中小学人工智能教育：学什么，怎么教
作者：方圆媛 黄旭光
来源：《中国电化教育》2020年第10期
大学编程课是学什么的
        摘要：2018年5月，美国人工智能促进协会联合美国计算机科学教师协会和卡耐基梅隆大学计算机科学学院启动了美国K-12人工智能教育行动（AI4K12），制定了K-12人工智能教学指南，开发了教学资源目录。K-12人工智能教学指南构建了包含5个知识主题的内容框架，设计了各主题的学习内容，按学段制定了分级学习目标，并提供了教学活动建议。教学资源目录汇集了已有的各种高质量人工智能科普资源，并依据教学功能进行了梳理、分类和标注。作为美国基础教育领域开展人工智能教育的第一个专业行动，AI4K12为我国中小学人工智能教育的开展提供了诸多启示，包括：进一步完善中小学信息技术课程标准中有关人工智能部分的标准，在现有基础上扩展修习学段，丰富课程内容，深化课程层次;依据AI教学目标和AI知识内容特点，选择并设计教学活动和策略，进一步加强AI教学策略的研究，通过利用现有AI科普资源和开发专门教学用资源的方式建设AI教育资源。
        关键词：美国K-12;人工智能;行动
        中图分类号：G434
        文献标识码：A
        一、问题的提出
        （一）中小学阶段开设人工智能教育的国家政策要求
        自上世纪50年代中期人工智能（Arhficial Intelligence，以下简称AI）概念正式提出以来，经过60多年的发展和积淀，伴随着互联网、大数据、云计算和新型传感等技术的发展，人工智能正引发可产生链式反应的科学突破，催生一批颠覆性技术[1]，对人类社会生产与生活的各个方面产生着深刻的影响。
        2017年7月，中共中央、国务院印发《新一代人工智能发展规划》（以下简称“规划”）。作为抢抓人工智能发展重大战略机遇，构筑我国人工智能发展先发优势的重要战略部署，规划提出了到2030年我国新一代人工智能发展的指导思想、战略目标、重点任务和保障措施。在保障措施有关要求中，规划指出“支持开展形式多样的人工智能科普活动” “实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程”[2]。2018年4月，教育部印发《教育信息化2.0行动计划》，在“信息素养全面提升行动”中要求“加强学生信息素养培育……完善课程方案和课程标准，充实适应信息时代、智能时代发展需要的人工智能和编程课程内容”[3]。
        其实在以上两个文件颁布之前，教育部于2003年4月颁布的《普通高中技术课程标准（实验）》中已首次在信息技术课程中设立“人工智能初步”选修模块[4]。在规划发布后，20
18年1月出版的《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》中，则更进一步地将人工智能的内容更充分地融人到信息技术课程中。最新的高中信息技术标准设计了“人工智能初步”（包含人工智能基础、简单智能系统开发、AI技术的发展与应用三部分内容）[5]作为高中课程方案选择性必修模块，明确制定了课程内容和学业标准，并对教学策略提出建议。
        （二）中小学校开展人工智能教育的实践探索
        与形势发展和政策要求相呼应，国内一些城市已有一批教师和专业人员开始了在中小学引入人工智能教育教学的实践探索。根据推动力量的不同，这些实践探索大致可以分为两类，一类是中小学内部，由学校和教师发展起来的实践。这一类实践又可细分为两种。一种是在STEM或创客课程中引人人工智能的内容。比如：北京第二外国语学院附属中学将人工智能的元素和技术引入学校传统的机器人课程以及机器人社团活动中，在机器人设计、编程开发等过程中渗透人工智能知识的学习与动手实践[6];此外，北京景山学校和温州中学也有教师在教学中尝试寻编程、机器人等人工智能技术在科学课程与综合课程中的定位，试图挖掘人工智能技术带给综合课程更大的创造空间[7]。另一种是开设专门的人工智能课程。中国人民大学附属中学开发了人工智能校本课程体系，从面向全体的常规课普及教育，到部分选
修的跨学科实践应用，再到少数的前沿探究，形成人工智能纵向金字塔分层课程体系[8]。此外，人大附中还开设了全国中等教育领域首个人工智能实验班，为实验班研发了“人工智能与关于心智的生物学”等研修课程[9]。北京市海淀区翠微小学、北京市十一学校[10]、华南师范大学附属中学等也开设了人工智能内容的相关课程。
        另一类是中小学外部力量如高校、事业单位、科研院所等推动发展的实践。比如：北京师范大学课程与教学研究院与有关单位合作，通过组建项目团队，研发测评系统及AI教学技术平台，并在全国几十所中小学校开展教学实践探索[11]。中央电化教育馆组织力量研发了中学（包括初中和高中）人工智能课程与配套数字资源，并在全国17个省（市、自治区）组织了22所实验校开展课程教学的实验。
