中小學人工智能課程內容設計探究

謝忠新，曹楊璐，李 盈

(上海市浦東教育發展研究院，上海 200135)

一、引言

人工智能作為引領未來的戰略性新興技術，正在深刻影響著社會的方方面面，也將深刻改變我們的生產生活方式。2017年國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》明確指出人工智能已成為國際競爭的新焦點，我國應逐步開展全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程、逐步推廣編程教育、建設人工智能學科[1]。2018年教育部印發《教育信息化2.0行動計劃》，明確要求要完善課程方案和課程標準，使中小學人工智能和編程課程內容能充分適應信息時代、智能時代發展需要[2]。

在中小學開設人工智能課程，從小學、初中到高中分學段、系統化地進行人工智能教育，是具有前瞻性的舉措。本文將在分析中小學人工智能相關課程現狀的基礎上，從學生認知發展的視角提出對中小學人工智能課程內容建設的想法，以期為中小學人工智能課程內容的建設提供一些參考。

二、中小學人工智能課程現狀及反思

(一)國內外中小學人工智能課程現狀

現階段，中小學的人工智能教育課程更多的是在計算機科學教育及計算機課程、信息技術課程、科學課程、STEM課程、創客課程中引入人工智能相關的教學內容?？梢哉f，當前國內外中小學人工智能教育課程是以人工智能教育為主題的泛在課程系列。

20世紀80年代，人工智能課程以選修課的形式出現在英國的ICT課程中，主要講解人工智能的基礎知識、人工智能的應用知識。2013年，英國在中小學教學大綱的全面改革中將原有的信息通信技術(ICT)課程修訂為計算(Computing)課程，教學目標轉向關注計算思維和人文價值。在人工智能教學方面，英國多與高校協作開展，比如將來自高校的實習教師作為中小學人工智能教育的外部師資、依托高校力量為中小學搭建人工智能教學網站、邀請高校專家參與中小學師生的討論和答疑等。

在美國，人工智能課程是計算機科學課程的一部分，且多以選修課的形式開設[3]。目前，美國中小學的編程課主要是引導學生組裝編寫好的程序模塊來控制機器人完成簡單動作，進而培養編程興趣。在人工智能教學方面，與高校合作開辦課程是美國中小學人工智能教學經常采用的方式，比如，卡耐基·梅隆大學將本科計算機專業學生的可擴展狀態機器語言課程改進之后供參加暑期夏令營的高中生使用[4]。

我國在2003年正式啟動中小學人工智能教育，經過十幾年的教育實踐，當前的人工智能教育主要在信息技術課程、STEM課程、創客課程中開展?！镀胀ǜ咧行畔⒓夹g課程標準(2017年版)》將“人工智能初步”列為選擇性必修模塊，分為人工智能基礎、簡單智能系統開發、人工智能技術的發展與應用三部分內容[5]。隨著STEM課程和創客課程的廣泛開展，部分學校和一線教師嘗試在STEM和創客等跨學科課程中探索人工智能教育。比如，中國人民大學附屬中學將人工智能教育內容和STEAM課程相整合，從感知、認知和創新三個層次構建了“STEAM+人工智能教育”校本課程體系。此外，在高中通用技術的“智能家居應用設計”模塊和“機器人設計與制作”模塊中，也將人工智能、大數據處理等技術的學習融入其中，深化學生對人機關系的認識。

(二)對國內中小學人工智能課程現狀的反思

盡管當前人工智能教育被給予足夠的重視，但縱觀國內中小學人工智能課程現狀，當前的課程尚存在如下不足。

1.人工智能課程重視技能訓練，輕視計算思維的培養

從當前的課程實踐來看，中小學的人工智能教育主要依托編程教育和機器人教育來開展。編程教育，無論是校內還是校外，多停留在指導學生利用程序設計語言完成具體的編程題目。機器人教育，多停留在簡單的實體安裝層次，在設計思維能力的培養方面并沒有發揮機器人教育的自身優勢。而中小學生大多以參加競賽為目的而接受編程教育，在學習過程中更多地關注編程技能的提升。此外，現階段中小學人工智能教育的教材大多屬于產品說明書或用戶指南類[6]，缺少對學生思維能力培養的科學引導。

