雷云鶴 王楓 馮霞芳
摘? ?要:人工智能進(jìn)入中小學(xué)課堂已呈勢不可擋之態(tài)。在本世紀(jì)初就有幾套中小學(xué)人工智能教材出版,文章縱觀15年間前后人工智能教材的結(jié)構(gòu)與特點,對上海市中小學(xué)人工智能課程的主要執(zhí)教者(信息科技教師)進(jìn)行抽樣調(diào)查,綜合分析了人工智能課程的開展現(xiàn)狀和實施需求,旨在為中小學(xué)人工智能課程的有效深入開展提供參考和建議。
關(guān)鍵詞:中小學(xué)人工智能;人工智能教材;信息科技
中圖分類號:G423;G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1673-8454(2021)11-0027-05
一、問題的提出
人工智能是一門綜合性、交叉性的學(xué)科,最早于上個世紀(jì)50年代提出,經(jīng)過幾次起起伏伏,最近自深度學(xué)習(xí)算法提出,尤其是2016年AlphaGo戰(zhàn)勝李世石以來,人工智能受到社會各界廣泛關(guān)注。國際上,各個國家都積極探索人工智能在中小學(xué)校的應(yīng)用。AI在各行業(yè)的廣泛應(yīng)用為K-12學(xué)校帶來兩個契機:一是K-12學(xué)校應(yīng)使用已有的AI技術(shù)在輔助提高課堂成效、實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全和控制等方面有所作為;二是讓學(xué)生開始學(xué)習(xí)如何設(shè)計、操作和使用AI機器人進(jìn)行工作,為未來進(jìn)入工作場所打好基礎(chǔ)。[1]美國人工智能協(xié)會AAAI和美國計算機教師協(xié)會CSTA聯(lián)合成立了K-12人工智能教育工作組(AI4K12),提出了K-12學(xué)生應(yīng)該了解人工智能的五個關(guān)鍵:計算機通過傳感器感知客觀世界;智能代理對客觀世界進(jìn)行建模和表達(dá),并用于推理;計算機能從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí);智能代理與人類的自然語言交互是AI領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn);AI應(yīng)用對社會的影響有好有壞。[2]
在國內(nèi),王海芳等認(rèn)為,人工智能在教育領(lǐng)域較為廣泛的研究主要集中在專家系統(tǒng)、機器人學(xué)、機器學(xué)習(xí)、自然語言理解、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和分布式人工智能等方面。[3]高婷婷等認(rèn)為人工智能教育應(yīng)用是一個宏觀的動態(tài)系統(tǒng),不是教育子系統(tǒng)和人工智能子系統(tǒng)的簡單結(jié)合,而是人工智能與教育深度融合的產(chǎn)物。[4]本文主要探討如何讓中小學(xué)學(xué)生開始學(xué)習(xí)人工智能及其課程(體驗、設(shè)計、操作和應(yīng)用)研發(fā)和實施的相關(guān)問題。總體上看,很多省市的中小學(xué)已在嘗試引入人工智能課程。人工智能技術(shù)進(jìn)入中小學(xué)看似已成必然之勢,然而,我們對人工智能課程最可能的主要實施者——信息科技教師的認(rèn)知情況不盡清楚。中小學(xué)的信息科技教師也許已經(jīng)嘗試過相關(guān)課程,他們是否能夠承擔(dān)起人工智能走進(jìn)中小學(xué)生課堂的重要責(zé)任,都是需要考慮的實際問題。
任友群在《AI上未來智造者》叢書的序中講到:人工智能課程應(yīng)以立德樹人為目標(biāo)、以核心素養(yǎng)培養(yǎng)為前提,以算法與編程實踐為抓手,建立起科學(xué)、系統(tǒng)的課程體系,同時要分學(xué)段打造符合學(xué)生特點的課程體系。謝忠新等認(rèn)為,中小學(xué)的人工智能課程在不同的學(xué)段要有不同的側(cè)重點,小學(xué)側(cè)重感悟,初中重在體驗,高中聚焦創(chuàng)造創(chuàng)新。周邵錦等將K-12人工智能課程劃分為三大模塊——人工智能基礎(chǔ)、算法與編程、機器人與智能系統(tǒng)。[5]