        （三）中小学开展人工智能教育的讨论和疑问
        我国尚未出台人工智能课程的国家标准，现有的信息技术国家课程标准仅涉及了人工智能的部分内容。同时，各地师资水平、软硬件环境条件差别较大，随着实践的开展，围绕中小学开展人工智能教育的讨论和疑问也越来越多，主要包括以下几个方面：第一，在教育目标上，小学、初中和高中学段人工智能教育目标的应然状态是什么，是否要在小学阶段引入
人工智能的内容或开设专门的课程？有人指出，从全国范围看， “中小学对人工智能课程价值的认识有待提高”[12]。第二，在学习内容上，人工智能不仅有着非常专业的理论知识，还涉及数学、生物、控制论、信息学等多个学科领域，并划分为计算机视觉、自然语言处理、数据挖掘等子领域。如何从复杂的知识体系中抽取适合学生学习的内容，并依据课程目标设计不同层次的学习内容？有研究者指出，目前存在“把人工智能课程窄化为编程语言课程”的现象[13];还有人指出，中小学的人工智能教育多为编程教育和机器人教育，编程教育“多停留在指导学生利用程序设计语言完成具体的编程题目。机器人教育，多停留在简单的实体安装层次”， “教材大多属于产品说明书或用户指南类，缺少对学生思维能力培养的科学引导”[14]。第三，在课程设置的方式上，大部分人都提到了开设专门的人工智能课程，也有人通过分析国家课程标准后提出，小学阶段的人工智能技术教学内容可以安排在小学科学课程中，初中阶段的人工智能课程可以在综合实践活动（占初中课时总数的16%-20%）课程中做出适当安排，高中阶段可安排在信息技术和通用技术课程中[15]。第四，在有关资源上，很多人都提到了缺乏专业师资和软硬件资源。在师资方面，有人指出， “我国中小学人工智能相关内容的教学工作以信息技术教师承担为主……很多老师的知识理论储备和计算机操作技能距离专业水平还有一定的差距，专业的人工智能教师比较匮乏”[16];也有人认为， “缺乏具
有知识结构和专业素养的教师来执教……没有接受过专业的培训，难以掌握课程重难点、教学目标不明确，教学经验缺乏”[17]。在教学资源方面，有人提出，“除部分发达地区之外，多数地区还没有与教学相適配的实验室”[18];有人认为“很多中小学教师拿到教材后，由于没有好的经验和做法作为参照，课堂实施存在困难”[19];还有人指出， “人工智能课程不宜采用传统的‘讲授’式教学，更适合应用情境化、基于问题、基于案例的教学模式……有较好价值的中学人工智能教育案例研究的成果很有限”[20]。
        尽管我国各地教育水平不一，在中小学阶段开设人工智能相关课程困难重重，但部分地区已经开始了中小学人工智能教育教学的探索。由于各地、各学校相关的软硬件条件存在差异，课程实施的类型不同，造成质量参差不齐，在课程目标和内容的制定，课程实施策略的使用和课程资源的选择和使用等方面还处于摸索阶段，亟需有价值的借鉴和参考。
        二、美国K-12人工智能教育行动解读
        （一）背景、任务与进展
        在美国国家科学基金会的资助下，2018年5月，美国人工智能促进协会（The Associati
on for theAdvancement ofArtificiallntelligence， AAAIO）联合美国计算机科学教师协会（Computer Science TeachersAssociation，CSTA②）和卡耐基梅隆大学计算机科学学院组成了联合工作组，启动了美国K-12人工智能教育行动（AI for K-12 Initiative，以下简称AI4Kl2）[21]。该行动有三项任务。第一是为在K-12阶段开展人工智能内容的教学制定国家指南。第二是为K-12教师开发一套精心策划的人工智能资源目录。第三是推动形成K-12 AI资源的开发社区。卡耐基梅隆大学教授，美国人工智能领域著名研究者大卫·图雷斯基（David Touretzky）任工作组组长。2019年7月，AAAI在费城发布了K-12人工智能教学指南（K-12 Guidelines for Artificial Intelligence，以下简称指南），设计了基础教育从小学到高中开展人工智能教学的目标与内容。同时发布了AI教学资源目录（AI Resource Directory），目录中提供了包括知识点讲解视频、示范软件和教学活动等类型的资源，以为教师开展教学提供支持。由于这是第一次系统地研究如何在中小学引入AI教学，工作组主要在原有的K-12国家计算机科学课程标准的基础上开展“指南”研制工作，并进行了细致充分的论证。

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