中小學人工智能教育的困境及對策研究

王元臣 劉亞欣 李志河

摘? ? ? 要 在中小學階段實施人工智能教育，對提高學生智能素養、普及全民智能教育、培養國家智能人才等具有深遠意義。文章首先分析了我國中小學人工智能教育的緣起。分析了現階段我國中小學人工智能教育所面臨的困境，主要包括：國家課程標準值得商榷、配套教材質量良莠不齊、教育師資力量嚴重匱乏、課程教學方法尚待探索以及人才培養合力尚未凝聚等五個方面。提出了化解困境的應對策略，具體包括：完善課程標準，確保人工智能教育實施的科學性;加強教材建設，打造體系化的人工智能系列教材;依托多元途徑，確保師資在數量和質量上雙補位;推動教學變革，探索人工智能課程教學的新途徑;凝聚培養合力，構建多方協同的教育治理新格局。以期為促進中小學人工智能教育的發展提供有益的借鑒。

關 鍵 詞 人工智能教育? 課程標準? 教材建設? 教育師資? 中小學

引用格式 王元臣，劉亞欣，李志河.中小學人工智能教育的困境及對策研究[J].教學與管理，2022（09）：63-67.

人工智能是一門多學科交叉的前沿學科，主要探究如何應用計算機模擬、仿真和延伸人腦智能[1]。1956年的達特茅斯會議上，與會專家約翰·麥卡錫等人首次提出了“人工智能”的概念[2]。當前，人工智能呈高速增長的態勢，全球智能化角逐日趨白熱化，我國政府緊跟時代發展的步伐，國務院于2017年頒布了“新一代人工智能發展規劃”，對提升學生智能素養、普及全民智能教育、培養國家智能人才等方面影響深遠。

一、中小學人工智能教育的緣起

1.智能教育掀起全球發展的熱潮

人工智能不僅影響著一個民族高科技產業的發展，更決定著一個國家在全球的競爭格局。因此，世界主要國家爭相提出人工智能戰略。2019年2月，美國政府頒布了《維護美國人工智能領導力的行政命令》，標志著美國的國家人工智能戰略正式出臺[3]。同年6月，日本政府制定了《人工智能戰略》，旨在建成人工智能強國[4]。2020年2月，歐盟委員會發布了《人工智能白皮書》，意在促進歐洲人工智能的發展等[5]。

從歷史角度來看，歷經六十余載發展的人工智能已不算是“新興學科”，然而，它在基礎教育領域才剛嶄露頭角。在中小學階段設置科學合理的人工智能課程，為貫通式人工智能人才的培養打下堅實的基礎，已成為各國的共識。美國在2015年推出了《每個學生都成功法案》，旨在推進K-12各學段囊括人工智能在內的計算機科學教育的發展。其中，“K-12”中的“K”代表幼兒園，即指從幼兒園至中小學階段的教育[6]，也被國際上稱為基礎教育階段。日本文部科學省倡導日本中小學開展以少兒編程為主要內容的STEAM教學，明確提出將與人工智能相關的基礎課程（如編程、科普等）均納入中小學必修課范圍[7]。英國政府重視人工智能與中小學STEAM教育的深度融合，并促成中小學校與高等院校協同開展人工智能人才的培養工作[8]。在此背景下，我國政府因勢而謀，應勢而動，順勢而為，為人工智能人才的培育保駕護航。

2.行業轉型政策精準賦能

2015年5月，國務院在印發的《中國制造2025》中描繪了制造強國發展路線圖，明確智能制造是制造業轉型升級的突破口。2017年2月，教育部等三個部委聯合印發了《制造業人才發展規劃指南》，文中指出“中小學教育要在實踐活動課程、通用技術課程中加強制造業基礎知識、能力和觀念的啟蒙和培養”。因此，加強專業智能人才培養和梯隊建設，要從中小學基礎教育階段抓起。

2017年7月，在中共中央、國務院頒布的《新一代人工智能發展規劃》中，首次提出“在中小學階段設置人工智能相關課程”，標志著我國人工智能教育時代已經到來。2018年4月，教育部印發《高等學校人工智能創新行動計劃》，再次明確“在中小學階段引入人工智能普及教育”。2019年3月，教育部發布《教育信息化和網絡安全工作要點》，進一步重申了我國“推動在中小學階段設置人工智能相關課程”的必要性，為人工智能教育的順利實施提供政策支持。