二、教材發(fā)展:15年間前后中小學(xué)人工智能教材的對比
1.不同版本人工智能教材對比
我國早在2003年就已將人工智能列入高中信息科技課程選修模塊,在2004到2005年的兩年中,相應(yīng)的人工智能教材得以出版,余挺挺等曾對當(dāng)時四種版本的《人工智能初步》教材進(jìn)行對比分析:其中李藝主編的教育科學(xué)出版社版本主要以“概念——原理——運用”為主線;祝智庭主編的中國地圖出版社版本是以“任務(wù)”驅(qū)動的形式培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和問題解決能力;應(yīng)吉康主編的上??萍冀逃霭嫔绨姹臼且曰顒雍陀懻撘耄寣W(xué)生體驗人工智能;李冠英主編的廣東教育出版社版本是以應(yīng)用人工智能技術(shù)求解問題為主線的。當(dāng)時的幾個版本主要聚焦于人工智能基礎(chǔ)知識、知識表示、專家系統(tǒng)、問題解決等方面內(nèi)容。[6]
時隔10多年后,隨著人工智能又一波熱潮,中小學(xué)人工智能教材再次陸續(xù)出版,主要有湯曉鷗和陳玉琨主編的華東師范大學(xué)出版社版本《人工智能基礎(chǔ)》(高中版),蔡耘和郭紹青主編的北京師范大學(xué)出版社版本《人工智能(初中版)》,熊友軍、王吉慶和黃勁松主編的華東師范大學(xué)出版社版本中小學(xué)人工智能叢書《AI上未來智造者》(共10冊),姚煒和王錚主編的蘇州大學(xué)出版社版本《中小學(xué)人工智能系列叢書》(共8冊),以及覃祖軍主編的河南人民出版社版本“智龍X計劃”的指定教材《人工智能實驗教材》(共33冊)。
為了綜合考察當(dāng)前中小學(xué)人工智能教材的特點,筆者分別從單元結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)(內(nèi)容主題)和主要特點或亮點等維度進(jìn)行對比分析,綜合考察當(dāng)前市面上的人工智能教材,如表 1所示。
2.14年的跨越給我們的啟發(fā)
綜合所有人工智能教材的出版情況,主要可以分為兩次熱潮,第一次是2004—2005年,第二次是2018—2019年。對比兩次教材的主要內(nèi)容和形式,可以發(fā)現(xiàn)主要表現(xiàn)為以下三點特征。
第一,從關(guān)注基本的理論基礎(chǔ)到融合社會生活的現(xiàn)實情境。這與人工智能技術(shù)的實際發(fā)展和應(yīng)用存在密切關(guān)系。從中我們也可看出,我國人工智能教材的研發(fā)思路緊跟技術(shù)發(fā)展,并表現(xiàn)出明顯的提升和深化。
第二,從高中選修到全學(xué)段覆蓋。這與國家政策密切相關(guān),關(guān)涉2003年的課程標(biāo)準(zhǔn)、人工智能發(fā)展規(guī)劃等。從14年間前后的變化看,人們對人工智能的重視程度顯著增強,人工智能教材已經(jīng)從單獨的高中階段延伸到了幼兒園、小學(xué)、初中等不同學(xué)段。
第三,從體驗感知到聚焦計算思維。在14年前,人工智能教材主要側(cè)重于讓學(xué)生體驗學(xué)習(xí)人工智能的基本理論和方法;14年后,人工智能教材主要側(cè)重于計算思維,聚焦于設(shè)計、算法和編程等能力。人工智能教學(xué)從初步的知道了解層次,上升到對學(xué)生思維能力的培養(yǎng)和關(guān)注上,是一個質(zhì)的飛躍和進(jìn)步。
三、教師認(rèn)知:中小學(xué)人工智能課程現(xiàn)狀調(diào)研
中小學(xué)的人工智能課程主要是由信息科技教師負(fù)責(zé),其普及應(yīng)用需要充分考慮一線教師的認(rèn)知現(xiàn)狀,因此,筆者采用問卷調(diào)查法對上海市的中小學(xué)信息科技教師進(jìn)行抽樣調(diào)查,以反映信息科技教師對人工智能課程的認(rèn)知情況,尋找可能存在的待解決問題,以便促進(jìn)中小學(xué)人工智能課程的早日普及應(yīng)用。
