人工智能時代中小學(xué)生智能素養(yǎng)框架構(gòu)建及其培養(yǎng)機(jī)制探討

侯賀中 王永固

摘 要：本文首先梳理了國內(nèi)外智能素養(yǎng)和人工智能課程的研究進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上從意識、態(tài)度、知識、技能、思維、創(chuàng)新、倫理等七個維度構(gòu)建了中小學(xué)生智能素養(yǎng)框架，并將其分為初級、中級、高級三個階段，針對不同階段的智能素養(yǎng)做了詳細(xì)的分析和說明，最后從國家、企業(yè)、學(xué)校三個層面提出智能素養(yǎng)培養(yǎng)機(jī)制的構(gòu)建路徑。

關(guān)鍵詞：智能素養(yǎng);人工智能;人工智能課程;中小學(xué)生

中圖分類號：G434文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：2096-0069（2020）06-0050-06

收稿日期：2020-06-08

基金項(xiàng)目：2019年浙江工業(yè)大學(xué)校級科研項(xiàng)目“面向智能經(jīng)濟(jì)的AI+創(chuàng)客空間構(gòu)建與服務(wù)創(chuàng)新”（20190108）

作者簡介：侯賀中（1993— ），男，山東滕州人，碩士研究生，研究方向?yàn)閯?chuàng)客教育、信息技術(shù)教育;王永固（1976— ），男，山東日照人，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閷W(xué)習(xí)科學(xué)與技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)+教育教學(xué)創(chuàng)新。

引言

近年來，隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算以及機(jī)器學(xué)習(xí)算法的發(fā)展，人工智能有了顯著的進(jìn)步。但人工智能的發(fā)展意味著在未來依靠簡單重復(fù)勞動的職業(yè)將被機(jī)器所替代，這勢必會對人才培養(yǎng)和就業(yè)造成影響。為了讓學(xué)生更好地適應(yīng)人工智能時代，學(xué)校有必要開設(shè)人工智能課程培養(yǎng)學(xué)生的智能素養(yǎng)。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》中指出，要“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”[1];2018年4月教育部印發(fā)的《教育信息化2.0行動計(jì)劃》中提到“充實(shí)適應(yīng)信息時代、智能時代發(fā)展需要的人工智能和編程課程內(nèi)容”[2]。國家多次強(qiáng)調(diào)推廣人工智能教育和編程教育足以表明開設(shè)人工智能課程、培養(yǎng)學(xué)生智能素養(yǎng)是發(fā)展人工智能的重要手段。

一、國內(nèi)外智能素養(yǎng)研究進(jìn)展

（一）國內(nèi)智能素養(yǎng)研究進(jìn)展

目前國內(nèi)關(guān)于智能素養(yǎng)的研究并不多，不同學(xué)者對智能素養(yǎng)的概念和構(gòu)成有著不同的理解。汪明認(rèn)為智能素養(yǎng)是確保學(xué)生適應(yīng)并超越人工智能時代的基本素養(yǎng)，基于信息素養(yǎng)，他將智能素養(yǎng)定位為集智能知識、智能能力、智能情意與智能倫理于一體的多維復(fù)合結(jié)構(gòu)體[3]。趙飛龍等人把智能素養(yǎng)看作是科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分，認(rèn)為培養(yǎng)學(xué)生智能素養(yǎng)的核心目標(biāo)在于培養(yǎng)學(xué)生人工智能的鑒賞力、理解力和應(yīng)用力[4]。作為基礎(chǔ)教育人工智能教育的目標(biāo)之一，智能素養(yǎng)逐漸成為人們適應(yīng)人工智能時代基本的綜合素養(yǎng)，對于如何培養(yǎng)智能素養(yǎng)，周邵錦等人將其概括為培養(yǎng)開放包容的智能態(tài)度、迅速掌握各種輕型智能工具、運(yùn)用人工智能學(xué)科思維解決現(xiàn)實(shí)問題三個階段[5]?？梢钥闯稣_的智能態(tài)度、豐富的智能知識、熟練的智能技能是智能素養(yǎng)的重要組成部分。

