陳凱泉何 瑤仲國(guó)強(qiáng)

（1．中國(guó)海洋大學(xué) 教育系；2．中國(guó)海洋大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266100）

一、引言

人工智能（Artificial Intelligence，AI）是信息科學(xué)領(lǐng)域最前沿的學(xué)科之一，經(jīng)歷60余年的發(fā)展之后，AI對(duì)醫(yī)療、交通、商業(yè)、航天、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。根據(jù)麥肯錫國(guó)際咨詢公司的數(shù)據(jù)調(diào)查研究，基于當(dāng)前人工智能技術(shù)的發(fā)展水平，大約45%的職業(yè)的工作者會(huì)失業(yè)。智能機(jī)器的誕生，改變了傳統(tǒng)的工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，代替人類做單調(diào)重復(fù)性工作，幫助人類節(jié)省時(shí)間和精力投入到創(chuàng)造性工作中去，極大地提高了生產(chǎn)和工作效率，這也必將影響到我國(guó)未來(lái)的人才培養(yǎng)和就業(yè)。因此，人工智能的突破性進(jìn)展是人類發(fā)展史上一個(gè)重大轉(zhuǎn)折，人類的思維方式和工作方式將發(fā)生重大轉(zhuǎn)變，將推動(dòng)信息時(shí)代進(jìn)入人工智能時(shí)代，信息社會(huì)向智能化社會(huì)轉(zhuǎn)型。

2015 年 5 月，國(guó)務(wù)院發(fā)布《中國(guó)制造 2025》[1]，把實(shí)現(xiàn)世界制造強(qiáng)國(guó)作為總目標(biāo)，并提出九項(xiàng)戰(zhàn)略任務(wù)和重點(diǎn)。該文件重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了人工智能技術(shù)對(duì)于各行各業(yè)發(fā)展的重大應(yīng)用價(jià)值，并闡明人工智能技術(shù)能夠促進(jìn)戰(zhàn)略任務(wù)的完成和實(shí)施。2016年5月，發(fā)改委和科技部聯(lián)合印發(fā)《“互聯(lián)網(wǎng)+”人工智能三年行動(dòng)實(shí)施方案》[2]，再次把人工智能技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代創(chuàng)新性強(qiáng)國(guó)的重要推動(dòng)力。2017年11月14日，全球領(lǐng)先的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)第三方數(shù)據(jù)挖掘和分析權(quán)威機(jī)構(gòu)iiMedia Research（艾媒咨詢）發(fā)布了《2017年中國(guó)人工智能行業(yè)白皮書》[3]，指出在信息技術(shù)快速普及的今天，連接人與信息的信息流，成為信息時(shí)代的常態(tài)，而人工智能技術(shù)是構(gòu)建信息流的關(guān)鍵技術(shù)。尤其是2017年7月，國(guó)務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》[4]明確提出：實(shí)施全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育，鼓勵(lì)社會(huì)力量參與寓教于樂(lè)的編程教學(xué)軟件、游戲的開(kāi)發(fā)和推廣。

可見(jiàn)，開(kāi)展人工智能教育（本文也簡(jiǎn)稱AI教育）是面向人工智能時(shí)代所賦予的使命。培養(yǎng)能夠發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)解決問(wèn)題的創(chuàng)新人才是教育界面臨的重大挑戰(zhàn)，也是構(gòu)建創(chuàng)新性國(guó)家的必備條件[5]。當(dāng)前，推進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能技術(shù)、形成人工智能學(xué)科的話語(yǔ)體系和思維方式非常緊迫。在學(xué)生發(fā)展個(gè)性化、社會(huì)發(fā)展智能化的今天，信息技術(shù)教育的培養(yǎng)目標(biāo)、內(nèi)容、方式和評(píng)價(jià)都需要順應(yīng)AI時(shí)代之變遷，以符合國(guó)家人才戰(zhàn)略需求。而培養(yǎng)符合智能化社會(huì)需求的創(chuàng)新人才，需具備良好的計(jì)算思維、編程能力和對(duì)智能化社會(huì)的深度認(rèn)知。

二、人工智能時(shí)代信息素養(yǎng)內(nèi)涵的轉(zhuǎn)型

（一）智能化社會(huì)的圖景

2016年9月，斯坦福大學(xué)發(fā)布的《2030年人工智能與生活》（Artificial Intelligence and Life in 2030）報(bào)告，詳細(xì)解讀了在交通、家庭服務(wù)、醫(yī)療保健、社區(qū)、公共安全、就業(yè)、娛樂(lè)、教育等八個(gè)方面人工智能將產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響及顛覆性變革[6]。在交通領(lǐng)域，自動(dòng)化交通很快會(huì)實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)駕駛汽車將比人類司機(jī)駕駛的汽車更安全。在家庭或服務(wù)機(jī)器人方面，更好的芯片、更低成本的3D傳感器、基于云端的機(jī)器學(xué)習(xí)，以及語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的提升，將進(jìn)一步強(qiáng)化未來(lái)的機(jī)器人服務(wù)及其與人類的互動(dòng)。在醫(yī)療保健領(lǐng)域，通過(guò)外科手術(shù)機(jī)器人，智能醫(yī)生的診斷等造福人類。在社區(qū)建設(shè)方面，利用數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)，人工智能已被用于創(chuàng)建各種預(yù)測(cè)模型，幫助政府機(jī)構(gòu)解決如防止兒童鉛中毒，有效發(fā)放食物等。在公共安全領(lǐng)域，北美一些城市和政府機(jī)構(gòu)到2030年將廣泛依賴人工智能，包括攝像頭和無(wú)人機(jī)監(jiān)控、識(shí)別金融欺詐的算法、制定預(yù)防性策略等。在就業(yè)領(lǐng)域，人工智能可能會(huì)取代如汽車或卡車駕駛員等特定崗位上的勞動(dòng)者。在娛樂(lè)領(lǐng)域，社交網(wǎng)絡(luò)和其他平臺(tái)已經(jīng)利用自然語(yǔ)言處理、信息檢索、圖像處理、眾包和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，改變了人們共享和瀏覽博客、視頻和照片的方式。一些傳統(tǒng)的娛樂(lè)方式已開(kāi)始用人工智能來(lái)創(chuàng)作歌曲，營(yíng)造舞臺(tái)效果，打造3D場(chǎng)景等。不久將來(lái)，人工智能會(huì)讓娛樂(lè)變得更具互動(dòng)性，更加個(gè)性化。

在教育領(lǐng)域同樣如此，國(guó)內(nèi) “科大訊飛”和51talk等公司開(kāi)發(fā)出的語(yǔ)音測(cè)評(píng)軟件，已能實(shí)現(xiàn)用戶跟讀，對(duì)發(fā)音的正確性做出評(píng)估。Siri作為蘋果手機(jī)上的一項(xiàng)典型應(yīng)用，具備收發(fā)短信、尋找聯(lián)系人、定位、搜索、翻譯等諸多功能，極大地提升了手機(jī)與人交互的流暢性，一定程度上實(shí)現(xiàn)了手機(jī)對(duì)用戶的自然語(yǔ)言理解。這些技術(shù)被引入教學(xué)系統(tǒng)后，教學(xué)系統(tǒng)與學(xué)習(xí)者間的交互便捷性顯著提升，自動(dòng)批改作業(yè)、自動(dòng)教學(xué)測(cè)評(píng)等應(yīng)用相繼被開(kāi)發(fā)成功?；谘蹌?dòng)數(shù)據(jù)跟蹤等技術(shù)，除了識(shí)別學(xué)習(xí)者的面部表情外，還可以從學(xué)習(xí)者的眼動(dòng)數(shù)據(jù)跟蹤中，分析學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣、內(nèi)容偏好等[7]。

（二）智能化社會(huì)要求學(xué)生的信息素養(yǎng)內(nèi)涵進(jìn)行轉(zhuǎn)型與再造

1．計(jì)算思維是智能化社會(huì)公民的重要素養(yǎng)

