中小學(xué)人工智能教育現(xiàn)狀問題與思考

王振強(qiáng)

在黨中央、國務(wù)院關(guān)于發(fā)展人工智能的各項政策的引導(dǎo)下，近年來，人工智能教育呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展之勢。在高等教育領(lǐng)域，高校紛紛設(shè)立人工智能學(xué)院，創(chuàng)設(shè)人工智能專業(yè)。在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域，人工智能教育不僅受到教育行政部門的普遍重視，中小學(xué)校也紛紛引進(jìn)各種人工智能教育項目，開發(fā)課程、教材。眾多科技教育企業(yè)也將其視為自身發(fā)展的機(jī)遇，投入大量資金和人力。

大力發(fā)展人工智能技術(shù)已經(jīng)成為國家戰(zhàn)略，基礎(chǔ)教育的改革與發(fā)展順應(yīng)國家發(fā)展、時代發(fā)展的需要責(zé)無旁貸。青少年是未來社會發(fā)展的生力軍和中堅力量，青少年時期是興趣養(yǎng)成和世界觀形成的關(guān)鍵時期。在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域，研究如何切實有效地開展人工智能教育，提升青少年對人工智能發(fā)展現(xiàn)狀和研究前沿的認(rèn)知水平，更好地適應(yīng)人工智能時代的生活，加深對人工智能所蘊(yùn)含的技術(shù)思想和技術(shù)原理的理解，培養(yǎng)綜合實踐能力和創(chuàng)新精神，激發(fā)對人工智能的興趣，樹立投身人工智能事業(yè)的志向，既是培養(yǎng)新時代創(chuàng)新人才的重要手段，更是國家經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的戰(zhàn)略需要。

中小學(xué)人工智能教育已經(jīng)成為一個熱門的話題，然而如何讓人工智能教育真正落到實地，其中還有許多問題值得深入研究。

人工智能技術(shù)進(jìn)入中小學(xué)，一方面可以作為教育、教學(xué)和學(xué)生學(xué)習(xí)的工具，另一方面可以作為學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)容。以下主要討論作為學(xué)習(xí)內(nèi)容方面的問題。

一、我國中小學(xué)人工智能教育現(xiàn)狀

1.國家課程

有關(guān)中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程的要求出現(xiàn)在政府文件中，始于2017年國務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，但其作為高中信息技術(shù)學(xué)科選修模塊教學(xué)內(nèi)容早在2003年就已正式寫入教育部頒布的《普通高中課程方案(實驗)》。由于當(dāng)時技術(shù)發(fā)展水平和普及程度不高，師資條件欠缺明顯，課程內(nèi)容設(shè)置不夠合理等多種原因，高中信息技術(shù)人工智能選修模塊在全國范圍內(nèi)開設(shè)狀況不佳。在《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中，人工智能相關(guān)內(nèi)容不僅在選擇性必修模塊內(nèi)專門設(shè)置，在必修模塊中也有所涉及。因此，人工智能作為高中信息技術(shù)國家課程的組成部分，已是既定事實，因此，研究如何在中學(xué)開設(shè)人工智能相關(guān)課程，必然涉及其與信息技術(shù)課程的關(guān)系。

信息技術(shù)課程是教育信息化建設(shè)的主要內(nèi)容之一，也是信息技術(shù)與教學(xué)應(yīng)用深度結(jié)合的基本保障。人工智能課程與信息技術(shù)課程內(nèi)容高度重疊。大部分信息技術(shù)課程教學(xué)內(nèi)容是人工智能課程內(nèi)容的基礎(chǔ)。以經(jīng)過調(diào)整、完善、優(yōu)化的信息技術(shù)課程作為人工智能課程的主要部分，被廣大一線教師和教研人員所認(rèn)同，也是讓人工智能教育面向全體學(xué)生的可行和有效途徑。

我國中小學(xué)信息技術(shù)教育始于20世紀(jì)80年代初，迄今已有將近40年的歷史，大致可以分成三個階段：計算機(jī)教育的實驗階段(1982—1990年)、計算機(jī)課程的形成與發(fā)展階段(1991—1999年)、信息技術(shù)課程全面發(fā)展階段(2000年至今)。

