中小學(xué)生人工智能素養(yǎng)四維框架的探索

【中圖分類號】G434【文獻標(biāo)志碼】A 【論文編號】1671-7384（2025）06-066-04

2017年國務(wù)院《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確提出實施全民智能教育項目，標(biāo)志著人工智能教育正式上升為國家戰(zhàn)略。2024年11月20日，教育部辦公廳印發(fā)《關(guān)于加強中小學(xué)人工智能教育的通知》，明確加強中小學(xué)人工智能教育的總體要求?；A(chǔ)教育階段作為創(chuàng)新人才培養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，開展人工智能素養(yǎng)教育具有雙重價值，即個體發(fā)展價值與社會需求價值。個體發(fā)展價值在于培養(yǎng)計算思維、創(chuàng)新意識和智能社會適應(yīng)力；社會需求價值在于為數(shù)字中國建設(shè)儲備具備人工智能基礎(chǔ)能力的未來公民。

從實踐到反思：人工智能教育的斷層現(xiàn)象溯源

為推進中小學(xué)生人工智能素養(yǎng)培育，提高學(xué)生人工智能技術(shù)應(yīng)用水平，教育部教育技術(shù)與資源發(fā)展中心組織實施“全國學(xué)生數(shù)字素養(yǎng)能力提升實踐活動”，并專門設(shè)置了“優(yōu)創(chuàng)未來”和“智能博物”項目。通過分析近幾年競賽作品評審反饋報告，筆者發(fā)現(xiàn)當(dāng)前中小學(xué)人工智能教育存在三大斷層現(xiàn)象。

一是認(rèn)知斷層。通過對競賽作品的匯總分析，發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生在設(shè)計AI解決方案時，缺乏對AI技術(shù)本質(zhì)的理解，片面認(rèn)為AI作品就是有語言識別、圖像識別、文字識別等技術(shù)應(yīng)用的作品，對數(shù)據(jù)、算法、模型、深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等概念模糊，提出的方案缺乏可行性，有的僅僅是為AI而AI。即認(rèn)知呈現(xiàn)“三多三少”特征：應(yīng)用場景認(rèn)知多，原理機制理解少；工具使用了解多，算法思想掌握少；成品展示形式多，過程性思考體現(xiàn)少。

二是思維斷層。在“優(yōu)創(chuàng)未來”項目中，許多學(xué)生停留在“技術(shù)實現(xiàn)”階段，在解決復(fù)雜問題時缺乏從數(shù)據(jù)中提取信息、構(gòu)建模型和優(yōu)化結(jié)果的思維能力。比如，在處理大數(shù)據(jù)集時，學(xué)生需要經(jīng)過多次訓(xùn)練才能掌握如何通過數(shù)據(jù)分析來支持決策；在設(shè)計算法時缺乏對優(yōu)化和效率的考慮。即思維表現(xiàn)為“三重三輕”傾向：重技術(shù)實現(xiàn)輕問題分析；重結(jié)果呈現(xiàn)輕過程優(yōu)化；重單一方案輕系統(tǒng)設(shè)計。

三是實踐斷層。學(xué)生對AI的應(yīng)用場景和落地邏輯缺乏實踐性理解，認(rèn)知的不足，導(dǎo)致學(xué)生在實踐方面局限于“人臉識別”“語音助手”等常見應(yīng)用，缺乏利用AI技術(shù)全面設(shè)計作品、解決實際問題的實踐。同時跨學(xué)科融合不足，單一技術(shù)視角限制了AI在真實場景中的應(yīng)用。即實踐存在“三集中三缺乏”現(xiàn)象：場景集中在消費領(lǐng)域，缺乏產(chǎn)業(yè)應(yīng)用認(rèn)知；技術(shù)集中在感知層面，缺乏認(rèn)知智能實踐；學(xué)科集中在信息科技，缺乏跨學(xué)科整合。