2017《美國(guó)國(guó)家教育技術(shù)計(jì)劃》對(duì)新時(shí)期學(xué)習(xí)目標(biāo)的描述是：讓所有學(xué)習(xí)者都能參與并提升校內(nèi)外學(xué)習(xí)體驗(yàn)，使其成為全球網(wǎng)絡(luò)社會(huì)中積極并具有創(chuàng)造力、淵博知識(shí)和道德規(guī)范的參與者，將創(chuàng)造力放在學(xué)習(xí)目標(biāo)的首要位置[8-9]。該計(jì)劃首次提出“知覺(jué)學(xué)習(xí)模塊”（Perceptual Learning Modules），所謂知覺(jué)學(xué)習(xí)，就是學(xué)生能夠?qū)ν庠诃h(huán)境做出快速判斷，在繁雜的信息中提取出關(guān)鍵信息的能力。這種能力的培養(yǎng)，有助于將學(xué)生的記憶力和臨場(chǎng)反應(yīng)能力提高至較高水平。

我們認(rèn)為，該計(jì)劃為信息素養(yǎng)注入了新的內(nèi)涵，即對(duì)于學(xué)習(xí)者來(lái)說(shuō)，面對(duì)網(wǎng)絡(luò)世界中繁雜的信息，學(xué)會(huì)把信息抽象和分解，以具備完成復(fù)雜任務(wù)的重要能力。這種抽象與分解，需要掌握并完成問(wèn)題的界定、數(shù)據(jù)的組織與應(yīng)用、分析，隨之實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的解決。這種能力與國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)（International Society of Technology in Education，ISTE）和計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)教師協(xié)會(huì) （Computer Science Teachers Association，CSTA）所提出的計(jì)算思維（Computational Thinking）內(nèi)涵基本一致。ISTE和CSTA對(duì)計(jì)算思維給出了操作性定義：?jiǎn)栴}解決過(guò)程，涉及到問(wèn)題的闡述、數(shù)據(jù)的組織、分析和呈現(xiàn)，包含解決方案的制訂、識(shí)別、分析和實(shí)施以及問(wèn)題解決過(guò)程的遷移[10]。

2．編程能力是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造力培養(yǎng)的重要支撐

《2017地平線報(bào)告 （基礎(chǔ)教育版）》指出，STEM教育能將計(jì)算機(jī)知識(shí)、解決問(wèn)題和創(chuàng)造力結(jié)合起來(lái)，將成為增強(qiáng)國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的重要方式[11]。編程作為STEM教育中重要的一部分，在于幫助學(xué)生了解計(jì)算機(jī)運(yùn)行規(guī)則，激發(fā)學(xué)生計(jì)算思維的興趣，培養(yǎng)編程素養(yǎng)，較好適應(yīng)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)的需要。如今，越來(lái)越多的國(guó)家意識(shí)到計(jì)算思維的重要性，并將編程教育納入到基礎(chǔ)教育中。人工智能相關(guān)理論與技術(shù)的快速發(fā)展，能夠促進(jìn)跨學(xué)科學(xué)習(xí)環(huán)境搭建，逐漸消除不同學(xué)科之間的障礙。人工智能技術(shù)對(duì)于教學(xué)環(huán)境的支持，將改善現(xiàn)有的學(xué)習(xí)方式，由被動(dòng)轉(zhuǎn)向主動(dòng)，課程內(nèi)容與現(xiàn)實(shí)聯(lián)系更加緊密，課程目標(biāo)由獲取知識(shí)轉(zhuǎn)向創(chuàng)造知識(shí)及問(wèn)題解決能力的培養(yǎng)，以幫忙學(xué)生借助編程完成協(xié)作性問(wèn)題解決和復(fù)雜性計(jì)算。

3.適應(yīng)“人機(jī)協(xié)同”工作需要，掌握與學(xué)會(huì)與機(jī)器人協(xié)作的技能

劍橋大學(xué)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究中心的聯(lián)合創(chuàng)始人Lord Martin Rees表示，人工智能引發(fā)的將不僅是藍(lán)領(lǐng)工作即將消失，學(xué)校、家長(zhǎng)與社會(huì)更應(yīng)關(guān)注未來(lái)就業(yè)市場(chǎng)的變化。但當(dāng)前的學(xué)校課程，尤其是中學(xué)課程，并沒(méi)有反映出機(jī)器人技術(shù)和人工智能技術(shù)帶來(lái)的變化。計(jì)算機(jī)編程課程需要更高一級(jí)的教學(xué)目標(biāo)，才能提升學(xué)生的創(chuàng)造力[12]。

人工智能的快速發(fā)展，將給勞動(dòng)力市場(chǎng)帶來(lái)重大變化，有些工作崗位會(huì)被機(jī)器人取代，同時(shí)也會(huì)有新的工作機(jī)會(huì)產(chǎn)生。正如倫敦大學(xué)教育學(xué)院的人工智能教育專家Rose Luckin所言，未來(lái)社會(huì)的許多工作需要專業(yè)人士與機(jī)器人共同開(kāi)展，即人與機(jī)器人協(xié)同工作將成為常態(tài)。因此，問(wèn)題解決能力、協(xié)作能力和創(chuàng)造力變得越來(lái)越重要，學(xué)校應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)更新課程體系，學(xué)生應(yīng)花費(fèi)更多時(shí)間和精力學(xué)會(huì)在合作中解決問(wèn)題，并了解更多的人工智能基礎(chǔ)知識(shí)及人工智能對(duì)智能化社會(huì)的塑造[13]。

總之，智能機(jī)器人將改變勞動(dòng)力市場(chǎng)，了解機(jī)器人能做的工作及掌握“人機(jī)協(xié)同”工作的本領(lǐng)，將是未來(lái)學(xué)生的必備素養(yǎng)，學(xué)校應(yīng)幫助學(xué)生提前做好準(zhǔn)備，以適應(yīng)人工智能時(shí)代的快速發(fā)展。

三、人工智能教育的目標(biāo)定位

伴隨著社會(huì)的信息化與智能化發(fā)展進(jìn)程，信息技術(shù)課程在中小學(xué)課程體系中的定位及學(xué)習(xí)目標(biāo)也在不斷變遷。從20世紀(jì)80年代至今，信息技術(shù)課程的教學(xué)目標(biāo)，走過(guò)了從操作技能訓(xùn)練向信息素養(yǎng)提升的轉(zhuǎn)型。當(dāng)人工智能技術(shù)取得突破性進(jìn)展并推動(dòng)社會(huì)向智能化社會(huì)轉(zhuǎn)型之時(shí)，AI相關(guān)內(nèi)容在中小學(xué)課程體系中的定位，需要進(jìn)一步凸顯與提升。

（一）中小學(xué)信息技術(shù)課程的變遷

1．教學(xué)目標(biāo)的沿革

20世紀(jì)80年代，我國(guó)的信息技術(shù)教育被稱作“計(jì)算機(jī)教育課程”，專業(yè)化教育成分較重，分為計(jì)算機(jī)工作原理、編程語(yǔ)言、軟件和硬件結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理等幾個(gè)模塊。20世紀(jì)90年代，“計(jì)算機(jī)教育課程”由專業(yè)化向大眾化過(guò)渡，主要教學(xué)內(nèi)容包括文字處理、表格處理、幻燈片制作、信息檢索、繪圖等，旨在培養(yǎng)學(xué)生檢索、收集、組織、創(chuàng)造和傳遞信息的能力，讓學(xué)生掌握日常生活和學(xué)習(xí)中基本的信息操作技能。進(jìn)入21世紀(jì)后，信息技術(shù)發(fā)展更加迅速，繼提出“計(jì)算機(jī)操作水平”之后，2003年的信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步提出“信息素養(yǎng)”是21世紀(jì)公民的必備素養(yǎng)，信息技術(shù)課程成為中小學(xué)必修課程[14]。其主要教學(xué)目標(biāo)是要求學(xué)生掌握信息獲取、加工、管理的方法，讓學(xué)生學(xué)會(huì)在交流和表達(dá)過(guò)程中解決實(shí)際問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生探究和交流合作，使學(xué)生在實(shí)踐中掌握解決問(wèn)題的信息技術(shù)方法和思想，意識(shí)到信息技術(shù)是解決問(wèn)題的重要工具。2017年，浙江省更是針對(duì)信息技術(shù)課程做出高考變革嘗試，將包含編程的信息技術(shù)課程列為7選3考試中的一門，所占比重與傳統(tǒng)分科課程相同[15]。

