素養(yǎng)導(dǎo)向的小學(xué)人工智能“教什么”

摘要：智能時(shí)代對中小學(xué)教育提出新的挑戰(zhàn)，人工智能進(jìn)課堂、進(jìn)教材已成為各國教育的重要課題。《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》將人工智能作為邏輯主線之一組織課程內(nèi)容，但是由于小學(xué)階段未獨(dú)立設(shè)置人工智能內(nèi)容模塊，一線教學(xué)仍然面臨“教什么”的困頓。已有研究雖進(jìn)行了積極探索，但仍存在目標(biāo)不明、體系不清、育人效果不理想等問題。為了進(jìn)一步明確小學(xué)階段人工智能教學(xué)內(nèi)容脈絡(luò)，該研究基于扎根理論，以3份政策文本和32份半結(jié)構(gòu)化訪談資料為研究對象，經(jīng)開放式編碼、主軸編碼、選擇性編碼三級編碼，構(gòu)建了包括人工智能系統(tǒng)體驗(yàn)、人工智能計(jì)算方式、人工智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)、人工智能倫理與安全以及人工智能思維五個(gè)維度的小學(xué)人工智能教學(xué)內(nèi)容理論模型。該研究可為新課程背景下小學(xué)人工智能教學(xué)的開展提供參考與借鑒。

關(guān)鍵詞：人工智能；素養(yǎng)教學(xué)；扎根理論；信息科技課程

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

一、引言

2022年4月21日，具有里程碑意義的《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱《新課標(biāo)》）發(fā)布。義務(wù)教育信息科技課程取得獨(dú)立課程地位，并圍繞數(shù)據(jù)、算法、網(wǎng)絡(luò)、信息處理、信息安全、人工智能六條邏輯主線組織課程內(nèi)容。但是，有一線教師在研讀《新課標(biāo)》后發(fā)現(xiàn)，“人工智能”一詞在小學(xué)階段課程內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)中出現(xiàn)的次數(shù)屈指可數(shù)。小學(xué)人工智能不需要教了嗎？顯然不是。早在2017年，《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》就指出在中小學(xué)階段開設(shè)人工智能課程。中央電化教育館和中國教育學(xué)會中小學(xué)信息技術(shù)教育專業(yè)委員會迅速做出響應(yīng)，分別于2021年11月和2021年10月發(fā)布了《中小學(xué)人工智能技術(shù)與工程素養(yǎng)框架》（以下簡稱《框架》）與《中小學(xué)人工智能課程開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》），為探索中的中小學(xué)人工智能課程與教學(xué)提供了重要參照。2021年1月，教育部明確表示，我國已根據(jù)需要將人工智能教育內(nèi)容納入中小學(xué)信息科技課程中。這意味著，人工智能教學(xué)已成為國家獨(dú)立課程——信息科技課程的重要內(nèi)容，需要遵循《新課標(biāo)》的理念、思想與內(nèi)容規(guī)約。從《新課標(biāo)》來看，小學(xué)階段雖未設(shè)置獨(dú)立的人工智能模塊，但是把人工智能作為一條隱線融入各模塊教學(xué)中。目前小學(xué)人工智能教學(xué)內(nèi)容尚處于各行其是狀態(tài)，素養(yǎng)培育效果并不理想，急需以《新課標(biāo)》為綱確立新內(nèi)容體系。因此，研究采用扎根理論，以《新課標(biāo)》為主，以《框架》和《標(biāo)準(zhǔn)》為輔進(jìn)行分析，同時(shí)結(jié)合對信息科技課程領(lǐng)域?qū)＜业陌虢Y(jié)構(gòu)化訪談，力圖進(jìn)一步厘清素養(yǎng)導(dǎo)向的小學(xué)人工智能教學(xué)內(nèi)容脈絡(luò)。

二、研究現(xiàn)狀與問題分析

自人工智能進(jìn)入中小學(xué)教育以來，關(guān)于小學(xué)人工智能“教什么”的探討便不絕于耳。學(xué)者們從多視角對內(nèi)容結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。例如，謝忠新立足認(rèn)知發(fā)展視角，按照“認(rèn)識-感悟-嘗試”三個(gè)層次規(guī)劃小學(xué)人工智能內(nèi)容，并強(qiáng)調(diào)小學(xué)階段重“看”“聽”“動”“說”“想”[1]。張志新基于教材分析和專家訪談，將人工智能劃分為基礎(chǔ)知識、典型應(yīng)用、編程操作與倫理知識四個(gè)內(nèi)容模塊，指出小學(xué)階段重在感悟和嘗試[2]。盧宇等人從目前中小學(xué)人工智能教學(xué)內(nèi)容存在兩級分化現(xiàn)象入手，指出當(dāng)前小學(xué)人工智能教學(xué)內(nèi)容或紛繁復(fù)雜、難窺堂奧，或淺嘗輒止、停于表層，均不利于學(xué)生對人工智能概念和思想的認(rèn)知。為此，他們嘗試從人工智能學(xué)科本質(zhì)出發(fā)，構(gòu)建了包括感知、推理、決策、學(xué)習(xí)、交互與道德六個(gè)維度的內(nèi)容體系[3]。不難看出，學(xué)者們對小學(xué)人工智能教學(xué)側(cè)重體驗(yàn)與感知持認(rèn)同態(tài)度，但對小學(xué)人工智能教學(xué)內(nèi)容的研究莫衷一是，尚未達(dá)成統(tǒng)一認(rèn)識。

