STEM背景下人工智能素養(yǎng)框架的研究

楊鴻武 張笛 郭威彤

[摘? ?要] 中小學人工智能課程的研究處于興盛階段，人工智能素養(yǎng)框架為提高人工智能課程實施效果以及為培養(yǎng)智能時代所需高階思維人才指明了方向，STEM跨學科環(huán)境可以深化人工智能素養(yǎng)的培養(yǎng)，優(yōu)化學生學習體驗，提高人工智能課程教學效果。文章首先分析了國內(nèi)外人工智能素養(yǎng)框架和STEM素養(yǎng)框架的構(gòu)建維度和關(guān)鍵要素;在此基礎(chǔ)上，從核心概念、技術(shù)實踐、跨學科思維與倫理態(tài)度四個維度構(gòu)建了STEM背景下的人工智能素養(yǎng)框架并明確各維度的核心要素;提出指向人工智能素養(yǎng)培養(yǎng)的項目活動模型，從教學準備、教學實施及教學評價三個方面總結(jié)了項目活動模型的應(yīng)用策略，為一線教師開展教學實踐提供依據(jù)，以期促進人工智能課程的推廣普及和人工智能素養(yǎng)培養(yǎng)的落地。

[關(guān)鍵詞] 人工智能素養(yǎng); STEM教育; 跨學科思維; 項目活動模型

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標志碼] A

[作者簡介] 楊鴻武（1969—），男，甘肅合作人。教授，博士，主要從事人工智能、智能教育研究。E-mail：yanghw@nwnu.edu.cn。

一、引? ?言

21世紀以來，國家高度重視人工智能教育的發(fā)展，推出了一系列政策以期搶抓人工智能創(chuàng)新革命的戰(zhàn)略機遇。中小學生作為未來社會建設(shè)的中流砥柱，應(yīng)具備良好的人工智能素養(yǎng)，以更好地適應(yīng)和促進未來人工智能社會的發(fā)展。各地中小學紛紛開設(shè)人工智能課程，但當前人工智能課程教學在課程建設(shè)、活動設(shè)計及評價設(shè)計等方面還存在許多問題。人工智能素養(yǎng)框架可以為中小學人工智能課程的教學實踐提供相應(yīng)的依據(jù)，并且能夠為智能時代所需高階思維人才的培養(yǎng)指明方向。

人工智能涵蓋了技術(shù)、工程、數(shù)學、編程等多個領(lǐng)域的知識，是一門綜合類的課程，人工智能素養(yǎng)的培養(yǎng)也需要多個學科的有機聯(lián)系。STEM跨學科環(huán)境可以深化人工智能素養(yǎng)的培育，優(yōu)化學生的學習體驗，提高人工智能課程的教學效果。當前國內(nèi)外學者對人工智能素養(yǎng)的研究各有側(cè)重，但結(jié)合STEM背景的人工智能素養(yǎng)框架的相關(guān)研究較少。為此，本文探討了STEM背景下的人工智能素養(yǎng)框架體系及核心要素，并提出以人工智能素養(yǎng)為目標導(dǎo)向的項目活動模型及應(yīng)用策略，為一線人工智能教師開展教學實踐提供參考，對健全人工智能課程體系建設(shè)和培養(yǎng)具備人工智能素養(yǎng)的人才具有一定的意義。

二、STEM背景下的人工智能素養(yǎng)核心要素

本文通過梳理國內(nèi)外有關(guān)STEM素養(yǎng)和人工智能素養(yǎng)的相關(guān)文獻，分析已有框架劃分的維度，總結(jié)二者共同關(guān)注的核心要素，為本文構(gòu)建STEM背景下的人工智能素養(yǎng)框架提供依據(jù)。

（一）STEM素養(yǎng)要素分析

國內(nèi)外學者關(guān)于STEM素養(yǎng)的定義眾說紛紜，但形成了一個共識，即在科學、技術(shù)、工程、數(shù)學領(lǐng)域的知識和技能基礎(chǔ)之上發(fā)展跨學科素養(yǎng)。STEM素養(yǎng)要素的研究分別從還原論和整合論兩個角度開展[1]，本文主要分析國內(nèi)外以整合論視角構(gòu)建的STEM素養(yǎng)相關(guān)的研究。從整合論視角出發(fā)構(gòu)建STEM素養(yǎng)要素的相關(guān)研究主要分成以下兩類：