新一輪課改將我國基礎教育的總目標落實到“學生發展核心素養”。其中，信息意識、計算思維、數字化實踐能力、信息社會責任是學生需要具備的四個方面的信息技術核心素養[7]。人工智能可為計算思維培養提供生動案例，同時，人工智能的很多作品也是計算思維支持下的成果。因此，以計算思維的培養目標指引人工智能的課程設計與教學，能有效地將人工智能教學實踐上升至更高水平。

2.人工智能課程缺少完善的課程內容體系

從課程內容來看，人工智能教育主要依托于信息技術課程、STEM課程、創客課程、計算機科學課程來開展，人工智能教育的課程目標只是對應課程目標的一部分。雖然從小學、初中到高中都有不同專題的人工智能相關課程，但是這些課程是碎片化的，缺少對人工智能意識、方法、能力目標的系統化設計。從課程的學段設置來看，人工智能教育多在初中、高中開展，小學甚少涉及。這種小學、初中、高中人工智能教育的脫節不僅會增加學生的學習障礙，也會因為認知延遲而降低學生的能力水平。因此，人工智能課程需要建立覆蓋小學到高中的完善的課程體系，從而讓學生接受系統的人工智能教育。

三、中小學人工智能課程內容設計探究

中小學是學生學習的基礎階段，在這個階段開設人工智能教育系列課程，重在以人工智能思維方式轉變和思維能力提升為培養目標，以激發探索興趣、理解基本思想為出發點，通過系統的、科學的課程內容設計，讓學生在小學、初中和高中接受體系化的、符合其認知發展規律的人工智能教育，使學生在建立興趣的基礎上，提高運用人工智能相關技術思想來分析和解決問題的能力、動手實踐能力及創新創造能力。

(一)基于認知發展規律的中小學人工智能課程目標設計

皮亞杰的認知發展理論指出，小學階段的學生可以將感知動作內化，并能在具體內容的支持下進行簡單的抽象邏輯思維；初中階段開始，學生能夠擺脫具體內容進行抽象邏輯，并能進行假設——演繹推理[8]。基于此，中小學人工智能課程建議分為認知、理解、應用、實踐、創新五步走，人工智能思維方式和思維能力的課程培養目標將與這五步有機融合。

1.認知。通過“人機大戰”等故事講述，通過看、聽、說、想等多感官維度的人工智能場景產品體驗，使學生建立對人工智能的直觀認識，感受人工智能給生活帶來的巨大改變。

2.理解。通過類比、游戲活動等形式，使學生初步理解人工智能的基礎知識與基本思想，能對人工智能產品背后的原理作簡單解釋。

3.應用。通過體驗各種人工智能產品，使學生學會與智能工具打交道，能夠利用智能工具改變學習和生活的方式。

4.實踐。通過編程的系統化學習，培養學生的計算思維和動手實踐能力，使學生能夠在實踐中完成簡單的人工智能作品。

5.創新。通過對人工智能的整體學習，使學生能夠在理解人工智能原理的基礎上，完成人工智能產品的創新性設計與開發。

(二)中小學人工智能課程內容設計

隨著知識的增加，學生的認知能力與對知識的接受能力有很大的不同，三個學段人工智能課程的開設在普及人工智能知識的基礎上，內容的側重點應有所不同，如圖1所示。

圖1 中小學人工智能課程體系設計

1.小學人工智能課程，重在感悟

小學人工智能課程應重在讓學生感悟人工智能對生活和學習的影響，體驗生活中的人工智能，直觀地了解人工智能的特點，激發探究的熱情和積極性。例如，通過播放科幻片、人工智能“人機大戰”等相關視頻讓學生對人工智能的應用領域等建立直觀的認識，讓學生知道人工智能可以做什么、不可以做什么；從認知視角體驗人工智能的用途，學習如何與人工智能機器人合作，如何利用簡單的人工智能工具來提高工作效率，讓生活更加美好等。小學人工智能課程內容可以從三個主要方面來展開，具體如圖2所示。

圖2 小學人工智能課程內容模塊

(1)認識人工智能

本模塊通過一系列人工智能認知的小故事，讓小學生直觀認識什么是人工智能。例如可以通過經典的“人機大戰”故事的講述讓學生感受人工智能；也可以從其他生活中經常應用到的智能小工具讓學生了解感受科技的發展，以及人工智能給生活帶來的改變。

