人工智能全學(xué)段貫通式人才培養(yǎng)的作用與策略

劉峽壁 徐啟發(fā) 冷曉莉 李毅 李?；? 張毅

人工智能是當(dāng)今人類(lèi)科技發(fā)展的主戰(zhàn)場(chǎng)，人類(lèi)社會(huì)走向智能時(shí)代的趨勢(shì)越來(lái)越明顯，ChatGPT 的火熱進(jìn)一步印證了這一點(diǎn)。為了使人們能適應(yīng)智能時(shí)代的生活與工作，并使人工智能技術(shù)的發(fā)展具有堅(jiān)實(shí)的人才基礎(chǔ)，人工智能教育需要盡快有效開(kāi)展起來(lái)，因此得到國(guó)家的高度重視，小學(xué)、中學(xué)和大學(xué)人工智能教育正如火如荼地進(jìn)行。

大學(xué)人工智能教學(xué)開(kāi)展較早，相對(duì)成熟，但小學(xué)與中學(xué)階段的人工智能教育應(yīng)該做什么？怎么做？在理論與實(shí)踐上還有不少需要探索的問(wèn)題。基于大學(xué)人工智能教育體系，下探至中學(xué)再至小學(xué)階段，構(gòu)建小學(xué)—中學(xué)—大學(xué)全學(xué)段貫通式人才培養(yǎng)模式，不失為一種值得思考與實(shí)踐的人工智能教育途徑。這里所述的人工智能全學(xué)段貫通式人才培養(yǎng)模式，是指從對(duì)人工智能的根本認(rèn)識(shí)出發(fā)，整體性地規(guī)劃小學(xué)、初中、高中、本科、研究生各學(xué)段的教學(xué)內(nèi)容、形式與方法，實(shí)現(xiàn)學(xué)生不同階段學(xué)習(xí)的自然銜接，有序開(kāi)展從普及到提高到拔尖創(chuàng)新的人工智能人才培養(yǎng)過(guò)程。

人工智能貫通式培養(yǎng)的作用

促進(jìn)高等教育與基礎(chǔ)教育融合

人工智能在中小學(xué)教育中目前仍屬新鮮事物，缺少內(nèi)容基礎(chǔ)與教師基礎(chǔ)，但人工智能在大學(xué)已講授多年，具備較完整的教學(xué)內(nèi)容與方法體系，因此大學(xué)教育經(jīng)驗(yàn)可以為基礎(chǔ)教育提供指導(dǎo)?；诖髮W(xué)教育中形成的對(duì)人工智能的正確認(rèn)識(shí)，結(jié)合中小學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)制訂切實(shí)可行的中小學(xué)人工智能教學(xué)內(nèi)容與方法是一條行之有效的捷徑。

除了技術(shù)上的教學(xué)內(nèi)容與方法外，高等教育在培養(yǎng)科技人才過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的大學(xué)生與研究生科學(xué)素養(yǎng)的不足，如溝通能力、協(xié)作能力、創(chuàng)新能力、文化修養(yǎng)的欠缺等，對(duì)于在基礎(chǔ)教育階段通過(guò)開(kāi)展人工智能教育培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)也具有引領(lǐng)作用。越早培養(yǎng)越有利于科學(xué)素養(yǎng)的形成，正如習(xí)近平總書(shū)記于2023 年2 月21 日在中共中央政治局第三次集體學(xué)習(xí)時(shí)指出的：“要在教育‘雙減中做好科學(xué)教育加法，激發(fā)青少年好奇心、想象力、探求欲，培育具備科學(xué)家潛質(zhì)、愿意獻(xiàn)身科學(xué)研究事業(yè)的青少年群體?！盵1] 基于在高等教育中發(fā)現(xiàn)的學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)問(wèn)題，利用人工智能學(xué)科特性，有利于構(gòu)建培養(yǎng)學(xué)生好奇心、想象力、探求欲的中小學(xué)人工智能教育模式。

