中小學(xué)人工智能課程開(kāi)設(shè)情況的影響因素分析

張慧華 徐 力

人工智能技術(shù)一直受到人們密切地關(guān)注，它已經(jīng)融入了現(xiàn)代社會(huì)中的各行各業(yè)，成為推動(dòng)當(dāng)今時(shí)代發(fā)展的重要力量。人工智能教育也在迅速發(fā)展，成為教育領(lǐng)域重點(diǎn)研究和發(fā)展的主題[1]。國(guó)務(wù)院在2017年7月20日發(fā)布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出“實(shí)施全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育，鼓勵(lì)社會(huì)力量參與寓教于樂(lè)的編程教學(xué)軟件、游戲的開(kāi)發(fā)和推廣”[2]，從而進(jìn)一步鼓勵(lì)中小學(xué)開(kāi)設(shè)人工智能課程。隨之，中小學(xué)人工智能課程受到推廣和重視，一些學(xué)校已陸續(xù)開(kāi)設(shè)了人工智能相關(guān)課程。同時(shí)，如何促進(jìn)中小學(xué)開(kāi)設(shè)人工智能課程成為人工智能教育領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。由此，本研究對(duì)人工智能課程開(kāi)設(shè)情況的影響因素進(jìn)行分析研究，建立影響因素間的解釋結(jié)構(gòu)模型，在此基礎(chǔ)上提出促進(jìn)中小學(xué)人工智能課程開(kāi)設(shè)的幾點(diǎn)建議。

一、研究設(shè)計(jì)

本研究采用隨機(jī)抽樣的方式，在《中國(guó)現(xiàn)代教育裝備》雜志的幫助下，對(duì)全國(guó)范圍的中小學(xué)進(jìn)行調(diào)查研究，抽取的省市包括：北京、江蘇、河南、河北、山東、四川、安徽、甘肅及廣州、鄂爾多斯等10個(gè)不同類別的行政區(qū)域，訪談對(duì)象為這些區(qū)域內(nèi)中小學(xué)教學(xué)工作者102位，其中包括信息技術(shù)教師50位、其他學(xué)科教師13位、行政人員7位、管理人員32位。

本研究采用自編訪談提綱對(duì)訪談對(duì)象進(jìn)行半結(jié)構(gòu)化訪談。訪談提綱是由研究小組內(nèi)多次討論制訂的，包含4個(gè)問(wèn)題：(1)您了解國(guó)家對(duì)中小學(xué)開(kāi)設(shè)人工智能課程的文件和精神嗎，您怎么看待這個(gè)問(wèn)題？(2)您認(rèn)為在中小學(xué)開(kāi)設(shè)人工智能課程具備條件嗎？應(yīng)該具備什么條件？(3)如果貴校已經(jīng)開(kāi)設(shè)了人工智能課程，具體是怎么開(kāi)設(shè)的？如果沒(méi)有開(kāi)設(shè)而計(jì)劃開(kāi)設(shè)，您認(rèn)為這門(mén)課程應(yīng)注意在哪些方面對(duì)學(xué)生進(jìn)行培養(yǎng)和教育？(4)請(qǐng)談一下您對(duì)人工智能及其課程的理解。

二、內(nèi)容分析法

采用內(nèi)容分析法是對(duì)訪談的錄音進(jìn)行轉(zhuǎn)文之后，對(duì)這些文本內(nèi)容進(jìn)行編碼[3]，即對(duì)訪談資料反復(fù)通讀，從中提取與人工智能課程開(kāi)設(shè)情況相關(guān)的影響因素。編碼的過(guò)程為：由3個(gè)研究人員進(jìn)行獨(dú)立編碼之后，將各自編碼結(jié)果進(jìn)行匯總，經(jīng)過(guò)小組內(nèi)討論后，對(duì)影響因素進(jìn)行篩選、修改，最終使編碼員之間意見(jiàn)達(dá)成一致。例如，針對(duì)下面兩段訪談資料進(jìn)行分析。

(1)我感覺(jué)就我們學(xué)校來(lái)說(shuō)是可以開(kāi)展的，但是開(kāi)展起來(lái)比較困難。主要的困難在于師資力量，在學(xué)校里面從事這方面的教師比較少。另外就是硬件設(shè)施不具備。但是我覺(jué)得如果學(xué)校重視這件事情的話，我們從這些方面來(lái)起步的話還是慢慢可以開(kāi)展的。

