中小學人工智能教育教什么

——以《深圳市義務教育人工智能課程綱要（修訂版）》為例

文_顧榮楨1　李惠乾1　余峻展2　謝作如3　鐘柏昌1

（1. 華南師范大學教育信息技術(shù)學院；2. 深圳市致理中學；3. 溫州市科技高級中學；*通訊作者）

隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展與廣泛應用，世界各國愈發(fā)認識到，人工智能素養(yǎng)是每一位公民應當具備的核心素養(yǎng)和生存能力，紛紛將其作為提前做好人力資源布局的關(guān)鍵抓手。提升學生的人工智能素養(yǎng)是中小學人工智能教育的核心任務[1]?！督逃哭k公廳關(guān)于加強中小學人工智能教育的通知》（教基廳函〔2024〕32號）指出，應“穩(wěn)步推進”中小學人工智能教育普及工作，“探索將人工智能素養(yǎng)納入學生綜合素養(yǎng)評價體系”，“培育具有創(chuàng)新潛質(zhì)的青少年群體”[2]。遺憾的是，目前中小學人工智能課程的結(jié)構(gòu)與內(nèi)容結(jié)構(gòu)缺乏體系化、時代性與科學性，難以全面體現(xiàn)新一代人工智能教育特色，導致人才培養(yǎng)與國家發(fā)展戰(zhàn)略有所出入。為助力解決中小學人工智能教育“教什么”這一關(guān)鍵問題，本文將以《深圳市義務教育人工智能課程綱要（修訂版）》（以下簡稱《綱要》）為例，探討如何優(yōu)化設計我國中小學人工智能課程內(nèi)容。

中小學人工智能課程的內(nèi)容框架

近年來，國內(nèi)外相關(guān)政府部門和組織紛紛發(fā)布中小學人工智能教育頂層設計文件或指導文件，促進中小學人工智能教育的普及推廣，例如美國AI4K12工作組發(fā)布的《國家K—12人工智能教育指南》[3]、聯(lián)合國教科文組織發(fā)布的《K—12人工智能課程：政府認可的人工智能課程藍圖》[4]、我國中央電化教育館發(fā)布的《中小學人工智能技術(shù)與素養(yǎng)框架》[5]、中國教育學會組織編制的《中小學人工智能課程開發(fā)標準（試行）》[6]，以及華東師范大學組織制定的《中小學人工智能課程指南》[7]等。通過橫向比較，大多數(shù)文件的課程目標和內(nèi)容可重新分類為“人工智能與社會發(fā)展”“人工智能與人類智能”及“人工智能技術(shù)與開發(fā)”三大主題，均強調(diào)人工智能技術(shù)維度[8]。美國《國家K—12人工智能教育指南》圍繞“感知、表示與推理、機器學習、人機交互、社會影響”五大核心概念構(gòu)建人工智能課程框架，并將課程內(nèi)容劃分為不同的學段。其中，感知、表示與推理、機器學習可歸屬為人工智能技術(shù)與開發(fā)主題，人機交互、社會影響則分別屬于人工智能與人類智能、人工智能與社會發(fā)展主題。此外，我國《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》[9]將人工智能相關(guān)內(nèi)容劃分為“人工智能的基本概念和常見應用”“人工智能的實現(xiàn)方式”“智慧社會下人工智能的倫理、安全與發(fā)展”三個部分，也體現(xiàn)了人工智能技術(shù)及其與人類、社會的相互作用。

各國對中小學人工智能課程的內(nèi)容框架達成諸多共識。在課程定位方面，普遍認為人工智能課程應是面向全體未來公民的普及性課程，課程應讓學生建立對人工智能的基本認識[7]。在教學目標方面，均強調(diào)人工智能課程應注重知識、能力、態(tài)度的整合，培育學生適應數(shù)智時代發(fā)展的人工智能素養(yǎng)。然而，由于依據(jù)的設計標準不同，導致課程內(nèi)容要求差異較大[10]。例如，《中小學人工智能技術(shù)與素養(yǎng)框架》要求學生掌握“人工智能系統(tǒng)設計與開發(fā)”等高階性的內(nèi)容，《K—12人工智能課程：政府認可的人工智能課程藍圖》和《中小學人工智能課程指南》則注重引導學生學習“人工智能基礎”“人工智能概念與歷史”等基礎性內(nèi)容，尚未建立統(tǒng)一連貫的體系結(jié)構(gòu)。另外，這些課程內(nèi)容設計未體現(xiàn)新一代人工智能最新發(fā)展成果，如生成式人工智能的應用，從而弱化了人工智能課程的前沿性與時代性。此外，部分課程內(nèi)容與不同學段學生的認知水平匹配度低、科學性不足，難以滿足開發(fā)創(chuàng)新型人工智能工具所需的創(chuàng)造力和技能要求[11]?；诖?，本研究試圖以人工智能素養(yǎng)為導向，結(jié)合新一代人工智能特征及學生認知規(guī)律，優(yōu)化設計中小學人工智能課程內(nèi)容體系。

