中小学人工智能教育现状问题与思考

中小学人工智能教育现状问题与思考 北京教育科学研究院 王振强 在党中央、国务院关于发展人工智能的各项政策的引导下，近年来，人工智能教育呈现蓬勃发展之势。在高等教育领域，高校纷纷设立人工智能学院，创设人工智能专业。在基础教育领域，人工智能教育不仅受到教育行政部门的普遍重视，中小学校纷纷引进各种人工智能教育项目，开发课程、教材。众多科技教育企业也将其视为自身发展的机遇，投入大量资金、技术和人力。 大力发展人工智能技术已经成为国家战略，基础教育顺应国家发展、时代发展的需要责无旁贷。青少年是未来社会发展的生力军和中坚力量，青少年时期是兴趣养成和世界观形成的关键时期。在基础教育领域，研究如何切实有效地开展人工智能教育，提升青少年对人工智能发展现状和研究前沿的认知水平，更好地适应人工智能时代的生活，加深对人工智能所蕴含的技术思想和技术原理的理解，培养综合实践能力和创新精神，激发对人工智能的兴趣，树立投身人工智能事业的志向，既是培养新时代创新人才的重要手段，更是国家经济社会发展的战略需要。 中小学人工智能教育已经成为一个炙手可热的话题，然而如何让人工智能教育真正落到实地，其中还有许多问题值得深入研究。 人工智能技术进入中小学，一方面可以作为教育、教学和学生学习的工具，另一方面可以作为学生学习的内容。以下主要讨论作为学习内容方面的问题。 一、国内中小学人工智能教育现状 1. 国家课程 在中小学阶段设置人工智能相关课程的要求，出现政府文件中，始于2017年国务院印发的《新一代人工智能发展规划》，但其作为高中信息技术学科选修模块教学内容早在2003年就已正式写入教育颁布的《普通高中技术课程标准（试行）》。由于当时技术发展水平和普及程度不高，师资条件欠缺明显，课程内容设置不够合理等多种原因，高中信息技术人工智能选修模块在全国范围内开设状况不佳。在《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》中，人工智能相关内容不仅在选择性必修模块内专门设置，在必修模块中也有所涉及。因此，人工智能作为高中信息技术国家课程的组成部分，已是既定事实，如何在中学开设人工智能相关课程，必然涉及到其与信息技术课程的关系。 信息技术课程是信息技术教育的重要形式，也是教育信息化建设的主要内容之一，是信 息技术与教学应用深度结合的基本保障。人工智能课程与信息技术课程内容高中重叠。信息技术课程大部分教学内容是人工智能课程内容的基础。以经过调整、完善、优化的信息技术课程作为人工智能相关课程的主要部分，被广大一线教师和教研人员所认同，也是让人工智能教育面向全体学生的可行和有效途径。 我国中小学信息技术教育始于20世纪80年代初，迄今已有约四十年的历史，大致可以分成三个阶段：计算机教育的实验阶段（1982-1990）、计算机课程的形成与发展（1991-1999）、信息技术课程全面发展阶段（2000至今）。 早期计算机教育的内容以程序设计为主，教育目标定位在普及计算机文化。随着信息技术的发展，计算机功能的增加，以及日常生活和学校各学科教育需求的变化，信息技术教育目标逐步发展到计算机应用意识与能力以及信息素养的培养，信息技术课程的综合性、工具性、人文性得到充分体现。信息技术教育内容曾经一度以计算机基本操作和应用计算机软件解决学生日常生活和学习中的常见问题为主。近五年时间里，以计算思维培养为代表的新课程理念逐渐得到广泛认可，信息技术课程的学科专业性再次受到重视。 2003年《普通高中技术课程标准（试行）》将“人工智能初步”作为选修模块直接纳入高中课程，与“多媒体技术应用”、“网络技术应用”、“数据管理技术”并列为高中信息技术课程的五个选修模块。经教育部审定的五套全国发行的高中信息技术教材中，均包括“人工智能初步”选修模块教材。《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》在原课程标准的基础上进行了大幅修订，以信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任四个学科核心素养，以及数据、算法、信息系统、信息社会四个学科大概念，对课程目标、课程结构、教学内容进行重新架构。在人工智能技术领域，不仅保留了“人工智能初步”选修模块，在必修模块中也增加了与人工智能相关的内容。 2. 校本课程和校内教育活动 在学校开展的各类教育教学活动中，有些人工智能技术紧密相关，有些仅在内容上有少许关联，但目标、形式上差距较大。由于人们对人工智能教育的内涵、外延没有清晰、统一的认识，这些活动与人工智能的关系难以严格、准确地描述。 （1）“人工智能教育”命名的相关教育活动 2017年7月，国务院印发的《新一代人工智能发展规划》对基础教育提出了“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，逐步推广编程教育”的要求。