人工智能技術(shù)迭代與素養(yǎng)發(fā)展的動態(tài)共生

在人工智能時代，教育的核心自標(biāo)、教學(xué)方式以及學(xué)習(xí)者的能力需求都需要重新審視和定義。首先，教育目標(biāo)需要從知識傳授轉(zhuǎn)向能力培養(yǎng)。傳統(tǒng)教育強調(diào)記憶與應(yīng)試，而AI時代的知識獲取已變得極為便捷。未來的教育應(yīng)更注重批判性思維、創(chuàng)造力、協(xié)作能力等核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，幫助學(xué)生在海量信息中辨別真?zhèn)?、解決問題。例如，AI可以輔助數(shù)據(jù)分析，但人類仍需具備邏輯推理與倫理判斷能力，以應(yīng)對復(fù)雜社會問題。其次，教學(xué)方式需要向個性化與交互性轉(zhuǎn)變。AI技術(shù)能通過算法分析學(xué)習(xí)者的行為數(shù)據(jù)，提供定制化學(xué)習(xí)路徑。教師角色將從“知識灌輸者”轉(zhuǎn)型為“學(xué)習(xí)引導(dǎo)者”，利用AI工具設(shè)計動態(tài)課堂，激發(fā)學(xué)生自主探究。再次，學(xué)習(xí)內(nèi)容需要融入AI素養(yǎng)培育。學(xué)生不僅要掌握學(xué)科知識，還需理解AI的基本原理、應(yīng)用場景與社會影響。例如，編程思維、數(shù)據(jù)倫理應(yīng)成為通識教育的一部分，同時警惕技術(shù)濫用帶來的風(fēng)險。最后。教育評價體系需革新。單一的考試分?jǐn)?shù)無法反映AI時代所需的能力，多元評估（如項目實踐、跨學(xué)科協(xié)作）將更受重視。AI時代需重新定義AI教育，這是構(gòu)建“人機協(xié)同”新生態(tài)的關(guān)鍵。唯有打破傳統(tǒng)框架，才能培養(yǎng)出適應(yīng)未來社會的創(chuàng)新型人才。因此，如何構(gòu)建“知識、思維、實踐、倫理”人工智能素養(yǎng)四維框架成為實施AI教育亟待研究的課題。

人工智能素養(yǎng)四維框架

人工智能素養(yǎng)四維框架（圖1）是滿足學(xué)生在人工智能時代全面適應(yīng)社會需求、實現(xiàn)個人發(fā)展所必備的綜合能力結(jié)構(gòu)。它融合人工智能認(rèn)知、思維、實踐與倫理四個緊密關(guān)聯(lián)且相互促進的維度，形成一個有機整體，全面塑造學(xué)生在人工智能領(lǐng)域的核心競爭力。人工智能認(rèn)知奠定扎實的知識基礎(chǔ)，人工智能思維為學(xué)生提供思考問題的方式和創(chuàng)新動力，人工智能實踐確保知識技能的有效應(yīng)用和轉(zhuǎn)化，人工智能倫理則規(guī)范引導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用的道德方向。四者協(xié)同作用，使學(xué)生能夠理性思考、深刻理解、熟練運用并負(fù)責(zé)任地發(fā)展人工智能技術(shù)，以應(yīng)對人工智能時代復(fù)雜多變的挑戰(zhàn)與機遇，推動技術(shù)與社會的良性互動和進步。

維度一：人工智能認(rèn)知

人工智能認(rèn)知是指學(xué)生對人工智能技術(shù)全面、深入的理解與認(rèn)識。這包括對人工智能的發(fā)展歷程、技術(shù)原理、應(yīng)用領(lǐng)域以及未來趨勢的掌握。它是學(xué)生構(gòu)建起關(guān)于人工智能完整知識體系，并能基于此對人工智能相關(guān)事物做出準(zhǔn)確判斷和合理解釋的綜合素養(yǎng)。

（1）知識體系層面。在發(fā)展歷程方面，中小學(xué)生需要對人工智能從萌芽階段到蓬勃發(fā)展的整個演進脈絡(luò)清晰把握，了解各個時期的標(biāo)志性事件以及推動其發(fā)展的關(guān)鍵因素。在技術(shù)知識方面，要求中小學(xué)生初步理解和掌握人工智能核心技術(shù)構(gòu)成，例如，機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、自然語言處理、計算機視覺等技術(shù)模塊，明白它們的運作原理以及相互之間的關(guān)聯(lián)和協(xié)同機制。