中小學人工智能課程內(nèi)容的設計理念

為有效培養(yǎng)學生的人工智能素養(yǎng)，中小學人工智能課程應當引導學生積極利用人工智能技術(shù)解決真實問題，從而理解人工智能的本質(zhì)[12]。為此，我們需要全面解析學生人工智能素養(yǎng)要求，系統(tǒng)組織人工智能學科核心內(nèi)容，緊密聯(lián)系人工智能發(fā)展前沿，綜合考慮學生認知規(guī)律等，重構(gòu)具有體系化、時代性和科學性的中小學人工智能課程內(nèi)容模塊。

目標引領(lǐng)：指向?qū)W生人工智能素養(yǎng)的培養(yǎng)

作為前沿科技，新一代人工智能具有極強的專業(yè)性，具有理論性強、涉及知識面廣、實踐要求高等特點[13]。義務教育是一種普惠教育，中小學人工智能教育需要面向全體學生，設置人人應學、人人能學的基礎性內(nèi)容和活動[14]。同時，為與高中階段、大學階段的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)做好銜接，中小學階段的人工智能教育不應局限于知識與技能學習，還應培養(yǎng)學生利用人工智能解決問題的思維和方法[15]。因此，我們應將新一代人工智能教育“降維”為一般的素養(yǎng)教育，重點培養(yǎng)學生適應未來智能社會所需的基本生存能力——人工智能素養(yǎng)，而非聚焦于人工智能的專業(yè)性技術(shù)方法。

“知識、情感與思維的相互作用關(guān)系共同構(gòu)成了學生人工智能素養(yǎng)的底層邏輯”，中小學人工智能課程應當培養(yǎng)學生具備相應的人工智能知識、人工智能情感和人工智能思維[16]。其中，人工智能知識是指學生所需掌握的人工智能基本概念、人工智能技術(shù)要素和人工智能技術(shù)應用相關(guān)知識；人工智能情感是指學生對人工智能與人類、人工智能與社會所應具備的價值、觀念或態(tài)度；人工智能思維是指學生在設計、開發(fā)、測試與優(yōu)化智能交互系統(tǒng)過程中所應具備的設計思維、工程思維、計算思維與系統(tǒng)思維[17]。

體系塑造：組織人工智能學科的核心內(nèi)容

作為一門獨立學科，人工智能有一個嚴密、層次分明、循序漸進的知識體系[18]。同時，作為數(shù)字技術(shù)的前沿，人工智能的技術(shù)內(nèi)容不僅復雜多樣，而且變化迅速。如何選擇具有代表性的內(nèi)容培養(yǎng)學生的人工智能素養(yǎng)，是中小學人工智能課程內(nèi)容設計的一大難題。為培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新人才，教育部“101計劃”建設了一批一流核心課程。其中《人工智能引論》[19]結(jié)合新一代人工智能的發(fā)展特點，以知識點為核心，組織構(gòu)建了體系化的人工智能課程體系。為體現(xiàn)人工智能學科特色，本研究參考該課程的技術(shù)路線，以及中小學人工智能課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)綜述結(jié)果，針對性設計人工智能課程的內(nèi)容模塊。

人工智能的本質(zhì)是模擬人類智能處理任務。從系統(tǒng)論的視角看，人工智能可被視為執(zhí)行“輸入—處理—輸出”循環(huán)的黑箱[20]，能夠?qū)崿F(xiàn)感知、推理、學習和決策等功能。數(shù)據(jù)、算法、算力是影響人工智能發(fā)揮能動性的三大技術(shù)基礎，其中數(shù)據(jù)和算法是人工智能認知的關(guān)鍵，算力是人工智能的動力[21]。人工智能通過搜索、推理、預測和機器學習等方式完成不同的任務。機器學習是人工智能研究中最重要的技術(shù)領(lǐng)域，深度學習成為新一代人工智能的重要特征[22]?；诖?，中小學人工智能課程要突出人工智能技術(shù)基礎、機器學習與深度學習的學習，培育學生利用人工智能技術(shù)解決真實問題的思維，達成良好的人機協(xié)同效果。此外，為實現(xiàn)知識、情感、思維目標整合，人工智能課程要從知識入手，包括人工智能發(fā)展中重要的人物、場景、時刻等內(nèi)容[23]，以及人工智能創(chuàng)生過程中的倫理與規(guī)范。