2．信息術(shù)課程體系中AI相關(guān)內(nèi)容設(shè)置的演進(jìn)

通過(guò)對(duì)不同時(shí)期信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)的梳理與比較，我們能夠更為清晰地看出中小學(xué)信息技術(shù)課程教學(xué)目標(biāo)的發(fā)展脈絡(luò)及AI相關(guān)內(nèi)容設(shè)置的演變。我國(guó)中小學(xué)信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)一般包括：課程目標(biāo)、課程內(nèi)容架構(gòu)、課程開(kāi)設(shè)建議、課程內(nèi)容描述、教材編寫建議、教學(xué)建議、評(píng)價(jià)建議、教師發(fā)展建議八個(gè)部分[16]。AI相關(guān)內(nèi)容是信息技術(shù)課程的一部分，多屬于選修模塊，表1所示是2012版中小學(xué)各級(jí)信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)AI相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的安排[17]。

表1 中小學(xué)信息技術(shù)課程中AI相關(guān)內(nèi)容設(shè)置（2012）

對(duì)比表1中各學(xué)段人工智能的內(nèi)容總量和學(xué)習(xí)目標(biāo)，我們可以看到AI教育在中小學(xué)信息技術(shù)課程中扮演的角色。除在高中學(xué)段把部分人工智能知識(shí)作為所有學(xué)生的必修課之外，其他各學(xué)段與人工智能相關(guān)的課程均以“個(gè)性塑造”為宗旨，將課程設(shè)置成拓展選修課，以滿足不同興趣偏好學(xué)生的需求，目的使每個(gè)學(xué)生在了解相關(guān)理論和技術(shù)的同時(shí)，選擇自己感興趣的領(lǐng)域進(jìn)一步學(xué)習(xí)。

針對(duì)不同學(xué)段，課程內(nèi)容在廣度和深度上均有增強(qiáng)：小學(xué)階段要求學(xué)生初步接觸機(jī)器人和程序設(shè)計(jì)，形成感性經(jīng)驗(yàn)；初中階段培養(yǎng)程序設(shè)計(jì)和機(jī)器人制作與應(yīng)用技能，開(kāi)始學(xué)習(xí)用人工智能技術(shù)解決生活與學(xué)習(xí)中的問(wèn)題；高中階段則在學(xué)生具備人工智能基礎(chǔ)知識(shí)，了解程序設(shè)計(jì)思想和基本編程方法的基礎(chǔ)上，給學(xué)生以個(gè)性發(fā)展的空間，幫助感興趣的學(xué)生形成更高階的人工智能信息文化能力。在機(jī)器人教育領(lǐng)域，小學(xué)階段只要求學(xué)生了解機(jī)器人及相關(guān)制作，在初中階段則強(qiáng)調(diào)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作，在高中階段除要求學(xué)生自主開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單的機(jī)器人之外，還關(guān)注技術(shù)能力與人文素養(yǎng)的雙重構(gòu)建。

（二）AI教育的目標(biāo)定位

1．全面推進(jìn)AI教育，應(yīng)主要指向培養(yǎng)學(xué)生編程能力與計(jì)算思維

在教育信息化發(fā)展的初期，信息技術(shù)教育側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生單純的計(jì)算機(jī)操作技能，讓學(xué)生體會(huì)到計(jì)算機(jī)是一門實(shí)用的工具。但隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展和一系列新型教育實(shí)踐的展開(kāi)，信息技術(shù)教育更應(yīng)關(guān)注學(xué)生的信息素養(yǎng)，旨在培養(yǎng)具有較高信息素養(yǎng)的新時(shí)代合格公民。2015年，教育部《關(guān)于“十三五”期間全面深入推進(jìn)教育信息化工作的指導(dǎo)意見(jiàn)》[18]強(qiáng)調(diào)，基于情境、工程和項(xiàng)目的STEM教育、促進(jìn)學(xué)科融合的創(chuàng)客教育，有助于培養(yǎng)學(xué)生解決問(wèn)題的能力，幫助學(xué)生形成信息意識(shí)和創(chuàng)新意識(shí)，鼓勵(lì)中小學(xué)和各級(jí)教育單位開(kāi)展創(chuàng)客教育和STEM教育。這些新型教育實(shí)踐的展開(kāi)，為信息技術(shù)教育提供了更為廣闊的空間，學(xué)生應(yīng)具備運(yùn)用科學(xué)理論知識(shí)，使用新技術(shù)自覺(jué)分析、推斷和解決真實(shí)問(wèn)題的能力。

我們認(rèn)為，在人工智能技術(shù)正在迅速普及的今天，計(jì)算思維及編程能力正在成為信息素養(yǎng)內(nèi)涵的重要組成。如，在百度中搜索“兒童編程培訓(xùn)”，會(huì)出現(xiàn)418萬(wàn)條結(jié)果，包括兒童課程培訓(xùn)、課程制作、企業(yè)編程課程介紹以及家長(zhǎng)咨詢等多個(gè)方面。不難看出，編程培訓(xùn)是企業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的一大熱點(diǎn)，同時(shí)也是家長(zhǎng)為孩子進(jìn)行思維訓(xùn)練和生涯規(guī)劃的重要方式。編程是將實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行抽象、建模、求解的過(guò)程，是不斷完善解決問(wèn)題的方法論過(guò)程。編寫程序的過(guò)程也是塑造大腦的過(guò)程，它能使人的大腦運(yùn)轉(zhuǎn)更高效，也是目前培養(yǎng)學(xué)習(xí)者計(jì)算思維的必經(jīng)之路。

2．中小學(xué)階段的AI教育內(nèi)容，應(yīng)側(cè)重于人工智能技術(shù)及運(yùn)用

2017版《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》，將科學(xué)課程內(nèi)容分為四個(gè)主題：“科學(xué)探究”，“生命科學(xué)”，“物質(zhì)科學(xué)”、“地球和宇宙”，“技術(shù)與工程”[19]。 科學(xué)課的總目標(biāo)是綜合不同學(xué)科的教育功能和思維培養(yǎng)功能，引導(dǎo)學(xué)生將書本知識(shí)與真實(shí)的生活經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，積極參與社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)，發(fā)現(xiàn)并解決真實(shí)的問(wèn)題，以提高學(xué)生問(wèn)題意識(shí)和解決問(wèn)題的能力。該標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)調(diào)了科學(xué)課對(duì)于技術(shù)層面的總目標(biāo)，即教師引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到技術(shù)不僅是幫助人們解決問(wèn)題的工具，還是人類思維和能力的延伸，更是推動(dòng)人類社會(huì)變革、促進(jìn)人類社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵力量。在“技術(shù)與工程”這一主題上，小學(xué)階段側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)技術(shù)的作用產(chǎn)生感性認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)識(shí)和使用技術(shù)的興趣，初中階段則側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生能運(yùn)用簡(jiǎn)單的技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題。