（二）國外智能素養(yǎng)研究進(jìn)展

人工智能時代的到來讓國外的研究者和教育者也逐漸意識到未來智能素養(yǎng)對于勞動者立足于社會具有重要的意義。龐塞從未來工作崗位要求的角度出發(fā)，將智能素養(yǎng)概括為計(jì)算機(jī)素養(yǎng)、理解力、數(shù)據(jù)處理能力、人工智能問題解決能力、邏輯能力、計(jì)算思維的集合[6]。相對于智能素養(yǎng)這個概念，國外更多地將人工智能時代所必須具備的技能、思維、知識等看作是信息素養(yǎng)的一部分。2019年3月聯(lián)合國教科文組織（UNESCO）發(fā)布了《教育中的人工智能：可持續(xù)發(fā)展的挑戰(zhàn)和機(jī)遇》，其中提到計(jì)算思維已經(jīng)成為學(xué)習(xí)者在人工智能時代必須掌握的關(guān)鍵能力之一，并將其列入數(shù)字化能力框架;萊昂斯等人在21世紀(jì)必須掌握的數(shù)字化技能中提到了計(jì)算思維與編程、人工智能、大數(shù)據(jù)與預(yù)測分析、云計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)等前沿技術(shù)[7]。與國內(nèi)學(xué)者的觀點(diǎn)相比，國外學(xué)者更加看重技能的掌握和思維的形成，注重培養(yǎng)編程能力和計(jì)算思維。

（三）國內(nèi)外人工智能課程解析

1.國內(nèi)人工智能課程解析

2003年我國就在《普通高中技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》中提到了把“人工智能初步”列入信息技術(shù)科目的選修模塊中，最近幾年人工智能教育更加引起教育部門和學(xué)者的重視。2017年，北京市海淀區(qū)率先開設(shè)了人工智能課程，并制定了小學(xué)、初中、高中三級培養(yǎng)目標(biāo)框架和相應(yīng)的課程內(nèi)容[8];2018年4月華東師范大學(xué)聯(lián)合商湯科技編寫出國內(nèi)第一本高中人工智能教材;2018年7月西北師范大學(xué)和科大訊飛共同發(fā)布了全球首本初中版人工智能教材。但是由于缺少統(tǒng)一的人工智能課程標(biāo)準(zhǔn)，學(xué)者們對于人工智能教育的目標(biāo)和內(nèi)容眾說紛紜。王本陸等人結(jié)合人工智能的特點(diǎn)和未來職業(yè)的發(fā)展趨勢，指出創(chuàng)造力、人文素養(yǎng)和計(jì)算思維將成為人工智能時代人才所需的核心能力[9]，但是人工智能的實(shí)現(xiàn)是以編程為基礎(chǔ)的，人工智能教育應(yīng)該更加注重編程能力的培養(yǎng)。陳凱泉等人把人工智能教育目標(biāo)定位于培養(yǎng)學(xué)生的編程能力與計(jì)算思維、讓學(xué)生了解人工智能技術(shù)、能運(yùn)用人工智能解決簡單的實(shí)際問題[10];艾倫同樣認(rèn)為中小學(xué)人工智能教育目標(biāo)應(yīng)該是培養(yǎng)學(xué)生在人工智能程序設(shè)計(jì)方面的技能[11]。在課程內(nèi)容方面，國內(nèi)很多學(xué)者都提議把人工智能課程分為小學(xué)、初中、高中三個層次，讓學(xué)生接受系統(tǒng)的人工智能教育。