二、中小學人工智能教育面臨的困境

人工智能教育在中小學教育領域要實現從“落地生根”到“枝繁葉茂”，將不可避免地面臨課程標準、配套教材、師資建設、教學方法和教育治理等諸多的挑戰。

1.國家課程標準值得商榷

2003年，我國教育部正式頒布了《普通高中信息技術課程標準（實驗）》，“人工智能初步”的內容首次被納入到信息技術課程中，并以選修模塊開設。當前，我國中小學信息技術課程現行的標準為《基礎教育信息技術課程標準（2012版）》和《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》，二者均在原有課程標準的基礎上做了大幅度修訂[9]，主要以信息技術學科四大核心素養以及四個學科大概念為依據，梳理重構了課程理念與設置、教學內容和評價等[10]。其中，四大核心素養與“信息化”和“數字化”相匹配，而人類社會正由信息化、數字化時代邁向智能化時代，那么四大核心素養是否應當帶上“智能化”的時代標簽呢？再者，四個學科大概念中的“信息意識”和“信息社會責任”屬于信息素養的范疇，“計算思維”屬于思維素養的范疇，“數字化學習與創新”屬于能力素養的范疇，出現“智能素養”的“缺位”。此外，對學科大概念的規劃不夠明晰，尚需進一步構建現行課程標準以“大概念”為核心的學科知識體系，以便為教師的“教”、學生的“學”和教材的“編”提供參考。2020年5月，教育部制定的《普通高中信息技術課程標準（2020年）》，是在“17版課程標準”的基礎上再次進行修訂和完善，但仍存在“頂層設計”上的缺陷。例如，課程目標“旨在全面提升高中學生的‘信息素養’”及使學生“成為‘數字化’時代的合格中國公民”[11]，課程目標是否應當與“智能素養”和“智能時代”接軌？此外，人工智能課程與信息技術課程雖已實現了整合，但鑒于人工智能的跨學科特性，下一步是否需要“拔高”人工智能課程的定位，增強其在基礎教育課程體系的“附著性”和“滲透性”？這些問題都值得商榷。

2.配套教材質量良莠不齊

課堂教學是實施人工智能教育的重要途徑，而教材作為課程教學的根基，承擔著正本清源的作用。2018年以來，相繼涌現出一批涵蓋中小學各學段的人工智能教材。這些教材各具特色，但由于教材的目標定位和編寫思路的差異，導致部分教材的系統性和全面性有所欠缺[12]。例如《人工智能試驗教材》在內容上偏難且缺乏明確的課程評價體系[13]。《人工智能（初中版）》教材，其內容主要包括人工智能技術原理、問題解決方案的制訂、交流與協作等，但是，該套教材整體側重理論知識，實踐操作相對不足，且與教材配套的網絡課程資源尚待完善。《人工智能基礎（高中版）》教材，整體內容偏重人工智能的算法原理，例如“深度學習”內容等，知識的深度和廣度較難兼得，容易導致“見木而不見林”，因此，作為銜接性教材是有所不足的[14]。整體來看，人工智能教材大多忽視了創新意識和創新思維的培養，目標設計與三維課程目標、學科核心素養的結合不夠緊密，教學活動與學習評價缺乏精細的安排和多元化的設計，教學內容與人工智能教育未做好銜接，教材存在拼湊和重復等現象。

3.教育師資力量嚴重匱乏

教育師資是實施人工智能教育的根本保障。目前，人工智能師資力量存在數量與質量上的雙重缺失，其問題主要聚焦于三個方面：一是人工智能師資引進乏力。高等院校是人工智能師資的搖籃。由此教育部分別于2019年、2020年，先后批準了35所和180所高校新增設人工智能專業。但開設人工智能專業和類似課程的各大師范高校數量寥寥，且每年本學科的專業技術人才往往向發達區域傾斜，遠不能滿足全國各地的市場需求[15]。在此情形下，人工智能方面的專業人才更是難以流入到中小學教育領域。二是人工智能教師素質不一。人工智能作為一門多領域交叉的學科，具有復雜性、跨學科性的特點，因此，授課教師需要較高的知識水平和智能素養才能滿足教學的需要，然而現有的人工智能教師，其專業知識儲備、技術運用水平及教學實踐經驗參差不齊，整體教學效果自然也不盡如人意。三是人工智能師資隊伍建設較為薄弱。目前，我國中小學人工智能教師隊伍“成分復雜”，通常以信息技術教師為主，以學科背景不盡相同的STEAM、機器人和創客教師等作為輔助力量，缺乏專業的培訓以及共同成長的平臺。