在一線教學(xué)領(lǐng)域，各地也進(jìn)行了積極探索，但這種“教學(xué)內(nèi)容分化”現(xiàn)象仍時(shí)有發(fā)生，甚或成為“家常便飯”。究其原因，一是未能站在學(xué)科本質(zhì)與學(xué)生認(rèn)知聯(lián)結(jié)的視角去厘清教學(xué)內(nèi)容，導(dǎo)致內(nèi)容“包羅萬象”，不明所以。當(dāng)前教學(xué)內(nèi)容維度的劃分多源自國際鏡鑒或感性經(jīng)驗(yàn)，一方面國際經(jīng)驗(yàn)并不完全適用于我國人工智能教學(xué)實(shí)際，另一方面小學(xué)人工智能教學(xué)經(jīng)驗(yàn)多流于硬件拼搭、編寫程序，看似轟轟烈烈、百花齊放，實(shí)則難窺人工智能本質(zhì)，學(xué)生思維與素養(yǎng)發(fā)展更無從談起。二是專門針對小學(xué)人工智能的教學(xué)內(nèi)容體系缺失。現(xiàn)有內(nèi)容框架或是僅在上位層面規(guī)約“體驗(yàn)”“感悟”“探索”等認(rèn)知行為動詞，“自主可控”“原始創(chuàng)新”等內(nèi)容新樣態(tài)無從體現(xiàn)，或是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)界定人工智能教學(xué)內(nèi)容范疇，如“圖形化編程基礎(chǔ)知識和基本操作”“機(jī)器人的應(yīng)用結(jié)構(gòu)和主要實(shí)例”[4]等，或是將教學(xué)方向簡化為人工智能技術(shù)產(chǎn)品的體驗(yàn)，對體驗(yàn)的目的語焉不詳。這些碎片化知識、技能及活動是否適切小學(xué)生認(rèn)知發(fā)展，具體要達(dá)到什么水平，需要形成何種學(xué)科觀念等問題難以澄明。

《新課標(biāo)》的發(fā)布，為小學(xué)人工智能教學(xué)內(nèi)容的重構(gòu)提供了上位指引，有助于打破當(dāng)前小學(xué)人工智能教學(xué)內(nèi)容“各自為戰(zhàn)”“一盤散沙”等局面。由于小學(xué)階段尚未設(shè)置獨(dú)立的“人工智能”模塊，因此需要以《新課標(biāo)》為綱，深挖內(nèi)隱于《新課標(biāo)》中的人工智能教學(xué)內(nèi)容，厘清人工智能教學(xué)內(nèi)容脈絡(luò)，為素養(yǎng)導(dǎo)向的小學(xué)人工智能教學(xué)提供參考與借鑒。

三、研究設(shè)計(jì)

（一）研究對象分析

目前，面向全國范圍指導(dǎo)小學(xué)人工智能教學(xué)的政策文本共有3份：《新課標(biāo)》《框架》與《標(biāo)準(zhǔn)》。其中，《新課標(biāo)》是義務(wù)教育信息科技課程的國家標(biāo)準(zhǔn)，是國家對基礎(chǔ)教育信息科技課程（包含人工智能教育）的基本規(guī)范和質(zhì)量要求，具有權(quán)威性與強(qiáng)制性。在《新課標(biāo)》中，人工智能作為六條主線之一，貫穿義務(wù)教育全學(xué)段人工智能教育內(nèi)容模塊設(shè)計(jì)，并按照學(xué)生認(rèn)知特征和學(xué)科知識邏輯螺旋上升，即遵循“應(yīng)用系統(tǒng)體驗(yàn)—機(jī)器計(jì)算與人工計(jì)算的異同—倫理與安全挑戰(zhàn)”的邏輯。綜觀義務(wù)教育全學(xué)段內(nèi)容模塊，人工智能僅在九年級顯性呈現(xiàn)，在其他學(xué)段均內(nèi)隱于各內(nèi)容模塊中。

相對于《新課標(biāo)》，《框架》與《標(biāo)準(zhǔn)》分別是中央電教館和中國教育學(xué)會制訂的面向人工智能教育的專門文本，其內(nèi)容更具針對性，更為詳實(shí)與具體。但是，二者也存在發(fā)布時(shí)間早于《新課標(biāo)》，其內(nèi)容邊界與《新課標(biāo)》不完全一致的問題。因此，以《新課標(biāo)》為主、以《框架》與《標(biāo)準(zhǔn)》為輔，同時(shí)結(jié)合專家訪談進(jìn)行扎根分析，既有利于深刻理解國家課程對人工智能內(nèi)容的規(guī)約，明確小學(xué)人工智能教學(xué)內(nèi)容的邊界，又有利于在此基礎(chǔ)上把握小學(xué)人工智能教育的全貌，破解小學(xué)人工智能“教什么”的困惑。