我們認(rèn)為，人工智能相關(guān)理論與技術(shù)在作為信息技術(shù)課程重要組成的同時(shí)，顯然亦應(yīng)納入科學(xué)課程中的“科學(xué)探究”、“技術(shù)與工程”主題中，教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置應(yīng)與《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》的要求相一致，要注重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)人工智能技術(shù)的感性認(rèn)知與興趣，進(jìn)入初中后要能運(yùn)用AI解決實(shí)際問(wèn)題。人工智能涉及的知識(shí)范圍非常寬廣，其中涉及腦科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、認(rèn)知心理學(xué)等理論層面的內(nèi)容，對(duì)中小學(xué)生來(lái)說(shuō)要求過(guò)高，因此，人工智能相關(guān)內(nèi)容雖可成為科學(xué)類課程的組成部分，但更應(yīng)定位于技術(shù)類課程，重在培養(yǎng)學(xué)生的編程能力、機(jī)器人操控能力等人工智能技術(shù)或技能，這更符合基礎(chǔ)教育階段學(xué)生的年齡特征與知識(shí)基礎(chǔ)。若按學(xué)段來(lái)劃分技能的培養(yǎng)目標(biāo)，小學(xué)生應(yīng)主要是體驗(yàn)人工智能技術(shù)產(chǎn)品，初中生可進(jìn)行簡(jiǎn)單編程和對(duì)智能設(shè)備實(shí)現(xiàn)控制，高中生則要在人工智能技術(shù)上進(jìn)行較高層次的設(shè)計(jì)。

四、國(guó)內(nèi)外AI課程與教學(xué)實(shí)施的實(shí)踐探索

除信息技術(shù)課程中包含的人工智能模塊之外，我國(guó)基礎(chǔ)教育階段的科學(xué)課、STEM教育和創(chuàng)客教育中，也包含內(nèi)容豐富的人工智能相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容。目前，國(guó)內(nèi)外一些中小學(xué)對(duì)基于這些課程的AI教育做了積極有益的探索，美、英等國(guó)的AI教學(xué)則主要體現(xiàn)于計(jì)算機(jī)科學(xué)教育及計(jì)算課程當(dāng)中。

（一）我國(guó)STEM教育與創(chuàng)客教育中的人工智能教學(xué)實(shí)踐探索

1．STEM教育對(duì)人工智能技術(shù)的引介

STEM教育在于鼓勵(lì)學(xué)生利用科學(xué)、工程、技術(shù)、數(shù)學(xué)之間的關(guān)聯(lián)性知識(shí)解決問(wèn)題，鼓勵(lì)學(xué)生將不同學(xué)科中的思想、方法綜合起來(lái)，解決實(shí)際問(wèn)題，它打破學(xué)科壁壘、促進(jìn)學(xué)科融合[20]。STEM教育中的科學(xué)是認(rèn)識(shí)世界的工具，技術(shù)和工程是改造世界的工具，數(shù)學(xué)則是進(jìn)行思考和統(tǒng)籌的工具。STEM教育中技術(shù)素養(yǎng)部分包括編程工具的使用和機(jī)器人的操作，工程本身具有迭代性和循環(huán)性，學(xué)生在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以真正體驗(yàn)不斷發(fā)現(xiàn)、修復(fù)、優(yōu)化、解決問(wèn)題的學(xué)習(xí)樂(lè)趣，切身體會(huì)探究過(guò)程，學(xué)會(huì)探究方法，從而培養(yǎng)學(xué)生的探究能力[21]。近年來(lái)，中小學(xué)一線教師在STEM教育中有機(jī)融入人工智能內(nèi)容方面，做了積極嘗試。

（1）北京市景山學(xué)校的吳俊杰老師在STEM教育上做了一系列理論和實(shí)踐研究，尤其是在Scratch編程語(yǔ)言方面。該?；趯W(xué)生發(fā)展特點(diǎn)，開(kāi)設(shè)了名為“數(shù)學(xué)科學(xué)家”的校本課程，探索了信息技術(shù)課程變革中的STEM教育模式，設(shè)計(jì)了一系列針對(duì)Ledong Scratch互動(dòng)教學(xué)平臺(tái)的應(yīng)用與研究案例。例如，將Scratch編程運(yùn)用到物理學(xué)科中，幫助學(xué)生掌握物理學(xué)科基本概念和物理量之間的變化規(guī)律，將Scratch的傳感器功能用作觀察電阻和電流變化的規(guī)律，研究電阻值與傳感器數(shù)值之間的關(guān)系，該探索運(yùn)用了數(shù)學(xué)中函數(shù)曲線等知識(shí)，并詳細(xì)解釋了其推導(dǎo)過(guò)程[22]。吳俊杰老師還運(yùn)用Scratch編程工具研究光敏電阻與照度關(guān)系，該研究采用了“標(biāo)定實(shí)驗(yàn)——科學(xué)上的應(yīng)用——工程上的應(yīng)用”這一教學(xué)思路，在總結(jié)出光強(qiáng)與距離成反比這一重要規(guī)律的基礎(chǔ)上，做了一個(gè)簡(jiǎn)易照度計(jì)[23]。

（2）溫州中學(xué)的謝作如老師同樣對(duì)編程語(yǔ)言教學(xué)進(jìn)行了積極探索，他開(kāi)發(fā)了一門名為“智能機(jī)器人創(chuàng)意設(shè)計(jì)”的校本課程。謝作如老師將Scratch自帶的用于獲取外部環(huán)境變化信息的傳感器與 “樂(lè)高機(jī)器人”相結(jié)合，以拖拽圖標(biāo)的形式幫助學(xué)生學(xué)習(xí)編程，教兒童設(shè)計(jì)機(jī)器人[24]。學(xué)生在學(xué)習(xí)完Scratch之后，該校又將Arduino語(yǔ)言作為后續(xù)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言來(lái)學(xué)習(xí)[25]。學(xué)生從制作出作品的過(guò)程中能夠感受到編程的樂(lè)趣，從而有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和動(dòng)手操作能力。除Scratch和Arduino編程語(yǔ)言之外，溫州中學(xué)還開(kāi)設(shè)了Processing相關(guān)課程，Processing是以圖形和交互的形式創(chuàng)作繪畫作品，從而幫助學(xué)生建立用代碼繪畫的思想[26]。

2．創(chuàng)客教育中人工智能技術(shù)的應(yīng)用

自2014年起，創(chuàng)客教育在全國(guó)中小學(xué)逐漸開(kāi)展起來(lái)，并建立了大量的創(chuàng)客教育實(shí)驗(yàn)室。創(chuàng)客教育和STEM教育一樣，都是基于學(xué)科融合的跨學(xué)科項(xiàng)目式教學(xué)模式，以期達(dá)成創(chuàng)新教育的目的。

我國(guó)創(chuàng)客教育的教研團(tuán)隊(duì)大多以信息技術(shù)教師為主。信息技術(shù)教師對(duì)學(xué)校的軟硬件技術(shù)、編程技術(shù)、電子器件方面有著較強(qiáng)的掌握能力，能夠在技術(shù)層面給學(xué)生提供專業(yè)指導(dǎo)。但創(chuàng)客并不是各科課程的簡(jiǎn)單疊加，而是一項(xiàng)從低階到高階、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的創(chuàng)造性活動(dòng)。初級(jí)課程以電子、機(jī)械、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)課程為主，中級(jí)課程側(cè)重訓(xùn)練3D建模、電路、電子切割、高級(jí)編程等技能；高級(jí)課程則圍繞特定的現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目，指導(dǎo)學(xué)生組成團(tuán)隊(duì)，共同創(chuàng)造出新方案或者新產(chǎn)品[27]。比如，溫州實(shí)驗(yàn)中學(xué)創(chuàng)客教育團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了“多媒體編程”、“電子制作”、“機(jī)器人”、“網(wǎng)頁(yè)編程”等一系列創(chuàng)客教育校本課程，并創(chuàng)建了創(chuàng)客空間實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以在教師指導(dǎo)下參與多學(xué)科綜合研究項(xiàng)目[28]。北京景山學(xué)校還借助第三方企業(yè)，如新車間、機(jī)器人戰(zhàn)隊(duì)，聯(lián)合研發(fā)面向該學(xué)校的創(chuàng)客課程設(shè)計(jì)模式，參照原有的機(jī)器人課程，在融入新理念、新方法之后，開(kāi)發(fā)出新的機(jī)器人校本課程[29]。