4.教學方法尚待探索

中小學人工智能課程具有實踐性、發展性和綜合性三個特征，因此，教師需要運用恰當的教學方法來保證課程的順利實施。目前課堂教學實踐中，存在著兩種“派別”：一種是“知識派”，他們一成不變地運用高校的教學方法，沒有將中小學生的年齡特點與學習風格列入考慮范圍，忽略了過高的知識門檻帶給中小學課堂的“水土不服”。另一種是“體驗派”，他們則注重感知和體驗，而對人工智能原理的講授卻只是浮光掠影，對智能素養的培養淺嘗輒止，雖然課堂氛圍活躍，但最終使得學生對于人工智能一知半解。可見，不科學的教學方法往往帶來不如人意的教學效果。當前，人工智能課程教學通常采用問題驅動、任務驅動、案例驅動、項目驅動以及體驗感知的教學方法。考慮到處于中小學階段的學生群體，其認知程度、智力水平及知識儲備等都存在一定的差異和局限。那么，教師如何使人工智能教學能夠深入淺出并體現出學科特性，自然就取決于教學方法的選擇了。究竟采用怎樣的教學方法，有沒有更好的教學方法，仍需教師繼續投身于教學實踐中，不斷改進、優化已有教學方法，嘗試和創造教學方法。

5.人才培養合力尚未凝聚

國外開展中小學人工智能教育的實踐經驗表明，需要社會各方形成共識，凝聚合力，人工智能教育才能有效推進。而現在人工智能人才培養的各方力量“步調各異”，存在三個方面的問題：一是人工智能培育體系尚未健全。雖然，我國人工智能教育已獲國家戰略支持，但缺乏進一步的政策細化與規定，“領頭”有余“牽線”不足，系統化的人工智能培育體系未能成型，多層級培養結構未銜接完善，導致政府、學校、企業、科研機構對自身角色不明確，合作共贏意識不深，資金、教學、產業、科研未形成良好交互的生態系統。二是產教融合淺層化。企業以營利導向為基礎，而中小學公益性強，二者由此產生了“溫差”，主要體現為“學校熱、企業冷”。企業主體地位不突出，參與公開課、教學活動、競賽、資源庫建設的熱情不足。二者有機融合不夠深入，缺乏長期的協同合作，導致教學目標與產業需求錯位，改革創新教學模式孤掌難鳴。三是數據壁壘與信息孤島阻礙了“官產教學研”的發展。美、英、法、日等人工智能培育體系完善的國家，“官產教學研”環環相扣，形成了多元主體的合作生態鏈，尤其美國更是致力于建設數據開放政策體系。而我國人工智能教學相關的信息共享平臺和教學資源庫數量少、交互少，不利于多方數據的整合與開放。