2.國外人工智能課程解析

日本自2016年就開始展開人工智能教育，目標(biāo)是幫助兒童建立這個時代需要的“人工智能思維”，對于“人工智能思維”這個概念，斯坦福大學(xué)的蔣里博士認(rèn)為它有三大核心，分別是讓孩子了解、掌握人工智能的基本原理，讓孩子擁有區(qū)分人的智能和人工智能的能力，以及培養(yǎng)孩子與人工智能協(xié)作的能力[12]?？突仿〈髮W(xué)的圖雷茨基（Touretzky）教授曾提出學(xué)生必須知道的五個人工智能大概念：計(jì)算機(jī)利用傳感器感知世界、智能體用模型進(jìn)行推理、計(jì)算機(jī)能從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)、讓智能體與人類舒服地交互是一個大挑戰(zhàn)、人工智能是一把雙刃劍，根據(jù)這五大概念他開發(fā)了人工智能課程，該課程使用Cozmo機(jī)器人來培養(yǎng)學(xué)生的智能素養(yǎng)[13]。而在歐洲，芬蘭、瑞典等國也在大學(xué)的支持下開展面向全民的人工智能教育項(xiàng)目，以此來培養(yǎng)學(xué)生和勞動者的智能素養(yǎng)。

從以上內(nèi)容不難看出，目前各國的人工智能教育均有一定的發(fā)展，對人工智能課程的目標(biāo)和內(nèi)容有不同的看法和理解，但總體來說，課程的內(nèi)容都把培養(yǎng)人工智能態(tài)度和意識、發(fā)展人工智能知識和技能、培養(yǎng)相關(guān)的思維包括在內(nèi)，這也為構(gòu)建智能素養(yǎng)框架提供了思路。

二、智能素養(yǎng)的內(nèi)涵與框架

（一）智能素養(yǎng)的內(nèi)涵

從字面意思來看，智能素養(yǎng)和信息素養(yǎng)一樣是對人提出的要求，而人已經(jīng)具有了智能，因此有學(xué)者認(rèn)為對人提出智能素養(yǎng)或人工智能素養(yǎng)是不準(zhǔn)確的[14]。但是從內(nèi)涵來看，智能素養(yǎng)并不僅僅是要求人具有智能，更重要的是擁有了解智能、應(yīng)用智能、開發(fā)智能的能力。在人工智能時代，人們首先要具有使用人工智能的意識、知曉相關(guān)的倫理道德，之后才能進(jìn)一步學(xué)習(xí)人工智能知識和技能，進(jìn)而產(chǎn)生創(chuàng)新想法，所以在構(gòu)建智能素養(yǎng)時要從多方面全面考慮。

（二）智能素養(yǎng)的框架

從某種程度上來說智能素養(yǎng)與數(shù)據(jù)素養(yǎng)是類似的，本文參考郝媛玲等人提出的數(shù)據(jù)素養(yǎng)基本要素[15]，結(jié)合人工智能時代人才培養(yǎng)的要求以及人工智能課程的內(nèi)容，從智能意識、智能態(tài)度、智能倫理、智能知識、智能技能、智能思維、智能創(chuàng)新等七個維度構(gòu)建了智能素養(yǎng)金字塔模型（如圖1所示）。

第一層是意識態(tài)度層，包括智能意識、智能態(tài)度和智能倫理，這一層是智能素養(yǎng)的基礎(chǔ)，也是人工智能教育的基本要求。在人工智能時代，擁有智能意識是學(xué)生形成正確人工智能觀的前提，智能態(tài)度和智能倫理是學(xué)生正確使用人工智能的保證。

第二層是知識技能層，包括智能知識和智能技能，這一層是智能素養(yǎng)的重要部分，也是人工智能教育的主要內(nèi)容。智能知識包括人工智能的概念、相關(guān)技術(shù)、基本原理、發(fā)展簡史等，智能技能以利用人工智能解決實(shí)際問題、使用編程工具開發(fā)人工智能作品為主。