(2)目前我們學(xué)校開(kāi)設(shè)人工智能的條件是不具備的，我覺(jué)得現(xiàn)在急需具備的條件就是教師，如果不能給我們的信息技術(shù)教師進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)的話，那就應(yīng)該給我們派高層次的教師，能夠勝任這項(xiàng)工作。接下來(lái)，硬件軟件的設(shè)施我覺(jué)得都好解決，錢(qián)的問(wèn)題不是問(wèn)題，對(duì)于東勝校區(qū)，我是這么想的，所以我覺(jué)得這個(gè)教師很重要。

編碼的具體過(guò)程為：從第(1)段中提煉出“師資力量”“硬件設(shè)備”“學(xué)校重視程度”這3個(gè)影響因素，其中“硬件設(shè)備”和之后的“軟件設(shè)備”一起歸為“教學(xué)設(shè)備配置”因素中；第(2)段中“師資力量”“教學(xué)設(shè)備配置”這兩個(gè)因素又被提到，出現(xiàn)了新的影響因素“教師培訓(xùn)”“錢(qián)的問(wèn)題”，并將“錢(qián)的問(wèn)題”納入了“學(xué)校資金投入”這一類中。

本研究最終確定了20個(gè)影響因素，具體為：(1)教學(xué)設(shè)備配置；(2)教師培訓(xùn)；(3)師資力量；(4)教師的專業(yè)能力；(5)學(xué)校的重視程度；(6)學(xué)校的經(jīng)濟(jì)實(shí)力；(7)政府支持；(8)學(xué)校資金投入；(9)教師對(duì)相關(guān)文件的了解程度；(10)教師對(duì)人工智能課程作用的意識(shí)和態(tài)度；(11)學(xué)生的興趣；(12)評(píng)價(jià)機(jī)制；(13)時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)的帶動(dòng)；(14)學(xué)生未來(lái)發(fā)展需求；(15)學(xué)生的相關(guān)知識(shí)水平；(16)課程類型的定位；(17)教學(xué)場(chǎng)地；(18)課時(shí)問(wèn)題；(19)考試方式；(20)學(xué)生的接受能力、適應(yīng)性。

三、解釋結(jié)構(gòu)模型法分析

解釋結(jié)構(gòu)模型(簡(jiǎn)稱ISM)是1973年由美國(guó)的J?Warf i eld教授開(kāi)發(fā)的，其核心功能是對(duì)系統(tǒng)要素間的關(guān)系(尤其是因果關(guān)系)進(jìn)行層次化處理，最終形成具有多級(jí)遞階關(guān)系和解釋功能的結(jié)構(gòu)模型。ISM分析法基本程序?yàn)椋?1)設(shè)定問(wèn)題；(2)找出問(wèn)題影響因素；(3)列舉各個(gè)因素的邏輯關(guān)系；(4)建立鄰接矩陣和可達(dá)矩陣；(5)矩陣層次化處理；(6)作出多級(jí)遞階有向圖；(7)建立解釋結(jié)構(gòu)模型[4]。本研究利用解釋結(jié)構(gòu)模型的工作原理對(duì)各影響因素之間的關(guān)系進(jìn)行分析。

1.分析各個(gè)影響因素相互關(guān)系，建立鄰接矩陣

成立ISM分析小組，對(duì)20個(gè)影響因素(用e1至e20表示)的相互關(guān)系進(jìn)行討論，依據(jù)組內(nèi)分析者的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和主觀意識(shí)判斷而確定，最終確定了因素之間的邏輯關(guān)系，形成關(guān)系圖。根據(jù)關(guān)系圖得到鄰接矩陣A(如圖1所示)。鄰接矩陣A中元素記為aij，其中：

圖1 鄰接矩陣

2.求解影響因素的可達(dá)矩陣

可達(dá)矩陣的定義為：將鄰接矩陣A加上單位矩陣I，然后用布爾代數(shù)規(guī)則(0+0=0，0+1=1，1+1=1；0×0=0，0×1=0，1×1=1)進(jìn)行乘方運(yùn)算，直到兩個(gè)相鄰冪次方的矩陣相等為止，相等的矩陣中冪次最低的矩陣即為可達(dá)性矩陣。由于本研究的影響因素較多，計(jì)算過(guò)程較為煩瑣，因而借用C語(yǔ)言編譯的ISM運(yùn)算程序進(jìn)行輔助計(jì)算，得到可達(dá)矩陣B = (A+I)2= (A+I)3，如圖2所示。