有利于從普及到拔尖創(chuàng)新的系統(tǒng)性教育

自2017 年國(guó)務(wù)院發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》以來(lái)，人工智能教育如雨后春筍般出現(xiàn)。但是小學(xué)、中學(xué)、大學(xué)各自開(kāi)展人工智能教育，不能流暢地從一個(gè)學(xué)段銜接到下一個(gè)學(xué)段，勢(shì)必造成學(xué)生學(xué)習(xí)上的種種障礙和困難。突出的表現(xiàn)是學(xué)習(xí)平臺(tái)的內(nèi)容與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不一，學(xué)習(xí)者在小學(xué)階段用某個(gè)平臺(tái)學(xué)習(xí)，到中學(xué)階段又換到其他平臺(tái)學(xué)習(xí)，導(dǎo)致學(xué)生難以適應(yīng)。尤為重要的是，下一學(xué)段提取不到上一學(xué)段的學(xué)習(xí)過(guò)程記錄和相關(guān)評(píng)價(jià)，造成學(xué)生學(xué)習(xí)成效反復(fù)重新評(píng)定、學(xué)生已會(huì)的知識(shí)點(diǎn)重復(fù)學(xué)習(xí)，造成時(shí)間和精力上的浪費(fèi)。

如果建立從小學(xué)到大學(xué)的人工智能整體貫通培養(yǎng)機(jī)制，使學(xué)生學(xué)習(xí)能像從火車(chē)的一節(jié)車(chē)廂走到另一節(jié)車(chē)廂一樣方便，則能有效解決上述問(wèn)題，形成良好的教學(xué)效果。一方面既能使人工智能普及教育得到有效開(kāi)展，另一方面又可使得拔尖創(chuàng)新人才能夠更好地脫穎而出并得到穩(wěn)定、持續(xù)、深入的培養(yǎng)，從而為人工智能學(xué)科的發(fā)展提供源源不斷的人才動(dòng)力。

適應(yīng)學(xué)校集團(tuán)化趨勢(shì)

目前，以優(yōu)勢(shì)學(xué)校為核心構(gòu)建不同學(xué)段學(xué)校匯集的教育集團(tuán)是一種普遍做法，這既是促進(jìn)教育公平的舉措，也體現(xiàn)了一體化貫通式培養(yǎng)的重要性。顯然，集團(tuán)化學(xué)校更希望人工智能培養(yǎng)是統(tǒng)一的、一貫制的，有利于集團(tuán)校合理配置學(xué)生、教師、物資等各項(xiàng)資源，平衡布局，避免浪費(fèi)。例如，如果一體化布局，教師既可以在中學(xué)任教，也可以去小學(xué)教學(xué)，有效避免了師資閑置。同時(shí)由于跨校、跨學(xué)段上課，教師參加不同學(xué)段的“大教研”，就能更加清晰地知道學(xué)生的需求，也就更能吃透課程標(biāo)準(zhǔn)，取得更理想的人工智能教學(xué)效果。

人工智能貫通式培養(yǎng)模型

通過(guò)貫通式培養(yǎng)，使學(xué)生的人工智能素養(yǎng)持續(xù)提升，從小學(xué)對(duì)人工智能的好奇式學(xué)習(xí)，到中學(xué)的科學(xué)原理探究式學(xué)習(xí)，再到大學(xué)的專(zhuān)業(yè)發(fā)展式學(xué)習(xí)，逐步加深對(duì)人工智能知識(shí)、技能與創(chuàng)新思維的掌握。為此建構(gòu)的貫通式培養(yǎng)模型包括培養(yǎng)目標(biāo)貫通、學(xué)習(xí)內(nèi)容貫通、核心素養(yǎng)貫通、學(xué)習(xí)能力貫通、學(xué)習(xí)平臺(tái)貫通5 個(gè)方面。如圖1 所示，目標(biāo)貫通、內(nèi)容貫通、核心素養(yǎng)貫通為教學(xué)引領(lǐng)，猶如綻放的火焰，照亮學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能的前行之路；能力貫通、平臺(tái)貫通為教學(xué)基礎(chǔ)，為學(xué)生的前行提供有力的支撐和保障。

教學(xué)引領(lǐng)

培養(yǎng)目標(biāo)貫通 確定一貫制的培養(yǎng)總目標(biāo)并分解到小學(xué)、初中、高中、本科、研究生各學(xué)段，從小學(xué)起點(diǎn)直到研究生終點(diǎn)，按照各學(xué)段特點(diǎn)，制訂切實(shí)可行的培養(yǎng)目標(biāo)。