（二）研究方法與工具

1.研究方法

研究主要采用扎根理論分析方法，對3份政策文本和32份半結(jié)構(gòu)化訪談數(shù)據(jù)進(jìn)行開放、主軸與選擇三級編碼，致力形成小學(xué)人工智能教學(xué)內(nèi)容理論模型。扎根理論的優(yōu)點(diǎn)在于從原始資料中產(chǎn)生實(shí)質(zhì)理論，進(jìn)而建構(gòu)一個(gè)統(tǒng)一的、概念密集的形式理論[5]。之所以采用扎根理論而未采用內(nèi)容分析法，一是因?yàn)樾W(xué)人工智能教學(xué)內(nèi)容內(nèi)隱于《新課標(biāo)》各內(nèi)容模塊中，用內(nèi)容分析法得出的量化數(shù)據(jù)不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，二是因?yàn)閷Α犊蚣堋泛汀稑?biāo)準(zhǔn)》兩個(gè)文本的內(nèi)容分析盡管具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但其分析結(jié)果可能與《新課標(biāo)》要求不完全一致。此外，為了進(jìn)一步加深對《新課標(biāo)》的理解，深挖其中的人工智能教學(xué)內(nèi)容，研究還對部分課標(biāo)組專家、信息科技課程與教學(xué)研究領(lǐng)域?qū)＜摇⒔萄袉T與一線教學(xué)名師進(jìn)行了半結(jié)構(gòu)化訪談，將訪談文本也作為扎根分析的重要內(nèi)容。

2.研究工具

研究使用NVivo11.plus軟件進(jìn)行三級編碼分析。該軟件具有強(qiáng)大的編碼、詞頻分析功能，能幫助用戶高效處理質(zhì)性數(shù)據(jù)，為研究人員提供便利，保證質(zhì)性分析的嚴(yán)謹(jǐn)性與可行性。

在兩位研究人員分別對3份政策文本進(jìn)行分析時(shí)，約定重點(diǎn)分析《新課標(biāo)》中的小學(xué)必修課程內(nèi)容，以及《框架》和《標(biāo)準(zhǔn)》中符合《新課標(biāo)》規(guī)定的小學(xué)三到六年級內(nèi)容。兩個(gè)輔助文本與《新課標(biāo)》相應(yīng)維度的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。當(dāng)兩位研究人員的編碼結(jié)果有不一致時(shí)，二者共同商討并根據(jù)達(dá)成意見再次編碼。

（三）信效度分析

1.信度分析

信度是指使用相同方法測量同一物體時(shí)結(jié)果保持一致的程度。本研究采用兩位研究者“背靠背”編碼方式，即兩位研究者根據(jù)事先的編碼約定獨(dú)立編碼。結(jié)果顯示，兩位研究者編碼結(jié)果為高度一致（kappa值=0.64），有個(gè)別不一致之處經(jīng)二人共同商討后再次編碼，最終編碼結(jié)果趨向一致。

2.效度分析

效度是指使用測量工具或手段所測量到的結(jié)果反映想要考察內(nèi)容的程度。本研究主要通過以下兩方面工作保證研究的效度。一是根據(jù)目的性抽樣原則，抽取“能為本研究提供最大信息量的人或物”[6]。分析對象由政策文本和訪談資料組成。政策文本為《新課標(biāo)》《框架》和《標(biāo)準(zhǔn)》，均為當(dāng)前面向全國范圍指導(dǎo)小學(xué)人工智能教育的政策性文本。訪談對象由課標(biāo)組專家、教研員和一線教學(xué)名師組成，他們均對信息科技新課程和人工智能教育有獨(dú)到的認(rèn)識，且通過分層抽樣盡可能多地收集原始資料。二是采用參與者檢驗(yàn)法，在形成編碼結(jié)果后將研究的初步結(jié)果反饋給部分訪談對象，有25位受訪者參與并表示同意。

四、研究過程

（一）開放式編碼：教學(xué)內(nèi)容要點(diǎn)提取

開放式編碼是將原始資料打散，賦予其相應(yīng)的概念，然后對概念進(jìn)行比較、整合形成范疇的過程。經(jīng)開放式編碼，研究共抽象出83個(gè)初始概念，對其進(jìn)一步范疇化，聚攏為13個(gè)范疇，分別為場景感知與體驗(yàn)、智能控制系統(tǒng)體驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理、算法與編程、設(shè)計(jì)與開發(fā)、過程與控制、人機(jī)交互、人工智能概念與實(shí)現(xiàn)、數(shù)字社會倫理規(guī)范、自主可控與數(shù)字安全、人工智能的影響、數(shù)字化學(xué)習(xí)與勝任力以及創(chuàng)意計(jì)算思維，具體如表2所示。