早期計算機(jī)教育的內(nèi)容以程序設(shè)計為主，教育目標(biāo)定位在普及計算機(jī)文化。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)功能的增加，以及日常生活和學(xué)校各學(xué)科教育需求的變化，信息技術(shù)教育目標(biāo)逐步發(fā)展到計算機(jī)應(yīng)用意識與能力以及信息素養(yǎng)的培養(yǎng)，信息技術(shù)課程的綜合性、工具性、人文性得到充分體現(xiàn)。信息技術(shù)教育內(nèi)容曾經(jīng)一度以計算機(jī)基本操作和應(yīng)用計算機(jī)軟件解決學(xué)生日常生活和學(xué)習(xí)中的常見問題為主。近五年時間里，以計算思維培養(yǎng)為代表的新課程理念逐漸得到廣泛認(rèn)可，信息技術(shù)課程的學(xué)科專業(yè)性再次受到重視。

2003年《普通高中課程方案(實驗)》將“人工智能初步”作為選修模塊直接納入高中課程，與“多媒體技術(shù)應(yīng)用”“網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用”“數(shù)據(jù)管理技術(shù)”“算法與程序設(shè)計”并列為高中信息技術(shù)課程的五個選修模塊。在經(jīng)教育部審定的五套全國發(fā)行的高中信息技術(shù)教材中，均包括“人工智能初步”選修模塊教材。《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》在原課程標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了大幅修訂，依據(jù)信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會責(zé)任四個學(xué)科核心素養(yǎng)，以及數(shù)據(jù)、算法、信息系統(tǒng)、信息社會四個學(xué)科大概念，對課程目標(biāo)、課程結(jié)構(gòu)、教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新架構(gòu)。在人工智能技術(shù)領(lǐng)域，不僅保留了“人工智能初步”選修模塊，在必修模塊中也增加了與人工智能相關(guān)的內(nèi)容。

2.校本課程和校內(nèi)教育活動

在學(xué)校開展的各類教育教學(xué)活動中，有些與人工智能技術(shù)聯(lián)系緊密，有些僅在內(nèi)容上有少許關(guān)聯(lián)，但目標(biāo)、形式上差距較大。由于人們對人工智能教育的內(nèi)涵、外延沒有清晰、統(tǒng)一的認(rèn)識，難以嚴(yán)格、準(zhǔn)確地描述這些活動與人工智能的確切關(guān)系。

(1)以“人工智能教育”命名的相關(guān)教育活動

2017年7月，國務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》對基礎(chǔ)教育提出了“實施全民智能教育項目，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”的要求。2018年4月，教育部印發(fā)《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計劃》，進(jìn)一步明確要“構(gòu)建人工智能多層次教育體系，在中小學(xué)階段引入人工智能普及教育”。兩個文件極大地推動了以人工智能相關(guān)課程為代表的人工智能教育在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的開展。2018年成為中小學(xué)人工智能教育爆發(fā)式增長的重要一年。

以中小學(xué)人工智能教材為例，據(jù)不完全統(tǒng)計，2018年全國范圍內(nèi)推出了十幾種中小學(xué)人工智能相關(guān)的課程、教程或教材。這些課程和教材開發(fā)思路各有不同，也各具特色。就使用對象而言，有的面向全學(xué)段，覆蓋幼兒園、小學(xué)、中學(xué)到職業(yè)教育，有的專門針對初中或高中某一階段；就開發(fā)思路而言，有的注重與科學(xué)、信息技術(shù)國家課程的銜接，有的主要圍繞技術(shù)路線、突出實踐活動；就內(nèi)容上而言，有的以大數(shù)據(jù)為核心內(nèi)容，有的側(cè)重編程，有的重點突出某一項或某幾項人工智能的技術(shù)體驗。此外，還有部分教材專門針對校外教育機(jī)構(gòu)或定位于家庭教育。這些有益的前期探索提供了寶貴的經(jīng)驗，有效推動了中小學(xué)人工智能教育的發(fā)展。但是，這類人工智能教育教學(xué)活動以何種具體形態(tài)在學(xué)校中有效落實，各地的做法差異較大。

(2)以“機(jī)器人教育”命名的相關(guān)教育活動

2000年前后，隨著教育部在全國中小學(xué)普及信息技術(shù)教育、開設(shè)信息技術(shù)必修課、實施校校通工程，“教育機(jī)器人”進(jìn)入國內(nèi)中小學(xué)。學(xué)習(xí)內(nèi)容包括機(jī)器人結(jié)構(gòu)搭建、傳感器應(yīng)用、程序編制、創(chuàng)意項目設(shè)計等。機(jī)器人結(jié)構(gòu)、外形主要分為以“樂高”為代表的插接積木式，以“能力風(fēng)暴”為代表的固定外形式，以及后來衍生出的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)件組合式等。學(xué)校的機(jī)器人課程多是配合各類相關(guān)競賽活動，以課外興趣小組、學(xué)生社團(tuán)等形式開展。以教育機(jī)器人為載體開展人工智能教育是目前較為廣泛流行的做法，但也有專家認(rèn)為，現(xiàn)在學(xué)校里常見的教育機(jī)器人難以承載人工智能技術(shù)的核心內(nèi)容。

