中小學(xué)人工智能教育教什么怎么教

近年來(lái)，在國(guó)家相關(guān)政策的大力支持下，我國(guó)中小學(xué)人工智能教育從無(wú)到有，正在逐步進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。開展高質(zhì)量的中小學(xué)人工智能教育，需要首先關(guān)注當(dāng)前所面臨的一些挑戰(zhàn)。在此基礎(chǔ)上，需要規(guī)范和明確課程的核心內(nèi)容與范圍，遵循人工智能學(xué)科本身特點(diǎn)進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，從而幫助廣大中小學(xué)教師了解和掌握“教什么”與“怎么教”。

中小學(xué)人工智能教育的痛點(diǎn)有哪些

隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，我國(guó)高度重視人工智能課程進(jìn)入中小學(xué)課堂。早在2003年，教育部就將“人工智能初步”作為選修模塊，納入國(guó)家《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》。近年來(lái)，國(guó)家陸續(xù)出臺(tái)了系列相關(guān)政策和指導(dǎo)意見(jiàn)，倡導(dǎo)在基礎(chǔ)教育階段設(shè)置人工智能課程，推動(dòng)了我國(guó)中小學(xué)人工智能教育的開展與實(shí)施。當(dāng)前，在基礎(chǔ)教育階段，尤其是義務(wù)教育階段，人工智能教育也面臨著一些痛點(diǎn)問(wèn)題。

一是人工智能課程定位模糊。人工智能課程當(dāng)前多作為選修或校本課程，屬于“個(gè)性化課程”。相當(dāng)一部分中小學(xué)與課外培訓(xùn)機(jī)構(gòu)缺乏對(duì)其清晰的認(rèn)識(shí)，將傳統(tǒng)的創(chuàng)客教育、STEM教育或編程教育中的教學(xué)內(nèi)容，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單改造后直接搬到人工智能課堂中。學(xué)生所學(xué)到的知識(shí)與人工智能學(xué)科本身的基本思想和方法相去甚遠(yuǎn)。

二是課堂教學(xué)內(nèi)容分化。有些教學(xué)內(nèi)容沒(méi)有考慮學(xué)生的基本認(rèn)知能力和數(shù)理基礎(chǔ)，傾向于講授人工智能特定子領(lǐng)域的復(fù)雜模型和理論，以抽象性知識(shí)為線索組織教學(xué)。例如，在中小學(xué)課堂上直接講授機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的“對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)”等復(fù)雜模型，學(xué)生很難對(duì)其有深入完整的認(rèn)識(shí)和理解。有些教學(xué)內(nèi)容則只強(qiáng)調(diào)體驗(yàn)式學(xué)習(xí)，側(cè)重于簡(jiǎn)單的動(dòng)手實(shí)踐活動(dòng)，學(xué)生通常難以學(xué)習(xí)到人工智能領(lǐng)域的基本原理和知識(shí)。相應(yīng)地，教學(xué)資源建設(shè)水平也參差不齊。迄今為止，全國(guó)范圍內(nèi)已出版超過(guò)30種人工智能教材及配套資源，相當(dāng)一部分是以購(gòu)買實(shí)踐環(huán)節(jié)所需的軟硬件平臺(tái)為導(dǎo)向，受商業(yè)利益驅(qū)動(dòng)明顯。

三是人工智能課程師資缺乏。我國(guó)高等教育正在加快人工智能學(xué)科建設(shè)與人才培養(yǎng)，但在師范院校存在一定的滯后性。許多師范院校在本科和研究生階段還沒(méi)有開設(shè)人工智能課程。因此，畢業(yè)生缺乏系統(tǒng)的人工智能知識(shí)，不具備設(shè)計(jì)和講授中小學(xué)人工智能課程的能力。在職的中小學(xué)教師隊(duì)伍中，更加缺乏具備相關(guān)知識(shí)與教學(xué)能力的教師。而非師范類院校或信息類專業(yè)培養(yǎng)的畢業(yè)生，受薪酬待遇等因素影響，進(jìn)入基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的數(shù)量很少。