1.研究設(shè)計:來自上海市信息科技教師的視角
筆者針對人工智能在中小學(xué)的應(yīng)用需求,參考了人工智能技術(shù)工程師的意見,并征詢了信息科技的學(xué)科專家、骨干教師和一線教師的建議,對問卷進(jìn)行了結(jié)構(gòu)調(diào)整和表述修訂,形成了最終的調(diào)查問卷。主要包括人工智能知識獲得方式、人工智能課程開展現(xiàn)狀、人工智能課程的設(shè)想、人工智能技術(shù)的學(xué)習(xí)需求、人工智能課程實施中可能的難點、計算機教師勝任人工智能課程教學(xué)的能力、實施人工智能課程的需求保障等7個維度。同時筆者對7個維度的41項指標(biāo)進(jìn)行了編碼。
2.研究問卷的可靠性檢驗:信效度分析
筆者抽取了上海市的10個區(qū)縣作為樣本開展調(diào)查,通過問卷星發(fā)放問卷,共回收問卷440份,其中有效樣本440份。筆者綜合采用SPSS22.0和SPSSAU對回收數(shù)據(jù)中的態(tài)度類量表題進(jìn)行信度和效度分析。
對問卷數(shù)據(jù)的態(tài)度類量表題(共41項)進(jìn)行信度分析,得到信度系數(shù)Cronbach.?琢系數(shù)=0.935>0.9,說明問卷數(shù)據(jù)的信度高。對所有題項,考察分析項被刪除后的信度系數(shù)值并沒有明顯的提升;同時,所有分析項對應(yīng)的CITC(矯正項總計相關(guān)項)值均高于0.2,因而說明分析項之間具有良好的相關(guān)關(guān)系,同時也說明信度水平良好。
對態(tài)度類量表題(共41項)進(jìn)行效度檢驗,分析因子載荷系數(shù),發(fā)現(xiàn)其因子載荷系數(shù)小于0.4的有兩項,分別是Scratch、KODU等其他的可視化編程課,現(xiàn)處于自學(xué)和摸索階段,去掉這兩項后,再次進(jìn)行效度分析,得到KMO值=0.904,說明數(shù)據(jù)具有效度,所有研究項對應(yīng)的共同度值均高于0.4,說明研究項信息可以被有效提取。因此,在本文的數(shù)據(jù)統(tǒng)計中,將這兩項內(nèi)容刪掉,剩余39項二級指標(biāo)。
3.統(tǒng)計學(xué)意義上的差異性:非參數(shù)檢驗方法
對問卷數(shù)據(jù)的態(tài)度類量表(共39項)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(Sharpro-Wilk檢驗),p<0.01,說明全部題項數(shù)據(jù)均不具有正態(tài)性特征,因而適合采用非參數(shù)檢驗的方法對比不同群體之間存在的差異。
(1)Spearman秩相關(guān)系數(shù)
通過對市郊區(qū)縣、教師性別、任教學(xué)段與問題的各題項做相關(guān)分析,如表2所示,得出:①市郊區(qū)教師在參加線上線下培訓(xùn)班方面表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)。②市郊區(qū)教師在閱讀人工智能相關(guān)專業(yè)書籍方面表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)。③教師性別與人工智能編程課表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)。④不同學(xué)段與體驗先進(jìn)人工智能拓展課表現(xiàn)出正相關(guān),市郊區(qū)與體驗先進(jìn)人工智能表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)。⑤市郊區(qū)與知識圖譜、強化學(xué)習(xí)、機器人、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機器學(xué)習(xí)等方面表現(xiàn)出正相關(guān)。⑥市郊區(qū)與領(lǐng)導(dǎo)的大力支持、技術(shù)人員的幫助、專業(yè)理念的培訓(xùn)、團隊的協(xié)同、家長的認(rèn)知支持等方面表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)。⑦教師性別與研究經(jīng)費的支持、技術(shù)人員的幫助、團隊的協(xié)同、家長認(rèn)知的支持、學(xué)生興趣的支持等表現(xiàn)出正相關(guān)。
