羅明勇 張森 董晶

（1.北京師范大學(xué)第二附屬中學(xué)，北京 100088；2.中國(guó)科學(xué)院 自動(dòng)化研究所，北京 100190）

一、推進(jìn)人工智能教育的背景及發(fā)展現(xiàn)狀

（一）基礎(chǔ)教育階段推進(jìn)人工智能教育的背景

人工智能快速發(fā)展所釋放出的巨大潛能，正驅(qū)動(dòng)社會(huì)各個(gè)行業(yè)深度變革。一方面，生活中涌現(xiàn)的大量人工智能應(yīng)用，正在塑造人們便捷美好的生活；另一方面，智能機(jī)器人或智能應(yīng)用系統(tǒng)也正在加速替代部分職業(yè)或勞動(dòng)崗位，一些體現(xiàn)智能時(shí)代特征的新職業(yè)將會(huì)誕生。因此，盡快盡早實(shí)施人工智能普及教育，將有助于學(xué)生更從容地應(yīng)對(duì)未來(lái)時(shí)代變革與挑戰(zhàn)。

人工智能對(duì)行業(yè)的深遠(yuǎn)影響，引起了社會(huì)各界廣泛關(guān)注。例如，周濟(jì)認(rèn)為，新一代人工智能與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合所形成的新一代智能制造技術(shù)，已經(jīng)成為新一輪工業(yè)革命的核心技術(shù)，也成為第四次工業(yè)革命的核心驅(qū)動(dòng)力[1]；譚鐵牛等認(rèn)為，人工智能是第四次技術(shù)革命關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力[2]；徐林等認(rèn)為，軍事裝備智能化應(yīng)用，將沖擊到建立在核平衡法則和戰(zhàn)略互信基礎(chǔ)之上的全球戰(zhàn)略穩(wěn)定[3]。人工智能已成為影響世界深刻變革的重要變量之一，引起了各國(guó)政府的高度重視。一些國(guó)家紛紛出臺(tái)發(fā)展人工智能的戰(zhàn)略性政策文件，搶占人工智能發(fā)展的制高點(diǎn)。2017 年，國(guó)務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出我國(guó)人工智能發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)，即“到2025 年，人工智能基礎(chǔ)理論實(shí)現(xiàn)重大突破，部分技術(shù)與應(yīng)用達(dá)到世界領(lǐng)先水平，人工智能成為我國(guó)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的主要?jiǎng)恿?，智能社?huì)建設(shè)取得積極進(jìn)展；到2030 年，人工智能理論、技術(shù)與應(yīng)用總體達(dá)到世界領(lǐng)先水平，成為世界主要人工智能創(chuàng)新中心”[4]。

然而，教育在適應(yīng)社會(huì)變革方面具有較大的滯后性，當(dāng)前乃至今后一段時(shí)間，人工智能專(zhuān)業(yè)人才都會(huì)呈現(xiàn)嚴(yán)重短缺狀態(tài)[5]。在人工智能拔尖人才方面，北京智源人工智能研究院等單位聯(lián)合發(fā)布的《2021 年人工智能全球最具影響力學(xué)者——AI 2000 榜單》顯示，美國(guó)學(xué)者數(shù)量最多，占榜單總?cè)藬?shù)的58.2%，而中國(guó)僅占11.1%[6]。可見(jiàn)，加強(qiáng)人工智能創(chuàng)新型人才培養(yǎng)，尤其是早期拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)，在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的形勢(shì)下，顯得異常緊迫。

綜上所述，加快推進(jìn)人工智能普及與專(zhuān)長(zhǎng)教育，不僅是第四次工業(yè)革命帶來(lái)社會(huì)產(chǎn)業(yè)升級(jí)背景下，對(duì)勞動(dòng)者素養(yǎng)與能力水平的基本要求，更是應(yīng)對(duì)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，盡早盡快培養(yǎng)人工智能拔尖創(chuàng)新人才的戰(zhàn)略訴求。

