中小學人工智能教育現狀問題與思考

王振強

在黨中央、國務院關于發展人工智能的各項政策的引導下，近年來，人工智能教育呈現蓬勃發展之勢。在高等教育領域，高校紛紛設立人工智能學院，創設人工智能專業。在基礎教育領域，人工智能教育不僅受到教育行政部門的普遍重視，中小學校也紛紛引進各種人工智能教育項目，開發課程、教材。眾多科技教育企業也將其視為自身發展的機遇，投入大量資金和人力。

大力發展人工智能技術已經成為國家戰略，基礎教育的改革與發展順應國家發展、時代發展的需要責無旁貸。青少年是未來社會發展的生力軍和中堅力量，青少年時期是興趣養成和世界觀形成的關鍵時期。在基礎教育領域，研究如何切實有效地開展人工智能教育，提升青少年對人工智能發展現狀和研究前沿的認知水平，更好地適應人工智能時代的生活，加深對人工智能所蘊含的技術思想和技術原理的理解，培養綜合實踐能力和創新精神，激發對人工智能的興趣，樹立投身人工智能事業的志向，既是培養新時代創新人才的重要手段，更是國家經濟社會發展的戰略需要。

中小學人工智能教育已經成為一個熱門的話題，然而如何讓人工智能教育真正落到實地，其中還有許多問題值得深入研究。

人工智能技術進入中小學，一方面可以作為教育、教學和學生學習的工具，另一方面可以作為學生學習的內容。以下主要討論作為學習內容方面的問題。

一、我國中小學人工智能教育現狀

1.國家課程

有關中小學階段設置人工智能相關課程的要求出現在政府文件中，始于2017年國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》，但其作為高中信息技術學科選修模塊教學內容早在2003年就已正式寫入教育部頒布的《普通高中課程方案(實驗)》。由于當時技術發展水平和普及程度不高，師資條件欠缺明顯，課程內容設置不夠合理等多種原因，高中信息技術人工智能選修模塊在全國范圍內開設狀況不佳。在《普通高中信息技術課程標準(2017年版)》中，人工智能相關內容不僅在選擇性必修模塊內專門設置，在必修模塊中也有所涉及。因此，人工智能作為高中信息技術國家課程的組成部分，已是既定事實，因此，研究如何在中學開設人工智能相關課程，必然涉及其與信息技術課程的關系。

信息技術課程是教育信息化建設的主要內容之一，也是信息技術與教學應用深度結合的基本保障。人工智能課程與信息技術課程內容高度重疊。大部分信息技術課程教學內容是人工智能課程內容的基礎。以經過調整、完善、優化的信息技術課程作為人工智能課程的主要部分，被廣大一線教師和教研人員所認同，也是讓人工智能教育面向全體學生的可行和有效途徑。

我國中小學信息技術教育始于20世紀80年代初，迄今已有將近40年的歷史，大致可以分成三個階段：計算機教育的實驗階段(1982—1990年)、計算機課程的形成與發展階段(1991—1999年)、信息技術課程全面發展階段(2000年至今)。

早期計算機教育的內容以程序設計為主，教育目標定位在普及計算機文化。隨著信息技術的發展，計算機功能的增加，以及日常生活和學校各學科教育需求的變化，信息技術教育目標逐步發展到計算機應用意識與能力以及信息素養的培養，信息技術課程的綜合性、工具性、人文性得到充分體現。信息技術教育內容曾經一度以計算機基本操作和應用計算機軟件解決學生日常生活和學習中的常見問題為主。近五年時間里，以計算思維培養為代表的新課程理念逐漸得到廣泛認可，信息技術課程的學科專業性再次受到重視。

2003年《普通高中課程方案(實驗)》將“人工智能初步”作為選修模塊直接納入高中課程，與“多媒體技術應用”“網絡技術應用”“數據管理技術”“算法與程序設計”并列為高中信息技術課程的五個選修模塊。在經教育部審定的五套全國發行的高中信息技術教材中，均包括“人工智能初步”選修模塊教材。《普通高中信息技術課程標準(2017年版)》在原課程標準的基礎上進行了大幅修訂，依據信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任四個學科核心素養，以及數據、算法、信息系統、信息社會四個學科大概念，對課程目標、課程結構、教學內容進行重新架構。在人工智能技術領域，不僅保留了“人工智能初步”選修模塊，在必修模塊中也增加了與人工智能相關的內容。

