如以氣象數據預測天氣）。

（2）人工智能教育平臺。人工智能教育平臺在推進中小學人工智能素養培育中扮演著核心角色，成為實現課程標準化、規模化落地的關鍵載體。平臺通過編程模擬、項目式學習等功能，幫助學生理解AI技術（如機器學習、自然語言處理），激發跨學科創新能力和批判性思維，適應未來科技社會需求。

人工智能教育平臺要能提供分學段的AI課程資源（如小學啟蒙課、初中實踐課），涵蓋編程、算法、倫理等內容，支持獨立或融合式教學。平臺實現教學工具集成，包括智能備課系統、課堂互動工具（如代碼編輯器、虛擬實驗室）、作業自動批改與反饋；平臺支持虛擬實驗環境應用，包括集成圖形化編程工具（如Scratch）、Python語言編程環境、機器學習模型訓練，支持學生動手實踐AI項目（如機器人控制、圖像識別）等。目前，國內中小學人工智能教育平臺建設相對滯后，但也涌現出一些比較有優勢的平臺，如國家中小學智慧教育平臺開通了人工智能實驗場。

（3）創新競賽與活動。創新競賽與活動是促進人工智能素養培育的催化劑。如教育部教育技術與資源發展中心組織實施“全國學生數字素養能力提升實踐活動”以及教育部眾多素養類的白名單賽事，連接真實情景與應用，拓展學生實踐場景。

策略二：教學方式和手段變革

（1）項目式學習。項目式學習是一種以學生為中心的學習模式，它圍繞真實世界的問題或挑戰，通過設計并實施項目來促進學生的主動學習和發展。我們設計項目式學習手冊，將認知、思維、實踐、倫理四維人工智能素養融入全過程。例如，學生分組設計“校園垃圾分類AI助手”，其中認知包括調研現有AI垃圾分類技術；思維方法采用數據驅動分析垃圾圖像數據集；實踐活動為訓練模型并部署到樹莓派；倫理包括討論數據偏見（如對特定垃圾的識別誤差）等。

（2）跨學科主題學習。通過跨學科主題學習，學生能夠在真實情境中綜合運用多學科知識，培養人工智能素養，同時提升解決復雜問題的能力。以信息科技學科為核心，選擇貼近學生生活且具有跨學科性質的主題，如“智能城市”“環保科技”“健康生活”等。這些主題可以結合數學、科學、信息科技、藝術等學科知識，幫助學生在真實情境中理解人工智能的應用。

策略三：多方協作的人工智能教育

（1）教師隊伍建設。中小學校要完善師資培訓體系，加大對教師跨學科培訓的力度，特別是信息科技學科教師。開展針對性強的培訓課程，不僅涵蓋AI技術知識，還包括跨學科教學方法和AI倫理教育內容，提高教師在人工智能教育領域的教學能力，使教師能夠更好地引導學生提升AI素養。

（2）建立多方協同機制。人工智能素養的培育不僅需要學校教育，更需要多方協作，形成“政研產學”人工智能教育共同體。教育行政部門推進政策支持和引導，整合資源與協調，高校科研機構提供科研資源及技術支持，科技產業提供豐富的人工智能教育實踐場景，將成果轉化與推廣，中小學校積極開展課程融合與教學實施。與科技公司共建AI實驗室，企業提供真實數據集（如語音識別數據）供教學使用。

策略四：評估與反饋機制

（1）多維度評價。構建涵蓋認知、思維、實踐、倫理四個維度的多維評價體系。設計真實情境下的任務，評估學生在復雜問題解決中的綜合能力。例如，學生可以設計一個基于AI的健康監測應用，展示其技術應用能力和創新思維。

（2）動態調整。將最新的AI技術應用成果融入教學，更新教學內容。如隨著生成式人工智能的發展，進一步拓展相關課程內容，引導學生探索其在不同領域的創新應用。

總結

人工智能技術的迅猛發展正深刻重塑全球競爭格局與社會形態，我國將人工智能教育定位為實施國家戰略的重要支柱。面對數字中國建設的迫切需求，中小學教育必須超越傳統知識傳授范式，構建以“認知、思維、實踐、倫理”為核心的人工智能素養四維框架，從教育底層邏輯出發，彌合當前人工智能教育中認知淺層化、思維碎片化、實踐局限化與倫理缺位化的斷層。我們希望通過課程體系革新、跨學科融合、項目式學習等策略，推動人工智能教育從“技術工具應用”向“核心素養內化”轉型，真正實現人工智能素養從“框架設計”到“課堂生根”的跨越，助力學生形成系統性AI思維與復雜問題解決能力，為智能社會的可持續發展儲備人才動能。

作者單位：浙江大學城市學院附屬學校

編輯：盧秋紅