（二）主軸編碼：教學(xué)內(nèi)容歸納提煉

主軸編碼是在開放式編碼的基礎(chǔ)上，通過對范疇不斷比較分析、歸納提煉形成主范疇的過程。例如，“數(shù)據(jù)處理”“算法與編程”“設(shè)計(jì)與開發(fā)”可以歸納到更高級別的“人工智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)”這一主范疇，“場景感知與體驗(yàn)”“智能控制系統(tǒng)體驗(yàn)”可以歸納為“人工智能系統(tǒng)體驗(yàn)”。據(jù)此，將開放式編碼所得的13個(gè)范疇最終提煉為5個(gè)主范疇，即人工智能系統(tǒng)體驗(yàn)、人工智能計(jì)算方式、人工智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)、人工智能倫理與安全以及人工智能思維，范疇與主范疇之間的所屬關(guān)系及其編碼參考點(diǎn)數(shù)如表3所示。

（三）選擇性編碼：教學(xué)內(nèi)容模型形成

選擇性編碼是建立理論模型的最后一步，需要系統(tǒng)分析主范疇并從中挖掘出核心范疇。核心范疇?wèi)?yīng)處于中心地位，具有統(tǒng)領(lǐng)性，其他子范疇均圍繞其展開。因?yàn)槿斯ぶ悄芙虒W(xué)的核心是培養(yǎng)學(xué)生形成人工智能思維[7]，讓學(xué)生學(xué)會以人工智能的思維方式看待并解決問題，形成與智能時(shí)代相適應(yīng)的能力，故將“人工智能思維”確立為核心范疇，其他概念范疇均指向該范疇。至此，形成了包含人工智能系統(tǒng)體驗(yàn)、人工智能計(jì)算方式、人工智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)、人工智能倫理與安全、人工智能思維五個(gè)內(nèi)容維度的小學(xué)人工智能教學(xué)內(nèi)容理論模型（如圖1所示）。

（四）理論飽和度檢驗(yàn)

編碼工作完成后，研究者對預(yù)留的8份訪談文本進(jìn)行理論飽和度檢驗(yàn)。最終結(jié)果顯示，新一輪編碼均可納入上述范疇體系中，如訪談對象H老師提到“鑒于人工智能已融入生活中的方方面面，在信息科技課程理念的指引下，建議小學(xué)階段人工智能的課程教學(xué)，應(yīng)注重于生活中人工智能的應(yīng)用體驗(yàn)，通過初步體驗(yàn)生活中常見的人工智能設(shè)備，了解人工智能淺顯的基本原理”，該文本片段可按三級編碼方式形成“認(rèn)識、體驗(yàn)人工智能/人工智能設(shè)備—場景感知與體驗(yàn)—人工智能系統(tǒng)體驗(yàn)”“人工智能的基本原理—人工智能概念與實(shí)現(xiàn)—人工智能計(jì)算方式”兩條編碼路徑。該過程并無新的概念或范疇出現(xiàn)，因而可認(rèn)為理論達(dá)到飽和，形成的教學(xué)內(nèi)容理論模型較為完整科學(xué)。

五、模型闡釋

小學(xué)人工智能教學(xué)內(nèi)容理論模型遵循小學(xué)生“基本感知體驗(yàn)—淺層原理認(rèn)知—簡單實(shí)踐創(chuàng)新”的螺旋式發(fā)展規(guī)律，人工智能倫理與安全貫穿其中，促進(jìn)人工智能思維的形成與發(fā)展。

（一）內(nèi)容維度一：人工智能系統(tǒng)體驗(yàn)

“體驗(yàn)”作為一種有意義的情感生成活動，被認(rèn)為是素養(yǎng)形成與發(fā)展的核心環(huán)節(jié)[8]。小學(xué)生處于具體運(yùn)算階段，他們雖能將感知動作內(nèi)化，卻無法脫離熟悉的具體事物獲得概念，進(jìn)行抽象邏輯思維，因而“系統(tǒng)體驗(yàn)”成為人工智能教學(xué)的邏輯起點(diǎn)，具體內(nèi)容包括場景感知與體驗(yàn)和智能控制系統(tǒng)體驗(yàn)兩個(gè)部分（如表4所示）。

場景感知與體驗(yàn)主要指對人工智能的直觀感知與交互，目的是使學(xué)生形成并保持對人工智能的興趣和積極的情感體驗(yàn)。通過實(shí)際觀察并體驗(yàn)日常生活中常見的智能應(yīng)用場景或AI開源平臺，使學(xué)生建立對人工智能的基本認(rèn)知，知道什么是人工智能，人工智能有什么特點(diǎn)和優(yōu)勢，對學(xué)習(xí)生活和社會發(fā)展帶來哪些影響等。結(jié)合《新課標(biāo)》中各學(xué)段的內(nèi)容要求和素養(yǎng)表現(xiàn)，小學(xué)各學(xué)段場景感知與體驗(yàn)的目的不同，第二學(xué)段旨在讓學(xué)生通過體驗(yàn)和認(rèn)識典型的人工智能應(yīng)用場景，感受在線社會對學(xué)習(xí)和生活的影響，感知身邊無所不在的數(shù)據(jù)；第三學(xué)段旨在讓學(xué)生通過認(rèn)識和使用典型的智能產(chǎn)品，從中感受、理解人工智能背后算法的應(yīng)用，建立“萬物皆系統(tǒng)”的觀念。