三、中小學人工智能教育的實施對策

針對中小學人工智能教育所面臨的諸多挑戰，亟需從完善課程標準、加強教材建設、依托多元途徑、推動教學變革、凝聚培養合力五個方面發力。

1.完善課程標準，確保人工智能教育實施的科學性

現有的信息技術課程標準應從四個方面進行補充與完善，具體包括：第一，突出課程育人的導向性。面對智能時代，中小學信息技術課程的落腳點不單是“信息掃盲”，其課程目標應由培養“數字土著”轉向培養“AI公民”[16]，以培養學生的信息素養（文化素養、信息意識、信息技能）為主，同時應兼顧學生智能素養（智能知識、智能能力、智能態度、智能倫理）與思維素養（計算思維、數據思維、創新思維、跨學科思維等）的培養，充分釋放信息技術課程育人的活力與潛力。第二，發揮學科大概念的統攝性。美國的K-12人工智能教育導則給出“感知、表示、推理、學習、自然交互、社會影響”五大概念，每個大概念分別包括基本解釋、關鍵詞、分標題、示例、資源、資源期望清單以及學生應該了解什么和能夠做什么等內容[17]。我國的課程標準雖然提及“數據、算法、信息系統、社會信息”等學科大概念，但操作性不強。應當構建和完善人工智能課程大概念及其概念體系。這樣對學生的知識學習、教師的教學設計、教材的內容編排都有積極的指導意義。第三，突出課程目標的時代性。教育需要面向未來，學校應當培養面向智能時代的專業人才，人工智能課程目標就需要進一步完善，將“智能素養”融入到學科核心素養中，以體現課程目標的時代特性。第四，體現課程的跨學科融合性。人工智能與信息技術課程的整合，兩者不是機械的“嫁接”，而是人工智能教育與基礎教育課程體系的全方位的融合。人工智能教育倡導跨學科學習，需加強人工智能教學內容與數學、物理等學科知識的“滲透”，不應將人工智能教學放在“信息技術”的“籃子”里。

2.加強教材建設，打造體系化的人工智能教育系列教材

針對人工智能教材建設過程中存在的問題，需從三個方面進行完善：第一，做好各學段螺旋式的知識銜接。統籌整體布局，規劃連貫脈絡，從易到難，層層遞進，符合教育教學規律和學生的認知發展規律。人工智能知識內容龐雜艱深，教材內容設計應當以人工智能大概念為統攝，精準構建教材的知識體系，科學把控學科知識的難易程度，以科學性、系統性、實用性和趣味性作為教學內容設計的基本原則，按照“感知、理解、應用、創造”的螺旋式上升路徑，突破學段銜接壁壘，構建貫通基礎教育階段的一體化的教材體系。第二，兼顧教材知識的深度和廣度。人工智能的知識復雜性決定了教材內容編寫的取與舍，根據學段特點規劃教學內容，巧設邏輯主線，深挖學科知識。同時，人工智能的學科交叉性決定了教材知識內容的跨學科性，相關學科知識之間發生有機聯系，為學生拓展更廣闊的視野。第三，彰顯教材育人本質與人文精神。教材編寫可選取人工智能應用安全與道德的內容，貼近學生的生活世界與精神世界，激發學生更濃厚的興趣，為迎接人機協同共生的新未來做好準備;引導學生厚植文化底蘊和學生對技術理性與人本價值的雙重思考，充分發揮教材的育人功能，構建帶有新時代中國特色的人工智能教材體系。

3.依托多元途徑，確保師資在數量和質量上雙補位

當前，解決中小學人工智能師資隊伍短缺問題和提升在職教師自身專業素質水平的主要途徑有：一是廣納人才，適時補充師資力量。中小學校與師范院校、科研機構和人工智能企業對接，實施引“智”計劃，建立智能人才引進機制，例如，學校可作為人工智能專業學生的實訓與就業基地，與師范院校聯合培養人工智能人才;學校可邀請從科研一線退出的科研人員參與人工智能課程的教學。二是賦權增能，是教師自我更新的過程。教師的賦權增能，要求學校既能“賦予教師相應的權利”，又能“相信教師有專業能力”，彌補教師的主體地位和應然定位之間的落差，使教師在教學與管理中擁有較多的自主性和靈活性，為教師專業化發展掃清障礙。三是校本研修，是拓展教師專業發展的新途徑。學校依托自身的優勢，以信息技術教師、STEAM教師、創客教師等教師為主體，組建“學習共同體”，建設校本人工智能教學資源和學習資源，如開發人工智能課程體系、構建教學系統平臺、實施在線課程等。四是同儕互助，是教師培訓的有效策略。構建“同儕互助共同體”，挑選人工智能教學專家型教師，定期舉辦人工智能教育的專題講座、教研活動等，促進教師共同成長，最終形成集群化優勢。五是課堂觀察，是新手教師自我培訓的有效手段。新手教師可采用主題性觀察和跟蹤式觀察結合的策略，強化教師的教學實踐反思和角色認同意識，提升自身的專業發展能力[18]。六是主題式培訓，是提升教師專業素養的有效路徑。學校應當常態化開展人工智能主題式的線上課程培訓和線下學習活動，促進人工智能教師專業能力的提升。