（二）人工智能教育的發(fā)展現(xiàn)狀

近幾年，在國(guó)家政策驅(qū)動(dòng)下，人工智能教育得到了蓬勃發(fā)展，支撐人工智能教育發(fā)展的生態(tài)正在逐漸形成。教育部發(fā)布的2017 版《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》，已將人工智能作為“選擇性必修”模塊內(nèi)容。同時(shí)，適配新課程標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)家教材通過(guò)審定并發(fā)行，地方教材、企業(yè)版教材也紛紛涌現(xiàn)；支持學(xué)校課程開(kāi)設(shè)的企業(yè)支撐平臺(tái)、教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝備等正逐漸豐富；部分區(qū)域?qū)W校先行先試，已在開(kāi)設(shè)人工智能校本課程。另外，已有相關(guān)學(xué)會(huì)、協(xié)會(huì)開(kāi)始探索青少年人工智能素養(yǎng)測(cè)評(píng)體系，一些學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)也正在跟蹤、研究人工智能教育的發(fā)展。

當(dāng)前，日益豐富的人工智能教育生態(tài)體系，對(duì)推動(dòng)中小學(xué)人工智能普及教育具有很大促進(jìn)作用。據(jù)筆者觀(guān)察，受限于課程目標(biāo)定位、師資對(duì)人工智能本真內(nèi)容的把握能力、校本實(shí)踐能力，以及開(kāi)課空間局限等多種因素疊加，當(dāng)前人工智能教育的實(shí)施存在以下問(wèn)題：①僅在高中選擇性必修內(nèi)容中涉及人工智能的課程標(biāo)準(zhǔn)，成體系的課程實(shí)施缺乏指導(dǎo)，致使傳導(dǎo)給學(xué)生的人工智能本真知識(shí)與內(nèi)容呈零星分散樣態(tài)。②從已實(shí)施的人工智能課程類(lèi)型來(lái)看，思辨型課程遠(yuǎn)多于實(shí)驗(yàn)探究型課程；從課程內(nèi)容來(lái)看，人工智能跨學(xué)科屬性的自然優(yōu)勢(shì)未能很好聯(lián)結(jié)學(xué)生已有的知識(shí)儲(chǔ)備。③通過(guò)購(gòu)買(mǎi)服務(wù)形式引進(jìn)人工智能課程的學(xué)校居多，具有自主開(kāi)拓能力的學(xué)校較少。④現(xiàn)有教材知識(shí)生硬晦澀、入門(mén)門(mén)檻高；人工智能外延內(nèi)容（如機(jī)器人、智能系統(tǒng)等）遠(yuǎn)多于內(nèi)涵內(nèi)容。

基于此，為對(duì)接國(guó)家戰(zhàn)略需求、加快培養(yǎng)更多人工智能人才、盡快開(kāi)展早期人工智能創(chuàng)新人才培養(yǎng)，教育工作者既需要充分把握人工智能本真內(nèi)容體系，從教育目標(biāo)的定位開(kāi)始，整合學(xué)生現(xiàn)有學(xué)科知識(shí)及其所能達(dá)到的能力水平，分層分級(jí)設(shè)計(jì)課程體系，又需要在現(xiàn)有課時(shí)空間中，成體系、創(chuàng)造性開(kāi)展課程實(shí)踐。

二、人工智能課程體系的設(shè)計(jì)

（一）設(shè)計(jì)思路

在人工智能知識(shí)體系中，既有算法、編程等計(jì)算機(jī)學(xué)科知識(shí)，又有數(shù)學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科核心知識(shí)的深度拓展與應(yīng)用，更涉及語(yǔ)言、生命科學(xué)等廣泛的學(xué)科領(lǐng)域交叉內(nèi)容。無(wú)論對(duì)教師的教還是學(xué)生的學(xué)，都有很大挑戰(zhàn)。在構(gòu)建高中人工智能課程體系時(shí)，需要整體把握人工智能知識(shí)域，結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知能力與發(fā)展進(jìn)階，綜合考慮課程實(shí)施空間，進(jìn)行融合性設(shè)計(jì)。由此，提出以下人工智能課程體系設(shè)計(jì)的基本思路。

1.關(guān)注人工智能與學(xué)生已具有的基礎(chǔ)學(xué)科知識(shí)、部分交叉學(xué)科知識(shí)的聯(lián)結(jié)，突出課程融合設(shè)計(jì)