圖2 可達(dá)矩陣

3.對(duì)可達(dá)矩陣進(jìn)行層級(jí)劃分

可達(dá)矩陣的層級(jí)劃分方法為：根據(jù)可達(dá)矩陣求解可達(dá)集R(ni)和先行集M(ni)，其中可達(dá)集R(ni)由可達(dá)矩陣行的元素為1的列所對(duì)應(yīng)的元素組成，先行集M(ni)由可達(dá)矩陣列的元素為1的行所對(duì)應(yīng)的元素組成；當(dāng)元素ni為滿足M(ni)=M(ni)∩R(ni)時(shí)，就可確定為最底一級(jí)要素；然后將可達(dá)矩陣中相應(yīng)的行和列劃去，接著從余下的可達(dá)矩陣中通過(guò)上述方式尋找新的最底層要素；以此類推[5]。

按照上述方法，可將中小學(xué)人工智能課程開(kāi)設(shè)情況的影響因素集描述為遞升的層次結(jié)構(gòu)，共有7級(jí)：L1={e6，e7，e9，e10，e12，e13，e15，e18}，L2={e11，e14}，L3={e5，e20}，L4={e8，e16}，L5={e1，e2，e17，e19}，L6={e4}，L7={e3}。將各影響因素按層級(jí)進(jìn)行排列，并依據(jù)各因素的相互關(guān)系，建立系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)模型(如圖3所示)，圖3中將各因素以ei的形式呈現(xiàn)，其中將“中小學(xué)人工智能課程開(kāi)設(shè)情況”視為因素“e0”。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

4.建立解釋結(jié)構(gòu)模型并進(jìn)行分析

將圖3中的序號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的影響因素，可得到本研究的影響因素的解釋結(jié)構(gòu)模型(如圖4所示)。

根據(jù)模型結(jié)果可以看出，通過(guò)全國(guó)范圍的抽樣調(diào)查發(fā)現(xiàn)的中小學(xué)人工智能課程開(kāi)設(shè)的影響因素可以分為七層。自下而上的箭頭表示該層級(jí)的因素對(duì)上一層級(jí)因素的直接影響。其中層數(shù)從低到高來(lái)看，其影響因素由宏觀、穩(wěn)定逐漸變得具體、不穩(wěn)定。從模型中可以呈現(xiàn)出導(dǎo)致人工智能課程開(kāi)設(shè)的直接因素是教學(xué)設(shè)備的配置、師資力量、教學(xué)場(chǎng)地、考試方式、課時(shí)問(wèn)題、學(xué)生的接受適應(yīng)能力，其中師資力量受到教師專業(yè)能力的影響，而教師培訓(xùn)可促進(jìn)教師專業(yè)能力的提升，從而間接影響著師資力量；而教學(xué)設(shè)備的配置、教師培訓(xùn)和教學(xué)場(chǎng)地的決定性因素正是學(xué)校的資金投入，考試方式、課時(shí)問(wèn)題的決定因素則是學(xué)校對(duì)人工智能課程類型的定位；學(xué)校資金投入和人工智能課程類型的定位都取決于學(xué)校對(duì)人工智能課程的重視程度，其中學(xué)校的資金投入在很大程度上還受到學(xué)校的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和政府支持的影響；而教師對(duì)相關(guān)政策文件的了解程度、教師對(duì)人工智能課程的態(tài)度和學(xué)生未來(lái)的發(fā)展需求影響著學(xué)校的重視程度，其中學(xué)生未來(lái)的發(fā)展需求是由時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)推動(dòng)的；另外學(xué)生的現(xiàn)有知識(shí)水平和學(xué)生興趣決定了學(xué)生對(duì)這門(mén)課程的接受適應(yīng)能力，而合適的評(píng)價(jià)機(jī)制有利于學(xué)生對(duì)人工智能課程興趣的提升。