4.推動教學變革，探索人工智能課程教學的新途徑

大概念（Big Concepts）是學科領域中最核心和最具價值的內容，是學科知識網絡的“錨點”，使知識組塊之間產生有機聯系。2018年1月，人民教育出版社出版的《普通高中課程方案（2017年版）》，提出各學科課程標準都要“精選學科內容，以學科大概念為核心，使課程內容結構化”。可見，學科大概念教學已成為教學改革與課程創新的著力點。李松林以小學數學“不規則平面圖形”為例，提出以“大概念”為核心的整合性教學模式，從大概念的“確定、外顯、活化、建構、評價”五個維度來設計教學環節[19]。李春艷基于“大概念”視角，通過“確定單元組織核心、梳理單元大概念體系、確定教學設計思維路徑”三個環節，進行中學地理的單元教學設計[20]。劉忠鑫等人聚焦“運動項目具有共性和個性”大概念，分析大概念的層級結構，以“超越器械”大概念為例，設計了面向初二年級學生的單元教學樣例[21]。孫陽菊基于“大概念”視角，以“戲劇節項目式學習”為例，進行項目式教學設計[22]。由此可見，“大概念”引領下的整合性教學、單元教學、項目式教學等教學模式，亦可為人工智能教學的有效開展和學科核心素養的落地，提供有力抓手。

5.凝聚培養合力，構建多方協同的教育治理新格局

從布爾迪厄場域理論視角分析，學校教育作為正統教育，是適齡學生接受教育的“主場域”，政府作為“權力場域”，通過“場域法則”支配其他子場域。實施中小學人工智能教育，需要由政府部門主導，以學校為主力，聯合社會各界力量（科研院所、科技公司等）協同開展“人工智能教育融合應用培育行動”，構建多方協同聯動的教育治理新格局（如圖1）。

第一，政府要做好制度的頂層設計，出臺系列人工智能教育政策“組合拳”，形成政策合力，以制度為引領、輿論調適和教育調適三種路徑，確保“學校場域”作為人工智能人才培養的主體地位，以政策精準賦能來保障人工智能教育事業穩健發展。第二，中小學校應邀請科研院所、科技公司和高等院校等，共同參與人工智能教育課程體系的“頂層設計”，攜手推動課程標準、教學方案、管理模式的創新，以方針政策及產業實際為依據，實現人工智能教育的因時而動，因勢而新。第三，以政府的精準政策加持，推動校企之間可持續的人工智能教育科研事業合作，推進全國中小學校數據安全防控和隱患治理的雙重預防機制，構筑校園數據安全的根基，深化校企合作實現產學雙贏。第四，在“學校場域”中，以智能技術等為代表的“技術資本”，賦能治理場域，增能“教學場域”和“學習場域”，重塑場域內的師生、生生及其與環境的關系。技術資本加速融入教學與學習過程，顛覆教學應用場景和重構教學模式。第五，建立統籌機制，促進“官產學研”合作。整合各場域的優勢資源，打通數據壁壘連接數據孤島，凝聚教育共識，形成培養合力。例如科技公司擅長擷取數據信息，可將其技術優勢應用于學生課堂參與情況的監測、在線學習行為的分析等方面，為基礎教育的管理部門提供決策參考。

總而言之，人工智能對中小學生的教育價值是不言而喻的，成功的人工智能教育不僅能夠滿足學生發展的需要，對于學生思維水平、核心素養和綜合能力的培育也大有裨益。但目前來看，我國中小學人工智能教育在課程設置、教學模式以及基礎設施等方面與國外相比還有較大的差距，因此，這仍需要國家、學校和社會各界力量進行長期不懈地探索、研究和實踐，充分挖掘知識與人才資源，建立多方協同、統籌兼顧的新機制，才能為我國人工智能重大戰略的落地實施提供強有力的支撐。

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[作者：王元臣（1991-），男，河南南陽人，山西師范大學教育科學學院，碩士;劉亞欣（1996-），女，山東臨沂人，山西師范大學教育科學學院，碩士;李志河（1974-），男，甘肅慶陽人，山西師范大學教育科學學院，山西師范大學山西教育發展研究院，副院長，教授，博士生導師，博士。]

【責任編輯? 石? 虹】

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