學(xué)習(xí)內(nèi)容貫通 確定系統(tǒng)全面的人工智能學(xué)習(xí)內(nèi)容，將其拉長(zhǎng)到從小學(xué)到研究生的長(zhǎng)時(shí)間跨度進(jìn)行規(guī)劃，一方面使學(xué)生普遍具備全面的人工智能常識(shí)和應(yīng)用能力，另一方面使有志于在人工智能領(lǐng)域發(fā)展的學(xué)生得到充分的、扎實(shí)的訓(xùn)練。

核心素養(yǎng)貫通 明確人工智能核心素養(yǎng)，從對(duì)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)角度，建立從小學(xué)到中學(xué)到大學(xué)的核心素養(yǎng)體系與評(píng)測(cè)方法，從而為分階段的培養(yǎng)與培養(yǎng)效果的評(píng)價(jià)提供明確依據(jù)。

教學(xué)基礎(chǔ)

學(xué)習(xí)能力貫通 為學(xué)習(xí)人工智能，學(xué)生應(yīng)具備線上線下泛在學(xué)習(xí)能力、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)能力、科學(xué)探究能力、自主學(xué)習(xí)能力、創(chuàng)新思維能力等，隨著貫通式培養(yǎng)的進(jìn)行，適時(shí)提供相應(yīng)能力的學(xué)習(xí)和鍛煉。

學(xué)習(xí)平臺(tái)貫通 構(gòu)建小學(xué)—中學(xué)—大學(xué)一體化人工智能學(xué)習(xí)平臺(tái)，以統(tǒng)一風(fēng)格由淺入深支撐學(xué)生在各學(xué)段的學(xué)習(xí)需要，平臺(tái)應(yīng)能符合學(xué)生年齡特點(diǎn)和個(gè)性化學(xué)習(xí)需要，能支撐學(xué)生自適應(yīng)學(xué)習(xí)。

人工智能貫通式培養(yǎng)方案

基于前述貫通式培養(yǎng)模型，筆者建立了人工智能貫通式培養(yǎng)方案，在北京市多所中小學(xué)實(shí)施，取得了較好效果。

培養(yǎng)目標(biāo)與內(nèi)容的確定

人工智能是認(rèn)識(shí)人自身的學(xué)問(wèn)。人類(lèi)是已知世界里唯一具有高等智能的生物，因此人工智能是對(duì)人類(lèi)智能的認(rèn)識(shí)與模擬實(shí)現(xiàn)，以此作為貫通式培養(yǎng)的主線。相應(yīng)地，貫通培養(yǎng)的總目標(biāo)是使學(xué)生普遍形成認(rèn)識(shí)自己的意識(shí)與興趣，獲得在認(rèn)識(shí)自己基礎(chǔ)上完善自己和利用人工智能技術(shù)完善自己的知識(shí)儲(chǔ)備與能力，進(jìn)而使在人工智能技術(shù)領(lǐng)域有天賦的拔尖創(chuàng)新人才得以脫穎而出。貫通式培養(yǎng)的內(nèi)容則是以對(duì)人的認(rèn)識(shí)與模擬實(shí)現(xiàn)為依托形成的六大技術(shù)途徑：機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、符號(hào)智能、行為智能、進(jìn)化計(jì)算和群智能。圖2 顯示了這六大技術(shù)途徑及其與人類(lèi)智能的關(guān)系。