智能控制系統(tǒng)體驗(yàn)則是從貼近學(xué)生實(shí)際生活的智能化系統(tǒng)案例入手[9]，如學(xué)校的人臉識別系統(tǒng)、手機(jī)語音助手等，讓學(xué)生在與智能產(chǎn)品交互的過程中，體驗(yàn)不同智能控制系統(tǒng)之間的功能差異與智能控制相對傳統(tǒng)控制的優(yōu)勢（如智能感應(yīng)臺燈和普通臺燈）。整體而言，人工智能系統(tǒng)體驗(yàn)的目的是讓學(xué)生在體驗(yàn)中感受人工智能為人類生活帶來的變革性影響，初步理解系統(tǒng)的思想，建立用人工智能解決問題的意識。

（二）內(nèi)容維度二：人工智能計(jì)算方式

“系統(tǒng)體驗(yàn)”重在讓學(xué)生“知其然”，“計(jì)算方式”則引導(dǎo)學(xué)生“知其所以然”，是在感知與體驗(yàn)基礎(chǔ)上的進(jìn)階與深化。具體來說，人工智能計(jì)算方式要求學(xué)生初步了解人工智能背后的基本原理，包括人工智能概念與實(shí)現(xiàn)、人機(jī)交互以及過程與控制三部分內(nèi)容（如表5所示）。

人工智能概念與實(shí)現(xiàn)主要圍繞人工智能的基本概念、發(fā)展歷程以及實(shí)現(xiàn)方式展開。首先，引導(dǎo)學(xué)生理解什么是“智能”，能將其與“非智能”區(qū)分開來，并通過與人類智能的對比，認(rèn)識人工智能的基本特征及其對人類思維方式、行為能力的模擬，如智能產(chǎn)品能像人類一樣會聽、會說、會看，能運(yùn)用人工智能助力學(xué)習(xí)與生活。其次，通過介紹人工智能的歷史和里程碑事件，在其中滲透原理性知識，使學(xué)生感受海量數(shù)據(jù)、算法和算力對“智能”的影響，理解人工智能推動人類社會向智能化方向發(fā)展。再次，引導(dǎo)學(xué)生知道人工智能有多種不同的實(shí)現(xiàn)方式，比如利用圖形化編程、python編程、開源硬件等均可實(shí)現(xiàn)人工智能[10]，以便能根據(jù)實(shí)際需要選用合理的方式開展實(shí)踐，形成問題解決的最優(yōu)意識。

人機(jī)交互的本質(zhì)在于讓學(xué)生學(xué)會與人工智能打交道，體驗(yàn)物理世界與數(shù)字世界的深度融合，并能有效開展人機(jī)協(xié)同學(xué)習(xí)或工作[11]。在教學(xué)中，通過創(chuàng)設(shè)人機(jī)交互的環(huán)境，讓學(xué)生在與語音識別、圖像識別等人機(jī)交互技術(shù)的探索性互動中，了解不同交互方式的區(qū)別及其局限性（比如智能語音助手有時(shí)會答非所問），初步了解人機(jī)交互背后的原理，形成對人工智能的理性認(rèn)識。此過程也應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生加強(qiáng)對信息的辨識力，形成理性判斷，避免在人機(jī)交互過程中對智能產(chǎn)品或技術(shù)產(chǎn)生過度依賴。

過程與控制廣泛存在于日常生活中，是人工智能實(shí)現(xiàn)智能操作的基本原理。教學(xué)應(yīng)從日常生活中的真實(shí)案例出發(fā)，通過觀察并體驗(yàn)?zāi)骋恢悄芟到y(tǒng)的運(yùn)作過程，讓學(xué)生了解智能系統(tǒng)在本質(zhì)上可以抽象為“輸入—計(jì)算—輸出”三個(gè)典型環(huán)節(jié)，一個(gè)大的系統(tǒng)可以分解為幾個(gè)小的系統(tǒng)，一個(gè)系統(tǒng)也可以劃分出功能相對獨(dú)立的多個(gè)模塊，初步了解反饋對系統(tǒng)優(yōu)化的作用。該部分內(nèi)容對應(yīng)第三學(xué)段“過程與控制”模塊，學(xué)生此前雖已體驗(yàn)過如何將輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算得到輸出，但尚未形成“系統(tǒng)思想識萬物”觀念。在學(xué)習(xí)過程與控制后，學(xué)生應(yīng)學(xué)會運(yùn)用系統(tǒng)思想分析人工智能，將系統(tǒng)模塊化，了解系統(tǒng)控制的過程，理解反饋與優(yōu)化促進(jìn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)[12]。