（2）應(yīng)用實踐層面。中小學(xué)生要具備信息意識，對人工智能發(fā)展要有一定敏感度和價值的判斷力；具有一定的信息感知力，熟悉人工智能及其呈現(xiàn)與傳遞方式，善于利用其交流和分享信息、開展協(xié)同創(chuàng)新；熟悉對常見人工智能硬件、軟件在實際問題上的應(yīng)用。小學(xué)低年級注重生活體驗；小學(xué)中高年級初步學(xué)習(xí)人工智能基本概念和基本原理，并體驗其應(yīng)用；初中階段深化原理認(rèn)識，探索利用人工智能手段解決問題的過程和方法。教師要引導(dǎo)學(xué)生正確處理人與技術(shù)、人與機器、人與數(shù)據(jù)、人與人工智能的關(guān)系，提高解決實際問題的能力，促進思維發(fā)展，培養(yǎng)創(chuàng)新精神。

維度二：人工智能思維

人工智能思維是指學(xué)生運用人工智能的邏輯、算法和數(shù)據(jù)處理方法來分析和解決問題的思維方式。是個體在面對人工智能領(lǐng)域各種現(xiàn)象、問題和技術(shù)挑戰(zhàn)時，能夠迅速抓住核心要點，運用科學(xué)的思考方法和邏輯框架，進行分析、綜合、判斷和推理，從而形成有創(chuàng)意且切實可行的解決方案的能力體現(xiàn)。

（1）人工智能基礎(chǔ)思維。人工智能基礎(chǔ)思維主要體現(xiàn)在計算思維、數(shù)據(jù)驅(qū)動思維、規(guī)則驅(qū)動思維。在中小學(xué)信息科技教學(xué)中，重點突出了計算思維，能將復(fù)雜的問題進行抽象、分解、建模，并通過設(shè)計算法形成解決方案，算法設(shè)計為問題解決規(guī)劃精確步驟流程。邏輯推理保證思維嚴(yán)謹(jǐn)，判斷方案合理性。而人工智能又強調(diào)依賴海量數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型的數(shù)據(jù)驅(qū)動思維，中小學(xué)生要能體驗?zāi)Ｐ蜆?gòu)建的全過程，同時在規(guī)則驅(qū)動思維指引下解決實際問題。

（2）人工智能高階思維。人工智能高階思維主要體現(xiàn)在人機協(xié)同思維、創(chuàng)造性思維、批判性思維。目前人工智能的發(fā)展水平和實現(xiàn)方式?jīng)Q定相當(dāng)長時間內(nèi)人機協(xié)同成為主要應(yīng)用場景。因此中小學(xué)生利用人機協(xié)同的思維方式解決現(xiàn)實問題成為主要手段。教師要鼓勵學(xué)生打破常規(guī)，探索新的應(yīng)用場景和解決方案，通過批判性思維幫助我們理性評估AI的能力與局限，避免盲目信任或否定。

維度三：人工智能實踐

人工智能實踐是指學(xué)生在真實情境中運用人工智能知識和技能開展活動的能力。它表現(xiàn)為能夠熟練操作人工智能相關(guān)工具、平臺和框架，將人工智能技術(shù)應(yīng)用于特定領(lǐng)域，解決實際問題或提升工作效率。

（1）工具操作的熟練度。熟練使用人工智能相關(guān)的軟件工具、編程語言以及開發(fā)平臺是進行有效實踐的基礎(chǔ)。這包括但不限于數(shù)據(jù)處理工具、機器學(xué)習(xí)框架、深度學(xué)習(xí)庫等。

（2）技術(shù)應(yīng)用的合理性。能夠根據(jù)真實情景實際需求選擇合適的人工智能技術(shù)，并將其正確應(yīng)用于相應(yīng)的業(yè)務(wù)場景中。無論是機器學(xué)習(xí)、自然語言處理、圖像識別，還是算法、模型，都需要精確地匹配與實施策略。

（3）問題解決的針對性。在面對真實情景挑戰(zhàn)時，能夠運用人工智能的知識和技術(shù)提出創(chuàng)新性的解決方案。通過分析問題的本質(zhì)，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)和資源，制定出切實可行的執(zhí)行計劃。利用人工智能優(yōu)化工作流程，減少不必要的人力物力消耗，從而實現(xiàn)效率的最大化。確實保證學(xué)生能在真實情景中選擇最優(yōu)化方案解決實際問題。

維度四：人工智能倫理

人工智能倫理是指學(xué)生在接觸和應(yīng)用人工智能技術(shù)時，所應(yīng)遵循的道德規(guī)范、倫理原則和社會責(zé)任。這要求個體能夠認(rèn)識到人工智能技術(shù)的潛在風(fēng)險，對人工智能技術(shù)潛在倫理風(fēng)險的敏銳洞察力和批判性思維，能在實踐中權(quán)衡不同利益相關(guān)者的需求和權(quán)益，確保技術(shù)應(yīng)用的健康發(fā)展。

