中小學(xué)人工智能科普教育路徑探索

引言

自2017年國(guó)務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》開始，人工智能的普及教育就受到了各級(jí)教育行政部門的重視。隨著科技自主創(chuàng)新成為國(guó)家戰(zhàn)略部署的重要一環(huán)，青少年人工智能教育也被提到新的高度。新課程的研發(fā)、新裝備的應(yīng)用，對(duì)人工智能科普教育做出了巨大貢獻(xiàn)。

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中多次提到“人工智能”，首都師范大學(xué)樊磊教授認(rèn)為，人工智能代表了解決我們社會(huì)生活中各種問(wèn)題的一種思維方式，其最大的教育價(jià)值在于啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

在此背景下，我們應(yīng)該如何正確認(rèn)識(shí)人工智能科普教育，如何開展人工智能科普教育，成為當(dāng)下迫切需要解決的問(wèn)題。

科普教育不普通

中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)發(fā)布的“第十一次中國(guó)公民科學(xué)素質(zhì)抽樣調(diào)查結(jié)果”顯示，2020年我國(guó)公民具備科學(xué)素質(zhì)的比例為10.56%。盡管這一數(shù)據(jù)相較于2015年的6.2％和2018年的8.5％有了很大的提升，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比（加拿大2014年公民具備科學(xué)素質(zhì)的比例為42%，居全球第一）還有很大差距。

例如，《半夜雞叫》這個(gè)故事在我上學(xué)的年代就已家喻戶曉。但幾十年來(lái)，中國(guó)的學(xué)生大都接受了這一設(shè)定，并認(rèn)為是習(xí)以為常的事情，這似乎是一個(gè)沒(méi)有任何疑問(wèn)的“常識(shí)問(wèn)題”。但當(dāng)中國(guó)作家陳喚星在美國(guó)受外孫女的邀請(qǐng)到班上講這一故事時(shí)，結(jié)局卻與中國(guó)的課堂完全不同。一位美國(guó)學(xué)生聽(tīng)完故事說(shuō)：“我養(yǎng)過(guò)雞，并且對(duì)雞做過(guò)科學(xué)觀察。雞要啼叫，必須有兩個(gè)條件，一是成年的公雞，二是要有自然光的刺激。黎明時(shí)，就是日出前的一小時(shí)，早晨3：30左右，這時(shí)微弱的光會(huì)刺激公雞的視覺(jué)，公雞才會(huì)產(chǎn)生啼鳴的條件反射。半夜，也就午夜12：00，一片漆黑，雞是不可能叫的。不信我們可以通過(guò)科學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)證明?！睂W(xué)生的發(fā)言贏得了一片掌聲。從這一例子中我們可以看出中美之間科學(xué)教育的差異，中國(guó)學(xué)生普遍認(rèn)可結(jié)論，但美國(guó)學(xué)生更傾向質(zhì)疑結(jié)論。

那么，具備怎樣的要素才能稱為公民具備科學(xué)素質(zhì)呢？2021年國(guó)務(wù)院印發(fā)的《全民科學(xué)素質(zhì)行動(dòng)規(guī)劃綱要（2021—2035年）》中明確指出，公民具備科學(xué)素質(zhì)是指崇尚科學(xué)精神，樹立科學(xué)思想，掌握基本科學(xué)方法，了解必要科技知識(shí)，并具有應(yīng)用其分析判斷事物和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。也就是說(shuō)，科普教育不能僅僅停留在科學(xué)知識(shí)的傳授層面，更應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生深入研究的實(shí)踐精神，正所謂，科普教育不普通。