（三）內(nèi)容維度三：人工智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

人工智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)指學(xué)生在理解智能系統(tǒng)的本質(zhì)、初步具備系統(tǒng)化與模塊化的思想后，從現(xiàn)實(shí)需求出發(fā)，經(jīng)需求分析、方案規(guī)劃、算法設(shè)計(jì)以及編程驗(yàn)證等環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)小型智能控制系統(tǒng)，創(chuàng)造性地解決實(shí)際問題。該維度主要包括數(shù)據(jù)處理、算法與編程以及設(shè)計(jì)與開發(fā)三部分內(nèi)容（如表6所示）。

“無數(shù)據(jù)不智能”，數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)人工智能的根基，如何采集解決問題所需要的數(shù)據(jù)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)的第一步。數(shù)據(jù)處理主要指能根據(jù)實(shí)際需求熟練使用數(shù)字化工具對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、組織、分析或呈現(xiàn)，得到解決問題所需要的“數(shù)據(jù)集”，將其作為智能控制系統(tǒng)的“輸入端”內(nèi)容。該部分內(nèi)容主要體現(xiàn)在第二學(xué)段“數(shù)據(jù)與編碼”模塊中，如借助智能手環(huán)對人體健康數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、組織與分析，可得出人體健康與否的結(jié)論。同時(shí)，借助智能手環(huán)的數(shù)據(jù)采集、分析與呈現(xiàn)過程，還可以進(jìn)一步理解智能手環(huán)的自動化分析，感受人、機(jī)處理數(shù)據(jù)的異同，引導(dǎo)學(xué)生在“系統(tǒng)體驗(yàn)”的基礎(chǔ)上進(jìn)一步理解“機(jī)器計(jì)算與人工計(jì)算的異同”[13]。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)離不開算法與編程，算法是人工智能的三大支柱之一，而編程則是實(shí)現(xiàn)算法的基本途徑。小學(xué)階段的人工智能算法學(xué)習(xí)應(yīng)以問題解決為依托，引導(dǎo)學(xué)生在分析新的人工智能任務(wù)（如智能玩具中的算法策略）時(shí)能將其分解為清晰的步驟，并能用自然語言、流程圖等方式描述算法，形成問題解決方案，進(jìn)而借助圖形化編程等工具執(zhí)行或驗(yàn)證算法[14]，提升算法的效率。需要警惕的是，人工智能離不開但并不局限于編程，打破“人工智能=編程學(xué)習(xí)”的錯(cuò)誤認(rèn)知也是不容忽視的重要內(nèi)容之一。

設(shè)計(jì)與開發(fā)則是針對待解決的真實(shí)問題，經(jīng)歷問題需求分析、解決方案設(shè)計(jì)、模型組件搭建等過程，小組合作實(shí)現(xiàn)小型人工智能系統(tǒng)的簡單設(shè)計(jì)與制作。正如訪談對象Z老師所言，“人工智能教學(xué)不能停留于感知與體驗(yàn)階段，可以基于創(chuàng)客思維開展AI創(chuàng)新項(xiàng)目研究，引導(dǎo)學(xué)生從現(xiàn)實(shí)問題出發(fā)，通過模擬搭建實(shí)際應(yīng)用場景展開探究式學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生興趣的同時(shí)，完成知識建構(gòu)與能力提升”。通過“創(chuàng)中學(xué)”，不僅能在實(shí)踐中加深學(xué)生對人工智能概念和原理的理解與認(rèn)知，切實(shí)體會利用數(shù)據(jù)和算法解決問題的高效性，還可以充分發(fā)揮思維的靈活性，極大激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造潛能[15]，為創(chuàng)新人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

（四）內(nèi)容維度四：人工智能思維

為在人機(jī)共存的未來社會中獲得競爭優(yōu)勢，人工智能教育應(yīng)著眼于培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)智能時(shí)代的學(xué)習(xí)、生存乃至生活能力[16]，形成善用人工智能的思維方式。人工智能思維在教學(xué)內(nèi)容體系中處于核心地位，是人工智能教學(xué)的價(jià)值旨?xì)w，具體包括創(chuàng)意計(jì)算思維和數(shù)字化學(xué)習(xí)與勝任力兩部分內(nèi)容（如表7所示）。

計(jì)算思維被視為信息科技課程的學(xué)科思維，指的是在問題解決過程中涉及的抽象、分解、建模、算法設(shè)計(jì)等思維活動，是一種高效解決復(fù)雜問題的思維方式[17]。創(chuàng)意計(jì)算思維本質(zhì)上是計(jì)算思維，強(qiáng)調(diào)面對人工智能問題時(shí)能充分發(fā)揮創(chuàng)意和想象，在建立問題解決路徑過程中融入創(chuàng)新性元素或采用新方法，形成具有一定系統(tǒng)性、創(chuàng)新性的問題解決方案。根據(jù)《新課標(biāo)》的相關(guān)理念，小學(xué)人工智能教學(xué)應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生在問題解決活動中經(jīng)歷抽象、分解、建模以及算法設(shè)計(jì)的思維歷程，并通過圖形化編程等工具表達(dá)自己的創(chuàng)意，創(chuàng)造性地解決問題。在此過程中，不僅能形成相對穩(wěn)定的學(xué)科思維，同時(shí)又可兼顧批判、創(chuàng)新、協(xié)作等共通能力和高階思維的發(fā)展[18]。

