编译：赵小慧 东南大学脑与学习科学系
研究生导师：柏毅 夏小俊
作者：Xiaodong Huang
【摘要】：培养学生的核心素养，有助于学生适应快速发展的智能时代。人工智能教育是培养学生关键能力的重要途径。本文定量地描述了人工智能课程如何培养学生的关键能力。首先，我们分析了基础教育阶段进行人工智能教育的必要性和我国人工智能教育的现状。其次，阐述了由知识能力、团队能力和学习能力构成的学生的关键能力，并设计了基础教育阶段的人工智能课程。最后，通过收集学生的问卷调查，分析了人工智能课程与学生关键能力培养的关系。实验评价表明，7类人工智能课程有利于培养学生6项次级关键能力，指出了当前人工智能课程中存在的问题，并提出了改进建议。
【关键词】：人工智能教育；学生关键能力；人工智能课程；基础教育
随着时代的发展，社会对学生的信息能力提出了新的要求。学生迫切需要高质量的计算机教育来帮助他们发展计算思维。人工智能具有包容性、综合性和实用性，与数学、心理学、计算机科学等学科密切相关。人工智能课程可以帮助学生体验人工智能的成就，理解人工智能的原理，实现人工智能的应用。在此基础上，学生可以利用信息技术开发程序，构建系统，准确表达自己，从而提高能力。人工智能教育作为一门新兴学科，在我国面临着理论指导不足、实践经验有限的困境。因此，合理设置人工智能课程内容，使人工智能教育课程有利于培养学生的关键能力至关重要。
人工智能是利用机器模仿人类智能活动的科学，包括符号计算、模式识别、专家系统、机器学习、神经网络等应用。随着信息技术的不断发展，大量的科技成果不断涌入我们的生活，使我们的日常生活更加方便，也改变了我们的思维方式，为我们打开了一扇新的大门。但也有人担心，它的进一步发展会给人类带来新的麻烦。只有不断推动和发展人工智能教育，培养优秀的人工智能人才，解决人工智能发展问题，才能实现人工智能最大限度造福人类的目标。因此，我们现在必须努力发展人工智能教育。
人工智能教育近年来备受关注，不同的研究者从不同的角度对人工智能教育进行了研究。根据我们的分析，我们可以大致将人工智能教育分为两类:一类强调人工智能与教育的融合，其目的是提高人工智能技术在教育领域的渗透和应用。另一类将人工智能视为一门学科，认为人工智能教育由人工智能原理、应用和技术组成。因此，广义的人工智能教育是指通过人工智能技术加快人才培养模式和教学方法的改革，利用智能学习和互动学习，构建一种新的教育体系。最终目标是创造智能学习环境，开展高智能教学，培养智能社会所需的新型人才，推动智能时代的发展。狭义的人工智能教育将人工智能视为一门学科。重点是根据学科特点和不同阶段学生的特点设计相应的教学内容，并根据教学内容开展教学活动。目的是培养学生对人工智能的兴趣，传授人工智能知识，增强学生对人工智能的理解，培养学生的批判性思维，提高学生的综合能力，为人工智能发展培养人才。
人工智能在中小学的教育已经引起了人们的极大关注。然而，很少有中小学将人工智能课程作为一门独立的课程。通常情况下，人工智能课程与STEAM和技术课程相结合，以编程为主要内容，科普讲座和技术展示为补充。人工智能课程在中小学整体上仍处于初步探索阶段。根据我们的调查，中国基础教育阶段的人工智能教育应该解决的四个主要问题。
第一，人工智能教师不足。人工智能作为一门新兴的学科，代表着信息技术的前沿发展。它的理论和技术还在不断发展，已成为改变人类生活的重要手段。在小学开设人工智能课程意义重大，一定会引起学生的兴趣和好奇心。然而，没有足够多的有能力的教师来教授人工智能课程。
第二是没有充分的统筹规划。人工智能是目前计算机科学中最热门的研究领域，其研究课题包括人脸识别、语音识别、机器翻译、神经网络、机器学习等。人工智能教育的内容如此复杂，中小学的人工智能教材不可能如此包容。目前，我国中小学缺乏权威的人工智能教材。大多数中小学教师没有能力开发和编写人工智能校本教材，教学内容比较零碎，缺乏整体规划。此外，在课程的形式上也有明显的差异。有些学校将其与创客教育相结合，有些学校则将其与STEAM教育相结合。
第三，存在巨大的地区差异。沿海地区教育资源丰富，师资力量雄厚，教学设备先进，教材和教学方法不断更新。因此，这些地区的中小学都能抓住机会提供人工智能课程。相比之下，偏远地区只有少数学校具备发展条件。这种不平衡的发展需要各级政府和社会机构的支持，以推动人工智能课程在全国的普及。
第四，教材陈旧、重复、单调。目前，小学开设的人工智能课程主要集中在编程和机器人方面。小学三年级和四年级开设图形编程课程，五年级和六年级开设Python编程课程，每个年级都开设机器人课程。学校偶尔会利用当地优质资源开展人工智能教育。然而，这类讲座和展览所占的比例并不高。总体而言，单调的教材使学生感到枯燥，小学人工智能课程也面临着内容单调的问题。
