中小學(xué)人工智能教育教什么

——以《深圳市義務(wù)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(xué)教育信息技術(shù)學(xué)院；2. 深圳市致理中學(xué)；3. 溫州市科技高級中學(xué)；*通訊作者）

隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)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(yīng)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(xué)生的人工智能素養(yǎng)是中小學(xué)人工智能教育的核心任務(wù)[1]?！督逃哭k公廳關(guān)于加強中小學(xué)人工智能教育的通知》（教基廳函〔2024〕32號）指出，應(yīng)“穩(wěn)步推進”中小學(xué)人工智能教育普及工作，“探索將人工智能素養(yǎng)納入學(xué)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(xué)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(xué)性，難以全面體現(xiàn)新一代人工智能教育特色，導(dǎo)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(xué)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(wù)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(shè)計我國中小學(xué)人工智能課程內(nèi)容。

中小學(xué)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(xué)人工智能教育頂層設(shè)計文件或指導(dǎo)文件，促進中小學(xué)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(xué)人工智能技術(shù)與素養(yǎng)框架》[5]、中國教育學(xué)會組織編制的《中小學(xué)人工智能課程開發(fā)標準（試行）》[6]，以及華東師范大學(xué)組織制定的《中小學(xué)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(xué)習(xí)、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(xué)段。其中，感知、表示與推理、機器學(xué)習(xí)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(wù)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(yīng)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(xué)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(yīng)是面向全體未來公民的普及性課程，課程應(yīng)讓學(xué)生建立對人工智能的基本認識[7]。在教學(xué)目標方面，均強調(diào)人工智能課程應(yīng)注重知識、能力、態(tài)度的整合，培育學(xué)生適應(yīng)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(shè)計標準不同，導(dǎo)致課程內(nèi)容要求差異較大[10]。例如，《中小學(xué)人工智能技術(shù)與素養(yǎng)框架》要求學(xué)生掌握“人工智能系統(tǒng)設(shè)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(xué)人工智能課程指南》則注重引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)“人工智能基礎(chǔ)”“人工智能概念與歷史”等基礎(chǔ)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(shè)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(yīng)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(xué)段學(xué)生的認知水平匹配度低、科學(xué)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]。基于此，本研究試圖以人工智能素養(yǎng)為導(dǎo)向，結(jié)合新一代人工智能特征及學(xué)生認知規(guī)律，優(yōu)化設(shè)計中小學(xué)人工智能課程內(nèi)容體系。

中小學(xué)人工智能課程內(nèi)容的設(shè)計理念

為有效培養(yǎng)學(xué)生的人工智能素養(yǎng)，中小學(xué)人工智能課程應(yīng)當引導(dǎo)學(xué)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(xué)生人工智能素養(yǎng)要求，系統(tǒng)組織人工智能學(xué)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(xué)生認知規(guī)律等，重構(gòu)具有體系化、時代性和科學(xué)性的中小學(xué)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(wù)教育是一種普惠教育，中小學(xué)人工智能教育需要面向全體學(xué)生，設(shè)置人人應(yīng)學(xué)、人人能學(xué)的基礎(chǔ)性內(nèi)容和活動[14]。同時，為與高中階段、大學(xué)階段的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)做好銜接，中小學(xué)階段的人工智能教育不應(yīng)局限于知識與技能學(xué)習(xí)，還應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生利用人工智能解決問題的思維和方法[15]。因此，我們應(yīng)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(xué)生適應(yīng)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(xué)生人工智能素養(yǎng)的底層邏輯”，中小學(xué)人工智能課程應(yīng)當培養(yǎng)學(xué)生具備相應(yīng)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(xué)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(yīng)用相關(guān)知識；人工智能情感是指學(xué)生對人工智能與人類、人工智能與社會所應(yīng)具備的價值、觀念或態(tài)度；人工智能思維是指學(xué)生在設(shè)計、開發(fā)、測試與優(yōu)化智能交互系統(tǒng)過程中所應(yīng)具備的設(shè)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(xué)科的核心內(nèi)容

作為一門獨立學(xué)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(fù)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(xué)生的人工智能素養(yǎng)，是中小學(xué)人工智能課程內(nèi)容設(shè)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(shè)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(xué)科特色，本研究參考該課程的技術(shù)路線，以及中小學(xué)人工智能課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)綜述結(jié)果，針對性設(shè)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(wù)。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(xué)習(xí)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(chǔ)，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(yù)測和機器學(xué)習(xí)等方式完成不同的任務(wù)。機器學(xué)習(xí)是人工智能研究中最重要的技術(shù)領(lǐng)域，深度學(xué)習(xí)成為新一代人工智能的重要特征[22]?；诖?，中小學(xué)人工智能課程要突出人工智能技術(shù)基礎(chǔ)、機器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)，培育學(xué)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(xué)應(yīng)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(yīng)用有望顯著提升基礎(chǔ)教育的質(zhì)量與效率[24]。因此，中小學(xué)人工智能課程有必要在人工智能教學(xué)的過程中適度融入生成式人工智能技術(shù)的應(yīng)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(yīng)具備的重要技能。作為提升學(xué)生人工智能素養(yǎng)的關(guān)鍵途徑，人工智能課程應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生正確認識與應(yīng)用生成式人工智能技術(shù)，通過實踐教學(xué)幫助學(xué)生了解其使用過程中的潛在風(fēng)險，培養(yǎng)學(xué)生掌握基于生成式人工智能的學(xué)習(xí)技能。將生成式人工智能融入教學(xué)，不僅可以輔助學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能知識，還可以提升學(xué)生的人工智能素養(yǎng)，增強學(xué)生在數(shù)智時代下的自主學(xué)習(xí)與適應(yīng)能力。

科學(xué)進階：遵循學(xué)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(xué)生的身心發(fā)展規(guī)律[27]。在中小學(xué)階段，學(xué)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(xué)人工智能課程設(shè)計需選取具有代表性、啟發(fā)性且與學(xué)生實際生活緊密相連的內(nèi)容作為教學(xué)重點，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能的興趣，增強學(xué)生理論聯(lián)系實踐的能力。此外，針對學(xué)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(xué)人工智能課程需要強調(diào)“做、學(xué)、創(chuàng)”合一，選取豐富的人工智能教育資源支持課程教學(xué)[29]。根據(jù)中小學(xué)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(yīng)用水平可分為體驗級、理解級、應(yīng)用級、綜合級和優(yōu)化級，分別對應(yīng)修訂版布魯姆認知目標分類的不同認知水平。基于此，應(yīng)循序漸進地引導(dǎo)學(xué)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(yīng)用方法，學(xué)會正確評估人工智能應(yīng)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(shè)計了“人工智能概述”“人工智能技術(shù)基礎(chǔ)”“機器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)”“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(yīng)用，讓學(xué)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(yīng)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(chǔ)模塊主要介紹數(shù)據(jù)、算法與算力的基礎(chǔ)知識，以及三者在智能交互系統(tǒng)開發(fā)過程中的基本應(yīng)用方法，讓學(xué)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(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。機器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)模塊系統(tǒng)介紹機器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)的基本概念和一般過程，讓學(xué)生了解常見的機器學(xué)習(xí)算法類型和深度學(xué)習(xí)模型，掌握模型訓(xùn)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(xué)生了解人機交互過程中人應(yīng)該具備的倫理意識和應(yīng)當承擔的責任，認識人工智能技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用可能為社會帶來的公平問題與法律風(fēng)險，引導(dǎo)學(xué)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(xué)人工智能課程體系

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來源 | 《中國科技教育》2024-07，文章編輯：畢晨輝

編輯、排版 | 孟想