數(shù)字化學(xué)習(xí)與勝任力是智能時(shí)代不可或缺的重要能力之一。結(jié)合《新課標(biāo)》理念，數(shù)字化學(xué)習(xí)與勝任力可以理解為以下幾點(diǎn)：一是數(shù)字化學(xué)習(xí)能力，表現(xiàn)為能根據(jù)學(xué)習(xí)需求合理選用數(shù)字設(shè)備或資源開展學(xué)習(xí)活動，比如利用在線平臺尋找身邊的人工智能應(yīng)用場景、對算法進(jìn)行驗(yàn)證等。二是數(shù)字化創(chuàng)新能力，即能利用在線或面對面方式自主或與他人合作開展人工智能創(chuàng)新實(shí)踐活動，比如搭建生活所需的簡易智能機(jī)器人。三是跨學(xué)科問題解決能力[19]，即靈活運(yùn)用數(shù)據(jù)和算法相關(guān)知識、以跨學(xué)科思維方式解決人工智能場景中的實(shí)際問題，更好地適應(yīng)數(shù)字社會。

（五）內(nèi)容維度五：人工智能倫理與安全

綜觀《新課標(biāo)》，“道德規(guī)范”“科技倫理”“自主可控”“數(shù)據(jù)安全”“信息安全”等詞高頻出現(xiàn)，在《標(biāo)準(zhǔn)》和《框架》中也頗有著墨。可見，由人工智能等新興技術(shù)迅速發(fā)展及應(yīng)用所帶來的倫理與安全問題不容忽視。人工智能倫理與安全分為人工智能的影響、數(shù)字社會倫理規(guī)范、自主可控與數(shù)字安全三部分內(nèi)容（如表8所示）。

人工智能的影響是指認(rèn)識人工智能技術(shù)對學(xué)習(xí)生活及社會發(fā)展的雙重效應(yīng)，樹立科學(xué)的倫理觀，正視人工智能的兩面性，警惕其背后潛藏的隱私侵犯、信息泄露、倫理道德失范等風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)。以近日火遍全網(wǎng)的ChatGPT為例，作為一款內(nèi)容生成式人工智能應(yīng)用工具，ChatGPT似乎“上知天文，下知地理”，有著傳統(tǒng)智能工具無法比擬的優(yōu)勢。它能輔助學(xué)生編寫代碼、完成家庭作業(yè)和測試等，猶如數(shù)字導(dǎo)師一般存在，但其官網(wǎng)也明確表明目前ChatGPT存在社會偏見、幻覺等局限性[20]，極易造成學(xué)生的認(rèn)知誤差和偏見，甚至弱化師生之間的關(guān)系[21]。因此，教學(xué)應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生正確認(rèn)識以ChatGPT為代表的人工智能技術(shù)的兩面性，辯證看待人工智能技術(shù)的優(yōu)勢和不足，審視由智能技術(shù)應(yīng)用引發(fā)的倫理道德問題，提出可能的防范措施。

數(shù)字社會倫理規(guī)范是合理運(yùn)用人工智能等數(shù)字技術(shù)的重要前提和有力保障，用以規(guī)范在數(shù)字社會中的人類行為。首先，學(xué)生要了解智能時(shí)代的在線行為準(zhǔn)則和倫理道德規(guī)范，認(rèn)識到數(shù)字身份象征個(gè)人的信用價(jià)值，合理使用數(shù)字身份開展網(wǎng)絡(luò)交流、信息傳播等活動，如線上交流時(shí)不隨意透露個(gè)人私密信息、瀏覽和傳播符合社會主義核心價(jià)值觀的內(nèi)容[22]；其次，了解人工智能應(yīng)用的規(guī)則規(guī)范，正確負(fù)責(zé)任地使用人工智能產(chǎn)品，形成應(yīng)對人工智能潛在風(fēng)險(xiǎn)的意識和能力。再次，在進(jìn)行人工智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)時(shí)，方案規(guī)劃、數(shù)據(jù)收集、算法設(shè)計(jì)等各環(huán)節(jié)均應(yīng)遵守相應(yīng)的準(zhǔn)則或法律法規(guī)，比如數(shù)據(jù)收集應(yīng)避免侵犯他人的隱私，方案規(guī)劃和算法設(shè)計(jì)尊重他人的創(chuàng)意和知識產(chǎn)權(quán)等。