人工智能的跨學(xué)科特性，既有助于拓展學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)學(xué)科知識(shí)的應(yīng)用視野，又能增補(bǔ)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)學(xué)科學(xué)習(xí)的原動(dòng)力。人工智能在各領(lǐng)域中的應(yīng)用，又突出了學(xué)科交叉特性，孕育著大量的實(shí)踐創(chuàng)新內(nèi)容。實(shí)施人工智能教育，對(duì)擴(kuò)展學(xué)生領(lǐng)域視野，培養(yǎng)實(shí)踐創(chuàng)新能力，具有舉足輕重的作用。根據(jù)維果斯基（Vygotsky）的“最近發(fā)展區(qū)理論”，要有效有益推動(dòng)人工智能教育，在人工智能課程體系建構(gòu)中，需要有意識(shí)地關(guān)注學(xué)生潛在知識(shí)背景，有效建構(gòu)起人工智能本真內(nèi)容與學(xué)生已有學(xué)科知識(shí)間的關(guān)聯(lián)。

2.關(guān)注學(xué)生認(rèn)知進(jìn)階與實(shí)踐能力的發(fā)展，突出興趣導(dǎo)向與志向引導(dǎo)有機(jī)結(jié)合

在課程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，要為學(xué)生認(rèn)知發(fā)展搭建臺(tái)階，讓學(xué)生在親身體驗(yàn)的基礎(chǔ)上，輕松入門(mén)。要注重實(shí)驗(yàn)導(dǎo)向，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驅(qū)動(dòng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐，在實(shí)踐中領(lǐng)悟人工智能基本思想與方法，強(qiáng)化學(xué)生學(xué)業(yè)成就的自動(dòng)生成。在內(nèi)容設(shè)計(jì)上，要突出課程的主題化或項(xiàng)目化，以有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，形成未來(lái)發(fā)展志向。

3.關(guān)注課程的可實(shí)施性與多元化，突出課程的選擇性、顆粒性

人工智能是新一代信息技術(shù)賦予產(chǎn)業(yè)變革的基礎(chǔ)變量。因此，人工智能具有很豐富的應(yīng)用場(chǎng)域，這為課程設(shè)計(jì)提供了廣闊的空間。而教育本應(yīng)給學(xué)生提供更多選擇，以豐富學(xué)生的學(xué)識(shí)、擴(kuò)展學(xué)生眼界與心境、提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)。但受課程實(shí)施空間限制，課程顆粒度不宜過(guò)大，學(xué)生學(xué)習(xí)某門(mén)課程的時(shí)間周期不宜過(guò)長(zhǎng)，這就要求課程設(shè)置要進(jìn)行必要的課程時(shí)長(zhǎng)約束。

4.關(guān)注時(shí)代背景與育人導(dǎo)向，突出人工智能教育普及與專(zhuān)長(zhǎng)并重

當(dāng)前，為順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，迫切需要在人工智能領(lǐng)域培養(yǎng)大量創(chuàng)新型人才。因此，課程應(yīng)以培養(yǎng)全體學(xué)生人工智能素養(yǎng)發(fā)展為核心，在全面普及人工智能教育的基礎(chǔ)上，注重早期創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

（二）課程體系總體框架

1.人工智能課程層次結(jié)構(gòu)

基于設(shè)計(jì)思路，筆者結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，提出了一種金字塔型人工智能課程層次結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。從課程建設(shè)來(lái)看，該結(jié)構(gòu)既可以指導(dǎo)不同層次課程的建設(shè)，又可以指導(dǎo)同一主題課程不同內(nèi)容層次的建設(shè)。從學(xué)習(xí)體驗(yàn)來(lái)看，該結(jié)構(gòu)可以主導(dǎo)項(xiàng)目實(shí)踐，促使學(xué)生經(jīng)歷從感知、認(rèn)知、模仿，到創(chuàng)新實(shí)踐的整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程。從人才培養(yǎng)基數(shù)來(lái)看，該結(jié)構(gòu)既可以服務(wù)于人工智能教育的普及，又可以合理驅(qū)動(dòng)學(xué)生認(rèn)知；將學(xué)生的興趣愛(ài)好引導(dǎo)到志向發(fā)展上，通過(guò)有層級(jí)的課程安排，讓有志于在人工智能領(lǐng)域發(fā)展的學(xué)生盡早學(xué)習(xí)，為其未來(lái)的創(chuàng)新發(fā)展奠定深厚基礎(chǔ)。

圖1 金字塔型人工智能課程層次結(jié)構(gòu)