一類關(guān)注STEM素養(yǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)，從不同維度構(gòu)建STEM素養(yǎng)框架?！缎乱淮茖W教育標準》從科學與工程實踐、跨學科概念、學科核心概念三個維度出發(fā)構(gòu)建科學教育標準，以培養(yǎng)創(chuàng)新型STEM人才[2];宋乃慶等從學生個體、社會和生活世界的角度將學生素養(yǎng)表現(xiàn)劃分為實踐認知、人際交互、綜合影響三個方面[3]。楊彥軍等將STEM素養(yǎng)的結(jié)構(gòu)模型分為STEM學科基礎(chǔ)知能層、學科核心素養(yǎng)層以及共同核心素養(yǎng)層三個層次[4]。

另一類關(guān)注STEM素養(yǎng)的核心能力、技能，強調(diào)運用核心能力或技能綜合解決各學科領(lǐng)域內(nèi)的問題。Butler等將STEM核心能力概括為問題解決、創(chuàng)新和創(chuàng)造、溝通、批判性思維、元認知技能、協(xié)作等[5]。Garry等開發(fā)了一個發(fā)展STEM素養(yǎng)的框架，提出STEM的能力、技能和傾向包括創(chuàng)造性思維、批判性思維、積極接受失敗等方面[6]。祝智庭等基于學生的核心素養(yǎng)，提出STEM學科建設(shè)的方法[7]。

（二）人工智能素養(yǎng)要素分析

國外學者側(cè)重于從計算機科學角度開發(fā)素養(yǎng)框架并給出設(shè)計教學時應(yīng)考慮的因素，以支持教育者更好地實施指向人工智能素養(yǎng)的教學。美國國家教育進步評價組織（NAEP）將技術(shù)與工程素養(yǎng)劃分為技術(shù)與社會、設(shè)計與系統(tǒng)、信息與通信技術(shù)三大內(nèi)容領(lǐng)域，并規(guī)定了理解技術(shù)原理、制定方案并實現(xiàn)目標、交流與合作三類實踐活動[8];聯(lián)合國教科文組織（UNESCO）討論了人工智能教育五大支柱[9]：不確定性和隨機性、編碼和計算思維、數(shù)據(jù)意識、批判性思維與后AI人文主義。在人工智能素養(yǎng)框架的構(gòu)成要素方面，Long等將人工智能素養(yǎng)作為一組能力，從人工智能定義以及工作原理、如何使用和看待人工智能四個維度進行闡述[10]。Kandlhofer等將人工智能和計算機科學素養(yǎng)分為七大主題[11]。

國內(nèi)研究者側(cè)重于從三維目標出發(fā)，結(jié)合具體特征構(gòu)建人工智能素養(yǎng)框架，開發(fā)的框架所包含的內(nèi)容較全面，但忽略了可操作性指導(dǎo)建議的設(shè)計。艾倫在核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)上提出人工智能教育素養(yǎng)，分為人與工具、人與自己、人與社會三個層面[12];周邵錦等認為要依次培養(yǎng)學生的智能態(tài)度、運用智能工具的能力和人工智能學科思維以發(fā)展智能素養(yǎng)[13];胡小勇等從知識、能力、思維和文化價值層面構(gòu)建了K-12教師智能素養(yǎng)框架[14];鄭勤華等關(guān)注人機協(xié)同時代的智能素養(yǎng)，分為知識、能力、思維、應(yīng)用與態(tài)度五個維度[15]。

通過梳理分析國內(nèi)外相關(guān)文獻，人工智能素養(yǎng)和STEM素養(yǎng)的核心能力與思維要素有高度的一致性，均強調(diào)編程、協(xié)作、問題解決與創(chuàng)新等核心能力的培養(yǎng)，著重關(guān)注計算、數(shù)據(jù)、批判性與設(shè)計等跨學科思維，見表1。

三、STEM背景下的人工智能素養(yǎng)框架

（一）STEM背景下人工智能素養(yǎng)框架的核心要素

國際技術(shù)與工程教育家協(xié)會（ITEEA）發(fā)布的《技術(shù)與工程素養(yǎng)標準：技術(shù)和工程在STEM教育中的作用》（STEL）[16]構(gòu)建了STEM教育背景下PreK-12年級的技術(shù)與工程素養(yǎng)標準，如圖1所示。本文借鑒該標準構(gòu)建STEM背景下的人工智能素養(yǎng)框架。STEL利用“實踐”術(shù)語替代“能力”“技能”等詞語，強調(diào)從事人工智能實踐不僅需要能力、技能等，還需要特定的知識。STEL也強調(diào)環(huán)境、實踐、標準之間的相互作用，提倡在技術(shù)環(huán)境中學習核心學科知識，通過技術(shù)與工程實踐深化對核心學科標準和環(huán)境的理解。