與時俱進：融入生成式人工智能教學應用

生成式人工智能技術(shù)具有卓越的內(nèi)容生成能力，其合理應用有望顯著提升基礎教育的質(zhì)量與效率[24]。因此，中小學人工智能課程有必要在人工智能教學的過程中適度融入生成式人工智能技術(shù)的應用，構(gòu)建“師-生-機”協(xié)同的教育共同體，為人工智能課程注入新動力。與此同時，生成式人工智能已經(jīng)在經(jīng)濟發(fā)展和行業(yè)轉(zhuǎn)型等諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出顛覆性變革的影響[25]，有效使用該技術(shù)將成為未來公民應具備的重要技能。作為提升學生人工智能素養(yǎng)的關(guān)鍵途徑，人工智能課程應引導學生正確認識與應用生成式人工智能技術(shù)，通過實踐教學幫助學生了解其使用過程中的潛在風險，培養(yǎng)學生掌握基于生成式人工智能的學習技能。將生成式人工智能融入教學，不僅可以輔助學生學習人工智能知識，還可以提升學生的人工智能素養(yǎng)，增強學生在數(shù)智時代下的自主學習與適應能力。

科學進階：遵循學生認知規(guī)律和思維特點

作為人類有意識、有目的地培養(yǎng)人的活動[26]，教育實踐必須遵循學生的身心發(fā)展規(guī)律[27]。在中小學階段，學生的認知發(fā)展從具體形象思維向抽象邏輯思維轉(zhuǎn)變，心理特征也隨著年齡的增長逐漸成熟。中小學人工智能課程設計需選取具有代表性、啟發(fā)性且與學生實際生活緊密相連的內(nèi)容作為教學重點，激發(fā)學生學習人工智能的興趣，增強學生理論聯(lián)系實踐的能力。此外，針對學生人工智能素養(yǎng)培養(yǎng)過程中出現(xiàn)的知識遷移能力和原理性知識水平有待提高等問題[28]，中小學人工智能課程需要強調(diào)“做、學、創(chuàng)”合一，選取豐富的人工智能教育資源支持課程教學[29]。根據(jù)中小學人工智能教育的五級進階框架[30]，人工智能創(chuàng)作工具的應用水平可分為體驗級、理解級、應用級、綜合級和優(yōu)化級，分別對應修訂版布魯姆認知目標分類的不同認知水平?；诖?，應循序漸進地引導學生從基本概念入手，逐步掌握人工智能技術(shù)的基本原理和應用方法，學會正確評估人工智能應用效果，進而能夠創(chuàng)造有價值的人工智能制品。

綜上所述，《綱要》設計了“人工智能概述”“人工智能技術(shù)基礎”“機器學習與深度學習”“人工智能倫理與社會”4個課程模塊（如圖1）。其中，人工智能概述模塊介紹人工智能的基本概念和發(fā)展歷程，通過生活中的人工智能應用，讓學生理解人工智能的特點與核心技術(shù)途徑，知道人工智能應用領(lǐng)域與關(guān)鍵技術(shù)類型，了解人工智能的國際發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢。人工智能技術(shù)基礎模塊主要介紹數(shù)據(jù)、算法與算力的基礎知識，以及三者在智能交互系統(tǒng)開發(fā)過程中的基本應用方法，讓學生理解數(shù)據(jù)、算法、算力與人工智能的關(guān)系，為智能交互系統(tǒng)的學習奠定基礎。機器學習與深度學習模塊系統(tǒng)介紹機器學習和深度學習的基本概念和一般過程，讓學生了解常見的機器學習算法類型和深度學習模型，掌握模型訓練的流程與方法以解決真實情境問題。人工智能倫理與社會模塊主要介紹人工智能與人類的關(guān)系，讓學生了解人機交互過程中人應該具備的倫理意識和應當承擔的責任，認識人工智能技術(shù)開發(fā)和應用可能為社會帶來的公平問題與法律風險，引導學生遵守與人工智能相關(guān)的法律規(guī)范，正確處理人機關(guān)系。

圖1　深圳市中小學人工智能課程體系

參考文獻

[1] 鐘柏昌，余峻展．新時代我國中小學人工智能教育的體系化建設[J]．嶺南師范學院學報，2022，43（06）：1-6+22．

[2] 中華人民共和國教育部辦公廳．關(guān)于加強中小學人工智能教育的通知[EB/OL]．2024-11-20．

[3] AI4K12. AI4K12[EB/OL]. 2018-05-15. [2024-09-03]. https://ai4k12.org/.