近年来，相关组织和国家提出的关键能力框架在内容选择上体现出了国际性和民族性的结合。其共同特征体现在三个方面：人与工具之间的相互关系侧重于沟通能力、技术利用能力和信息能力；在人际关系方面，注重学生的创新能力和解决问题的能力；在人与社会的相互关系方面，强调社会交际能力。这表明，各国都重视公民的基本和关键能力，努力培养具有21世纪工作技能和关键竞争力的人才。
人才培养的总目标是关键能力的获得，课程目标是实施特定课程所要达到的目标。人的生存需要多种能力，其中最基本、最重要的能力被认为是关键能力。AIEd（artificial intelligence in education ：人工智能在教育中的应用）课程作为一种特殊的课程，是实现和充分发挥学生关键能力的重要手段和途径。关键能力的内涵更广，人工智能课程目标更明确、更具体。因此，关键能力的内涵是高度概括和全面的。关键能力的培养要求我们不仅要教学生如何使用工具，还要训练他们合作和独立。人工智能教育应促进关键能力的培养。在关键能力的指导下，根据各学科的性质和内容制定合适的课程目标，既要支持学生的发展，又要满足社会发展的需要。
本文从基础教育阶段学生的培养目标和DeSeCo（Definition and Selection of Competencies：能力的定义和选择）对关键能力的基本定义出发，对我国基础教育阶段学生应具备的关键能力进行了总结和梳理。学生的关键能力不仅要注重基本知识和基本技能的掌握，更要注重培养个人适应未来社会所需的素质，培养个人终身发展所需的素质。
根据DeSeCo关键能力的基本定义，将中国学生的关键能力定义为：知识能力、团队能力和学习能力。
知识能力可分为两类:技能能力和文化能力。技能能力主要指学生对各种基本知识和基本应用方法的掌握。人工智能教育知识能力的培养侧重于帮助学生掌握适当的学习方法，培养良好的学习习惯，并通过各种学习任务促进学生逻辑思维、抽象思维、批判性思维、观察分析能力的发展，这有助于提高学生的学习效率。文化能力主要指学生对各种文化背景和人文思想的理解。人工智能教育从知识普及、情感管理、价值欣赏、兴趣培养等方面引导数字化时代学生人文思想的发展。因此，它有助于学生正确理解人工智能的价值。
团队能力包括团队协作能力和人与工具协作能力。团队合作能力强调学生在团队中处理人际关系和与学生沟通的能力。在AI教育中，学生通过合作完成基于AI的项目，学习如何发现项目中的问题，通过讨论和协商共同解决问题。人与工具协作能力强调学生识别和正确使用工具的能力。在人工智能环境中，人们不仅要处理人与实体之间的关系，还要学会与智能机器和谐相处。在可预见的未来，当人工智能机器被开发和使用时，学生可以积极地遵循伦理道德的要求，成为智能社会的积极建设者。
学习能力包括认知能力和自主学习能力。认知能力是指学生对事物的感觉、感知和表征能力，以及判断、推理、分析和得出结论的能力。在人工智能教育中，通过观察机器如何观察事物，学生进一步反思人们如何感知和理解世界和社会。自主学习能力是指学生通过自主分析、自主探索、自主实践、自主提问、自主创造来获取知识。在人工智能教育中，学生可以了解机器如何学习算法，并理解机器自主学习方法。因此，学生可以充分认识到自主学习的必要性，养成自主学习的习惯。
在学习了精心设计的人工智能课程后，学生们将拥有这些关键能力。学生具有独特的想象力、综合的分析和决策能力、敏锐的感知能力、艺术和审美鉴赏力、求知欲、批判性思维、良好的心态和突出的社会交往能力。
基于以上关键能力，本节研究如何在基础教育的现阶段开设AI课程，以满足我国学生关键能力培养的目标。
人工智能教育的最终目标是培养智能时代的人才。从完善人工智能人才培养体系的角度来看，AIEd是培养学生人工智能能力的载体。因此，有必要构建一个合理的人工智能模型。我们应该选择有趣的教材，这将有利于吸引学生的兴趣。虚拟现实创造了生活般的体验，使学生可以受益于互动模式。该课程有利于培养学生的科学精神和创新能力。人工智能课程必须深入挖掘关键能力特征，参照人工智能学科发展和中小学人工智能课程内容研究，根据学生身心发展特点，选择合适的主题和内容。
人工智能的一个重要特征是综合性，它涵盖了计算机科学、脑科学和生物学等广泛的领域。AI课程所涉及的知识也是包容性的。在为学生选择合适的材料时，我们应该考虑到学生的心理发展。同时，也要尊重人工智能知识的内在逻辑。学科专家和一线教师应协调选择教材。前者掌握了学科发展的动态系统，后者充分了解学生当前的知识水平和经验。重点在于建立学生的生活体验与AI理论、技术以及现实生活情境之间的联系。最终目标是增强学生对人工智能知识的理解和对人工智能技术的掌握。这样，我们可以培养学生的批判性思维，激发学生对人工智能的热情。