(2)卡方檢驗
通過卡方檢驗,發(fā)現(xiàn)以下差異:①不同學(xué)段教師在6項(B3、B4、G2、G3、G5、G6)上呈現(xiàn)出顯著差異。②教師任教在市區(qū)或者郊區(qū)縣,在3項(A2、D5、D7)上呈現(xiàn)出顯著差異。③教師性別不同,在12項(C1、C3、C4、E5、F1、F2、F3、G2、G3、G5、G6、G7)上呈現(xiàn)出顯著差異。
從上述數(shù)據(jù)差異可以得出:①不同學(xué)段的教師主要的人工智能開展現(xiàn)狀存在差異,對人工智能的保障措施的需求存在顯著差異。②教師任教在市區(qū)或者郊區(qū)縣,對人工智能的關(guān)鍵技術(shù)、強化學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方面存在顯著差異。③男教師和女教師,在人工智能課程設(shè)想、人工智能研發(fā)能力的難點、計算機教師的勝任能力、課程實施的需求保障方面存在顯著差異。
(3)非參數(shù)檢驗
通過非參數(shù)檢驗(Mann Whitney檢驗)分析市區(qū)和郊區(qū)教師的差異,得到其中的5項呈現(xiàn)出統(tǒng)計學(xué)意義上的差異性。也就是說:①在“體驗現(xiàn)今人工智能技術(shù)的拓展課”方面,市區(qū)教師和郊區(qū)教師存在顯著差異。②在人工智能技術(shù)“知識圖譜”方面,市區(qū)教師和郊區(qū)教師存在顯著差異。③在人工智能技術(shù)“強化學(xué)習(xí)”方面,市區(qū)教師和郊區(qū)教師存在顯著差異。④在人工智能技術(shù)“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”方面,市區(qū)教師和郊區(qū)教師存在顯著差異。⑤在人工智能技術(shù)“深度學(xué)習(xí)”方面,市區(qū)教師和郊區(qū)教師存在顯著差異。
(4)權(quán)重分析
為綜合考量人工智能開展現(xiàn)狀,本文對研究設(shè)計中的若干個指標(biāo)進(jìn)行了權(quán)重分析,并依次構(gòu)建出反映人工智能現(xiàn)狀的結(jié)構(gòu)圖譜。
經(jīng)過檢驗,KMO值>0.8,適合進(jìn)行因子分析。通過因子分析,提取出7個因子,即7個維度的變量,根據(jù)7個因子旋轉(zhuǎn)后的方差解釋率,通過歸一化處理(經(jīng)四舍五入后,取小數(shù)點后兩位),計算出7個因子的權(quán)重,如表 3所示。我們可以用這7個維度來解釋中小學(xué)人工智能課程現(xiàn)狀,如圖 1所示,綜合反映出中小學(xué)人工智能課程的開展現(xiàn)狀和需求情況。
4.主要結(jié)論:人工智能課程的現(xiàn)狀和需求
從數(shù)據(jù)分析和權(quán)重分析的結(jié)果看,人工智能課程實施需要考慮人工智能技術(shù)領(lǐng)域、課程研發(fā)的保障措施和人工智能項目研發(fā)體驗等3個重要指標(biāo)。