(3)以“STEM教育”命名的相關(guān)教育活動

STEM教育重點是加強(qiáng)對學(xué)生四個方面的教育：一是科學(xué)素養(yǎng)，即運(yùn)用科學(xué)知識(如物理、化學(xué)、生物科學(xué)和地球空間科學(xué))理解自然界并參與影響自然界的過程；二是技術(shù)素養(yǎng)，即使用、管理、理解和評價技術(shù)的能力；三是工程素養(yǎng)，即對技術(shù)工程設(shè)計與開發(fā)過程的理解；四是數(shù)學(xué)素養(yǎng)，即學(xué)生發(fā)現(xiàn)、表達(dá)、解釋和解決多種情境下的數(shù)學(xué)問題的能力。STEM教育在發(fā)展中又逐漸增加了藝術(shù)、人文等素養(yǎng)。學(xué)校的STEM教育形式多樣，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

(4)以“創(chuàng)客教育”命名的相關(guān)教育活動

創(chuàng)客一詞源于英文Maker。創(chuàng)客是熱衷于創(chuàng)意、設(shè)計、制造的個人設(shè)計制造群體，包括軟件開發(fā)者、藝術(shù)家、設(shè)計師等諸多領(lǐng)域的代表，創(chuàng)客(Maker)以用戶創(chuàng)新為核心理念，是面向知識社會的創(chuàng)新2.0模式在設(shè)計與制造領(lǐng)域的典型體現(xiàn)。創(chuàng)客教育(Maker Education)是一種融合信息技術(shù)，以“在創(chuàng)造中學(xué)習(xí)”為主要學(xué)習(xí)方式和以培養(yǎng)各類創(chuàng)新型人才為目的的新型教育模式。創(chuàng)客教育活動一般以某種電腦開源硬件(如Arduino，Micro:bit，掌控板，樹莓派等)為平臺，進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計、作品開發(fā)。創(chuàng)客教育活動為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力提供了有效路徑。

3.相關(guān)學(xué)科競賽活動

各類相關(guān)學(xué)科競賽是與信息技術(shù)課程的發(fā)展同步進(jìn)行的。從20世紀(jì)80年代開始，在全國范圍內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了“中小學(xué)生計算機(jī)程序設(shè)計大賽”“信息學(xué)奧林匹克競賽”“全國少兒計算機(jī)考試(簡稱‘少兒NIT’)”。2000年教育部開始舉辦“全國中小學(xué)電腦制作活動”，其后，一些知名企業(yè)與政府部門或行業(yè)協(xié)會，相繼組織了如“全國中小學(xué)信息技術(shù)創(chuàng)新與實踐活動(NOC)”等各類與信息技術(shù)教育相關(guān)的計算機(jī)、機(jī)器人或科技創(chuàng)新競賽活動。這些活動在很大程度上促進(jìn)了信息技術(shù)教育的普及和提高，也為人工智能教育的開展提供了空間。

4.校外培訓(xùn)機(jī)構(gòu)開展的相關(guān)教育活動

2017年以后，受政策影響，以編程、機(jī)器人、創(chuàng)客、STEM、無人機(jī)、人工智能為主題的各類校外培訓(xùn)機(jī)構(gòu)紛紛涌現(xiàn)，招生范圍從幼兒園直到高中階段，教學(xué)內(nèi)容豐富、形式多樣。這些教育機(jī)構(gòu)推出的相關(guān)課程，豐富了學(xué)生校外教育資源，為學(xué)生的個性化發(fā)展提供了一定空間，也為學(xué)校教育提供了可供參考的新思路，但是也存在著教學(xué)質(zhì)量良莠不齊、教學(xué)內(nèi)容雜亂無序等問題，在一定程度上有可能加重學(xué)生的學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)。

二、人工智能教育的問題和挑戰(zhàn)

從最近各種機(jī)構(gòu)已出版教材，以及各種人工智能主題研討會、論壇中發(fā)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績的同時，也存在很多問題。

1.頂層設(shè)計問題

人工智能技術(shù)包含內(nèi)容廣泛，至今沒有統(tǒng)一的原理或范式指導(dǎo)人工智能研究，在許多問題上研究者都存在爭論。無論在高等教育還是在基礎(chǔ)教育階段，人工智能專業(yè)、人工智能課程目前還處于發(fā)展初期，內(nèi)容框架、知識體系尚未建立。