隨著創(chuàng)客教育和STEM教育的開(kāi)展，編程、機(jī)器人等已經(jīng)進(jìn)入廣大師生的視野，并激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)作熱情。部分一線教師已經(jīng)將新的教育模式從理論轉(zhuǎn)化為實(shí)踐，并嘗試尋找編程、機(jī)器人等人工智能技術(shù)在科學(xué)課程與綜合課程中的定位，試圖挖掘人工智能技術(shù)帶給綜合課程更大的創(chuàng)造空間。

我們認(rèn)為，人工智能技術(shù)在綜合課程中應(yīng)體現(xiàn)為三個(gè)方面的用途：（1）作為發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的途徑，比如，Scratch的傳感器功能，可以動(dòng)態(tài)描述物理問(wèn)題中的運(yùn)動(dòng)軌跡，引發(fā)新問(wèn)題；（2）作為解決實(shí)際問(wèn)題的工具，比如，編程語(yǔ)句可以解決復(fù)雜的數(shù)學(xué)問(wèn)題；（3）作為把創(chuàng)意轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)的工具，比如，利用Arduino自制傳感器。當(dāng)前，人工智能技術(shù)作為綜合教育活動(dòng)中的一部分，客觀上能夠?yàn)閯?chuàng)客教育和STEM教育提供良好的工具性支撐。但目前還缺乏明確的目標(biāo)指引，更未凸現(xiàn)對(duì)人工智能學(xué)科思維、計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

（二）國(guó)外基礎(chǔ)教育階段AI教育概況及案例分析

1．美國(guó)K-12 AI教育概況及案例分析

2016年，奧巴馬提出“面向所有人的計(jì)算機(jī)科學(xué)教育”（Computer Science for All）新計(jì)劃，以推進(jìn)中小學(xué)課堂的計(jì)算機(jī)科學(xué)教育。但美國(guó)同樣沒(méi)有獨(dú)立的人工智能課程，人工智能相關(guān)教學(xué)內(nèi)容只是計(jì)算機(jī)科學(xué)課程中的一部分，并將編程列為其中非常重要的一部分。編程課并不是教學(xué)生寫代碼，而是引導(dǎo)學(xué)生“組裝”（Assemble）編好的程序模塊。美國(guó)市場(chǎng)上有很多種類的機(jī)器人已經(jīng)進(jìn)入到中小學(xué)課程或課堂當(dāng)中，學(xué)生可以通過(guò)編程控制機(jī)器人以完成簡(jiǎn)單的動(dòng)作，從而培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)編程的樂(lè)趣。

（1）美國(guó)的信息技術(shù)課程框架。目前，美國(guó)沒(méi)有全國(guó)統(tǒng)一的信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)，只提供了主要框架和培養(yǎng)目標(biāo)。美國(guó)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)教師協(xié)會(huì)（CSTA）把信息技術(shù)課程培養(yǎng)目標(biāo)劃分成五個(gè)維度：計(jì)算機(jī)思維；合作；計(jì)算機(jī)體驗(yàn)和編程；計(jì)算機(jī)和交流手段；團(tuán)體、全球與倫理道德影響。針對(duì)這五個(gè)維度，又劃分成三個(gè)不同的水平，表2是美國(guó)2011年的計(jì)算機(jī)科學(xué)課程框架[30]。

表2 美國(guó)2011年的計(jì)算機(jī)科學(xué)課程框架

在表2基礎(chǔ)上，美國(guó)的計(jì)算機(jī)科學(xué)課程框架還針對(duì)每個(gè)水平給出了具體的目標(biāo)要求，例如，對(duì)應(yīng)水平1—3年級(jí)的學(xué)生，給出了五個(gè)目標(biāo)：（1）證明計(jì)算機(jī)科學(xué)中0和1可以表示信息；（2）能夠識(shí)別和簡(jiǎn)單操作計(jì)算機(jī)軟件；（3）理解計(jì)算機(jī)為什么要用相應(yīng)的順序配置信息；（4）運(yùn)用計(jì)算機(jī)的文字編輯工具和繪圖工具敘述故事；（5）使用計(jì)算機(jī)解決簡(jiǎn)單的問(wèn)題?；谶@些目標(biāo)建議和指引，各州可以根據(jù)本州的發(fā)展需要，制定相應(yīng)的計(jì)算機(jī)科學(xué)課程。

表2也顯示出美國(guó)信息技術(shù)教育遵循循序漸進(jìn)的原則，教學(xué)內(nèi)容之間相互銜接、難度依次提升，并充分尊重學(xué)生興趣，給各州靈活的選擇空間。水平一和水平二側(cè)重計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)的普及，水平三具有更高的靈活性，在普及計(jì)算機(jī)知識(shí)的同時(shí)，還關(guān)注有志于將來(lái)從事計(jì)算機(jī)行業(yè)的學(xué)生，滿足學(xué)生的個(gè)性化需求。在實(shí)施過(guò)程中，各州可以視每個(gè)年級(jí)學(xué)生知識(shí)基礎(chǔ)的不同，選擇不同主題來(lái)編排教材。例如，馬里蘭州計(jì)算機(jī)課程是按照信息收集、管理、創(chuàng)造、創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)頁(yè)、學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)等，把課程內(nèi)容分為11個(gè)維度，每個(gè)維度又分為基本、中級(jí)和精通水平。其他各州也有自己的編排方式，但都包含信息素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、文化與倫理這三項(xiàng)基本內(nèi)容。

（2）美國(guó)信息技術(shù)課程中人工智能相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)。由于美國(guó)基礎(chǔ)教育階段的計(jì)算機(jī)課程具有很強(qiáng)的靈活性，所以教學(xué)實(shí)施形式靈活多樣，與高校合作開(kāi)辦課程便是其中的一種形式。例如，卡耐基·梅隆大學(xué)的暑期夏令營(yíng)就開(kāi)發(fā)了一個(gè)試點(diǎn)課程，該課程主要面向幾乎沒(méi)有編程經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生。課程為期三周，每周三天，每天兩小時(shí)，學(xué)習(xí)內(nèi)容包括兩個(gè)科學(xué)或工程項(xiàng)目，鼓勵(lì)學(xué)生參加論文寫作和數(shù)學(xué)復(fù)習(xí)課程，并參加一些標(biāo)準(zhǔn)化的模擬國(guó)家考試。該課程專注于Tekkotsu的可擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)機(jī)器語(yǔ)言[31]，Tekkotsu是一個(gè)開(kāi)源的應(yīng)用程序，它能夠?yàn)橹悄芤苿?dòng)機(jī)器人提供程序框架，該程序最初是為本科計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)生設(shè)計(jì)的，改進(jìn)之后供高中生使用[32]。Tekkotsu可以在多個(gè)層次上提供反饋和錯(cuò)誤檢測(cè)，其附帶的可視化工具和結(jié)對(duì)編程（Pair Programming）技術(shù)，不僅能夠幫助教師搭建學(xué)習(xí)過(guò)程，為課堂教學(xué)提供了一種系統(tǒng)方法，還可以用實(shí)時(shí)反饋的方式，有效地解決學(xué)生關(guān)注的問(wèn)題。Tekkotsu機(jī)器人帶有彩色的攝像機(jī)，能看到真實(shí)的外部世界，并為機(jī)器人提供了運(yùn)轉(zhuǎn)、導(dǎo)航和語(yǔ)言生成。使用Tekkotsu應(yīng)用程序，學(xué)生可以跳過(guò)如打開(kāi)或關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)之類低水平的機(jī)器人編程，而將重點(diǎn)放在問(wèn)題感知和導(dǎo)航控制上。

美國(guó)計(jì)算機(jī)課程以提高學(xué)生綜合能力為目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)解決真實(shí)問(wèn)題的能力。例如，德克薩斯理工大學(xué)主持的“Computer Science 4”（CS4）是一門為期四周的課程，每周五次課，每次課50分鐘，屬于TexPREP項(xiàng)目的一部分[33]。TexPREP項(xiàng)目是為6至12年級(jí)學(xué)生設(shè)計(jì)的包含數(shù)學(xué)、科學(xué)的工程的課程，這些課程的授課教師通常由K-12教師、大學(xué)生和大學(xué)教師組成。在這之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了包含編程基礎(chǔ)的CS2和CS3，學(xué)習(xí)內(nèi)容包括條件、遞歸和循環(huán)。