(1)人工智能技術(shù)領(lǐng)域主要有語音識別、圖像識別、知識圖譜、自然語言處理、強化學(xué)習(xí)、機器人、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)、機器學(xué)習(xí)等。在人工智能基礎(chǔ)(高中版)中涉及圖像識別、語音識別、自然語言處理、強化學(xué)習(xí)的主要原理。人工智能(初中版)中涉及機器學(xué)習(xí)、圖像識別、語音識別、自然語言處理的主要原理??梢园l(fā)現(xiàn),知識圖譜、機器人、深度學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)沒有正式納入已有教材體系。從技術(shù)發(fā)展角度看,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),尤其是深度學(xué)習(xí)實際上是人工智能取得突破的重要領(lǐng)域,因此可考慮采取適當(dāng)?shù)姆绞阶屩行W(xué)學(xué)生進(jìn)行體驗式學(xué)習(xí)。
(2)人工智能課程的研發(fā)需要各方的協(xié)同合作。不可缺少的是國家政策方面的支持。從實踐條件上看,需要區(qū)域?qū)用嫘姓I(lǐng)導(dǎo)的大力支持,學(xué)校方面則需要校長的支持。在課程的教學(xué)研究中,需要有區(qū)域?qū)用嬲n程研究的專業(yè)理念培訓(xùn)、教研團隊的協(xié)同研究。在課堂的教學(xué)實施上,需要相關(guān)編程技術(shù)人員的輔助、家長方面的認(rèn)知支持,另外還需要尋找激發(fā)學(xué)生興趣的教學(xué)策略和方法。
(3)人工智能項目研發(fā)體驗。中小學(xué)開展人工智能課程尚處于起步階段,課時數(shù)非常有限,而掌握人工智能技術(shù)的核心編程技術(shù)需要花費大量的時間和精力。這對于中小學(xué)學(xué)生來說是難以實現(xiàn)的。當(dāng)前針對中小學(xué)學(xué)生的人工智能編程課程主要是讓學(xué)生體驗人工智能編程技術(shù)的核心思想,鮮有對項目研發(fā)過程的關(guān)注。然而,對于任何一門編程語言來說,只有完整地體驗一次項目研發(fā)過程,才能形成全面的認(rèn)知和理解。如有條件,可以帶領(lǐng)學(xué)生完整體驗一次研發(fā)過程,包括建立研發(fā)團隊、確定需要解決的實際問題、對問題進(jìn)行需求分析和梳理建模、設(shè)計主要的程序算法、規(guī)劃項目開發(fā)的進(jìn)度、按照計劃有序合理地完成程序代碼。
四、實踐建議:中小學(xué)人工智能課程設(shè)計與實施策略
人工智能的技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷再次高潮,已經(jīng)能夠解決實際生活中的很多問題。人工智能課程進(jìn)入中小學(xué)已成為必然趨勢。在人工智能課程的具體實施中,師資力量主要依托于中小學(xué)的信息科技教師(計算機教師)。從理論研究與實踐探索的形勢看,未來的中小學(xué)人工智能課程主要涉及四種類型,分別為人工智能體驗課程、人工智能設(shè)計課程、人工智能應(yīng)用課程、人工智能研發(fā)課程。
1.人工智能體驗課程:智能體驗,認(rèn)識本質(zhì)
體驗課程需要關(guān)注最新的技術(shù)發(fā)展動態(tài),也可考慮聯(lián)合社會上的人工智能企業(yè)和研究機構(gòu)共同研發(fā)。徐愛平強調(diào)智能機器人進(jìn)入中小學(xué),能夠使學(xué)生比較全面綜合地了解現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計、機械、電子、傳感器、計算機軟件、硬件、人機交互等先進(jìn)技術(shù)。提出采取研究小組、信息技術(shù)課、勞動技術(shù)課、研究性課程等形式進(jìn)行教學(xué)。[7]總的來說,體驗課程重在對人工智能應(yīng)用場景的體驗和感受,以此培養(yǎng)學(xué)生對人工智能的興趣和熱情。通過系統(tǒng)課程的體驗式學(xué)習(xí),增強學(xué)生對人工智能技術(shù)的認(rèn)識和體會,并激發(fā)其參與人工智能技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域工作的熱情。