在高校現(xiàn)有的學(xué)科體系下，人工智能關(guān)鍵技術(shù)—計算機(jī)圖形學(xué)、機(jī)器學(xué)習(xí)、自然語言處理、語音識別，大多是在計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、軟件工程、電子與通信工程等一級學(xué)科中學(xué)習(xí)，人工智能尚未形成自己獨(dú)特的課程體系，人工智能專業(yè)課程存在著高開低走、碎片化、低水平重復(fù)的問題。而隨著國內(nèi)各高校紛紛設(shè)立人工智能學(xué)院或?qū)I(yè)，人工智能一級學(xué)科的建設(shè)正在逐步推進(jìn)完善中。

人工智能核心概念沒有清晰的界定。在基礎(chǔ)教育階段，這個問題尤其突出。因為對人工智能概念認(rèn)識不清，有些教育行政部門領(lǐng)導(dǎo)甚至教育專家，將人工智能技術(shù)與程序設(shè)計混為一談，有的將教育機(jī)器人活動項目等同于人工智能教育。有些教材的內(nèi)容安排與已實施多年的信息技術(shù)學(xué)科課程、創(chuàng)客活動、機(jī)器人活動無明顯區(qū)別，只在名義上冠以人工智能課程，有名無實。

人工智能技術(shù)在近年得到快速發(fā)展，得益于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)的發(fā)展，與信息與計算科學(xué)、網(wǎng)絡(luò)通信、感測技術(shù)、自動控制技術(shù)等基礎(chǔ)性學(xué)科的發(fā)展緊密相關(guān)，是現(xiàn)代信息科技發(fā)展高層次集中的體現(xiàn)。脫離其他相關(guān)技術(shù)的支持，人工智能技術(shù)的發(fā)展將失去根基；但若將人工智能技術(shù)外延擴(kuò)展到所有相關(guān)領(lǐng)域，人工智能技術(shù)又將失去發(fā)展主攻方向。

作為學(xué)習(xí)內(nèi)容，人工智能教育與現(xiàn)有的信息技術(shù)教育、編程教育、智能機(jī)器人教育、STEM教育、創(chuàng)客教育等概念的關(guān)系同樣需要進(jìn)行討論、深究。在各個學(xué)段，學(xué)生需要學(xué)什么？這些內(nèi)容之間是什么關(guān)系？人工智能相關(guān)課程應(yīng)該以怎樣的形態(tài)存在？這些問題都需要在頂層進(jìn)行設(shè)計。

2.教學(xué)方式問題

人工智能在研究領(lǐng)域尚有許多不確定的問題，在教學(xué)方式上自然無法得到統(tǒng)一。人工智能技術(shù)中的許多代表性內(nèi)容，如模式識別、知識表示、智能搜索、推理、規(guī)劃、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、自然語言處理等，技術(shù)核心均是采用以“大數(shù)據(jù)+深度學(xué)習(xí)”為標(biāo)識的人工智能算法，但這些算法深奧晦澀，需要學(xué)生具備深厚的知識基礎(chǔ)和能力儲備才能理解；在基礎(chǔ)教育階段，如何將人工智能技術(shù)的工作過程可視化，讓學(xué)生把“黑匣子”打開，看到其中究竟，不是一朝一夕可以解決的。

縱觀當(dāng)前有些學(xué)校、機(jī)構(gòu)的做法，有些是將大學(xué)的教學(xué)方式照搬到中小學(xué)，各種復(fù)雜的公式、生澀的概念滿堂硬灌，課堂毫無趣味，學(xué)生如聽天書；有的則完全相反，教學(xué)內(nèi)容只關(guān)注應(yīng)用、體驗，完全不涉及人工智能技術(shù)的基本原理、思想、方法，課堂反響強(qiáng)烈，學(xué)生收獲寥寥。

3.夸大宣傳問題

有的教材在各自的宣傳中聲稱國內(nèi)、國際“第一套”。而實際上，人工智能課程早在2003年就被確定為高中信息技術(shù)選修模塊，五套全國發(fā)行的高中信息技術(shù)學(xué)科教材中都有人工智能分冊。

有些機(jī)構(gòu)考慮不到人工智能技術(shù)在歷史發(fā)展進(jìn)程中所經(jīng)歷的曲折坎坷事實，盲目樂觀，過度夸大宣傳，給大眾造成誤導(dǎo)。有些單位為博領(lǐng)導(dǎo)和公眾眼球，盲目引進(jìn)一些并不成熟的技術(shù)，或者與人工智能毫不相關(guān)的產(chǎn)品，無疑將會造成巨大的教育資源浪費(fèi)。