人工智能是科技

2021年教育部印發(fā)的《教育部關(guān)于公布2020年度普通高等學(xué)校本科專業(yè)備案和審批結(jié)果的通知》中確定了130所高校新增人工智能專業(yè)，并對(duì)人工智能專業(yè)作出定義：人工智能，是一個(gè)以計(jì)算機(jī)科學(xué)為基礎(chǔ)，由計(jì)算機(jī)、心理學(xué)、哲學(xué)等多學(xué)科交叉融合的交叉學(xué)科、新興學(xué)科，研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)，企圖了解智能的實(shí)質(zhì)，并生產(chǎn)出一種新的能以人類智能相似的方式做出反應(yīng)的智能機(jī)器，該領(lǐng)域的研究包括機(jī)器人、語(yǔ)言識(shí)別、圖像識(shí)別、自然語(yǔ)言處理和專家系統(tǒng)等。這一定義突出了“技術(shù)科學(xué)”的概念，即找準(zhǔn)人工智能科普教育的定位，既不能當(dāng)成科學(xué)研究，也不能當(dāng)成技術(shù)實(shí)踐。

中小學(xué)科學(xué)教育的現(xiàn)狀如何呢？縱觀相關(guān)專家的研究，我認(rèn)為，目前中小學(xué)科學(xué)教育主要存在八個(gè)方面的問(wèn)題：只注重傳授知識(shí)，甚至是陳舊的知識(shí)；重知識(shí)輕能力；學(xué)生的想象力和好奇心受到抑制；掌握科學(xué)教育方法的師資不足；科學(xué)教育的真正核心——科學(xué)思維與科學(xué)精神培養(yǎng)不足；設(shè)施條件成為制約因素；評(píng)價(jià)導(dǎo)向不利于開展科學(xué)教育；分科教育和標(biāo)準(zhǔn)化給學(xué)科交叉和科學(xué)應(yīng)用帶來(lái)了嚴(yán)重的負(fù)面影響。中小學(xué)技術(shù)教育的現(xiàn)狀又如何呢？《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動(dòng)課程指導(dǎo)綱要》“設(shè)計(jì)制作活動(dòng)”包含勞動(dòng)技術(shù)和信息技術(shù)兩個(gè)方面。勞動(dòng)技術(shù)包含我有一雙小巧手、奇妙的繩結(jié)、創(chuàng)意設(shè)計(jì)與制作等，信息技術(shù)方面包含我是信息社會(huì)的“原住民”、“打字小能手”挑戰(zhàn)賽、鏡頭下的美麗世界等。由此我們可以看出，技術(shù)教育在原則上仍屬于技能教育，即掌握學(xué)習(xí)、工作、生活中必備的生存技能。《義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)和課程方案（2022年版）》將勞動(dòng)、信息科技及其所占課時(shí)從綜合實(shí)踐活動(dòng)課程中獨(dú)立出來(lái)，勞動(dòng)、綜合實(shí)踐活動(dòng)占據(jù)了14%～18%的課時(shí)數(shù)，要求每周均不少于1課時(shí)；信息科技則是在三至八年級(jí)獨(dú)立開設(shè)。

信息科技課程的開設(shè)，為人工智能科普教育的開展提供了借鑒和參考?！读x務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》）在“課程性質(zhì)”中明確指出，信息科技是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重要部分，主要研究以數(shù)字形式表達(dá)的信息及其應(yīng)用中的科學(xué)原理、思維方法、處理過(guò)程和工程實(shí)現(xiàn)。當(dāng)代高速發(fā)展的信息科技對(duì)全球經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和文化發(fā)展起著越來(lái)越重要的作用。義務(wù)教育信息科技課程具有基礎(chǔ)性、實(shí)踐性和綜合性，為高中階段信息技術(shù)課程的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。信息科技課程旨在培養(yǎng)科學(xué)精神和科技倫理，提升自主可控意識(shí)，培育社會(huì)主義核心價(jià)值觀，樹立總體國(guó)家安全觀，提升數(shù)字素養(yǎng)與技能。《標(biāo)準(zhǔn)》在“課程目標(biāo)”中明確了核心素養(yǎng)：信息意識(shí)、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、計(jì)算思維、信息社會(huì)責(zé)任。