2.校本課程和校內教育活動

在學校開展的各類教育教學活動中，有些與人工智能技術聯系緊密，有些僅在內容上有少許關聯，但目標、形式上差距較大。由于人們對人工智能教育的內涵、外延沒有清晰、統一的認識，難以嚴格、準確地描述這些活動與人工智能的確切關系。

(1)以“人工智能教育”命名的相關教育活動

2017年7月，國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》對基礎教育提出了“實施全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育”的要求。2018年4月，教育部印發《高等學校人工智能創新行動計劃》，進一步明確要“構建人工智能多層次教育體系，在中小學階段引入人工智能普及教育”。兩個文件極大地推動了以人工智能相關課程為代表的人工智能教育在基礎教育領域的開展。2018年成為中小學人工智能教育爆發式增長的重要一年。

以中小學人工智能教材為例，據不完全統計，2018年全國范圍內推出了十幾種中小學人工智能相關的課程、教程或教材。這些課程和教材開發思路各有不同，也各具特色。就使用對象而言，有的面向全學段，覆蓋幼兒園、小學、中學到職業教育，有的專門針對初中或高中某一階段；就開發思路而言，有的注重與科學、信息技術國家課程的銜接，有的主要圍繞技術路線、突出實踐活動；就內容上而言，有的以大數據為核心內容，有的側重編程，有的重點突出某一項或某幾項人工智能的技術體驗。此外，還有部分教材專門針對校外教育機構或定位于家庭教育。這些有益的前期探索提供了寶貴的經驗，有效推動了中小學人工智能教育的發展。但是，這類人工智能教育教學活動以何種具體形態在學校中有效落實，各地的做法差異較大。

(2)以“機器人教育”命名的相關教育活動

2000年前后，隨著教育部在全國中小學普及信息技術教育、開設信息技術必修課、實施校校通工程，“教育機器人”進入國內中小學。學習內容包括機器人結構搭建、傳感器應用、程序編制、創意項目設計等。機器人結構、外形主要分為以“樂高”為代表的插接積木式，以“能力風暴”為代表的固定外形式，以及后來衍生出的標準結構件組合式等。學校的機器人課程多是配合各類相關競賽活動，以課外興趣小組、學生社團等形式開展。以教育機器人為載體開展人工智能教育是目前較為廣泛流行的做法，但也有專家認為，現在學校里常見的教育機器人難以承載人工智能技術的核心內容。

(3)以“STEM教育”命名的相關教育活動

STEM教育重點是加強對學生四個方面的教育：一是科學素養，即運用科學知識(如物理、化學、生物科學和地球空間科學)理解自然界并參與影響自然界的過程；二是技術素養，即使用、管理、理解和評價技術的能力；三是工程素養，即對技術工程設計與開發過程的理解；四是數學素養，即學生發現、表達、解釋和解決多種情境下的數學問題的能力。STEM教育在發展中又逐漸增加了藝術、人文等素養。學校的STEM教育形式多樣，沒有統一的標準。

(4)以“創客教育”命名的相關教育活動

創客一詞源于英文Maker。創客是熱衷于創意、設計、制造的個人設計制造群體，包括軟件開發者、藝術家、設計師等諸多領域的代表，創客(Maker)以用戶創新為核心理念，是面向知識社會的創新2.0模式在設計與制造領域的典型體現。創客教育(Maker Education)是一種融合信息技術，以“在創造中學習”為主要學習方式和以培養各類創新型人才為目的的新型教育模式。創客教育活動一般以某種電腦開源硬件(如Arduino，Micro:bit，掌控板，樹莓派等)為平臺，進行創意設計、作品開發。創客教育活動為培養學生的創新精神和實踐能力提供了有效路徑。