美國(guó)在K-12教育中雖然很少提及聲明性編程（Declarative Programming），但聲明性編程是計(jì)算機(jī)科學(xué)教學(xué)的一個(gè)可行范例，它在AI教育和幫助學(xué)生探索和理解問(wèn)題上非常重要。所以，很多大學(xué)為當(dāng)?shù)馗咧猩O(shè)計(jì)了為期四周的暑期編程學(xué)習(xí)內(nèi)容。該課程的整體目標(biāo)是教會(huì)學(xué)生運(yùn)用聲明式語(yǔ)言（Declarative Language）解決問(wèn)題，在課程結(jié)束之后，學(xué)生應(yīng)該具備的能力包括：（1）識(shí)別解決問(wèn)題需要的知識(shí)；（2）識(shí)別對(duì)象及其類別，理解對(duì)象與對(duì)象、對(duì)象與知識(shí)之間的關(guān)系；（3）編寫ASP程序來(lái)表示目標(biāo)（2）中確定的對(duì)象、關(guān)系和定義。該課程主題包括：定義對(duì)象類別、聲明關(guān)系，用遞歸方式定義關(guān)系，用程序解決家庭成員關(guān)系、地圖著色和數(shù)獨(dú)（數(shù)學(xué)游戲）。在課堂上，老師為學(xué)生講解主要概念、展示例子，演示程序；隨后，學(xué)生將執(zhí)行相同的示例程序，進(jìn)而解決更復(fù)雜的問(wèn)題。該課程采用循序漸進(jìn)的方式引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，了解計(jì)算機(jī)科學(xué)的思想，進(jìn)而運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)解決問(wèn)題。

2．英國(guó)AI教育概況及案例

英國(guó)的計(jì)算機(jī)科學(xué)教育起步較早，從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，英國(guó)就把信息與通訊技術(shù)（ICT）作為一門必修課在中小學(xué)開(kāi)設(shè)，課程內(nèi)容包括計(jì)算和信息系統(tǒng)兩部分，每部分又按照難度分為中級(jí)、高級(jí)、高級(jí)提升三個(gè)水平。AI作為選修課包含其中，主要內(nèi)容有編程、專家系統(tǒng)、自然語(yǔ)言處理等[34]。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，英國(guó)教育部認(rèn)為，ICT課程已經(jīng)不能完全適應(yīng)信息時(shí)代對(duì)于人才的發(fā)展需求，到2013年就用計(jì)算（Computing）課程代替信息與通訊技術(shù)課程（ICT），教學(xué)目標(biāo)由關(guān)注計(jì)算機(jī)操作技術(shù)向關(guān)注計(jì)算思維和人文價(jià)值傾斜[35]。具體教學(xué)目標(biāo)分為如表3所示的四個(gè)關(guān)鍵階段。

表3 英國(guó)計(jì)算課程的階段劃分（2013）

從英國(guó)的計(jì)算課程來(lái)看，教學(xué)內(nèi)容更加關(guān)注計(jì)算機(jī)科學(xué)的應(yīng)用價(jià)值和人文價(jià)值，教會(huì)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)地解決實(shí)際問(wèn)題，且在每個(gè)階段都關(guān)注學(xué)生的信息安全意識(shí)和倫理道德，以提高學(xué)生的人文素養(yǎng)。與我國(guó)的信息技術(shù)課程相比，英國(guó)的計(jì)算課程內(nèi)容更豐富，難度更高，其關(guān)鍵階段三和關(guān)鍵階段四的教學(xué)內(nèi)容接近于我國(guó)高等教育中的計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)教育課程。此外，英國(guó)中小學(xué)更加關(guān)注信息技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，所以在教學(xué)評(píng)價(jià)中，采用理論與實(shí)踐相結(jié)合的評(píng)價(jià)方式，比單一紙筆考試測(cè)驗(yàn)的方式更加人性化。評(píng)價(jià)過(guò)程分為理論和實(shí)踐部分，每部分又分為多個(gè)環(huán)節(jié)，如果學(xué)生未通過(guò)某一環(huán)節(jié)，學(xué)生下次學(xué)習(xí)時(shí)要從上次未通過(guò)的環(huán)節(jié)繼續(xù)開(kāi)始。相較于中國(guó)，英國(guó)人工智能教學(xué)的難度較高，內(nèi)容較多，這給一線教師提出了很大的挑戰(zhàn)，為此，英國(guó)采用與高校協(xié)作的方式開(kāi)展教學(xué)。中小學(xué)的人工智能教育師資既包括校內(nèi)教師，也包括高校實(shí)習(xí)教師。在課程資源方面，高校為中小學(xué)搭建人工智能教學(xué)網(wǎng)站，并以遠(yuǎn)程培訓(xùn)的方式參與師生的討論和答疑，這些都加速了人工智能課程體系的建設(shè)步伐。

近年來(lái)，人工智能在與科學(xué)和工程有關(guān)的職業(yè)中變得越來(lái)越重要，英國(guó)的一所試點(diǎn)高中提出一個(gè)創(chuàng)新教育項(xiàng)目，該項(xiàng)目課程內(nèi)容包含理論和實(shí)踐兩部分，涉及的主題有：?jiǎn)栴}解決、搜索、規(guī)劃、圖、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、自動(dòng)機(jī)、代理系統(tǒng)和機(jī)器學(xué)習(xí)等[36]。該項(xiàng)目分為七個(gè)教學(xué)單元，每個(gè)教學(xué)單元兩小時(shí)，有9名9至11年級(jí)的學(xué)生參與 （平均年齡是16.5歲，1名男同學(xué)，8名女同學(xué)），這9名學(xué)生之前均未參加過(guò)該領(lǐng)域的課程。學(xué)生參與該課程后進(jìn)行的教學(xué)質(zhì)量評(píng)估（機(jī)器人比賽和選修課考試）表明，參與該項(xiàng)目的學(xué)生已經(jīng)熟悉相關(guān)概念和主題，達(dá)到了該課程的教學(xué)目標(biāo)。該項(xiàng)目不僅能夠?yàn)槠渌麑W(xué)校將AI課程整合到教學(xué)中提供經(jīng)驗(yàn)與參考，同時(shí)也能為學(xué)生進(jìn)入大學(xué)階段學(xué)習(xí)AI相關(guān)課程打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

五、基礎(chǔ)教育階段AI課程與教學(xué)實(shí)施的策略與路徑

人工智能時(shí)代信息素養(yǎng)的培養(yǎng)要以課程實(shí)施為基礎(chǔ)，基于前述AI教育的目標(biāo)定位及國(guó)內(nèi)外的實(shí)踐探索，我們可以看出：人工智能相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容在不同的階段從內(nèi)容、難度、深度等方面都要與相應(yīng)學(xué)段學(xué)生的年齡特征、知識(shí)基礎(chǔ)相匹配。小學(xué)階段重在培養(yǎng)學(xué)生對(duì)初級(jí)編程能力的認(rèn)知，要認(rèn)識(shí)到通過(guò)編程可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器的控制及人機(jī)交互，能體驗(yàn)到這種交互過(guò)程中的樂(lè)趣。初中階段在一定程度上要增加編程語(yǔ)言的教學(xué)，而非僅僅是圖形化編程，要形成對(duì)數(shù)據(jù)與算法的初步認(rèn)知。高中階段則應(yīng)體現(xiàn)人工智能復(fù)雜的算法基礎(chǔ)和在實(shí)用中的強(qiáng)大功能，為學(xué)生進(jìn)入大學(xué)選擇專業(yè)時(shí)做好一定的心理準(zhǔn)備。通過(guò)三個(gè)學(xué)段的學(xué)習(xí)，學(xué)生要能觸及并在一定程度上掌握自然語(yǔ)言理解、智能識(shí)別、機(jī)器人技術(shù)等業(yè)已廣泛應(yīng)用的人工智能技術(shù)的實(shí)現(xiàn)形式、基本原理。