本文結(jié)合國內(nèi)外STEM素養(yǎng)、人工智能素養(yǎng)相關(guān)研究，借鑒STEL構(gòu)建了STEM背景下的人工智能素養(yǎng)框架，如圖2所示。框架從知識、能力、思維、倫理四個層面出發(fā)，分為核心概念、技術(shù)實踐、跨學科思維與倫理態(tài)度4個一級維度以及16個二級維度，見表2?？蚣芗冗m用于本土學生，又具有較強的可操作性以便開展教學實踐?；谒鶚?gòu)建人工智能素養(yǎng)框架，本文將人工智能素養(yǎng)定義為智能時代個體生存與發(fā)展應(yīng)具備的一種綜合素養(yǎng)，包括人工智能相關(guān)的核心概念和技術(shù)實踐，以及在技術(shù)實踐的過程中形成的跨學科思維和倫理態(tài)度。

（二）STEM背景下的人工智能素養(yǎng)框架

STEM背景下人工智能素養(yǎng)框架的四個維度相互聯(lián)系、相互支撐。在項目實踐中學習核心概念，在STEM跨學科環(huán)境中深化對技術(shù)實踐、跨學科思維及倫理態(tài)度的理解。需要強調(diào)的是，在STEM跨學科環(huán)境中，并非每個人工智能項目都涉及所有領(lǐng)域的知識，需要根據(jù)具體的項目要求，合理組織多領(lǐng)域的學科知識，并設(shè)計豐富的、支撐性的項目資源。

1. 核心概念：STEM背景下人工智能素養(yǎng)培養(yǎng)的基本保障

核心概念是培養(yǎng)STEM背景下人工智能素養(yǎng)的基本保障，是開展一切智能活動的前提，技術(shù)實踐與跨學科思維的發(fā)展建立在核心概念的基礎(chǔ)之上。學生應(yīng)當了解人工智能的基礎(chǔ)知識，理解人工智能的工作方式，了解人工智能技術(shù)體系中各類技術(shù)的工作流程，知道人工智能技術(shù)在各個領(lǐng)域的典型應(yīng)用，能夠分析某個領(lǐng)域的技術(shù)應(yīng)用對人類、社會帶來的正面的和負面的影響，并且正確評估人工智能系統(tǒng)方案，在理論學習的基礎(chǔ)上培養(yǎng)正確、科學的倫理態(tài)度觀。此外，學生根據(jù)項目方案要求選擇合適的人工智能技術(shù)以完成設(shè)計，在基礎(chǔ)知識的學習過程中形成核心能力與高階思維。

2. 技術(shù)實踐：STEM背景下人工智能素養(yǎng)應(yīng)用的必備前提

技術(shù)實踐是核心概念和跨學科思維得以應(yīng)用到實際工作、學習和生活中的必備條件，技術(shù)實踐包括編程、協(xié)作、問題解決與創(chuàng)新等核心能力。編程能力將人類自然語言轉(zhuǎn)換為機器可理解的編程語言，是利用人工智能技術(shù)解決問題的底層能力，是智能時代個體的基本素養(yǎng);協(xié)作和問題解決能力是落實人工智能素養(yǎng)培養(yǎng)的關(guān)鍵能力，是實現(xiàn)人工智能教育目標的根基，具備良好的協(xié)作能力和問題解決能力可以使學生更好地在人工智能社會生存與發(fā)展;創(chuàng)新能力是智能時代高質(zhì)量人才進行創(chuàng)新創(chuàng)造的源動力，學生可以在人工智能課堂中提出創(chuàng)新想法或創(chuàng)新解決方案，創(chuàng)新性地使用人工智能技術(shù)解決已有問題，人工智能教學為學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供了路徑。