3.相關學科競賽活動

各類相關學科競賽是與信息技術課程的發展同步進行的。從20世紀80年代開始，在全國范圍內已經出現了“中小學生計算機程序設計大賽”“信息學奧林匹克競賽”“全國少兒計算機考試(簡稱‘少兒NIT’)”。2000年教育部開始舉辦“全國中小學電腦制作活動”，其后，一些知名企業與政府部門或行業協會，相繼組織了如“全國中小學信息技術創新與實踐活動(NOC)”等各類與信息技術教育相關的計算機、機器人或科技創新競賽活動。這些活動在很大程度上促進了信息技術教育的普及和提高，也為人工智能教育的開展提供了空間。

4.校外培訓機構開展的相關教育活動

2017年以后，受政策影響，以編程、機器人、創客、STEM、無人機、人工智能為主題的各類校外培訓機構紛紛涌現，招生范圍從幼兒園直到高中階段，教學內容豐富、形式多樣。這些教育機構推出的相關課程，豐富了學生校外教育資源，為學生的個性化發展提供了一定空間，也為學校教育提供了可供參考的新思路，但是也存在著教學質量良莠不齊、教學內容雜亂無序等問題，在一定程度上有可能加重學生的學業負擔。

二、人工智能教育的問題和挑戰

從最近各種機構已出版教材，以及各種人工智能主題研討會、論壇中發布的人工智能教育成果中，可以看到，人工智能教育在取得成績的同時，也存在很多問題。

1.頂層設計問題

人工智能技術包含內容廣泛，至今沒有統一的原理或范式指導人工智能研究，在許多問題上研究者都存在爭論。無論在高等教育還是在基礎教育階段，人工智能專業、人工智能課程目前還處于發展初期，內容框架、知識體系尚未建立。

在高校現有的學科體系下，人工智能關鍵技術—計算機圖形學、機器學習、自然語言處理、語音識別，大多是在計算機應用技術、軟件工程、電子與通信工程等一級學科中學習，人工智能尚未形成自己獨特的課程體系，人工智能專業課程存在著高開低走、碎片化、低水平重復的問題。而隨著國內各高校紛紛設立人工智能學院或專業，人工智能一級學科的建設正在逐步推進完善中。

人工智能核心概念沒有清晰的界定。在基礎教育階段，這個問題尤其突出。因為對人工智能概念認識不清，有些教育行政部門領導甚至教育專家，將人工智能技術與程序設計混為一談，有的將教育機器人活動項目等同于人工智能教育。有些教材的內容安排與已實施多年的信息技術學科課程、創客活動、機器人活動無明顯區別，只在名義上冠以人工智能課程，有名無實。

人工智能技術在近年得到快速發展，得益于物聯網、大數據、云計算等技術的發展，與信息與計算科學、網絡通信、感測技術、自動控制技術等基礎性學科的發展緊密相關，是現代信息科技發展高層次集中的體現。脫離其他相關技術的支持，人工智能技術的發展將失去根基；但若將人工智能技術外延擴展到所有相關領域，人工智能技術又將失去發展主攻方向。

作為學習內容，人工智能教育與現有的信息技術教育、編程教育、智能機器人教育、STEM教育、創客教育等概念的關系同樣需要進行討論、深究。在各個學段，學生需要學什么？這些內容之間是什么關系？人工智能相關課程應該以怎樣的形態存在？這些問題都需要在頂層進行設計。

2.教學方式問題

人工智能在研究領域尚有許多不確定的問題，在教學方式上自然無法得到統一。人工智能技術中的許多代表性內容，如模式識別、知識表示、智能搜索、推理、規劃、機器學習、深度神經網絡、專家系統、自然語言處理等，技術核心均是采用以“大數據+深度學習”為標識的人工智能算法，但這些算法深奧晦澀，需要學生具備深厚的知識基礎和能力儲備才能理解；在基礎教育階段，如何將人工智能技術的工作過程可視化，讓學生把“黑匣子”打開，看到其中究竟，不是一朝一夕可以解決的。