自主可控關(guān)乎國家安全，對于在國際科技競爭浪潮中贏得主動權(quán)至關(guān)重要。人工智能技術(shù)應(yīng)用廣泛，影響深遠(yuǎn)，其安全問題和自主可控風(fēng)險(xiǎn)正面臨全球性挑戰(zhàn)[23]。為此，信息科技課程理應(yīng)首當(dāng)其沖，承載學(xué)生自主可控意識與數(shù)字安全觀培養(yǎng)的重任，從小學(xué)階段開始引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識自主可控的重要性，了解智能系統(tǒng)中可能存在的安全問題，以及自主可控的智能系統(tǒng)對保障國家安全的意義。由于實(shí)現(xiàn)自主可控的根本在于原始創(chuàng)新，故教學(xué)內(nèi)容還應(yīng)激勵(lì)學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新思維，比如在體驗(yàn)或設(shè)計(jì)自主可控的人工智能系統(tǒng)時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生聚焦關(guān)鍵核心技術(shù)的突破進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，提出創(chuàng)新性構(gòu)想，為未來自主可控創(chuàng)新人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。

六、結(jié)論與討論

研究對包括《新課標(biāo)》在內(nèi)的3份權(quán)威性政策文本和32份半結(jié)構(gòu)化訪談資料進(jìn)行扎根分析，構(gòu)建了小學(xué)人工智能教學(xué)內(nèi)容理論模型，包括人工智能系統(tǒng)體驗(yàn)、人工智能計(jì)算方式、人工智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)、人工智能思維以及人工智能倫理與安全五個(gè)維度。其中人工智能倫理與安全貫穿始終，最終目的是培養(yǎng)學(xué)生的人工智能思維。模型體現(xiàn)了3份政策文本和領(lǐng)域?qū)＜业暮诵挠^點(diǎn)與思想，強(qiáng)調(diào)以“系統(tǒng)體驗(yàn)”作為人工智能教學(xué)的邏輯起點(diǎn)，學(xué)生圍繞系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)，通過“創(chuàng)中學(xué)”建構(gòu)數(shù)據(jù)、算法等相關(guān)知識，感悟人工智能的基本原理，建立用人工智能解決問題的思想和意識。這與《新課標(biāo)》中“應(yīng)用系統(tǒng)體驗(yàn)—機(jī)器計(jì)算與人工計(jì)算的異同—倫理與安全挑戰(zhàn)”的邏輯一致，也與已有研究指出小學(xué)人工智能重感知與體驗(yàn)，并在其中滲透基本原理與概念的觀點(diǎn)大同小異[24][25]。

不同的是，研究扎根以《新課標(biāo)》為主的3份政策文本，并結(jié)合一線專家對《新課標(biāo)》的理解建構(gòu)小學(xué)人工智能內(nèi)容模型，可追根溯源，具有一定的信度和可解釋性。研究以概念的形式抽象出各維度的核心內(nèi)容，弱化了學(xué)生對知識點(diǎn)的碎片化學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)自主可控意識、數(shù)字安全觀、系統(tǒng)思想等學(xué)科觀念的滲透，以及計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與勝任力、原始創(chuàng)新等能力的培養(yǎng)，充分反映了《新課標(biāo)》的最新理念，為信息科技新課程人工智能教學(xué)落地提供依據(jù)。

厘清“教什么”僅僅是開展人工智能教學(xué)的第一步，在實(shí)際教學(xué)中還存在諸多困難需要克服，比如有教師提到的“信息科技的課時(shí)安排”“教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)”“硬件設(shè)備的制約”等。目前對于新課程“怎么教”還缺乏系統(tǒng)的實(shí)證性研究，這一系列問題仍需進(jìn)一步深入研究與探索，以促進(jìn)素養(yǎng)導(dǎo)向的人工智能教育“落地生根”。

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作者簡介：

于穎：教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾畔⒖萍冀逃?/p>

高宇：在讀碩士，研究方向?yàn)樾畔⒖萍冀逃?/p>

What does Competences-oriented Elementary School Artificial Intelligence Teach

—Qualitative Analysis Based on Grounded Theory

Yu Ying1， Gao Yu2

（1.School of Education， Tianjin University， Tianjin 300350； 2.School of Communication， Qufu Normal University， Rizhao 276826， Shandong）

Abstract： New challenges are put forward for primary and secondary education in the era of intelligence. The introduction of AI into the classroom and teaching materials has become an important topic of education in all countries. 《Information science and technology curriculum standard（2022）》in compulsory education takes AI as one of the main logic lines to organize the curriculum content. However， due to the lack of independent modules in primary school， it still faces the dilemma of what AI should be “taught”. Although existing research has actively explored， there are still problems such as unclear goals， unclear systems， and unsatisfactory educational outcomes. In order to further clarify the teaching context of artificial intelligence in elementary school， the study takes 3 policy texts and 32 semi-structured interview data as the research objects， and through three levels of coding methods including open coding， axial coding and selective coding based on the grounded theory. The theoretical model of elementary school AI teaching content is constructed from five dimensions， including AI system experience， AI computing mode， AI system design and development， AI ethics and security， and AI thinking. The study can provide reference for the development of artificial intelligence teaching in elementary schools under the background of new curriculum.

Keywords： Artificial Intelligence； competences-oriented teaching； grounded theory； information science and technology curriculum

責(zé)任編輯：李雅瑄