特别专题 | 面向素养培育的中小学人工智能教育实践探索

面向素养培育的中小学人工智能教育实践探索

文 | 褚金岭 谢忠新

作为世界第二大经济体，中国今天所取得的成就世界瞩目。但在高科技领域，尤其是人工智能芯片领域却依然受制于人。专家指出，“中国芯”的短板在于后备人才的培养，即缺乏具有创新创造精神的人工智能人才。“少年智则国智，少年强则国强。”当今的中小学生是祖国未来的建设者，从小培养他们的人工智能素养与创新创造精神，他们才可能成长为人工智能社会的栋梁之材。因此，在中小学校开展人工智能普及教育具有重大战略意义。本文结合中小学人工智能教育的问题与挑战，谈谈如何从区域层面推动人工智能普及教育与创新型人才培养。

一、当前中小学人工智能教育面临的问题与挑战

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难以界定课程的基础知识、核心概念和关键技术

2017年，国务院发布《新一代人工智能发展规划》，并在《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》中将“人工智能初步”列为选择性必修模块，包含AI基础、简单AI应用系统开发、AI技术的发展与应用三部分内容。与国家政策和课标要求相呼应，国内一些省市相继在中小学开始了人工智能教育的实践探索。2020年8月，教育部办公厅设立了包括上海市浦东新区在内的90个国家级信息化教学实验区，实验内容的关键词之一即为“人工智能教育”。

可以说，作为一个新兴领域，人工智能教育发展势头迅猛。但在“摸着石头过河”阶段，教育工作者们迫切需要在课程标准、课程体系、教学内容、课程设置等方面的指引。由于目前小学和初中阶段还缺乏对应的人工智能课程标准，缺乏完整的课程内容体系要求，因此人工智能的基础知识、核心概念、关键技术等都难以有明确的界定，区域、学校层面的实践也难以有明确的指定教材，往往以自选读本作为参照。

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片面关注编程技能提升，忽视计算思维培养

计算思维作为信息技术学科核心素养之一，其培养日益受到重视，也被认为是信息技术教学的核心。编程是人工智能教育实践的重要部分，如部分学校在小学阶段开展Scratch图形化编程，初中和高中开展Python语言编程，结合相关开源硬件开展人工智能教育。如果过度强调编程，强化利用编程工具开展编程语言训练，忽视对学生计算思维的培养，那么一旦脱离了编程工具的环境，学生很难将学到的编程知识迁移到新的情境中。缺乏计算思维内核的编程技能，将无法培养学生解决实际问题的能力，也很难培养出适应智能社会的人才。

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传统方式授课，较少开展项目学习

《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》提倡“将项目整合于课堂教学，重构教学组织方式，创设有利于学生开展项目学习的数字化环境等”，但实际上，项目学习的开展仍需要进一步加强指导。笔者对国家“一师一优课”平台上2019年度有关“人工智能初步”模块的共20节晒课进行了分析。结果显示，大部分教师采用讲授法、任务驱动、自主/合作探究、体验式学习等教学方法落实知识传授与素养提升，只有两节课采用项目学习方式。

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缺乏平台、资源以及优质师资的支撑

人工智能是一门综合实践性很强的学科，若缺乏与课程配套的软硬件平台，将很难使学生理解编程的逻辑与效果。尤其从图形化编程进阶到Python代码式编程时，问题更加凸显。因此，开展中小学人工智能教育，急需简单易用且功能丰富的教学工具平台、贴近生活的教学课程、相关的软硬件环境，尤其缺乏针对中小学生认知特点的互动性动画类资源。在教学实施上，中小学校的人工智能师资还存在较大缺口。

二、对中小学开展人工智能教育的认识与思考

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以全纳的态度开展人工智能教育

人工智能教育不是为了培养少数高智商的创新天才。中小学开设人工智能课程，旨在培养学生适应未来智能社会发展需求的能力，让他们能够利用人工智能技术工具解决学习、生活中的问题。因此，人工智能教育应该是面向所有学生的普惠性教育内容，区域、学校应以全纳的态度为学生提供接受人工智能教育的机会，让每个学生都能成为合格的智能时代公民。

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面向人工智能素养的培育

人工智能课程的内容设置要面向学生人工智能素养的培育。综合信息技术学科要求和智能化社会对人才的要求，在人工智能三要素（数据、算法、算力）的基础上，可从人工智能意识、计算思维、人机协同能力、智能社会责任四个维度对学生加以培养，尤其应加强对学生计算思维的培养，使学生成长为具备人工智能素养的人。

一是掌握人工智能基础知识与技能，发展人工智能意识。通过人工智能课程的学习，学生可提高对人工智能技术的鉴别力与理解力，听得懂新闻中出现的人工智能技术，能分辨身边的人工智能来电和智能客服。二是提高计算思维能力。学生能够运用所学知识将复杂的问题分解为简单的问题，化简为可计算的模型，将复杂的步骤简化为自动执行的操作，表达为形式化的流程图算法，并能够将解决问题的方法迁移到其他问题的解决中。三是提升智能时代人机协同的能力。学生要能够在课程学习的过程中体验人工智能工具给生活带来的便利，比如会利用某App工具认识花草。四是树立人工智能社会责任意识。学生通过学习，能够感悟人工智能技术与人、自然、社会的关系，把握数据、算法、系统和社会的关系，分辨人工智能技术的“善与恶”，形成技术安全和责任意识，提升技术伦理和道德意识。