開展人工智能體驗課程,是讓中小學(xué)生從基本的感知層面熟悉人工智能技術(shù)和產(chǎn)品應(yīng)用。人工智能技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入生活的方方面面,因而中小學(xué)生在生活中早已有所接觸,例如智能陪伴機器人、智能化玩具、智能家居等。對這一類人工智能產(chǎn)品,教師在課堂中可以讓學(xué)生在體驗中思考其工作的特點和原理,在不同的學(xué)齡段開展不同深度的智能產(chǎn)品工作原理的教學(xué),有助于學(xué)生在不同認(rèn)知發(fā)展階段加深認(rèn)識和理解層次。
小學(xué)生處于具體運算階段,初中和高中生處于形式運算階段,能理解符號,可以對事物做概括,具備可逆思維。例如,對于初次接觸“人機交互”概念的學(xué)生,可以通過Scratch圖形化編程讓學(xué)生體驗“人機交互”,可以設(shè)定三個遞進(jìn)的“移動”任務(wù),讓學(xué)生在逐個完成學(xué)習(xí)任務(wù)的過程中親身體會通過積木化編程實現(xiàn)“定點移動”、“來回移動”和“控制移動”等人機交互的基本功能。
2.人工智能設(shè)計課程:設(shè)計思維,激發(fā)創(chuàng)意
蘇州大學(xué)出版社的中小學(xué)人工智能系列叢書是此類課程的初步嘗試,為設(shè)計類課程的研發(fā)提供了可供參考的模式。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展,很多工作都會被智能化技術(shù)所取代。因此,設(shè)計理念將成為社會生活、學(xué)習(xí)和工作中的重要技能。在中小學(xué)教育階段,教師需要在教學(xué)中滲透設(shè)計思維,以此培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造意識,從而幫助學(xué)生應(yīng)對未來人工智能時代的挑戰(zhàn)。
隨著人工智能發(fā)展日益成熟,社會對設(shè)計類人才的需求不斷增加。各種工作用品和產(chǎn)品的設(shè)計需要具有以人工智能技術(shù)為基礎(chǔ)的背景。
例如,讓學(xué)生使用簡單的傳感器(如樹莓派等軟件),通過簡單的拼搭和編程,實現(xiàn)生活中的小創(chuàng)造、小發(fā)明,如臺燈、運載小車等,這些真實的體驗,都能讓學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能時代的思考方式,想象人工智能時代的社會生活方式的變革。
3.人工智能應(yīng)用課程:實際應(yīng)用,加強理解
人工智能技術(shù)已在社會中很多行業(yè)得到應(yīng)用。在教育教學(xué)中,人工智能應(yīng)用于不同學(xué)科的教學(xué),主要用于輔助教師的教和學(xué)生的學(xué),這種場景下,學(xué)生對人工智能應(yīng)用的學(xué)習(xí)和了解是間接的。若專門設(shè)立人工智能應(yīng)用課程,可以讓學(xué)生在項目式學(xué)習(xí)和探究式學(xué)習(xí)中應(yīng)用人工智能。通過人工智能應(yīng)用課程,可以啟發(fā)學(xué)生,為未來進(jìn)入人工智能工作場所做好準(zhǔn)備。人工智能應(yīng)用課程目前還比較缺乏。
4.人工智能研發(fā)課程:計算思維,解決問題
當(dāng)前的人工智能研發(fā)課程主要聚焦于可視化編程和具體的編程語言,缺乏對項目整體研發(fā)流程的關(guān)注。人工智能研發(fā)課程的設(shè)計可以從不同學(xué)段進(jìn)行課程設(shè)計,能夠讓學(xué)生充分體驗項目研發(fā)的流程。在低學(xué)段,如小學(xué)、初中等,可以組建研發(fā)團隊、分析實際生活中的研究問題、定義研究問題等;在高學(xué)段,如初中和高中等,可以設(shè)計程序算法,并編寫程序代碼。
人工智能研發(fā)課程是開展得最多的。小學(xué)和初中通常采用圖形化編程的方式(如Scratch、Cudo等),高中多為Python等編程語言。
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(編輯:王天鵬)