在確定了信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，我們需要重新思考和設(shè)計(jì)人工智能科普課程，通過(guò)人工智能科普教育支撐信息科技課程的落地，同時(shí)統(tǒng)領(lǐng)學(xué)?？萍冀逃?，構(gòu)建新的科技創(chuàng)新教育生態(tài)。根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》，我確定了人工智能課程的四個(gè)核心素養(yǎng)：1.人工智能科技意識(shí)（幸福感、使命感、危機(jī)感）；2.人工智能科技思維（人工智能概念、原理、邏輯關(guān)系）；3.人工智能科技創(chuàng)新實(shí)踐能力（應(yīng)用技術(shù)解決問(wèn)題，改進(jìn)技術(shù)、創(chuàng)新技術(shù)）；4.人工智能科技社會(huì)倫理（服務(wù)人類、尊重他人、保護(hù)環(huán)境）。在人工智能課程的建設(shè)上，我認(rèn)為需要堅(jiān)持四個(gè)基本原則：淺而寬和窄而深的辯證統(tǒng)一、把握科技型課程四要素、人工智能實(shí)驗(yàn)裝備體系化、裝備課程化理念。（如下圖）

人工智能科普課程設(shè)計(jì)的兩條路徑

一、相對(duì)傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)路徑：中小學(xué)人工智能教育項(xiàng)目

為貫徹黨中央國(guó)務(wù)院的有關(guān)精神，落實(shí)教育部的相關(guān)部署，原教育部教育裝備研究與發(fā)展中心（以下簡(jiǎn)稱“原裝備中心”）主動(dòng)履行教育裝備研究“國(guó)家隊(duì)”的職責(zé)，啟動(dòng)了“中小學(xué)人工智能教育項(xiàng)目”的研究工作，探索在中小學(xué)開設(shè)人工智能普惠性課程的有效路徑。

1.確定課程指南

項(xiàng)目組完成了“中小學(xué)人工智能課程指南”，明確了中小學(xué)人工智能課程的基本性質(zhì)、課程目標(biāo)、內(nèi)容架構(gòu)等課程要素，為教材編寫和裝備使用指明了方向，強(qiáng)調(diào)中小學(xué)人工智能課程應(yīng)以前沿人工智能裝備和技術(shù)為基礎(chǔ)，創(chuàng)設(shè)人工智能活動(dòng)空間，讓學(xué)生通過(guò)親身體驗(yàn)、動(dòng)手實(shí)踐和創(chuàng)新設(shè)計(jì)，提升人工智能意識(shí)、技術(shù)創(chuàng)新思維、應(yīng)用實(shí)踐能力和智慧社會(huì)責(zé)任。

2.教材編寫

項(xiàng)目組編寫的教材尊重學(xué)生認(rèn)知規(guī)律和水平，通過(guò)合理安排教學(xué)內(nèi)容、采用活動(dòng)化教學(xué)方式，讓中小學(xué)生體驗(yàn)人工智能新技術(shù)、學(xué)習(xí)新知識(shí)。項(xiàng)目組廣泛參考了國(guó)內(nèi)外人工智能相關(guān)課程（教材）案例，汲取先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，確定了人工智能通識(shí)、人工智能體驗(yàn)、人工智能編程、智能機(jī)器人創(chuàng)建這一基本框架。

3.裝備遴選與研發(fā)

裝備包含三部分：全面展現(xiàn)人工智能技術(shù)應(yīng)用的智能軟件或智能系統(tǒng)、智能編程平臺(tái)和智能硬件。項(xiàng)目組經(jīng)過(guò)廣泛調(diào)研，優(yōu)選了40余種應(yīng)用軟件，研發(fā)了能恰當(dāng)與人工智能的特色應(yīng)用場(chǎng)景（如語(yǔ)言識(shí)別、人臉識(shí)別等）相融合的圖形化編程平臺(tái)，可滿足學(xué)生進(jìn)行自由搭建、自主設(shè)計(jì)和創(chuàng)作并且能處理圖像、語(yǔ)音等復(fù)雜信息的開源硬件。