（1）道德規(guī)范的認(rèn)識與遵守。明確并遵守涉及隱私保護、數(shù)據(jù)安全等方面的基本道德規(guī)范。尊重人權(quán)，確保人工智能的應(yīng)用不會侵犯個人或群體的權(quán)利和自由。

（2）倫理原則的理解與實踐。確保算法決策過程透明，避免偏見和歧視；致力于提高人工智能系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，降低潛在的風(fēng)險和威脅；明確技術(shù)開發(fā)者、使用者及管理者的責(zé)任，建立有效的問責(zé)機制。

（3）對潛在風(fēng)險的敏感度與批判性思考。對于可能出現(xiàn)的問題保持高度敏感，能夠預(yù)見并評估人工智能技術(shù)可能帶來的負(fù)面影響；通過批判性思維分析復(fù)雜情況，識別出需要優(yōu)先考慮的倫理問題，并尋求合理的解決方案。

人工智能素養(yǎng)培育實施策略

策略一：課程設(shè)置與教學(xué)資源

（1）分階段課程體系。學(xué)生人工智能素養(yǎng)培育要緊密結(jié)合信息科技教學(xué)內(nèi)容，設(shè)置合理的分階段課程體系，是開展中小學(xué)人工智能教育的基礎(chǔ)?；A(chǔ)教育階段（九年）以興趣啟蒙和基礎(chǔ)認(rèn)知為主，結(jié)合STEAM教育開展項目化學(xué)習(xí)、跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)。其中，小學(xué)階段通過游戲化學(xué)習(xí)（如編程機器人、AI繪畫工具）理解基礎(chǔ)概念（如算法、數(shù)據(jù)）；初中階段學(xué)習(xí)Python基礎(chǔ)、簡單機器學(xué)習(xí)模型（如決策樹），分析真實數(shù)據(jù)（如以氣象數(shù)據(jù)預(yù)測天氣）。

（2）人工智能教育平臺。人工智能教育平臺在推進中小學(xué)人工智能素養(yǎng)培育中扮演著核心角色，成為實現(xiàn)課程標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)?；涞氐年P(guān)鍵載體。平臺通過編程模擬、項目式學(xué)習(xí)等功能，幫助學(xué)生理解AI技術(shù)（如機器學(xué)習(xí)、自然語言處理），激發(fā)跨學(xué)科創(chuàng)新能力和批判性思維，適應(yīng)未來科技社會需求。

人工智能教育平臺要能提供分學(xué)段的AI課程資源（如小學(xué)啟蒙課、初中實踐課），涵蓋編程、算法、倫理等內(nèi)容，支持獨立或融合式教學(xué)。平臺實現(xiàn)教學(xué)工具集成，包括智能備課系統(tǒng)、課堂互動工具（如代碼編輯器、虛擬實驗室）、作業(yè)自動批改與反饋；平臺支持虛擬實驗環(huán)境應(yīng)用，包括集成圖形化編程工具（如Scratch）、Python語言編程環(huán)境、機器學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練，支持學(xué)生動手實踐AI項目（如機器人控制、圖像識別）等。目前，國內(nèi)中小學(xué)人工智能教育平臺建設(shè)相對滯后，但也涌現(xiàn)出一些比較有優(yōu)勢的平臺，如國家中小學(xué)智慧教育平臺開通了人工智能實驗場。

（3）創(chuàng)新競賽與活動。創(chuàng)新競賽與活動是促進人工智能素養(yǎng)培育的催化劑。如教育部教育技術(shù)與資源發(fā)展中心組織實施“全國學(xué)生數(shù)字素養(yǎng)能力提升實踐活動”以及教育部眾多素養(yǎng)類的白名單賽事，連接真實情景與應(yīng)用，拓展學(xué)生實踐場景。