(2)感悟人工智能

本部分課程內容可以分為五部分來展開，每個維度對應生活中實際應用的例子，分別從人如何讓機器學會看、聽、說、想、動，模仿人的認知，使學生來初步體驗人工智能的用途，如圖3所示。本模塊不強調技術，側重點是讓學生明白人工智能的實際應用。

圖3 感悟“人工智能”

通過使用各種人工智能產品，例如識別花朵的APP能夠識別各類花草，讓學生感受人工智能可以讓機器“看”，通過語音識別技術感受人工智能可以讓機器“聽”，通過與智能機器助手對話感受人工智能技術可以讓機器“說”，會思考也就是會“想”，通過讓機器按照自己的指令來執行相應的任務，智能遙控器來控制電視、操縱智能小車等感受人工智能可以讓機器“動”。通過這些智能工具和技術，建立小學生對人工智能的認識和感悟。

(3)嘗試人工智能

小學人工智能課程不只是單純的體驗和感知，而是在體驗和感知中培養學生的計算思維[9]。計算思維能夠幫助學生理解問題、高效解決問題。在小學階段引入Scratch、APP Inventor等圖形化編程工具，對學生進行編程及算法思想的啟蒙與滲透[10]。

讓學生通過簡單的圖形化編程，完成人工智能相關作品，或者更改某些參數來實現人工智能作品。在這個過程中主要讓學生思考做什么、如何分步驟做等，在這個過程中培養學生的計算思維及動手實踐能力。例如可以為學生設計編程任務“聽話的燈”。當聽到語音“請開燈”，燈亮，機器同時語音輸出“您好，燈已打開”，當聽到語音“請關燈”，燈滅，機器同時語音輸出“您好，燈已關閉”。選擇合適的圖形化編程工具，讓學生思考，如果要完成，需要哪些器件，怎樣分步驟完成。老師可以給出每一個步驟，并把步驟打亂，讓學生自己排序，實踐完成該功能。

2.初中人工智能課程，重在體驗

初中階段，通過了解、體驗以及創作等一系列活動讓學生在親身參與中感受人工智能技術的無窮魅力，并在體驗中基本理解人工智能的原理，知道人工智能怎么“做”。培養學生交叉學科的創新思維，進而思考如何利用人工智能解決問題。初中階段的人工智能課程，可以設計體驗類和簡單的創作類活動，讓學生感受到人工智能課程的“好玩”及“可玩”[11]。初中人工智能課程內容，具體如圖下頁4所示。

(1)認識人工智能

通過介紹“人機大戰”、圖靈測試等故事以及生活中常見的人工智能應用，激發學生人工智能的興趣，讓學生在故事中理解人工智能是什么，能說出人工智能的定義；知道人工智能的三要素，并能說出每個要素的作用；了解人工智能的發展歷程，能用辯證的眼光來看待人工智能。

(2)體驗人工智能(理解簡單基本原理)

體驗人工智能(理解簡單基本原理)模塊是讓學生通過體驗，并從技術角度了解基本的人工智能原理，從機器會看(圖像識別等技術)、聽(語音識別等技術)、說(人機對話技術)、想(機器人技術、深度學習等技術)等多個維度來學習體驗人工智能的用途。了解技術簡單的基本原理，在此基礎上學習人工智能的重要的原理之一--機器學習(深度學習)。體驗人工智能(理解簡單基本原理)模塊的學習過程設計如圖5所示。

圖4 初中人工智能課程內容

圖5 體驗人工智能(理解簡單基本原理)模塊的學習過程設計

以機器“聽”為例說明學習過程如圖6所示：

圖6 以“聽”(語音識別等技術)為例的學習過程設計

以機器“聽”為例設計相關內容：

a.體驗某一應用：通過輸入法的智能語音識別感受人工智能技術可以讓機器“聽”。

b.引出“語音識別”：理解機器“聽”的關鍵是語音識別技術。

c.理解“語音識別”原理：人說話的時候，通過聲帶使空氣發生震動，產生聲波。機器在學習的過程中，人們會設計一些數學模型，讓機器知道這個聲波對應哪個漢字。學習完所有漢字后，就生成了一個模型，最后這個機器就把這個模型記在腦海里。識別的時候，機器同樣是把人所發出的聲波進行處理，截取合適的片段，將這些片段與腦海中的模型進行比對，哪個最接近，就把當前發的音轉換為漢字，然后再把整句話合成輸出。具體步驟如圖7所示。