第三層是核心思維層，主要由以計(jì)算思維為主的多種思維構(gòu)成，這一層是智能素養(yǎng)的核心，也是人工智能教育的核心。計(jì)算思維是應(yīng)用計(jì)算工具來理解、推理自然系統(tǒng)和人工系統(tǒng)的過程，它包括邏輯思考能力、算法思考能力、遞歸思考能力以及抽象思考能力。人工智能的發(fā)展是建立在計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)上的，開發(fā)實(shí)用的人工智能產(chǎn)品離不開良好的計(jì)算思維，所以培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維是發(fā)展智能素養(yǎng)的核心環(huán)節(jié)。

第四層是創(chuàng)新創(chuàng)意層，這一層是智能素養(yǎng)的最高表現(xiàn)形式，是人工智能教育的最終目標(biāo)。人工智能強(qiáng)大的計(jì)算能力和重復(fù)勞動能力決定了未來重復(fù)勞動和依靠人力計(jì)算的崗位將會被人工智能取代，只有那些具有創(chuàng)造性的工作依然由人類掌握，因此培養(yǎng)學(xué)生的智能創(chuàng)新能力就顯得至關(guān)重要。

目前國內(nèi)已有的人工智能課程對不同學(xué)段的學(xué)生有不同的要求，本文在參照這些課程目標(biāo)的基礎(chǔ)上擺脫了學(xué)段的限制，從易到難將智能素養(yǎng)分為初級、中級、高級三個不同的階段（如圖2所示）。

1.初級智能素養(yǎng)

初級智能素養(yǎng)包括智能意識、智能態(tài)度、智能倫理、智能知識和智能技能，在這一階段學(xué)生不需要培養(yǎng)智能思維和智能創(chuàng)新，主要以感受、了解人工智能為主。具體要求如表1所示。

具備初級智能素養(yǎng)是學(xué)生適應(yīng)人工智能時代的基本保證。人工智能的發(fā)展意味著未來會有越來越多的人工智能產(chǎn)品進(jìn)入人們的生活，如果對人工智能持有懷疑或抵觸的態(tài)度、無法熟練使用人工智能產(chǎn)品，將會難以適應(yīng)迅速發(fā)展的人工智能時代。

2.中級智能素養(yǎng)

中級智能素養(yǎng)包括智能意識、智能態(tài)度、智能倫理、智能知識、智能技能、智能思維和智能創(chuàng)新。在這一階段，學(xué)生要親身體驗(yàn)人工智能，能利用人工智能解決生活中的簡單問題。具體要求如表2所示。

與初級智能素養(yǎng)相比，中級智能素養(yǎng)的不同之處在于“主動”和“實(shí)踐”。“主動”體現(xiàn)在學(xué)生要主動了解、體驗(yàn)新的人工智能產(chǎn)品，關(guān)注人工智能發(fā)展趨勢和相關(guān)安全問題;“實(shí)踐”體現(xiàn)在學(xué)生要能利用人工智能解決簡單問題，能使用編程工具開發(fā)簡單的人工智能作品，能結(jié)合人工智能提出創(chuàng)新想法和創(chuàng)新解決方案。

大部分人工智能產(chǎn)品都是各部分相互聯(lián)系、相互制約的系統(tǒng)，人工智能的實(shí)現(xiàn)也離不開豐富、有意義的數(shù)據(jù)支持，因此中級智能素養(yǎng)要求學(xué)生了解數(shù)據(jù)對于人工智能的重要性，并且具備系統(tǒng)工程的意識和概念。智能技能的實(shí)現(xiàn)需要人工智能知識的支撐，學(xué)生在了解人工智能基本概念的基礎(chǔ)上還要了解相關(guān)技術(shù)的基本原理才能更好地開發(fā)人工智能作品、解決學(xué)習(xí)和生活中的問題。

3.高級智能素養(yǎng)