（一）AI相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置建議

當(dāng)前，人工智能涉及到的原理、技術(shù)主要包含以下九方面內(nèi)容[37]：（1）人工智能基礎(chǔ)：概念、發(fā)展歷程、主要流派、研究領(lǐng)域、最新發(fā)展等；（2）程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言和工具；（3）數(shù)據(jù)和知識(shí)的表示方法：認(rèn)識(shí)狀態(tài)空間法、理解問(wèn)題歸納法、認(rèn)識(shí)謂詞邏輯法、認(rèn)識(shí)語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)法、一階謂詞邏輯表示法；（4）搜索原理與推理技術(shù)：推理的基本概念、推理的邏輯基礎(chǔ)、自然演繹推理、歸納演繹推理、基于規(guī)則的演繹推理、盲目搜索、啟發(fā)式搜索、遺傳算法；（5）機(jī)器學(xué)習(xí)：定義、研究意義與發(fā)展歷史、主要策略與基本結(jié)構(gòu)、基于解釋經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)、基于事例的學(xué)習(xí)、基于概念的學(xué)習(xí)、基于類比的學(xué)習(xí)、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)；（6）專家系統(tǒng)：基本概念、基本結(jié)構(gòu)、新進(jìn)展、專家系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用實(shí)例；（7）自然語(yǔ)言理解（NLU）：NLU 系統(tǒng)應(yīng)用舉例、語(yǔ)音識(shí)別、句子自動(dòng)理解、語(yǔ)言的自動(dòng)生成和文本的自動(dòng)翻譯；（8）智能控制：智能控制概述、智能控制的研究領(lǐng)域；（9）理解規(guī)劃的作用和任務(wù)、基于謂詞邏輯的規(guī)劃等。

我們基于中小學(xué)各學(xué)段學(xué)生的年齡特征及知識(shí)背景，并根據(jù)知識(shí)的邏輯體系和難度階梯式增加的原則，提出AI教學(xué)內(nèi)容的設(shè)置框架。表4所示是對(duì)以上九方面內(nèi)容做出難度等級(jí)降低及內(nèi)容篩選后的設(shè)置建議。在教學(xué)實(shí)踐中，各學(xué)?？梢罁?jù)自身師資、相關(guān)資源及人工智能最新發(fā)展等情況，對(duì)內(nèi)容再進(jìn)一步做出細(xì)化安排與調(diào)整。

表4 人工智能教學(xué)內(nèi)容的分學(xué)段設(shè)置建議

（二）AI教學(xué)實(shí)施的策略與路徑

1．深度融入科學(xué)、信息技術(shù)、綜合實(shí)踐活動(dòng)等課程

2017年2月，教育部印發(fā)的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》明確指出：科學(xué)素養(yǎng)是指了解必要的科學(xué)技術(shù)知識(shí)及其對(duì)社會(huì)和個(gè)人的影響。很顯然，AI課程應(yīng)屬于“必要的科學(xué)技術(shù)知識(shí)”，且人工智能對(duì)社會(huì)與個(gè)人的影響很容易被學(xué)生體驗(yàn)到。所以，小學(xué)段科學(xué)課程將成為支撐人工智能相關(guān)內(nèi)容教學(xué)的重要載體。初中及高中學(xué)段現(xiàn)已設(shè)置技術(shù)類課程，初中的信息技術(shù)課程業(yè)已包含了人工智能模塊。高中學(xué)段的技術(shù)類課程包含有信息技術(shù)、通用技術(shù)兩大類，信息技術(shù)課程亦包含人工智能初步模塊，通用技術(shù)中則明確規(guī)定了關(guān)于機(jī)器人的相關(guān)教學(xué)內(nèi)容。

此外，2017年9月，教育部《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程指導(dǎo)綱要》指出，綜合實(shí)踐活動(dòng)是從學(xué)生的真實(shí)生活和發(fā)展需要出發(fā)，從生活情境中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，轉(zhuǎn)化為活動(dòng)主題，通過(guò)探究、服務(wù)、制作、體驗(yàn)等方式，培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的跨學(xué)科實(shí)踐性課程[38]。綜合實(shí)踐活動(dòng)是國(guó)家義務(wù)教育和普通高中課程方案規(guī)定的必修課程，與學(xué)科課程并列設(shè)置，是基礎(chǔ)教育課程體系的重要組成部分。具體內(nèi)容以學(xué)校開(kāi)發(fā)為主，自小學(xué)一年級(jí)至高中三年級(jí)全面實(shí)施。該《指導(dǎo)綱要》規(guī)定綜合實(shí)踐活動(dòng)課程的目標(biāo)主要分為四部分：價(jià)值體認(rèn)、責(zé)任擔(dān)當(dāng)、問(wèn)題解決、創(chuàng)意物化（這個(gè)目標(biāo)指向應(yīng)用信息技術(shù)開(kāi)展設(shè)計(jì)、制作、解決學(xué)習(xí)與生活問(wèn)題之匯總）。不僅是對(duì)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程方向的深度闡釋，還從學(xué)時(shí)上做出了規(guī)定：小學(xué)1-2年級(jí)，平均每周不少于1課時(shí)；小學(xué)3-6年級(jí)和初中，平均每周不少于2課時(shí)；高中執(zhí)行課程方案相關(guān)要求，完成規(guī)定學(xué)分。這就為人工智能相關(guān)教學(xué)開(kāi)展，提供了充分的課時(shí)保證和政策保障。

我們認(rèn)為，科學(xué)、信息技術(shù)及綜合實(shí)踐活動(dòng)等課程，是人工智能教學(xué)開(kāi)展的基礎(chǔ)依托課程，但人工智能相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)支撐不僅于此，傳統(tǒng)學(xué)科課程同樣擁有融合人工智能教學(xué)的條件與空間。比如在數(shù)學(xué)課程中，可以展示AI算法的巨大作用；物理課程在有關(guān)力、點(diǎn)、光等內(nèi)容教學(xué)中，可以應(yīng)用機(jī)器人作為這些基礎(chǔ)知識(shí)的集中體現(xiàn)。其中，應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)方面的探索已經(jīng)起步[39]。可見(jiàn)，學(xué)校在打造特色課程過(guò)程中，需要有機(jī)融合STEM及創(chuàng)客教育的課程建設(shè)，使得AI的相關(guān)內(nèi)容更能吸引學(xué)生的興趣。

2．探究式教學(xué)是AI教學(xué)的主要策略

人工智能相關(guān)內(nèi)容具有極強(qiáng)的跨學(xué)科性，是對(duì)數(shù)學(xué)、物理、工程等學(xué)科相關(guān)知識(shí)的集成與交叉。在學(xué)習(xí)者還未完成基礎(chǔ)教育的情況之下，人工智能的知識(shí)與技術(shù)必須以中小學(xué)生能夠理解的形式呈現(xiàn)，所以在表4中，小學(xué)段人工智能教學(xué)內(nèi)容設(shè)置時(shí)就已降低了教學(xué)內(nèi)容的難度。同時(shí)，人工智能的實(shí)踐應(yīng)用如此豐富，與學(xué)生的日常學(xué)習(xí)生活密不可分，所以應(yīng)用任務(wù)驅(qū)動(dòng)式、基于問(wèn)題或融入游戲化機(jī)制的探究式教學(xué)，更能使學(xué)生體驗(yàn)到人工智能技術(shù)的巨大效用。學(xué)生通過(guò)這些探究活動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)智能化社會(huì)現(xiàn)狀的認(rèn)知及對(duì)未來(lái)社會(huì)的暢想。教育部印發(fā)的《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程指導(dǎo)綱要》在附件《設(shè)計(jì)制作活動(dòng)（信息技術(shù)）推薦主題及其說(shuō)明》中，已經(jīng)為人工智能的探究式教學(xué)提供了主題推薦。如：在3-6年級(jí)的“12.趣味編程入門”，7-9 年級(jí)的“7.走進(jìn)程序世界”及“10.開(kāi)源機(jī)器人初體驗(yàn)”等。