三、从区域层面开展人工智能教育的实践与建议

近年来，上海市加速人工智能产业聚集，先后出台了多种政策文件，举办世界人工智能大会，把发展人工智能作为优先战略选择，推动人工智能创新布局。上海市中小学人工智能教育的发展积极融入智能上海的城市整体建设。《上海市教育信息化2.0行动计划》提出，“编制具有上海特色的多层次课程教材，逐步强化、优化编程和人工智能等教学内容”。基于对人工智能教育的认识与思考，结合上海市人工智能教育的整体发展要求，浦东新区从区域层面系统谋划中小学人工智能教育。以下是我们的实践与建议。

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在全纳理念下分层实施人工智能教育

若要在不同学段、不同层次学校开展人工智能教育，应该根据学校具体情况实施不同的实践路径，可分为“融入课程、科普主题、学科开展、兴趣社团、竞赛活动”五种形式（见表1）。

表1 中小学校人工智能教育开展的不同层次

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构建中小学人工智能教育课程体系

美国启动的K-12人工智能教育行动将适合中小学生学习的人工智能知识分为感知、表示和推理、机器学习、人机交互、社会影响五个主题，并分年段给出了分级学习目标；汇集七类人工智能科普资源目录，给出教学功能和实例。详细的课程内容、课堂教学活动建议以及丰富的资源目录，为教材编制以及学校实施课程提供了依据。

借鉴国内外经验，浦东新区将课程培养目标定位于培养学生了解人工智能的概念、应用方向以及实现原理；掌握计算机和编程知识，能够使用编程语言进行人工智能学科项目实践；掌握传感、运动、控制知识，并能够将其用于教育机器人；培养学生的创造力、设计能力、动手实践能力、沟通协作能力；培养学生的人工智能素养。根据课程目标，在区域开展人工智能学校试点初期，为学校设置“基础 简单应用”“综合应用”两类课程。课程内容的知识主题单元分为“理解与实验”和“理解与实践”，各自对应适合不同学段开展的主题内容（如图1）。

图1 浦东新区中小学人工智能课程体系

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面向人工智能素养的项目学习方式

项目学习能促进学生培养对信息问题的鉴别力、对知识学习的掌控力、对问题求解的思考力。根据人工智能课程的特点，我们提倡将知识技能学习与项目活动融合开展，从问题出发，基于真实情境，开展小组合作学习，让学生在“想中学、做中学、用中学、创中学、讲中学”，脑、手、心并用，多种学习方式相结合，综合提升学生的人工智能素养。

例如“智慧停车场”项目，教师创设真实情境：国家城市化进程加快，交通压力越来越大，智能化交通管理已成为交通发展的大方向。接着教师提出问题：如何让车主方便地找到车位？如何提高停车收费的管理效率？学生设计实施方案，将现实问题抽象为人工智能视觉、图像识别领域里的问题。教师协助学生选择算法以形式化表达需求，并使用编程语言与计算机进行交互。学生完成作品后，教师组织学生交流展示，开展过程性评价，引导学生思考“智慧停车场”系统与人以及社会之间的关系。项目活动培养了学生的人工智能意识、计算思维、人机协同能力、智能社会责任等人工智能素养（如图2）。

图2 “智慧停车场”项目学习模型

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构建区域人工智能教育支撑平台

为有效推进人工智能课程的实施，浦东新区正在设计构建1个区域人工智能教育支撑大平台、N个人工智能教育实验中心以及100所人工智能教育实验校。区域支撑平台包括编程平台和课程教学系统，为人工智能教育提供全方位、立体化的在线教学资源，包含共享的教案、体系化的教材、项目化的资源案例、微课等，贯穿教师教、学生学的全过程（如图3）。师生将借助这个平台进行学习交流、资源分享、实践探究等。

图3 浦东中小学人工智能与编程教育平台功能架构

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采用线上线下双师结合模式

以“人工智能”的方式开展人工智能教育是解决目前师资不足问题的关键所在。人工智能课程的开发同时应配套人工智能教师培训课程的开发。课程的设计与实施还可以采用“双师课堂”模式，一名主讲教师与一名伴学教师。线上 线下“双师”混合式教学模式有助于将优质数字教学资源输送到相对薄弱的学校，通过扩大优质教育资源覆盖面助推教育公平，实现区域范围内全纳与公平的人工智能教育。同时，人工智能学科教研团队的建设也迫在眉睫，区域定期开展研修活动将有效提升教师的人工智能素养。

四、结语

在中小学开展人工智能教育是时代的要求，是为培养“中国芯”的担当，中小学人工智能教育应该以全纳的态度，重视人工智能意识、计算思维、人机协同能力、智能社会责任等人工智能素养的培养。当前，我们可借鉴发达国家和先进地区的实施经验，梳理人工智能核心内容，建立完善课程内容体系，以“政府—企业—社会—学校等多方协同”的方式共建共享资源，以人工智能赋能教师的形式弥补师资短板，以项目学习的方式让学生获得学习人工智能的成就和快乐，对人工智能技术辨善明恶，迎接智能社会的挑战。

（作者褚金岭系上海市浦东教育发展研究院中级教师，浦东新区信息科技学科骨干教师；谢忠新系上海市浦东教育发展研究院教育信息中心主任，信息科技学科正高级教师、特级教师）