在高級智能素養(yǎng)階段學(xué)生進(jìn)入到創(chuàng)新層面，要學(xué)會利用開放的人工智能API和SDK，通過編程開發(fā)實(shí)用的人工智能產(chǎn)品來解決學(xué)習(xí)和生活中的實(shí)際問題。具體要求如表3所示。

隨著人工智能的不斷進(jìn)步，人機(jī)協(xié)同工作將會越來越普遍，學(xué)生必須形成人機(jī)協(xié)同的意識以應(yīng)對將要發(fā)生的變化。盡管人工智能給人們生活帶來很多便利，但任何事物都有兩面性，學(xué)生需要批判性地看待、分析人工智能相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品，不能盲目崇拜或抵制人工智能。

思維是智能素養(yǎng)的核心，在高級智能素養(yǎng)階段，學(xué)生首先要完成從數(shù)據(jù)意識、系統(tǒng)工程意識向數(shù)據(jù)思維、系統(tǒng)工程思維的轉(zhuǎn)變，強(qiáng)化對數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的認(rèn)識。在知識方面，除了掌握人工智能相關(guān)技術(shù)的基本原理，學(xué)生還需要掌握機(jī)器學(xué)習(xí)的常用算法和應(yīng)用場景。有了思維和知識作為基礎(chǔ)，開發(fā)實(shí)用的人工智能產(chǎn)品、提出創(chuàng)新想法和創(chuàng)新解決方案就會更加得心應(yīng)手。在中級智能素養(yǎng)階段，學(xué)生提出解決方案時只要能實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能即可，不需要過多地考慮實(shí)現(xiàn)難度、工作效率等問題，而到了高級智能素養(yǎng)階段，學(xué)生要把自己看作是一名開發(fā)者，選擇最合適最有效的技術(shù)來達(dá)到預(yù)期的功能。

三、中小學(xué)生智能素養(yǎng)培養(yǎng)機(jī)制的構(gòu)建路徑

我國人工智能教育起步并不晚，但是與歐美發(fā)達(dá)國家相比，編程教育和STEM教育的滲透率還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠[16]。由于缺少專門的基礎(chǔ)教育人工智能課程標(biāo)準(zhǔn)，目前的課程基本由人工智能教育組織根據(jù)自己的理解獨(dú)立開發(fā)，這也導(dǎo)致了部分人工智能課程的內(nèi)容不適合基礎(chǔ)教育，但是智能素養(yǎng)的培養(yǎng)不能僅靠企業(yè)以及學(xué)校教育，更需要國家、學(xué)校、企業(yè)三方相互配合，因此本文從這三個角度對中小學(xué)生智能素養(yǎng)的培養(yǎng)策略進(jìn)行探討。

（一）國家層面

在國家層面，教育部門要根據(jù)實(shí)際情況制定適合中小學(xué)生認(rèn)知水平的人工智能課程標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)中小學(xué)開設(shè)相應(yīng)的人工智能課程。我國在2017年公布了《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》，其中將“人工智能初步”列為選擇性必修內(nèi)容，制定了詳細(xì)的教學(xué)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)，這僅僅是在高中階段把人工智能的一部分內(nèi)容以信息技術(shù)課程的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，并不是一門獨(dú)立的課程。在小學(xué)和初中階段，學(xué)生主要通過課外培訓(xùn)機(jī)構(gòu)接觸編程或人工智能，但是目前人工智能教育培訓(xùn)機(jī)構(gòu)良莠不齊，有些為了搶占市場在課程里加入很多本科生都難以理解的內(nèi)容，沒有遵循中小學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，因此，國家教育部門有必要從我國國情以及基礎(chǔ)教育的特點(diǎn)出發(fā)，制定中小學(xué)人工智能課程標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范人工智能教育培訓(xùn)市場。