由于时代的发展和科学技术的进步，人工智能的一些成果已经被广泛应用于生活的各个领域，为学生提供了更多的机会来体验人工智能技术，促进学生对人工智能的理解。作为“数字原生代”，年轻一代更依赖于数字设备和智能产品，对探索和使用新技术成果更感兴趣。人工智能课程的学习将帮助他们更好地融入智能社会。因此，在中小学开设AI基础课程，符合学生目前的认知水平，有利于提高学生对AI知识的理解，激发学生对人工智能的探索，帮助学生成为AI时代的积极建设者。
根据需求分析结果，学生对AI课程表现出极大的兴趣，希望学习智能机器人、基础人工智能技术等有趣的内容。一线教师努力加快构建系统的人工智能课程体系，通过高质量的人工智能课程激发学生对人工智能的兴趣，培养学生的批判性思维。因此，加强对教师的人工智能培训是非常重要的。人工智能专家认为，人工智能课程的价值在于可以让学生得到人工智能的形成性教育，让他们尽早接触到人工智能的相关知识，了解人工智能的价值。这些都将激发学生探索人工智能的兴趣，提高学生的科学能力，反过来为人工智能的发展培养更多的人才。因此，学生、一线教师和学科专家都强调，人工智能课程应注重激发学生的兴趣，培养学生的批判性思维，这也为中小学制定人工智能课程目标提供了重要依据。
综上所述，人工智能课程目标应以需求分析为基础，以培养关键能力为目标，有利于学生的全面发展。因此，我们将其目标分解为知识能力、团队能力和学习能力。在培养学生关键能力的基础上，合理安排AI课程内容。知识能力是与人工智能相关的核心知识。团队能力与人工智能中的团队合作相对应。学习能力主要是学习和掌握机器学习的方法和认知过程。
本研究将AI课程的具体内容设置为统计变量，目的是了解AI课程的具体内容是否适用于学生关键能力培养的模型。数据采集自北京市初中二年级学生和北京市高中一年级学生。在北京市5所中学共回收有效问卷978份。
问卷由两部分组成:AI教学内容调查和学生关键能力调查。关于AI教学内容和学习动机的调查有九条陈述，可以分为七类:编程知识；图像处理的知识；自然语言处理的知识；机器人的知识；人工智能的发展历程；人工智能伦理；机器学习。学生关键能力调查共有26项陈述，可分为知识能力、团队能力、学习能力3大类，6个子类:技能能力、文化能力、团队合作能力、人-工具协作能力、认知能力和自我学习能力。
在本研究中，我们希望探讨人工智能课程内容与学生关键能力之间的关系。因此，将AI课程内容的7大类作为自变量。
结果显示，学生对机器人知识学习选择的标准差为0.5203，说明大部分学生都愿意学习机器人相关知识。编程知识获取的标准差为0.5661，说明大多数学生认为编程知识和机器人知识对他们非常重要。学生对获取人工智能伦理知识的选择的均值和标准差分别为2.72和0.8651，说明学生对人工智能伦理学习的看法并不统一，且比较多样化。有些学生愿意学习这方面的知识，但有些学生不太愿意深入这一领域。大多数学生对其他知识内容的学习表现出矛盾的态度。
数据显示，文化能力与AI课程的内容无关。这说明学生在AI课程中很难培养自己的文化能力。此外，团队能力的两个子能力(团队能力和人-工具协作能力)与人工智能课程内容也呈负线性相关。这是因为目前的人工智能课程过于重视学生知识和技能的培养，而忽视了团队能力的培养，这表明学生认为人工智能课程只能部分地培养他们的团队能力。技能能力、认知能力、自学能力与人工智能课程内容呈线性正相关，说明学生非常欣赏人工智能课程内容在这三个子能力培养中的作用。
从以上分析可以得出，学生认为目前的人工智能课程能够促进技能能力、认知能力和自主学习能力的培养，在人工智能课程设置中加强团队合作至关重要。重点应该放在培养人与智能机器之间的有效合作上。此外，丰富课程内容，加强能力培养也很重要。
实验结果表明，当前的人工智能课程对提高学生的技能能力、认知能力和自主学习能力有一定的促进作用。在人工智能课程设置中，有必要考虑加强团队成员的合作。应该重视人与人工智能之间的合作与互动。我们通过精心选择教材和提供多样化的课程内容来提升学生的文化素养。
东南大学百研工坊：21世纪是我国创新型人才培养的关键期。东南大学百研工坊（儿童发展与教育研究所）是国内从事科学教育研究的专业团队，结合教育学、心理学、认知科学和现代信息技术，开展面向基础教育阶段的科学教育研究，包括：青少年科学教育、STEM教育、人工智能教育和科学素养评价研究，希望与广大科学教育工作者一起努力，为我国科学教育事业的发展做出贡献！