2.人工智能課程群框架

筆者認(rèn)為，基于人工智能自有的學(xué)科交叉屬性、動(dòng)態(tài)發(fā)展性、強(qiáng)實(shí)踐性等特征，采用泰勒課程開(kāi)發(fā)模式，非常適用于高中人工智能課程體系的建構(gòu)。筆者參考柳棟等提出的人工智能課程群框架[7]，提出了學(xué)校人工智能課程群建設(shè)框架，即“跨學(xué)科、豐富多元、成體系的人工智能課程群”框架，如圖2 所示。該課程群框架橫跨多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，以人工智能算法及領(lǐng)域應(yīng)用為核心（以推進(jìn)人工智能基礎(chǔ)普及為目的），支撐若干可動(dòng)態(tài)拓展的人工智能項(xiàng)目課程（以豐富學(xué)生的選擇性為目的），同時(shí)供給人工智能研究與創(chuàng)新設(shè)計(jì)類(lèi)課程（以滿(mǎn)足有志于在人工智能領(lǐng)域發(fā)展的學(xué)生學(xué)習(xí)為目的）。從育人視角來(lái)看，課程群框架能夠很好地兼顧人工智能教育的普及與早期人工智能創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。從課程動(dòng)態(tài)建設(shè)與實(shí)施視角來(lái)看，課程群框架既符合學(xué)校校本課程的實(shí)施現(xiàn)狀，能夠有效解決課程實(shí)施空間的問(wèn)題，又具有對(duì)當(dāng)前相關(guān)課程（包括信息技術(shù)、通用技術(shù)、信息科技教育等課程）進(jìn)行整體升級(jí)的可能性。該框架不僅可以有效推進(jìn)人工智能普及教育，同時(shí)也回應(yīng)了當(dāng)前教育界積極倡導(dǎo)的推進(jìn)跨學(xué)科教學(xué)實(shí)踐的訴求。

圖2 人工智能課程群建設(shè)框架

三、人工智能課程內(nèi)容建設(shè)與實(shí)施

（一）課程內(nèi)容建設(shè)

人工智能相關(guān)課程要聚焦培養(yǎng)學(xué)生的人工智能領(lǐng)域核心素養(yǎng)，以發(fā)展適應(yīng)智能時(shí)代變革的基本能力與實(shí)踐創(chuàng)新精神為目標(biāo)，幫助學(xué)生樹(shù)立應(yīng)用智能技術(shù)塑造美好生活的正確價(jià)值觀(guān)?；谌斯ぶ悄苷n程層次結(jié)構(gòu)與課程群框架，課程建設(shè)要關(guān)注人工智能本真內(nèi)涵及底層算法思想，重點(diǎn)突出人工智能與基礎(chǔ)學(xué)科知識(shí)的聯(lián)結(jié)、跨學(xué)科知識(shí)的整合、以及基于領(lǐng)域交叉的項(xiàng)目實(shí)踐。

1.課程內(nèi)容與基礎(chǔ)學(xué)科的聯(lián)結(jié)

從計(jì)算視角來(lái)看，人工智能的本質(zhì)其實(shí)是通過(guò)計(jì)算的方式發(fā)現(xiàn)事物間的規(guī)律，從而用于鑒別或預(yù)測(cè)。數(shù)學(xué)中的函數(shù)、微積分、概率論、矩陣論等內(nèi)容是發(fā)展人工智能的重要基礎(chǔ)。在人工智能課程建設(shè)中，有效融入學(xué)生已有的數(shù)學(xué)知識(shí)，并適當(dāng)拓展數(shù)學(xué)深度，既是課程項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的需要，又能讓學(xué)生真切感知數(shù)學(xué)的應(yīng)用價(jià)值及重要性，強(qiáng)化學(xué)好數(shù)學(xué)的動(dòng)機(jī)與愿望。

2.跨學(xué)科知識(shí)的融合

人工智能涉及的學(xué)科領(lǐng)域?qū)挿海鐚W(xué)科融合是其賦能行業(yè)、改造行業(yè)的顯著特征。在高中階段的人工智能課程中，應(yīng)主導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行人工智能原理、思想的學(xué)習(xí)，以及方法的認(rèn)知。其中，跨學(xué)科知識(shí)融合既是認(rèn)知與實(shí)踐人工智能的需要，也是發(fā)展學(xué)生綜合素養(yǎng)與創(chuàng)新能力的需要。例如，生物特征識(shí)別方向的人工智能課程，會(huì)融合生物學(xué)科內(nèi)容；自然語(yǔ)言處理方向的課程，會(huì)融合語(yǔ)言學(xué)科內(nèi)容。