縱觀當前有些學校、機構的做法，有些是將大學的教學方式照搬到中小學，各種復雜的公式、生澀的概念滿堂硬灌，課堂毫無趣味，學生如聽天書；有的則完全相反，教學內容只關注應用、體驗，完全不涉及人工智能技術的基本原理、思想、方法，課堂反響強烈，學生收獲寥寥。

3.夸大宣傳問題

有的教材在各自的宣傳中聲稱國內、國際“第一套”。而實際上，人工智能課程早在2003年就被確定為高中信息技術選修模塊，五套全國發行的高中信息技術學科教材中都有人工智能分冊。

有些機構考慮不到人工智能技術在歷史發展進程中所經歷的曲折坎坷事實，盲目樂觀，過度夸大宣傳，給大眾造成誤導。有些單位為博領導和公眾眼球，盲目引進一些并不成熟的技術，或者與人工智能毫不相關的產品，無疑將會造成巨大的教育資源浪費。

其中,B1(nV×1),B2(nI×1)分別為輸入電壓和輸入電流;A為關聯矩陣且具有0,1,-1元素。

4.師資問題

師資隊伍建設是人工智能相關課程發展的核心問題。中小學信息技術教師將成為承擔人工智能課程教學任務的主體，他們在學校日常工作中承擔了大量事務性和技術服務性工作，教學只是他們的“副業”，業務學習時間和精力不夠，工作成就感不強，隊伍不穩定。人工智能處在信息科技發展的最前沿，一線教師普遍沒有接受過專業培訓，需要投入大量時間和精力進行學習，而相關的學習資源、教學案例又極匱乏，教師從事相關內容教學困難重重。

5.裝備問題

人工智能課程的順利開展，需要必要教學裝備的支持。人工智能課程需要什么樣的裝備，如何才能提高人工智能教育裝備性價比，有許多問題還需要深入研究。目前中小學信息技術必修課教學環境尚不能滿足教學需求，設備更新跟不上，學校人工智能實驗室和相關設備配備幾乎還是空白。

6.課時問題

信息技術課程作為一門國家課程，在學校課程體系中始終沒有得到充分重視，課時數量少且不能得到保障，是其教育價值沒有得到充分發揮的重要原因。部分地區中學因英語學科口語考試，為滿足備考、測試、考場封閉、監考、數據留存等考試要求的機房改造給信息技術學科教學造成障礙，大量信息技術課時被擠占。

在課程方案3學分、54課時的安排下，高中階段課程標準對必修模塊的要求根本無法達到，課程方案與課程標準之間存在明顯矛盾，人工智能選修模塊開設毫無保障。

在當前中小學學生負擔不斷加重的現實情況下，想從國家課程中，尤其傳統考試學科中搶得課時完全沒有可能，從地方、校本課程中安排課時，又要受各種條件、學校特色發展思路限制，無法做到全面普及。

7.部門機制協調問題

人工智能教育得到穩步、長遠的發展，需要教育領域各部門之間，乃至社會各界之間的廣泛協調、步調一致、形成機制。

另一方面，以學生視力下降、學生家長“被作業”等為由，禁止手機、平板電腦進入課堂，限制PowerPoint、大屏幕顯示器使用，2018年一些行政部門出臺的文件、舉措，各級代表、委員的呼聲，也在教育信息化發展、人工智能賦能教育新時代的春風中裹挾了一絲寒意。

以上這些信息技術課程發展過程中遇到的障礙、阻力、困難，人工智能教育同樣會遇到。如何克服這些障礙，形成合力，是人工智能教育能否順利實施的重要因素。

三、關于中小學人工智能教育的思考

教育是一個“長線工程”，有著自身的規律。“搶熱點”“搶先機”“搶先手”只是一時之舉，不能解決教育的根本問題。人工智能教育中的諸多問題需要經過長期不懈的研究、探索和實踐才能得到解決。如何持續有效推進人工智能教育？在工作思路上，是否應該多調研和總結前人的經驗？是否應該將更多時間和精力放在查找和解決實際問題上？是否應該在“下先手棋”的同時，也別忘記補強自己的弱棋？這些問題需要每一位教育工作者深入思考。