圖7 語音識別基本原理

d.語音識別等技術相關知識拓展：語音識別的作用、語音識別的發展歷程等知識拓展。

(3)實現人工智能

結合學生的認知特點，本階段學生的編程是基于人工智能某一點的編程，在編程的過程中，一方面鞏固所學人工智能知識，另一方面培養學生計算思維及實踐能力。對初中學生計算思維的培養，圖形化編程是一種表達方式，也是一種新的開發方式。圖形化的編程語言，本質上是可視化的思維，使得計算思維的培養和訓練簡單方便。

通過圖形化編程，初步設計稍微復雜一些的人工智能作品(包含人工智能的多個功能點)，最終，通過整體對人工智能的學習，完成制作。比如，仍然可以為學生設計編程任務：“聽話的燈”。這里就需要學生了解語音控制電燈系統的信息流，會用可視化編程軟件編寫藍牙通訊apk，并掌握接收串口數據并控制端口的方法等相關技術。

3.高中人工智能課程，重在創造創新

人工智能時代，高中生應該掌握的核心能力是獨立思考、問題解決、實踐能力[12]和創新創造能力。高中人工智能課程內容的設計應偏重于創造創新，強調人工智能基本理念與原理的傳遞，注重創造力、想象力、整體思考，以及動手能力的提升。高中階段，可通過編程教育、機器人教育、數據分析的案例或項目實踐，提升學生的創造創新及計算思維能力。

高中學生具有一定的信息化基礎，從內容安排上看，可以讓學生理解人工智能的基本概念、人工智能的歷史、技術、人工智能的基本過程以及實現人工智能的典型算法和主要實現手段。通過諸如基于搜索的問題求解、基于反饋的控制思想、基于統計的模式識別、基于機器學習的問題求解等相關知識的學習來培養學生利用人工智能技術解決實際問題的基本思維方式及能力。高中的人工智能課程重點應增強學生的計算思維，計算思維主要是指通過分解、模式與概括、抽象、算法思維、評估來形成有效的問題解決方案[13]。通過程序設計以及實踐經驗，學生的計算思維才能得到鍛煉與培養。程序設計是計算思維能力提升的重要方法之一，因為程序設計過程可以讓計算思維這個抽象的概念變得具體，可以成為培養學生計算思維的工具。關于程序設計語言，Python被認為是進入人工智能領域的敲門磚。根據高中學生的學習能力，高中課程編程部分建議使用Python語言。結合以上分析，高中課程內容如圖8所示。

圖8 高中人工智能課程內容模塊

(1)認識、體驗人工智能

通過基于場景的人工智能體驗來認識人工智能，體驗各種人工智能產品，學會與較復雜的智能工具打交道，進一步了解人工智能的三要素在產品中發揮的作用。嘗試讓學生自己分析體驗所涉及的人工智能的相關技術。

(2)理解人工智能(深入分析各技術)

學習人工智能基礎知識與原理，可以通過項目式學習的方式，從基本的功能開始開展，逐步加入不同的人工智能技術(如語音識別、自然語言理解、圖像識別、語音合成、機器學習、深度學習等)，讓項目的內容越來越豐富，能較深入分析人工智能的相關技術，了解典型算法和主要實現手段，理解人工智能的實現方法。例如通過不同的例子來學習基于搜索的問題求解、基于機器學習的問題求解、基于帶約束優化的問題求解等相關技術，習得學習數據采集與處理能力、數學建模能力、問題求解能力等(如圖9所示)。

(3)創造創新——實現人工智能(Python編程)

通過Python編程，實現復雜的人工智能作品，在作品完成過程中培養學生的計算思維及動手實踐能力、創新創造能力。相對于初中的基于點的編程，高中階段應是基于面上的系統編程。通過整體對人工智能的學習，能夠設計相對復雜的人工智能作品。

四、結語

在中小學開設人工智能相關課程，可以提升學生的人工智能認知、思維及能力，幫助學生適應未來的生活，提升教育現代化水平。在我國，開展中小學人工智能教育，應根據學生的認知能力、知識掌握水平等綜合因素，合理考慮課程內容編排，分層次設計各個學段的課程內容，從認知、體驗、理解到應用，逐步加深學生對人工智能相關知識的掌握。當前，中小學人工智能課程設計和教學實踐都還處于探索階段，尚有許多問題待解決，期待有更多學者開展這方面的研究。

圖9 項目式學習開展人工智能課程