中小學(xué)人工智能教育教什么

總體而言，人工智能學(xué)科的目標(biāo)是研究和開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人類智能的理論方法與技術(shù)，以構(gòu)建不同形態(tài)的智能機(jī)器。智能機(jī)器既可以是硬件形態(tài)，如服務(wù)類智能機(jī)器人，也可以是軟件形態(tài)，如圍棋博弈程序。在中小學(xué)階段，人工智能教育需要讓學(xué)生了解智能機(jī)器的基本能力，理解人工智能處理問(wèn)題與人類的異同，并認(rèn)識(shí)其對(duì)社會(huì)生活的影響。具體可以包括以下核心內(nèi)容：

一是智能機(jī)器的感知能力。該項(xiàng)能力可以概括為“采集信息、了解世界”。各類傳感器對(duì)外部世界的信息進(jìn)行采集并提取有意義的知識(shí)，使智能機(jī)器了解世界，具備和人一樣的“看”和“聽”等能力。同時(shí)，智能機(jī)器還可以感知很多人類所不能或難以精確感知到的信息，例如地理位置信息（GPS）等。

二是智能機(jī)器的推理能力。該項(xiàng)能力可以概括為“邏輯思維、求解問(wèn)題”。智能機(jī)器可以模擬人類邏輯思維過(guò)程，得到新的知識(shí)。例如可以像人類一樣，進(jìn)行歸納或演繹推理。雖然智能機(jī)器已經(jīng)可以進(jìn)行非常復(fù)雜的邏輯推理和問(wèn)題求解，但是它們目前仍然不能像人類一樣進(jìn)行創(chuàng)造性思考。

三是智能機(jī)器的學(xué)習(xí)能力。該項(xiàng)能力可以概括為“觀察世界、尋找規(guī)律”。智能機(jī)器通過(guò)對(duì)客觀世界的觀察，從中尋找到規(guī)律或模式，從而提高自身的性能。觀察的結(jié)果通常以數(shù)據(jù)的形式存儲(chǔ)和使用，智能機(jī)器用特定的模型找到適用于新情況的規(guī)律或模式，也就是機(jī)器學(xué)習(xí)的過(guò)程。模擬人類大腦結(jié)構(gòu)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，是迄今為止最成功的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，在圍棋博弈、圖片分類等特定任務(wù)上已經(jīng)超過(guò)了人類的能力。

四是智能機(jī)器的交互能力。該項(xiàng)能力可以概括為“理解人類、溝通交流”。智能機(jī)器需要用自然合理的方式與人進(jìn)行溝通和交流，包括理解人類復(fù)雜的語(yǔ)言與情緒等。當(dāng)前的各種智能音箱和智能手機(jī)助理，都是這方面能力的體現(xiàn)。智能機(jī)器的交互能力目前仍停留在較為初級(jí)的階段，僅僅相當(dāng)于人類兒童的水平。

五是智能機(jī)器的道德能力。該項(xiàng)能力可以概括為“信息安全、摒棄偏見(jiàn)”。各類智能機(jī)器一方面正在讓我們的生活和工作更加方便和高效，但另一方面也可能給我們帶來(lái)負(fù)面影響和危害。例如，智能機(jī)器可能會(huì)侵犯?jìng)€(gè)人隱私或制造“信息繭房”，也可能會(huì)從人類社會(huì)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)到帶有“偏見(jiàn)”的知識(shí)。因此，需要引導(dǎo)學(xué)生深入認(rèn)識(shí)這些問(wèn)題的存在和發(fā)生的可能，具備自我防護(hù)意識(shí)和信息社會(huì)責(zé)任。

這些核心內(nèi)容都易于被中小學(xué)階段的學(xué)生理解和掌握，且有一定的理論和實(shí)踐深度，便于教師設(shè)計(jì)具體課程內(nèi)容和構(gòu)建教學(xué)資源。