我們分別確定小學(xué)啟蒙、初中萌芽、高中入門(mén)、本科專(zhuān)業(yè)、研究生精通的教學(xué)目標(biāo)，進(jìn)而將對(duì)這六大技術(shù)途徑的由淺入深的認(rèn)識(shí)貫穿到從小學(xué)到研究生的各個(gè)學(xué)段，形成各個(gè)學(xué)段的具體教學(xué)內(nèi)容，再根據(jù)各個(gè)學(xué)段的學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)形成各自不同的教學(xué)方法與形式，其中基礎(chǔ)教育階段以對(duì)智能軟硬件系統(tǒng)的動(dòng)手操作與項(xiàng)目式實(shí)踐為主；本科教育階段以對(duì)理論知識(shí)的深入建構(gòu)與理解為主；研究生教育階段以對(duì)前沿進(jìn)展的把握與創(chuàng)新思考為主。基礎(chǔ)教育階段中，小學(xué)和中學(xué)又有所區(qū)別，小學(xué)主要是對(duì)人工智能技術(shù)的體驗(yàn)性認(rèn)知，了解六大途徑的直觀思想與表現(xiàn)，不涉及抽象理論與方法，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生在已有軟硬件系統(tǒng)基礎(chǔ)上形成一定的獨(dú)立思考與創(chuàng)新；初中增加對(duì)六大途徑的綜合運(yùn)用能力，能形成創(chuàng)新應(yīng)用成果；高中增加人工智能與各基礎(chǔ)學(xué)科（數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、生物、語(yǔ)言、藝術(shù)等）的聯(lián)系，夯實(shí)人工智能技術(shù)基礎(chǔ)，同時(shí)從人工智能視角形成對(duì)基礎(chǔ)學(xué)科的新認(rèn)識(shí)與深入興趣。

核心素養(yǎng)的界定與評(píng)測(cè)

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 年版）》表明，“信息科技課程要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)，主要包括信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會(huì)責(zé)任”[2]。這與2017 年版《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》核心素養(yǎng)契合，但義務(wù)教育階段注重“數(shù)字素養(yǎng)與技能的提升”[2]，高中階段則注重“信息素養(yǎng)的提升”[3]。大學(xué)對(duì)“具有獨(dú)立的科學(xué)研究能力和自主學(xué)習(xí)能力”[4] 等能力素養(yǎng)的描述，在包含中小學(xué)核心素養(yǎng)基礎(chǔ)上提出更高要求。由以上可以看出，小學(xué)、中學(xué)、大學(xué)核心素養(yǎng)一脈相承，融會(huì)貫通。

參照上述課程標(biāo)準(zhǔn)，人工智能核心素養(yǎng)可確定為：智算思維、智通思維、智能意識(shí)、智社責(zé)任和智數(shù)學(xué)習(xí)。智算思維是指利用人工智能的基本概念與方式方法等組成的知識(shí)體系，進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及人類(lèi)行為理解等涵蓋人工智能科學(xué)廣度的一系列思維活動(dòng)。智通思維是指學(xué)生具備將所學(xué)人工智能知識(shí)融會(huì)貫通的能力，將知識(shí)節(jié)點(diǎn)鏈接在一起，有效探索上位知識(shí)點(diǎn)和下位知識(shí)點(diǎn)，形成利用人工智能思維解決問(wèn)題的方式和方法。智能意識(shí)是指要具備對(duì)人工智能信息與人工智能價(jià)值的判斷力，存在主動(dòng)考慮用人工智能方法解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的意識(shí)。智社責(zé)任要明確人工智能是用來(lái)服務(wù)于人類(lèi)，因此研究和應(yīng)用人工智能需要符合道德規(guī)范和法律法規(guī)的約束。智數(shù)學(xué)習(xí)是利用人工智能與數(shù)字化資源相融合的方法完成學(xué)習(xí)和探究，實(shí)現(xiàn)更高效的學(xué)習(xí)。

在形式上，人工智能核心素養(yǎng)測(cè)評(píng)有表現(xiàn)性評(píng)價(jià)、過(guò)程性評(píng)價(jià)和發(fā)展性評(píng)價(jià)3 種，這3種評(píng)價(jià)形式緊密結(jié)合，相得益彰，能夠真實(shí)、動(dòng)態(tài)評(píng)定學(xué)生在學(xué)習(xí)中所呈現(xiàn)出的核心素養(yǎng)水平。在結(jié)果上，橫向采用智算思維、智通思維、智能意識(shí)、智社責(zé)任和智數(shù)學(xué)習(xí)為測(cè)評(píng)要素，縱向采用測(cè)評(píng)內(nèi)容、測(cè)評(píng)目標(biāo)、測(cè)評(píng)項(xiàng)目、測(cè)評(píng)指標(biāo)為測(cè)評(píng)框架，綜合測(cè)評(píng)學(xué)生在核心素養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)體系下的得分情況，判斷其所處的核心素養(yǎng)等級(jí)，從而較好地找到人工智能教學(xué)實(shí)際效果與學(xué)習(xí)期望之間的差距并優(yōu)化教學(xué)。