[4] UNESCO's Unit for Technology and Artificial Intelligence in Education. K-12 AI Curricula: a Mapping of Government-endorsed AI Curricula[R]. Paris: UNESCO, 2022.

[5] 中央電化教育館．中小學人工智能技術(shù)與工程素養(yǎng)框架[EB/OL]．2021-10-20．[2024-09-03]. https://www.ncet.edu.cn/zhuzhan/tztgao1/20211130/5505.html.

[6] 中國教育學會中小學信息技術(shù)教育專業(yè)委員會．中小學人工智能課程開發(fā)標準（試行）[EB/OL]．2021-11-26．[2024-09-03]．https://www.digitalelite.cn/h-nd-1207.html．

[7] 江波．中小學人工智能課程指南[J]．華東師范大學學報（教育科學版），2023，41（03）：121-134．

[8] 鐘柏昌，詹澤慧．人工智能教育的頂層設計：共識、差異與問題——基于4套標準文件的內(nèi)容分析[J]．現(xiàn)代遠程教育研究，2022，34（04）：29-40．

[9] 中華人民共和國教育部．義務教育信息科技課程標準（2022年版）[EB/OL]．2022-03-25．[2024-09-08]．http://202.116.36.202/cache/4/03/www.moe.gov.cn/83d3a5ff4099ac6e72b639775901b8f7/W020220420582361024968.pdf．

[10] 丁世強，馬池珠，魏擁軍，等．中小學人工智能教育區(qū)域推進的困境與突破[J]．現(xiàn)代教育技術(shù)，2022，32（11）：76-83．

[11] UNESCO's Unit for Technology and Artificial Intelligence in Education. K-12 AI Curricula: a Mapping of Government-endorsed AI Curricula[R]. Paris: UNESCO, 2022.

[12] 鐘柏昌，李惠乾．擦亮新一代人工智能教育的底色——人工智能創(chuàng)新教學案例評析[J]．中國科技教育，2024，（04）：21-24．

[13] 羅定生，李文新，鄧志鴻，等．北京大學人工智能課程教學改革與實踐[J]．計算機教育，2019，（10）：3-8+15．

[14] 王本陸，千京龍，盧億雷，等．簡論中小學人工智能課程的建構(gòu)[J]．教育研究與實驗，2018，（04）：37-43．

[15] 夏雪景，馬早明．韓國中小學開展人工智能教育的舉措與經(jīng)驗[J]．比較教育學報，2024，（02）：163-176．

[16] 鐘柏昌，劉曉凡，楊明歡．何謂人工智能素養(yǎng)：本質(zhì)、構(gòu)成與評價體系[J]．華東師范大學學報（教育科學版），2024，42（01）：71-84．

[17] 鐘柏昌，劉曉凡．人工智能思維：框架與解讀[J]．課程·教材·教法，2024，44（01）：149-155．

[18] 任友群，黃榮懷，熊璋．從信息技術(shù)到信息科技——關(guān)于《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》的對話[J]．課程·教材·教法，2022，42（12）：21-31．

[19] 吳飛，潘云鶴．人工智能引論[M]．北京：高等教育出版社，2024：1-360．

[20] 祝智庭，韓中美，黃昌勤．教育人工智能（eAI）：人本人工智能的新范式[J]．電化教育研究，2021，42（01）：5-15．

[21] 顏士剛，吳長帥．論教育領(lǐng)域人工智能機器人的主體性[J]．中國電化教育，2024，（06）：17-22+69．

[22] 謝作如．中小學需要什么樣的人工智能教育[J]．教育家，2024，（15）：38-39．

[23] 桑新民．人工智能教育與課程教學創(chuàng)新[J]．課程·教材·教法，2022，42（08）：69-77．

[24] 柯清超，米橋偉，鮑婷婷．生成式人工智能在基礎教育領(lǐng)域的應用：機遇、風險與對策[J]．現(xiàn)代教育技術(shù)，2024，34（09）：5-13．

[25] 方建鋒，王克宇，房欲飛．生成式人工智能對教育的顛覆性影響和應對[J]．全球教育展望，2024，53（08）：17-32．

[26] 顧明遠．教育大辭典[M]．上海：上海教育出版社，1998：773．

[27] 黃濟．教育哲學[M]．北京：北京師范大學出版社，1988：8．

[28] 張澤治，李曉梅，黃建勇．中小學人工智能課程建設的區(qū)域探索[J]．中小學管理，2024，（01）：39-41．

來源 | 《中國科技教育》2024-07，文章編輯：畢晨輝

編輯、排版 | 孟想