中小學(xué)人工智能課程如何設(shè)計(jì)

中小學(xué)人工智能課程可以基于上述核心內(nèi)容組織和規(guī)范教學(xué)內(nèi)容，同時(shí)需要遵循科學(xué)合理的基本設(shè)計(jì)原則。

首先，課程設(shè)計(jì)應(yīng)強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)性概念和基本原理的掌握，而不能將大量仍處于探索階段的所謂人工智能最新成果搬進(jìn)課堂，陷入盲目“求新”的誤區(qū)中。當(dāng)前人工智能學(xué)科仍然處于快速演進(jìn)的過(guò)程中，與數(shù)學(xué)、物理等傳統(tǒng)學(xué)科相比，很多最新成果還未經(jīng)過(guò)理論和實(shí)踐的充分檢驗(yàn)，缺乏經(jīng)典性和穩(wěn)定性。例如，機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)課程可以側(cè)重監(jiān)督式與非監(jiān)督式學(xué)習(xí)的基本思想和方法，避免涉及正在快速演進(jìn)的各類復(fù)雜的深度學(xué)習(xí)模型。

其次，針對(duì)不同學(xué)段學(xué)生的認(rèn)知能力和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容和課堂活動(dòng)，不同學(xué)段之間要有明顯區(qū)別。例如在小學(xué)階段可以主要以體驗(yàn)性活動(dòng)與課堂討論為主；在初中階段更多側(cè)重于對(duì)基本原理的了解和簡(jiǎn)單實(shí)踐；在高中階段可以適當(dāng)深化對(duì)重要概念和方法的理解并組織綜合性實(shí)踐。針對(duì)同一核心內(nèi)容，不同學(xué)段的課程設(shè)置需要由淺入深，進(jìn)行整體設(shè)計(jì)和規(guī)劃。對(duì)于較為復(fù)雜的概念與方法的講解，應(yīng)盡量采用橫向類比的方法，向?qū)W生直觀呈現(xiàn)。

再其次，課程設(shè)計(jì)應(yīng)多采用項(xiàng)目式或探究式學(xué)習(xí)，不必強(qiáng)調(diào)完備的知識(shí)和理論體系，從而讓學(xué)生易于接受并產(chǎn)生深入探索的興趣?？梢赃x取學(xué)生在日常生活中常見(jiàn)的情境和主題，設(shè)計(jì)合理的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題與教學(xué)支架，引導(dǎo)學(xué)生利用人工智能技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題或制作項(xiàng)目作品。例如，可以選取“垃圾分類”主題，以“如何構(gòu)建更智能的垃圾桶”為驅(qū)動(dòng)問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生在完成智能垃圾桶的設(shè)計(jì)和制作過(guò)程中，完成相關(guān)核心內(nèi)容的學(xué)習(xí)。

我國(guó)中小學(xué)人工智能教育，需要遵從人工智能學(xué)科本身的知識(shí)體系和思想方法，讓學(xué)生在體驗(yàn)中了解人工智能可以用來(lái)解決什么問(wèn)題，在學(xué)習(xí)中掌握人工智能的基本概念和思想方法，在實(shí)踐中思考人工智能會(huì)帶來(lái)什么新的問(wèn)題和影響。同時(shí)，要鼓勵(lì)領(lǐng)域?qū)＜?、行業(yè)協(xié)會(huì)、人工智能企業(yè)等社會(huì)多元主體參與，共建共享優(yōu)質(zhì)課程設(shè)計(jì)方案、工具和案例，協(xié)同解決優(yōu)質(zhì)教師隊(duì)伍匱乏等瓶頸性問(wèn)題，為人工智能課程在中小學(xué)大規(guī)模、高質(zhì)量落地提供保障。

（作者系北京師范大學(xué)教育學(xué)部副教授、未來(lái)教育高精尖創(chuàng)新中心人工智能實(shí)驗(yàn)室主任）

《中國(guó)教育報(bào)》2022年02月23日第4版