圖4 解釋結(jié)構(gòu)模型

四、提出建議

結(jié)合以上分析結(jié)果可知，在整個(gè)影響因素系統(tǒng)中，可分為三條因素鏈，分別為“資金鏈”“課程鏈”“學(xué)生鏈”。其中“資金鏈”包括的因素有學(xué)校經(jīng)濟(jì)實(shí)力、政府支持、教師對(duì)政策文件的了解程度、教師態(tài)度、時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)、學(xué)生未來(lái)發(fā)展需求、學(xué)校的重視程度、學(xué)校資金投入、教學(xué)設(shè)備配置、教師培訓(xùn)、教學(xué)場(chǎng)地、教師職業(yè)能力、師資力量；“課程鏈”包括的因素有教師對(duì)政策文件的了解程度、教師態(tài)度、時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)、學(xué)生未來(lái)發(fā)展需求、學(xué)校的重視程度、課程類型定位、考試方式、課時(shí)問(wèn)題；“學(xué)生鏈”包括的因素有學(xué)生知識(shí)水平、評(píng)價(jià)機(jī)制、學(xué)生興趣、學(xué)生的接受適應(yīng)能力。此外，“資金鏈”和“課程鏈”屬于交叉關(guān)系，其中教師對(duì)政策文件的了解程度、教師態(tài)度、時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)、學(xué)生未來(lái)發(fā)展需求、學(xué)校重視程度這5種因素，既屬于“資金鏈”又屬于“課程鏈”。

從這三條因素鏈的角度出發(fā)，根據(jù)各因素間的關(guān)系對(duì)如何促進(jìn)中小學(xué)人工智能課程的開(kāi)設(shè)提出以下幾點(diǎn)建議。

第一，從“資金鏈”的角度分析可知，學(xué)校的資金投入在整條鏈中起著關(guān)鍵作用，它直接決定了教學(xué)設(shè)備配置、教師培訓(xùn)、教學(xué)場(chǎng)地這三方面的發(fā)展?fàn)顩r，從而決定著人工智能課程的開(kāi)設(shè)情況。因此，要加大學(xué)校對(duì)人工智能課程建設(shè)的資金投入，主要從以下兩方面著手：一方面，呼吁政府以及相關(guān)部門(mén)加大資金支持，緩解學(xué)校的經(jīng)濟(jì)壓力，改善課程建設(shè)的資金狀況；另一方面，增加中小學(xué)人工智能課程的宣傳力度，提高其在素質(zhì)教育中的影響力，引導(dǎo)教師對(duì)人工智能課程態(tài)度的轉(zhuǎn)變，提高教師課程的改革、創(chuàng)新意識(shí)以及對(duì)相關(guān)政策的了解，使其理性客觀的認(rèn)識(shí)人工智能課程，從而提高學(xué)校對(duì)該課程的重視程度，加大人工智能課程建設(shè)的資金投入。

第二，從“課程鏈”的角度分析可知，課程類型的定位決定了該課程的考試方式和課時(shí)問(wèn)題。其中考試方式對(duì)教學(xué)起到相應(yīng)的激勵(lì)、診斷的作用，課時(shí)問(wèn)題也成為保障教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵，兩者直接影響了該課程的開(kāi)設(shè)情況以及之后的課程發(fā)展。因此，進(jìn)行恰當(dāng)?shù)恼n程定位起到至關(guān)重要的作用。可以從以下三方面考慮：首先，加大人工智能教育相關(guān)方面的教師培訓(xùn)，提高教師對(duì)人工智能課程及其相關(guān)政策的了解；其次，鼓勵(lì)教師參與人工智能課程的研究課題，激發(fā)教師的興趣，轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的教學(xué)態(tài)度，從而提高對(duì)人工智能課程的重視程度；最后，學(xué)校應(yīng)時(shí)刻關(guān)注國(guó)際教育發(fā)展趨勢(shì)，順應(yīng)時(shí)代潮流，緊密結(jié)合學(xué)生未來(lái)發(fā)展需求來(lái)正確定位課程類型。

第三，從“學(xué)生鏈”的角度分析可知，提高學(xué)生的接受適應(yīng)能力對(duì)改善人工智能課程開(kāi)設(shè)情況十分關(guān)鍵?？梢詮囊韵聝煞矫婵紤]：一方面結(jié)合學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)水平進(jìn)行教學(xué)，使人工智能知識(shí)普及化、實(shí)用化、具體化，符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，使學(xué)生易于理解和掌握；另一方面，建立合理的評(píng)價(jià)機(jī)制，并聯(lián)系學(xué)生的生活實(shí)際進(jìn)行教學(xué)，激發(fā)和提高學(xué)生對(duì)人工智能學(xué)習(xí)的興趣。

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