學(xué)習(xí)平臺(tái)與能力的構(gòu)建

動(dòng)手實(shí)踐在人工智能學(xué)習(xí)中扮演重要角色。目前人工智能算法主要以編程方式實(shí)現(xiàn)，對(duì)于大學(xué)階段已確立人工智能專(zhuān)業(yè)方向的學(xué)生來(lái)說(shuō)，用編程方式動(dòng)手實(shí)踐是沒(méi)問(wèn)題的，但在基礎(chǔ)教育階段，大多數(shù)學(xué)生尚不具備學(xué)習(xí)高級(jí)編程的認(rèn)知水平或者沒(méi)有學(xué)習(xí)編程的興趣，則不宜采用編程方式學(xué)習(xí)，而且過(guò)多強(qiáng)調(diào)編程的作用也會(huì)使得學(xué)生對(duì)人工智能的認(rèn)知發(fā)生偏差，混淆了這一實(shí)現(xiàn)工具與人工智能知識(shí)的根本區(qū)別。因此在學(xué)習(xí)人工智能的前期適宜采用非編程的積木化方式學(xué)習(xí)，即通過(guò)理解人工智能系統(tǒng)的基礎(chǔ)構(gòu)件并將基礎(chǔ)構(gòu)件組合起來(lái)形成智能系統(tǒng)的方式學(xué)習(xí)，這樣既可使學(xué)生理解人工智能核心知識(shí)，又使得系統(tǒng)搭建符合學(xué)生的認(rèn)知水平，使人工智能的普及學(xué)習(xí)成為可能。同時(shí)在積木構(gòu)成與程序之間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以使學(xué)生看到積木構(gòu)成對(duì)應(yīng)的程序，也可以通過(guò)修改程序改變對(duì)應(yīng)的積木構(gòu)成，這樣在一體化貫通式培養(yǎng)過(guò)程中，隨著學(xué)生人工智能知識(shí)與認(rèn)知水平的增長(zhǎng)逐漸增加程序內(nèi)容，或者適應(yīng)小部分具有編程天賦的學(xué)生的學(xué)習(xí)需要，從而使普及、提高、拔尖自然銜接起來(lái)。

AixLab 學(xué)習(xí)平臺(tái)（www.aixlab.cn）即是上述思想的產(chǎn)物。依托該平臺(tái)，學(xué)生學(xué)習(xí)能力的貫通式培養(yǎng)也由淺入深相繼展開(kāi)。首先培養(yǎng)線上線下泛在學(xué)習(xí)能力，有效利用線上平臺(tái)和線下課堂學(xué)習(xí)人工智能技術(shù)；然后培養(yǎng)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)能力，學(xué)習(xí)利用該平臺(tái)及配套硬件完成課程中布置的智能系統(tǒng)項(xiàng)目，提高動(dòng)手能力，加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解；進(jìn)而培養(yǎng)科學(xué)探究能力、自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新思維，獲得應(yīng)用創(chuàng)新直至理論創(chuàng)新能力。

結(jié)論

通過(guò)對(duì)小學(xué)—中學(xué)—大學(xué)人工智能全學(xué)段貫通式人才培養(yǎng)的思考，以及在北京理工大學(xué)和北京市多所中小學(xué)的教學(xué)實(shí)踐，我們認(rèn)識(shí)到貫通式培養(yǎng)是推動(dòng)人工智能教育走向普及與深入的有效途徑，以培養(yǎng)目標(biāo)貫通、學(xué)習(xí)內(nèi)容貫通、核心素養(yǎng)貫通為引領(lǐng)，以學(xué)習(xí)能力貫通、學(xué)習(xí)平臺(tái)貫通為基礎(chǔ)的人工智能貫通式培養(yǎng)模型對(duì)于人工智能教育在基礎(chǔ)教育階段的扎根落地，對(duì)于人工智能知識(shí)的普及與人工智能拔尖創(chuàng)新人才的脫穎而出均具有現(xiàn)實(shí)意義。