在STEM教育和創(chuàng)客教育過(guò)程中，探究式教學(xué)業(yè)已成為普遍采用的教學(xué)策略。我們需引起重視是，在這些課程教學(xué)中，應(yīng)引導(dǎo)對(duì)人工智能興趣度高的學(xué)生參加相關(guān)競(jìng)賽，以此激發(fā)學(xué)生探究的深廣度。如，全國(guó)信息學(xué)奧林匹克競(jìng)賽（NOI）、全國(guó)青少年創(chuàng)意編程比賽、中國(guó)青少年機(jī)器人競(jìng)賽、國(guó)際機(jī)器人奧林匹克競(jìng)賽、世界教育機(jī)器人大賽（WER）等，這些競(jìng)賽有的是設(shè)置了人工智能相關(guān)內(nèi)容的競(jìng)賽單元，有的完全就是人工智能領(lǐng)域的賽事[40]。

探究式教學(xué)的價(jià)值在于促進(jìn)學(xué)生把對(duì)人工智能的學(xué)習(xí)，遷移到真實(shí)的生活情境中以解決問(wèn)題，使之成為信息時(shí)代問(wèn)題的提出者和解決者。探究活動(dòng)的過(guò)程，自然成為了教師評(píng)測(cè)學(xué)生人工智能學(xué)習(xí)狀況的觀測(cè)過(guò)程，又可以為人工智能課程的教學(xué)目標(biāo)細(xì)化提供可具體操作的要點(diǎn)，教師可以制定相應(yīng)的表現(xiàn)性指標(biāo)。同時(shí)，需要研究建立一套清晰明確、操作性強(qiáng)的AI教學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，這樣不僅能夠給師生直接提供導(dǎo)向，還有助于教師教學(xué)的規(guī)范化。

六、AI課程教學(xué)實(shí)施的資源保障

在當(dāng)今和未來(lái)社會(huì)，最重要的是人的智能，以及人與機(jī)器共同組成的、互動(dòng)和互補(bǔ)的“協(xié)同智能”，即有機(jī)智能和無(wú)機(jī)智能的組合。雖然我國(guó)在過(guò)去十多年已經(jīng)對(duì)人工智能教育進(jìn)行了初步的探索，但是人工智能課程體系還不夠完善，人工智能教育的師資和教學(xué)資源還比較匱乏，人工智能教學(xué)體現(xiàn)在基礎(chǔ)教育中理論和應(yīng)用還不夠充分。所以，促進(jìn)人工智能教育變革，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和計(jì)算思維能力，需要各級(jí)教育機(jī)構(gòu)間的密切配合，更需要一線教師圍繞人工智能教育的環(huán)境、工具、課程、活動(dòng)等領(lǐng)域，開(kāi)展扎實(shí)有效的研究與科學(xué)實(shí)踐。

（一）專任教師培訓(xùn)與課程體系建設(shè)

AI教育需要大批具備綜合素質(zhì)的專業(yè)教師。目前，我國(guó)中小學(xué)人工智能相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)工作以信息技術(shù)教師承擔(dān)為主，信息技術(shù)教師對(duì)計(jì)算機(jī)和其他先進(jìn)設(shè)備具有較強(qiáng)的應(yīng)用能力，能夠在編程、電子器件方面給學(xué)生基本的指導(dǎo)，但很多老師的知識(shí)理論儲(chǔ)備和計(jì)算機(jī)操作技能距離專業(yè)水平還有一定的差距，專業(yè)的人工智能教師則比較匱乏。因此我們認(rèn)為，AI教育是一項(xiàng)復(fù)雜且綜合性要求很高的活動(dòng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中需要學(xué)科知識(shí)、技術(shù)工具、靈感啟發(fā)等方面的專業(yè)指導(dǎo)和及時(shí)反饋。由于不同地區(qū)發(fā)展不平衡，各個(gè)學(xué)校的軟硬件設(shè)施和師資力量也不均衡，除部分發(fā)達(dá)地區(qū)之外，多數(shù)地區(qū)還沒(méi)有與教學(xué)相適配的實(shí)驗(yàn)室，且國(guó)內(nèi)機(jī)器人制作與競(jìng)技還未普及。對(duì)于一些條件不具備的學(xué)校，AI教育中的部分內(nèi)容，可以采用網(wǎng)上仿真編程等方式進(jìn)行。

2016年，國(guó)家出臺(tái)了“信息技術(shù)學(xué)科高中核心素養(yǎng)框架”，框架中強(qiáng)調(diào)信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化實(shí)踐能力、信息社會(huì)責(zé)任四個(gè)方面[41]。我們認(rèn)為，要培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，人工智能課程是關(guān)鍵所在。比如，英國(guó)的人工智能課程中要求小學(xué)生按照程序搭積木，并不要求學(xué)生學(xué)會(huì)寫代碼，而到了初中要求學(xué)生學(xué)會(huì)基本的編程語(yǔ)言，高中要求學(xué)生學(xué)會(huì)搭建項(xiàng)目的系統(tǒng)方法[42]。這一課程設(shè)計(jì)，充分體現(xiàn)了英國(guó)在計(jì)算思維教學(xué)中由易到難、從微觀到宏觀的循序漸進(jìn)原則。我國(guó)AI教學(xué)的全面推開(kāi)，同樣需要按照循序漸進(jìn)的原則進(jìn)行系統(tǒng)化建設(shè)，逐步形成適應(yīng)不同目標(biāo)、不同層次學(xué)生的人工智能課程體系。

（二）通過(guò)對(duì)接高校及與社會(huì)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)合作，將AI相關(guān)課程引入基礎(chǔ)教育

在人工智能課程資源建設(shè)方面，我們可以借鑒英美等國(guó)的做法，與高等教育機(jī)構(gòu)合作。相較于中小學(xué)，高校有較好的人工智能課程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，高校對(duì)于人工智能課程建設(shè)和實(shí)踐教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，可以轉(zhuǎn)化或遷移應(yīng)用于中小學(xué)。對(duì)接高校的做法，不僅能加快師資教學(xué)力量的建設(shè)，加快中小學(xué)AI課程框架的搭建。同時(shí)，高校人工智能相關(guān)專業(yè)的學(xué)生，可以在網(wǎng)上參與中小學(xué)師生的討論答疑工作，高校教師也可以為中小學(xué)提供教學(xué)資源建設(shè)和實(shí)踐教學(xué)方面的理論指導(dǎo)，幫助一線教師實(shí)現(xiàn)人工智能產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)[43]。

當(dāng)前，社會(huì)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)在人工智能教學(xué)資源建設(shè)方面業(yè)已形成較為豐厚的積累，如，兒童科技企業(yè)“葡萄教育”的小學(xué)編程方案、編程教室，還有“編程貓”編程課程，已經(jīng)在一些中小學(xué)甚至高校落地。其中“編程貓”為兒童設(shè)計(jì)了九級(jí)編程課程體系，涵蓋圖形化游戲編程、算法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、Python編程語(yǔ)言、概率論基礎(chǔ)及弱人工智能產(chǎn)品開(kāi)發(fā)等[44]。經(jīng)過(guò)這九個(gè)級(jí)別的逐步深入學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠在每一級(jí)學(xué)習(xí)結(jié)束之后制作出相應(yīng)的作品。由于基礎(chǔ)教育階段講授人工智能課程的教師沒(méi)有經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的培訓(xùn)，在開(kāi)發(fā)課程、教學(xué)方法、指導(dǎo)學(xué)生方面都有很大提升空間，因此，學(xué)校可以結(jié)合高校及社會(huì)培訓(xùn)機(jī)構(gòu)已有的課程內(nèi)容，開(kāi)發(fā)一些校本人工智能課程。

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