2018年4月，教育部印发《高等学校人工智能创新行动计划》，进一步明确要“构建人工智能多层次教育体系，在中小学阶段引入人工智能普及教育”。两个文件极大推动了以人工智能相 关课程为代表的人工智能教育在基础教育领域的开展。2018年成为中小学人工智能教育爆发式增长的重要一年。 仅以中小学人工智能教材为例，据不完全统计，2018年全国范围内推出了十几种中小学人工智能相关的课程、教程或教材。这些课程和教材开发思路各有不同，也各具特色。从使用对象来说，有的面向全学段，覆盖幼儿园、小学、中学到职业教育，有的专门针对初中或高中某一阶段；从开发思路来说，有的注重与科学和信息技术国家课程的衔接，有的主要围绕技术路线突出实践活动；从内容上来说，有的以大数据为核心内容，有的侧重编程，有的重点突出某一项或某几项人工智能的技术体验。此外，还有部分教材专门针对校外教育机构，或定位于家庭教育。这些有益的前期探索提供了宝贵的经验，有效推动了中小学人工智能教育的发展。但是这类人工智能教育教学活动，以何种具体形态在学校中有效落实，各地的做法差异较大。 （2）以“机器人教育”命名的相关教育活动 2000前后，随着教育部在全国中小学普及信息技术教育，开设信息技术必修课、实施校校通工程，“教育机器人”进入国内中小学。学习内容包括机器人结构搭建、传感器应用、程序编制、创意项目设计等。机器人结构、外形主要分为以“乐高”为代表的插接积木式，和以“能力风暴”为代表的固定外形式，以及后来衍生出后的标准结构件组合式等几种。学校的机器人课程多是配合各类相关竞赛活动，以课外兴趣小组、学生社团等形式开展。以教育机器人为载体开展人工智能教育是目前较为广泛流行的做法，但也有专家认为，现在学校里常见的教育机器人难以承载人工智能技术的核心内容。 （3）以“STEM教育”命名的相关教育活动 STEM教育重点是加强对学生四个方面的教育：一是科学素养，即运用科学知识（如物理、化学、生物科学和地球空间科学）理解自然界并参与影响自然界的过程；二是技术素养，也就是使用、管理、理解和评价技术的能力；三是工程素养，即对技术工程设计与开发过程的理解；四是数学素养，也就是学生发现、表达、解释和解决多种情境下的数学问题的能力。STEM在发展中又逐渐增加了艺术、人文等素养。学校的STEM教育形式多样，没有统一的标准。 （4）以“创客教育”命名的相关教育活动 创客一词源于英文Maker。 创客是热衷于创意、设计、制造的个人设计制造群体，包括软件发展者、艺术家、设计师等诸多领域的代表，创客（Maker）以用户创新为核心理念，是面向知识社会的创新2.0模式在设计与制造领域的典型体现。创客教育（Maker Education） 是一种融合信息技术，以“在创造中学习”为主要学习方式和以培养各类创新型人才为目的的新型教育模式。创客教育活动一般以某种电脑开源硬件（如“Arduino”、“Micro:bit”、“掌控板”、“树莓派”等）为平台，进行创意设计、作品开发。创客教育活动为培养学生的创新精力和实践能力提供了有效路径。 3. 相关学科竞赛活动 各类相关学科竞赛是与信息技术课程的发展同步进行的。从八十年代开始，在全国范围内已经出现了“中小学生程序设计大赛”“信息学奥林匹克竞赛”“全国青少年计算机考试（简称少儿NIT）”。2000年教育部开始举办“全国中小学生电脑作品制作活动”，其后，一些知名企业与政府部门或行业协会，相断组织了如“全国中小学信息技术创新与实践活动（简称NOC）”等各类与信息技术教育相关的计算机、机器人或科技创新竞赛活动。这些活动在很大程度上促进了信息技术教育的普及和提高，也为人工智能教育的开展提供了空间。 4. 校外培训机构开展的相关教育活动 2017年以后，受政策影响，以编程、机器人、创客、STEM、无人机、人工智能为主题的各类校外培训机构纷纷涌现，培训对象从幼儿园直到高中阶段，教学内容五花八门。这些教育机构推出的相关课程，丰富了学生校外教育资源，为学生的个性化发展提供了一定空间，也为学校教育提供了可供参考的新思路，但是也存在着教学质量良莠不齐，教学内容杂乱无序等问题，在一定程度上有可能加重学生的学业负担。 二、人工智能教育的问题和挑战 从最近各种机构已出版教材，以及各种人工智能主题研讨会、论坛中发布的人工智能教育成果中，可以看到，人工智能教育在取得成绩的同时，也存在很多问题。 1. 顶层设计问题 人工智能技术包含内容广泛，如今没有统一的原理或范式指导人工智能研究，在许多问题上研究者都存在争论。无论在高等教育还是在基础教育阶段，人工智能专业、人工智能课程目前还处于发展初期，内容框架、知识体系尚未建立。 在高校现有的学科体系下，人工智能相关关键技术——计算机图形学、 机器学习、自然语言处理、语音识别，大多是在计算机应用技术、软件工程、电子通信工程等一级学科中学习，人工智能尚未形成自己独特的课程体系，人工智能专业课程存在着高开低走、碎片化、低水平重复的问题。而随着国内各高校纷纷设立人工智能学院或专业，人工智能一级学科的建设正在逐步推进完善中。