策略二：教學(xué)方式和手段變革

（1）項目式學(xué)習(xí)。項目式學(xué)習(xí)是一種以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)模式，它圍繞真實世界的問題或挑戰(zhàn)，通過設(shè)計并實施項目來促進學(xué)生的主動學(xué)習(xí)和發(fā)展。我們設(shè)計項目式學(xué)習(xí)手冊，將認(rèn)知、思維、實踐、倫理四維人工智能素養(yǎng)融入全過程。例如，學(xué)生分組設(shè)計“校園垃圾分類AI助手”，其中認(rèn)知包括調(diào)研現(xiàn)有AI垃圾分類技術(shù)；思維方法采用數(shù)據(jù)驅(qū)動分析垃圾圖像數(shù)據(jù)集；實踐活動為訓(xùn)練模型并部署到樹莓派；倫理包括討論數(shù)據(jù)偏見（如對特定垃圾的識別誤差）等。

（2）跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)。通過跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠在真實情境中綜合運用多學(xué)科知識，培養(yǎng)人工智能素養(yǎng)，同時提升解決復(fù)雜問題的能力。以信息科技學(xué)科為核心，選擇貼近學(xué)生生活且具有跨學(xué)科性質(zhì)的主題，如“智能城市”“環(huán)?？萍肌薄敖】瞪睢钡?。這些主題可以結(jié)合數(shù)學(xué)、科學(xué)、信息科技、藝術(shù)等學(xué)科知識，幫助學(xué)生在真實情境中理解人工智能的應(yīng)用。

策略三：多方協(xié)作的人工智能教育

（1）教師隊伍建設(shè)。中小學(xué)校要完善師資培訓(xùn)體系，加大對教師跨學(xué)科培訓(xùn)的力度，特別是信息科技學(xué)科教師。開展針對性強的培訓(xùn)課程，不僅涵蓋AI技術(shù)知識，還包括跨學(xué)科教學(xué)方法和AI倫理教育內(nèi)容，提高教師在人工智能教育領(lǐng)域的教學(xué)能力，使教師能夠更好地引導(dǎo)學(xué)生提升AI素養(yǎng)。

（2）建立多方協(xié)同機制。人工智能素養(yǎng)的培育不僅需要學(xué)校教育，更需要多方協(xié)作，形成“政研產(chǎn)學(xué)”人工智能教育共同體。教育行政部門推進政策支持和引導(dǎo)，整合資源與協(xié)調(diào)，高?？蒲袡C構(gòu)提供科研資源及技術(shù)支持，科技產(chǎn)業(yè)提供豐富的人工智能教育實踐場景，將成果轉(zhuǎn)化與推廣，中小學(xué)校積極開展課程融合與教學(xué)實施。與科技公司共建AI實驗室，企業(yè)提供真實數(shù)據(jù)集（如語音識別數(shù)據(jù)）供教學(xué)使用。

策略四：評估與反饋機制

（1）多維度評價。構(gòu)建涵蓋認(rèn)知、思維、實踐、倫理四個維度的多維評價體系。設(shè)計真實情境下的任務(wù)，評估學(xué)生在復(fù)雜問題解決中的綜合能力。例如，學(xué)生可以設(shè)計一個基于AI的健康監(jiān)測應(yīng)用，展示其技術(shù)應(yīng)用能力和創(chuàng)新思維。

（2）動態(tài)調(diào)整。將最新的AI技術(shù)應(yīng)用成果融入教學(xué)，更新教學(xué)內(nèi)容。如隨著生成式人工智能的發(fā)展，進一步拓展相關(guān)課程內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生探索其在不同領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。

總結(jié)

人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展正深刻重塑全球競爭格局與社會形態(tài)，我國將人工智能教育定位為實施國家戰(zhàn)略的重要支柱。面對數(shù)字中國建設(shè)的迫切需求，中小學(xué)教育必須超越傳統(tǒng)知識傳授范式，構(gòu)建以“認(rèn)知、思維、實踐、倫理”為核心的人工智能素養(yǎng)四維框架，從教育底層邏輯出發(fā)，彌合當(dāng)前人工智能教育中認(rèn)知淺層化、思維碎片化、實踐局限化與倫理缺位化的斷層。我們希望通過課程體系革新、跨學(xué)科融合、項目式學(xué)習(xí)等策略，推動人工智能教育從“技術(shù)工具應(yīng)用”向“核心素養(yǎng)內(nèi)化”轉(zhuǎn)型，真正實現(xiàn)人工智能素養(yǎng)從“框架設(shè)計”到“課堂生根”的跨越，助力學(xué)生形成系統(tǒng)性AI思維與復(fù)雜問題解決能力，為智能社會的可持續(xù)發(fā)展儲備人才動能。

作者單位：浙江大學(xué)城市學(xué)院附屬學(xué)校

編輯：盧秋紅