4.裝備配備方案

配備方案包含人工智能活動(dòng)空間和人工智能教育裝備配備要求兩部分，為學(xué)校進(jìn)行人工智能活動(dòng)空間建設(shè)和人工智能教育裝備配備提供了參考。配備方案對(duì)人工智能活動(dòng)空間的使用面積、功能、布局模式、空間環(huán)境、安全要求和裝備配備要求都給出了較為詳細(xì)的建議。

目前，中小學(xué)人工智能教育項(xiàng)目已形成了以課程指南、教材、裝備遴選與研發(fā)、裝備配備方案為主，以人工智能教育云平臺(tái)、教學(xué)資源、教師培訓(xùn)方案等為輔的“4+N”系統(tǒng)化人工智能課程資源，為中小學(xué)人工智能課程的落地實(shí)施提供了堅(jiān)實(shí)保障。

二、裝備體系化的課程設(shè)計(jì)路徑：義務(wù)教育人工智能教育裝備體系化研究

人工智能科普教育要沿著“窄而深”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，就勢(shì)必離不開實(shí)踐，裝備的配備便成為人工智能科普教育核心內(nèi)容之一。2020年，原裝備中心申報(bào)了“義務(wù)教育人工智能教育裝備體系化研究”課題，希望能夠梳理出一套代表我國(guó)人工智能科普教育水平的裝備體系。裝備的選擇要以課程的定位和目標(biāo)為導(dǎo)向，堅(jiān)持系統(tǒng)性、開放性、創(chuàng)新性、適切性、安全性、穩(wěn)定性等原則。研究開展兩年多來(lái)，我們將裝備基本分為三個(gè)類型：通用裝備、教學(xué)平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐裝備，并對(duì)其性質(zhì)要求、配備建議、活動(dòng)建議進(jìn)行反復(fù)研究、修改，具體研究成果待最終確定后發(fā)布。

人工智能科普教育落地實(shí)施的方法

我以廣東省廣州市積極推進(jìn)“中小學(xué)人工智能教育項(xiàng)目”的探索和實(shí)踐為例，闡述人工智能科普教育落地實(shí)施的基本方法。按照“統(tǒng)籌規(guī)劃、分布實(shí)驗(yàn)、點(diǎn)面結(jié)合、特色發(fā)展”的原則，廣州市中小學(xué)人工智能課程實(shí)驗(yàn)分四個(gè)層面、四個(gè)步驟開展，逐步深入推進(jìn)實(shí)施。

一、政府層面：政府推動(dòng)是人工智能課程普及的基礎(chǔ)

廣州市于2019年參與“中小學(xué)人工智能教育項(xiàng)目”研究，構(gòu)建起“部—市—區(qū)—校”四級(jí)課程實(shí)驗(yàn)體系：廣州市教研院參與原裝備中心項(xiàng)目研究工作，設(shè)立市級(jí)實(shí)驗(yàn)區(qū)（校）開展課程實(shí)驗(yàn)工作，市級(jí)課程實(shí)驗(yàn)區(qū)在區(qū)域內(nèi)選擇學(xué)校作為區(qū)級(jí)實(shí)驗(yàn)校開展人工智能教育實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)成果輻射到各級(jí)各類學(xué)校。今年，根據(jù)《廣州市教育事業(yè)發(fā)展“十四五”規(guī)劃》目標(biāo)要求及《廣州市中小學(xué)人工智能教育普及工作方案》，廣州市依托《人工智能》地方教材和廣州市中小學(xué)人工智能教學(xué)平臺(tái)虛擬資源，啟動(dòng)了全市中小學(xué)1—8年級(jí)人工智能教育普及工作。由此我們可以看出，有了政府的支持和推進(jìn)，人工智能科普教育的落地實(shí)施更容易實(shí)現(xiàn)。