（二）學(xué)校層面

未來人工智能會進(jìn)一步與生產(chǎn)生活融合，應(yīng)用、調(diào)試、維護(hù)人工智能設(shè)備將成為學(xué)生必備的知識和技能。學(xué)校是開展人工智能教育的主要場所，學(xué)校在培養(yǎng)學(xué)生智能素養(yǎng)時不能僅僅只讓學(xué)生了解人工智能相關(guān)的理論知識，更重要的是讓學(xué)生通過動手操作親身體驗(yàn)人工智能。對于中小學(xué)生來說，具有跨學(xué)科、趣味性、體驗(yàn)性、情境性、協(xié)作性、設(shè)計(jì)性、藝術(shù)性、實(shí)證性和技術(shù)增強(qiáng)性[17]的STEM教育是培養(yǎng)學(xué)生智能素養(yǎng)很好的選擇。因此學(xué)校應(yīng)該把人工智能的內(nèi)容從信息技術(shù)課程中分離出來，以創(chuàng)客課程的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生通過具體的項(xiàng)目體驗(yàn)人工智能的魅力。

教師是普及人工智能教育的主要力量。人工智能課程可能會涉及計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)、設(shè)計(jì)、機(jī)械、人文等多門學(xué)科的知識，對于絕大部分教師來說掌握大量跨學(xué)科的知識和技能并不簡單，因此很多中小學(xué)都面臨著STEM教育和人工智能教育師資不足的困境。此外，個別學(xué)校人工智能實(shí)踐設(shè)備的相對不足和人工智能學(xué)習(xí)平臺的相對缺乏也限制了人工智能教育在中小學(xué)的推進(jìn)。為此，學(xué)校有必要加大在人工智能教育方面的投入，購買相關(guān)設(shè)備和學(xué)習(xí)資源，組織教師參加人工智能培訓(xùn)和STEM教育培訓(xùn)，邀請人工智能領(lǐng)域?qū)＜襾硇ｉ_展主題講座。

（三）企業(yè)層面

據(jù)億歐智庫統(tǒng)計(jì)，截至2018年上半年，全球共有4998家人工智能技術(shù)企業(yè)，其中中國大陸有1040家，位居世界第二[18]。扎實(shí)的技術(shù)支持能為人工智能教育提供可靠的保障，人工智能企業(yè)應(yīng)該充分發(fā)揮自己在技術(shù)方面的優(yōu)勢，與學(xué)校合作開發(fā)人工智能學(xué)習(xí)平臺和人工智能教材，彌補(bǔ)在課程開發(fā)和教材編寫方面的不足。目前，國內(nèi)的商湯科技和科大訊飛分別與華東師范大學(xué)、西北師范大學(xué)合作編寫了高中版、初中版人工智能教材，并開發(fā)了配套的人工智能學(xué)習(xí)平臺;英偉達(dá)與美國的ECS（Exploring Computer Science）項(xiàng)目合作開發(fā)出高中人工智能拓展課程，同時開發(fā)了供學(xué)生建立、訓(xùn)練、測試人工智能系統(tǒng)的學(xué)習(xí)平臺[19]。校企合作的方式能最大程度地提高智能素養(yǎng)培養(yǎng)的質(zhì)量，有利于國家人工智能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

四、結(jié)語

近年來，國家通過多個文件把發(fā)展人工智能提升到戰(zhàn)略性的高度。目前學(xué)術(shù)界對于智能素養(yǎng)的概念尚未有統(tǒng)一的界定，大多數(shù)人工智能教育的課程仍處于探索階段，智能素養(yǎng)評價標(biāo)準(zhǔn)框架尚需進(jìn)一步完善，未來很多問題還有待進(jìn)一步研究。

[1]國務(wù)院.國務(wù)院關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知[EB/OL].（2017-07-20）[2020-05-28].http：//www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm.

[2]教育部.教育部關(guān)于印發(fā)《教育信息化2.0行動計(jì)劃》的通知[EB/OL].（2018-04-18）[2020-05-28].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s3342/201804/t20180425_334188.html.

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（責(zé)任編輯 孫震華）