3. 跨學科思維：STEM背景下人工智能素養(yǎng)提升的關(guān)鍵內(nèi)核

跨學科思維可以促進核心概念的學習、內(nèi)化和技術(shù)實踐的遷移，是STEM背景下的人工智能素養(yǎng)框架的關(guān)鍵內(nèi)核。計算思維和數(shù)據(jù)思維是人工智能時代必不可少的素養(yǎng)，是創(chuàng)新性解決問題的基本思維方式和基礎(chǔ)性技能[14]。人工智能課程作為一門包含技術(shù)、工程、編程等領(lǐng)域知識的綜合性課程，對培養(yǎng)計算思維具有明顯的優(yōu)勢。數(shù)據(jù)是人工智能發(fā)展的重要基礎(chǔ)之一，數(shù)據(jù)思維在智能時代能夠發(fā)揮至關(guān)重要的作用，應(yīng)培養(yǎng)學生在海量數(shù)據(jù)中辨別、分析的能力，以作出合理的價值判斷和決策生成。批判性思維可以使個體有效利用復(fù)雜信息作出最優(yōu)化的決策[17]，是中國學生發(fā)展的核心素養(yǎng)之一。學生既要批判性地看待人工智能所帶來的雙面影響，又要敢于質(zhì)疑并給出有說服力的證據(jù)。在人工智能教育中，設(shè)計思維是指可以應(yīng)用人工智能領(lǐng)域多學科的知識來系統(tǒng)地解決復(fù)雜問題，進而創(chuàng)造性地形成多種解決問題的思路與方案，在形成設(shè)計方案的過程中也可以提高問題解決能力、創(chuàng)新能力等。

4. 倫理態(tài)度：STEM背景下人工智能素養(yǎng)發(fā)展的方向指引

未來人工智能和人類之間的界限變得越來越模糊，應(yīng)塑造科學合理的倫理觀。正確的倫理態(tài)度是在日常工作、學習和生活中科學、合理地落實核心概念、技術(shù)實踐及跨學科思維的保障，是人工智能良好的、可持續(xù)發(fā)展的前提。一方面，在核心概念學習、技術(shù)實踐與跨學科思維的應(yīng)用中形成科學的倫理態(tài)度觀;另一方面，科學的倫理態(tài)度觀又指引著人工智能素養(yǎng)的培養(yǎng)方向?？茖W的倫理態(tài)度觀包括對人工智能清晰的意識、正確的態(tài)度以及明確所應(yīng)承擔的責任。學生應(yīng)該可以意識到人工智能的優(yōu)缺點及其帶來的影響，發(fā)揮主動作用以積極地規(guī)制風險?；趯θ斯ぶ悄苊鞔_意識和所需要承擔責任的清晰認知，以積極、理性的態(tài)度面對人工智能帶來的負面影響，探索人工智能實際應(yīng)用，樂觀看待未來人工智能的發(fā)展。

四、STEM背景下的人工智能項目活動模型

為更好地促進人工智能素養(yǎng)的培養(yǎng)落地，為一線教師開展人工智能教學實踐指明方向，本文構(gòu)建了STEM背景下的人工智能課程項目活動模型，并提出了項目活動模型應(yīng)用在教學實踐中的策略，以期促進人工智能課程在中小學階段的推廣普及，提升人工智能課程的教學效果。

（一）STEM背景下的人工智能課程項目活動模型構(gòu)建

本文在Engestr？觟m活動理論三角模型[18]的基礎(chǔ)上分析了STEM背景下人工智能課程項目活動要素，如圖3所示?；顒拥闹黧w是參與項目的學生;客體是STEM項目任務(wù)以及具體的項目教學目標;結(jié)果是人工智能素養(yǎng);共同體是參與STEM項目的教師和學生，在不同的項目中，師生之間、生生之間形成良性互動，并且有著不同的任務(wù)分工;工具是指人工智能實驗設(shè)備與學習平臺等硬件資源，以及豐富的學習資源;規(guī)則是用來協(xié)調(diào)項目活動實施和評價的規(guī)范、量表等以及在項目實踐過程中形成的正確、合理的倫理態(tài)度。

基于上述構(gòu)建的人工智能素養(yǎng)框架及工具、規(guī)則、結(jié)果等項目活動要素，本文構(gòu)建了STEM背景下人工智能課程項目活動模型，模型分為環(huán)境支撐層、規(guī)則規(guī)范層、教學準備層、活動設(shè)計層和目標導(dǎo)向?qū)游鍌€層次，如圖4所示。

環(huán)境支撐層包括人工智能實驗設(shè)備等硬件工具和實驗平臺等學習資源。充足的資源是開展STEM背景下人工智能課程教學的重要載體，可以為學生的學習活動提供更優(yōu)質(zhì)的教育服務(wù)。

規(guī)則規(guī)范層是教學活動正常有效開展的隱形支持，包括人工智能實驗室守則、人工智能素養(yǎng)測試量表及學生評分表等行為規(guī)范或評價量表;在項目實踐中形成的正確、合理的倫理態(tài)度等。能夠起到約束學生的行為舉止、提高活動開展效率的作用。

教學準備層主要的工作是分析教學內(nèi)容的特點和教學對象的水平，并對STEM項目資源進行組織和設(shè)計，為項目活動的設(shè)計、實施提供支撐與保障。教學內(nèi)容和教學對象的分析結(jié)果作為活動共同體構(gòu)建的依據(jù)，能夠?qū)餐w內(nèi)部任務(wù)分工、角色分配等提供指導(dǎo)。對STEM項目主題、驅(qū)動問題與所需資源等進行設(shè)計以支持學生項目實踐。