其中,B1(nV×1),B2(nI×1)分別為輸入電壓和輸入電流;A為關(guān)聯(lián)矩陣且具有0,1,-1元素。

4.師資問題

師資隊伍建設(shè)是人工智能相關(guān)課程發(fā)展的核心問題。中小學(xué)信息技術(shù)教師將成為承擔(dān)人工智能課程教學(xué)任務(wù)的主體，他們在學(xué)校日常工作中承擔(dān)了大量事務(wù)性和技術(shù)服務(wù)性工作，教學(xué)只是他們的“副業(yè)”，業(yè)務(wù)學(xué)習(xí)時間和精力不夠，工作成就感不強(qiáng)，隊伍不穩(wěn)定。人工智能處在信息科技發(fā)展的最前沿，一線教師普遍沒有接受過專業(yè)培訓(xùn)，需要投入大量時間和精力進(jìn)行學(xué)習(xí)，而相關(guān)的學(xué)習(xí)資源、教學(xué)案例又極匱乏，教師從事相關(guān)內(nèi)容教學(xué)困難重重。

5.裝備問題

人工智能課程的順利開展，需要必要教學(xué)裝備的支持。人工智能課程需要什么樣的裝備，如何才能提高人工智能教育裝備性價比，有許多問題還需要深入研究。目前中小學(xué)信息技術(shù)必修課教學(xué)環(huán)境尚不能滿足教學(xué)需求，設(shè)備更新跟不上，學(xué)校人工智能實驗室和相關(guān)設(shè)備配備幾乎還是空白。

6.課時問題

信息技術(shù)課程作為一門國家課程，在學(xué)校課程體系中始終沒有得到充分重視，課時數(shù)量少且不能得到保障，是其教育價值沒有得到充分發(fā)揮的重要原因。部分地區(qū)中學(xué)因英語學(xué)科口語考試，為滿足備考、測試、考場封閉、監(jiān)考、數(shù)據(jù)留存等考試要求的機(jī)房改造給信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)造成障礙，大量信息技術(shù)課時被擠占。

在課程方案3學(xué)分、54課時的安排下，高中階段課程標(biāo)準(zhǔn)對必修模塊的要求根本無法達(dá)到，課程方案與課程標(biāo)準(zhǔn)之間存在明顯矛盾，人工智能選修模塊開設(shè)毫無保障。

在當(dāng)前中小學(xué)學(xué)生負(fù)擔(dān)不斷加重的現(xiàn)實情況下，想從國家課程中，尤其傳統(tǒng)考試學(xué)科中搶得課時完全沒有可能，從地方、校本課程中安排課時，又要受各種條件、學(xué)校特色發(fā)展思路限制，無法做到全面普及。

7.部門機(jī)制協(xié)調(diào)問題

人工智能教育得到穩(wěn)步、長遠(yuǎn)的發(fā)展，需要教育領(lǐng)域各部門之間，乃至社會各界之間的廣泛協(xié)調(diào)、步調(diào)一致、形成機(jī)制。

另一方面，以學(xué)生視力下降、學(xué)生家長“被作業(yè)”等為由，禁止手機(jī)、平板電腦進(jìn)入課堂，限制PowerPoint、大屏幕顯示器使用，2018年一些行政部門出臺的文件、舉措，各級代表、委員的呼聲，也在教育信息化發(fā)展、人工智能賦能教育新時代的春風(fēng)中裹挾了一絲寒意。

以上這些信息技術(shù)課程發(fā)展過程中遇到的障礙、阻力、困難，人工智能教育同樣會遇到。如何克服這些障礙，形成合力，是人工智能教育能否順利實施的重要因素。

三、關(guān)于中小學(xué)人工智能教育的思考

教育是一個“長線工程”，有著自身的規(guī)律?！皳専狳c”“搶先機(jī)”“搶先手”只是一時之舉，不能解決教育的根本問題。人工智能教育中的諸多問題需要經(jīng)過長期不懈的研究、探索和實踐才能得到解決。如何持續(xù)有效推進(jìn)人工智能教育？在工作思路上，是否應(yīng)該多調(diào)研和總結(jié)前人的經(jīng)驗？是否應(yīng)該將更多時間和精力放在查找和解決實際問題上？是否應(yīng)該在“下先手棋”的同時，也別忘記補(bǔ)強(qiáng)自己的弱棋？這些問題需要每一位教育工作者深入思考。