3.基于領(lǐng)域交叉的項(xiàng)目實(shí)踐

技術(shù)實(shí)踐是學(xué)習(xí)與理解人工智能的有效途徑?；陬I(lǐng)域交叉的技術(shù)實(shí)踐，有助于提升學(xué)生的認(rèn)知邊界、跨領(lǐng)域?qū)嵺`與應(yīng)用遷移能力，可以引發(fā)學(xué)生進(jìn)行深度實(shí)踐探究與智能創(chuàng)造，是挖掘與培養(yǎng)早期智能創(chuàng)新人才的重要途經(jīng)。據(jù)筆者的觀(guān)察與實(shí)踐，當(dāng)前在中小學(xué)廣泛推崇人工智能與機(jī)器人的交叉融合，通過(guò)人工智能賦能機(jī)器人的形式，引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展學(xué)習(xí)與創(chuàng)造性實(shí)踐，深受學(xué)生歡迎，而且學(xué)習(xí)質(zhì)量普遍較好。其中，有志于在人工智能與機(jī)器人交叉領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展的學(xué)生，通過(guò)進(jìn)階的課程學(xué)習(xí)與自主探索，取得了較好的學(xué)習(xí)成績(jī)。

（二）課程實(shí)施

現(xiàn)階段，推進(jìn)人工智能教育普及，開(kāi)展早期人工智能創(chuàng)新人才培養(yǎng)，還將面臨一定的挑戰(zhàn)。結(jié)合課程建設(shè)與實(shí)施，筆者認(rèn)為，要有效推進(jìn)人工智能教育的落實(shí)，需要在課程容量與形式、課程融合等方面開(kāi)展一系列的工作。

1.課程容量與形式

課程容量決定課程實(shí)施周期，課程內(nèi)容形式?jīng)Q定學(xué)生學(xué)習(xí)樣態(tài)與收獲。在現(xiàn)行學(xué)校教學(xué)空間中，為有效推動(dòng)人工智能教育的落實(shí)，需要對(duì)課程容量與呈現(xiàn)形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。筆者在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，在人工智能課程體系框架下，需以項(xiàng)目形式統(tǒng)整相關(guān)的人工智能思想、方法及其行業(yè)領(lǐng)域知識(shí)。通過(guò)項(xiàng)目實(shí)踐與創(chuàng)造，讓學(xué)生體悟人工智能的基本思想與內(nèi)涵。為便于人工智能課程的靈活實(shí)施，課程時(shí)長(zhǎng)不宜過(guò)長(zhǎng)，適宜0.5 學(xué)分或1 學(xué)分的課時(shí)當(dāng)量。

2.課程融合

借助課程融合前的學(xué)科課時(shí)空間，可有效開(kāi)展人工智能教育。這里提倡的課程融合，主要聚焦人工智能知識(shí)體系與現(xiàn)有信息技術(shù)學(xué)科課程、信息科技教育課程的融合。從學(xué)科屬性來(lái)看，人工智能是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支；從當(dāng)前課程實(shí)踐表征來(lái)看，人工智能與信息科技教育課程的融合，是一種自然訴求。例如，教育部發(fā)布的《2021—2022 學(xué)年面向中小學(xué)生的全國(guó)性競(jìng)賽活動(dòng)名單》中[8]，可以融入人工智能元素的相關(guān)比賽項(xiàng)目就有8 項(xiàng)。在信息技術(shù)學(xué)科中，借助學(xué)科大概念，將人工智能內(nèi)涵與外延內(nèi)容，統(tǒng)整于信息技術(shù)課程中。另外，還可以對(duì)現(xiàn)有課程進(jìn)行整體升級(jí)，利用現(xiàn)有學(xué)科課時(shí)空間實(shí)現(xiàn)智能教育。通過(guò)課程融合，能夠?qū)崿F(xiàn)信息技術(shù)課程、信息科技教育課程整體升級(jí)，既是學(xué)校學(xué)科特色化改造的需要，也是學(xué)校順應(yīng)智能時(shí)代發(fā)展，創(chuàng)新育人的需要。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于人工智能課程群框架體系，通過(guò)對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行跨學(xué)科、項(xiàng)目化和融合設(shè)計(jì)，并在課程容量方面做顆?；s束，同時(shí)借助現(xiàn)有學(xué)科與科技教育課程的課時(shí)通道，能有效促進(jìn)人工智能普及教育與專(zhuān)長(zhǎng)教育，助力早期智能創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。