活動設(shè)計層是STEM背景下人工智能課程項目活動模型的核心部分，是學習者個體和學習者共同體在項目驅(qū)動下面向教學目標的活動，項目活動模型將人工智能課程的項目活動根據(jù)所選用課程內(nèi)容分為基礎(chǔ)項目、進階項目與綜合項目三類難度等級不同的項目。不同的項目類型對應(yīng)著不同的學習環(huán)節(jié)，并根據(jù)需求選擇師生角色。需要特別指出的是，同一角色可能有多個學生或多次扮演，一個學生可能同時擔任多個角色。

目標導(dǎo)向?qū)用嫦虻氖前诵母拍?、技術(shù)實踐、跨學科思維、倫理態(tài)度在內(nèi)的STEM背景下的人工智能素養(yǎng)框架，是項目活動設(shè)計框架的最終目標和基本導(dǎo)向。人工智能素養(yǎng)既是教學活動所要達到的目標，又貫穿于教學活動的始終，對教學活動和項目的設(shè)計起到方向指引的作用。

（二）STEM背景下人工智能課程項目活動模型的應(yīng)用策略

依據(jù)STEM背景下人工智能課程項目活動模型，結(jié)合一般教學實踐過程，本研究從以下三方面提出STEM背景下人工智能課程項目活動模型的應(yīng)用策略，為一線教師開展教學提供參考。

1. 教學準備：注重共同體構(gòu)建和項目資源設(shè)計

教學準備階段涉及環(huán)境支撐層、規(guī)則規(guī)范層和教學準備層的相關(guān)工作。由于教學對象有著不同的知識經(jīng)驗基礎(chǔ)，水平參差不齊，需要分析教學內(nèi)容和教學對象，以合理構(gòu)建活動共同體，并且明確共同體內(nèi)部學生的任務(wù)分工、角色分配等，以達到高度配合又和諧輕松的課堂狀態(tài)。需要注重對STEM項目資源進行設(shè)計，包括項目主題、驅(qū)動問題與所需資源等的設(shè)計。

2. 教學實施：以項目為主線貫穿活動始終

在具體項目中，以實際問題驅(qū)動，利用項目活動創(chuàng)設(shè)各種學習情境，引導(dǎo)學生完成具有挑戰(zhàn)性的STEM項目任務(wù)，同伴協(xié)作互助，并形成高質(zhì)量的項目作品，將理論寓于實踐之中，促進人工智能素養(yǎng)的培養(yǎng)。在項目實施過程中，學生填寫項目報告書，記錄各項任務(wù)過程性數(shù)據(jù)，貫穿教學始終。項目報告書涵蓋方案設(shè)計、任務(wù)分解、小組分工及實踐過程記錄等方面的內(nèi)容，作為后續(xù)評價和反思的依據(jù)。以報告書的形式呈現(xiàn)的學生學習成果完整性較高，能夠提高學生的參與感和成就感。

3. 教學評價：強調(diào)評價的標準和多維度評價

當前人工智能教學評價并沒有統(tǒng)一的標準，主要針對編程的邏輯性、作品的完整性、學生課堂表現(xiàn)等方面進行評價。在STEM背景下的人工智能教學活動中應(yīng)當制定統(tǒng)一的、可操作性強的評價標準，評價的維度應(yīng)該包括核心概念學習、課堂表現(xiàn)、作品等多個方面，應(yīng)當強調(diào)教師、自我和同伴等多方主體進行過程性和總結(jié)性相結(jié)合的評價。

五、結(jié)? ?語

智能時代培養(yǎng)學生的人工智能素養(yǎng)至關(guān)重要，社會的發(fā)展需要具備人工智能素養(yǎng)的人才，人工智能課程是培養(yǎng)高階思維人才的重要抓手和著力點。以人工智能素養(yǎng)為目標導(dǎo)向，融合STEM教育理念，以項目任務(wù)為主線，開展適合學生發(fā)展高階思維能力的項目活動，為促進推廣普及人工智能課程、發(fā)展中小學生人工智能素養(yǎng)提供了一條有效路徑。未來的研究應(yīng)關(guān)注人工智能素養(yǎng)評測，分析不同階段學生所應(yīng)達到的人工智能素養(yǎng)標準，構(gòu)建科學合理的人工智能素養(yǎng)評價指標體系，增強STEM背景下人工智能素養(yǎng)框架的可操作性。

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