中小學校如何開展人工智能教育

周建華　李作林　趙新超

人工智能教育是當今社會的熱點詞匯，國家、各個行業都給予高度關注，教育界也掀起了一股人工智能+教育的浪潮。《國務院關于印發新一代人工智能發展規劃的通知》要求“在我國中小學階段設置人工智能相關課程”?！镀胀ǜ咧行畔⒓夹g課程標準（2017年版）》將“人工智能初步”作為選擇性必修課程列入其中，并制定了明確的課程目標。學校人工智能教育需要站在國家發展、人類未來發展的高度進行頂層設計。中國人民大學附屬中學（以下簡稱人大附中）課程建設注重“聚焦育人目標+學生發展需求”雙輪驅動。在這樣的教育環境下，學校人工智能課程基于已有課程建設的豐厚基礎，進行了積極探索，并形成了新的亮點。

中小學開展人工智能教育，關鍵是課程與教師

課程建設既要符合國家創新人才培養的戰略需求，又要尊重人工智能技術發展規律，與教育實際相結合，在有限的時空范圍內達到最好的教育效果。人大附中堅持綜合創新，“人工智能+STEAM”相關各類課程在學校蓬勃開展，如智能機器人、數據挖據、計算機視覺等。學校領導特別邀請人工智能專家、教育專家、一線教師、高新技術企業組成學校人工智能教育課程研發團隊，結合人大附中實際情況，從面向全體的普及教育，到部分選修的跨學科實踐應用，再到少數的深入動手做研究，學校梳理了金字塔形的中小學“STEAM+人工智能教育”課程體系，構建了基于人工智能技術發展框架的計算智能、感知智能、認知智能、創新等幾個層次相對應的中小學人工智能教育課程體系（圖1）。

圖1左側是基于人工智能的技術發展維度。最底層大數據、算法層，這是實現各類人工智能技術的核心，包括傳統機器學習、深度學習。對中學生來講，重點是傳統機器學習的各類算法理解與應用，如回歸算法、聚類算法、貝葉斯算法等，當然也有一些深度學習的算法，如卷積神經網絡、循環神經網絡等。這些算法都是在具體項目實踐中進行驗證、理解。第2層是感知，能聽會看，如語音識別、圖像識別、生物特征識別、文字識別技術等。這一部分以豐富翔實的人工智能應用實例對學生進行興趣引導，介紹人工智能原理的同時，結合人工智能發展史、人工智能技術在各行業的應用、人工智能技術發展的哲學思辨，讓學生對人工智能技術的內涵有正確、深刻的理解，同時在學習過程中建構計算思維。再向上是認知，就是會思考，能夠推理、決策，認知層是感知層的進一步發展，不僅能讓機器識別語音、圖像和文字的內容，還能夠理解其內在含義。最上面一層是創新、應用，紐織學有余力的學生開展人工智能項目的開發與創新，將理論應用于實踐。

圖1右側是學校教育，最底層是面向全體學生普及人工智能教育，中間有一些跨學科實踐應用，各個學科領域結合人工智能的項目組開展這些方面的研究，最上面就是針對某些項目進行深入研發。這個課程體系體現出人工智能技術與各個學科的交叉創新，緊緊圍繞學生發展的核心素養，最終目標是創新人才的培養。當然，這個課程體系還在不斷完善、發展過程中，如課程評價、課程實施的整體環境保障等。

人工智能課程的開發與建設，最重要的支撐是教師。學校重視教師隊伍的建設，鼓勵教研組進行相關課程的開發與建設，促進教師團隊跨學科合作、領域內學科交叉，實現人工智能與學科的高度融合，站位時代前沿、學術前沿，為教師專業成長搭建廣闊的舞臺，創造寬松的環境。現在信息技術教研組、數學教研組等共開設人工智能相關課程20余門（見表1）。

實踐與思考：人工智能教育的特點

人工智能課程能在人大附中得以迅速發展并很快取得成績，主要與下面幾個因素有關。

人工智能教育——鼓勵學生超越教師的學習

學習的主導者由教師到學生，變換的不僅是角色。學生朱星宇是人大附中人工智能社社長，是計算機視覺與深度學習研學和人工智能與數據挖掘校本選修謀程的助教，負責2門課程幾乎全部編程技術及部分理論知識的教學，不僅在全校開人工智能科普和入門講座，還給信息技術教師上課。

2016年9月，因為參加數學建模比賽的需要，朱星宇選擇了高級數學建模作為校本選修課程。在這門課上，他的“老師”是比他大一屆的學長孫逸瀟同學。之前，朱星宇只會一些簡單的C語言，基本沒有什么基礎，但是在學長的帶領下，他很快掌握了Python的基本功能與語法。2017年1月，他開始準備“登峰杯”數據挖掘競賽。準備期間，在教師的引導與自學下，他接觸到深度學習——一種較為流行的機器學習算法。不到1年的時間里，朱星宇和他的團隊迅速成長，最終拿到了“登峰杯”全國總決賽一等獎。高三剛開始時，他欣然接受擔任課程助教的邀請，希望像帶他入門的學長一樣，帶領更多的學弟學妹感受計算機編程與人工智能之美。

青少年是信息時代的原住民，相對于教師來說，學生對信息技術的掌握有先天的優勢和更加濃厚的興趣。興趣是最好的老師，學生的學習興趣是基礎，教師不失時機地引導、放手、助推，可以使他們在人工智能領域的研究更加深入，更加系統。在這種氛圍下，沒有人會比興趣驅動的孩子更努力，也沒有人能比這些孩子成長得更驚人。學生超越教師，是人工智能教育時代的特點。

讓學生站上巨人的肩膀

人大附中開設的人工智能相關課程有20門之多，每一門課程的建設除了依靠教師的專業背景外，更重要的因素是教師對教育的理解，以及對教育機會的把握，教師要在促進學生成長的過程中不斷提高自己，教學相長。

高三學生李鴻宇一直對無人駕駛技術感興趣，他通過自學機器學習算法、自動駕駛開源代碼，開發了一款自動駕駛游戲，并對自動駕駛領域有進一步學習的欲望，但對具體的學習方向、內容、途徑等不甚了了。教師蘇曉靜及時聯系了中國科學院自動化研究所的趙冬斌教授，為李鴻宇搭建學習平臺。李鴻宇創造性地提出要研發無人機駕駛技術的科普平臺，將無人駕駛技術普及給中學生和廣大民眾。這個想法得到專家的贊賞和支持。在李鴻宇的帶動下，人大附中6名學生到自動化所進行自動定位、路徑規劃與決策領域的學習，參與開發智能駕駛科普平臺。該智能駕駛科普平臺在北京科技周上一亮相就吸引了廣大市民和媒體的目光。