二、學(xué)校層面：學(xué)校是落實(shí)人工智能課程的主體

2019年，黃埔區(qū)入選廣州市人工智能教學(xué)改革實(shí)驗(yàn)區(qū)，對(duì)區(qū)內(nèi)學(xué)校人工智能課程建設(shè)、課程目標(biāo)、課時(shí)安排、任課教師、硬件建設(shè)要求等做了規(guī)劃與指導(dǎo)。同時(shí)，以社團(tuán)活動(dòng)、興趣特長(zhǎng)班等形式遴選有興趣愛(ài)好的學(xué)生，在各學(xué)校開展提升拓展課程。由此我們可以看出，人工智能課程要做到落地生根，學(xué)校要做到三保障：保障一定課時(shí)、保障課程進(jìn)學(xué)校課表、保障課程進(jìn)學(xué)生課堂。

三、教師層面：教研是課程規(guī)模實(shí)施的關(guān)鍵

在人工智能課程教學(xué)領(lǐng)域，不管是信息技術(shù)專業(yè)畢業(yè)的還是有信息技術(shù)基礎(chǔ)的教師，都是新手上任，只有采用邊學(xué)、邊教、邊研、邊思的方法，才能有效提升自身的專業(yè)素質(zhì)。教研活動(dòng)的開展，可以將學(xué)、教、研、思有機(jī)融合，結(jié)合各自優(yōu)勢(shì)和資源特點(diǎn)，借助人工智能專業(yè)領(lǐng)域的專家力量、技術(shù)支持，努力探索新課程環(huán)境下的人工智能教育教學(xué)方式，最終通過(guò)反思建構(gòu)，不斷提高人工智能課程教育教學(xué)質(zhì)量，走出新天地。

四、學(xué)生層面：學(xué)生參與度是檢驗(yàn)課程成果的重要標(biāo)志

人工智能課程實(shí)驗(yàn)的最終目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生具備良好的人工智能意識(shí)、技術(shù)創(chuàng)新思維、應(yīng)用實(shí)踐能力和智慧社會(huì)責(zé)任。為學(xué)生創(chuàng)設(shè)良好的人工智能學(xué)習(xí)環(huán)境，是高效開展人工智能課程實(shí)驗(yàn)的有效路徑。通過(guò)科技節(jié)、興趣小組、研學(xué)活動(dòng)等形式，學(xué)生積極參與各類人工智能拓展活動(dòng)，參與不同層級(jí)的交流、競(jìng)賽活動(dòng)等。在多元化的探索主題和實(shí)踐環(huán)境中，學(xué)生參與人工智能領(lǐng)域?qū)W習(xí)、研究的積極性得到進(jìn)一步激發(fā)，探究、溝通、創(chuàng)新和協(xié)作能力得到全面培養(yǎng)。只有積極構(gòu)建以賽促學(xué)、促教、促研的機(jī)制，打造創(chuàng)新多元競(jìng)賽體系，提供利用人工智能相關(guān)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)、技能展示和探索交流的平臺(tái)，學(xué)生才能在人工智能的學(xué)習(xí)環(huán)境中暢快翱翔。

展望未來(lái)，我們將慎終如始，著眼于中小學(xué)人工智能課程的體系化建設(shè)，探索中小學(xué)人工智能科普教育創(chuàng)新發(fā)展之路，為我國(guó)未來(lái)培養(yǎng)智能公民打好基礎(chǔ)，為國(guó)家培養(yǎng)一批人工智能專業(yè)人才、形成我國(guó)人工智能人才高地夯實(shí)“教育”基礎(chǔ)，為支撐我國(guó)創(chuàng)新人才培養(yǎng)而努力奮斗！

劉俊波

教育部教育技術(shù)與資源發(fā)展中心職業(yè)教育與高等教育裝備處處長(zhǎng)，研究員，中國(guó)教育學(xué)會(huì)生物學(xué)教學(xué)專業(yè)委員會(huì)常務(wù)理事。編著《中學(xué)生物顯微圖譜》《高中生物新課程探究實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)》《中小學(xué)人工智能教育探索》等專著，發(fā)表學(xué)術(shù)論文多篇。