中小學需要什么樣的人工智能教育

謝作如

隨著Sora等生成式人工智能的出現，在中小學開展人工智能教育的話題再次引發人們的熱議。早在2017年，國務院發布的《新一代人工智能發展規劃》就提出，應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。迄今為止，中小學人工智能教育的實施依然重點模糊、效果欠佳，以“人工智能”為關鍵詞的各類學生活動及校外培訓課程內容，大多僅局限于編程或機器人領域；部分中小學人工智能實驗室購置的器材大多為機器人、智能家居等，很少有圖形處理器（GPU）等支持學生進行人工智能訓練的專業設備；有些號稱剖析中小學人工智能教育的論文，甚至全文未曾關注過“機器學習”“深度學習”“數據集”“算力”等關鍵點……

筆者認為，出現上述問題的原因在于，大多數教育工作者尚未充分理解人工智能的內涵，將人工智能教育簡單定義為“創新教育”，甚至直接將樂高積木、3D打印等內容納入人工智能教育課程體系，在目標混亂、定位不清的情況下開展“泛人工智能教育”的現象。

那么，究竟什么是真正的人工智能教育？中小學需要什么樣的人工智能教育？學校及教師具體應該如何做？本文將從追溯人工智能的起源開始，嘗試解答上述問題。

分析：從起源看人工智能的核心概念

在正式開始探討中小學人工智能教育的話題之前，我們首先需要理解“什么是人工智能”，尤其是新一代人工智能究竟“新”在何處。

從起源看，人工智能的思想根基甚至可以追溯到古希臘哲學家亞里士多德的“三段論”，即一種由大前提、小前提、結論三部分組成的演繹推理形式。科學家們正式開始運用現代科學技術來實現智能化操作，則源于自動計算機器的出現。這也是很多人容易在概念上將人工智能和計算機科學相混淆的主要原因。實際上，計算機的發明是為了滿足自動計算的需要，而人工智能則是為了模仿人類的智能，二者的起點、發展和目標均有一定的區別。

有關人工智能發展的研究主要分為兩種范式：一是基于邏輯啟發的設計派，二是基于生物學啟發的學習派。在人工智能發展的早期階段，設計派的思路為更多人所推崇，但其發展很快陷入瓶頸，因為幾乎沒有任何方法能夠做到對現有知識的精確編碼。此后，學習派成為主流范式，其支持者重點研究如何從大量數據中發現智能規律，也被稱為“數據驅動的人工智能”。

由于研究智能規律的主體是“機器”，機器學習就成為人工智能研究中最重要的技術領域。中國人工智能學會第八屆名譽理事長李德毅曾多次強調，深度學習是新一代人工智能的重要特征，可以說，沒有“學習”就沒有新一代人工智能。我們常聽到的人工智能的“三駕馬車”——數據、算法、算力，這三大技術，對應著典型的機器學習訓練過程，其訓練結果即為人工智能模型。因此，人工智能教育需要讓學生了解人工智能的內涵及原理，進而指導他們針對相關需求生成相應的“人工智能模型”。

定位：中小學人工智能教育要教什么

基于前文對人工智能核心概念的討論，人工智能教育也應圍繞相應模型展開，如體驗模型、理解模型、訓練模型、部署模型、應用模型等。華南師范大學教授鐘柏昌曾提出人工智能教育的六層思維模型，即AI功能體驗、AI模型理解、AI模型應用、AI模型綜合、AI要素重組和AI算法創新，并提出各學段學生應重點掌握的思維模型，如小學可完成1～3層，初中可完成1～4層，高中可完成1～5層。ChatGPT發布后，有教師嘗試設計AIGC類課程，帶領學生利用大模型生成相應的文本、圖片、視頻等，便屬于第一層內容。第六層“AI算法創新”面向的則是在人工智能方面具有特長或處于高等教育階段的學生。

筆者認為，中小學開展人工智能教育的目標可劃分為逐級提升的三個方面，即引導學生豐富有關人工智能的應用體驗，進行模型訓練的系列實驗，利用人工智能解決問題。

行動：中小學如何開展人工智能教育

針對當下學校將人工智能教育異化為“泛人工智能教育”的問題，上海人工智能實驗室智能教育中心團隊一度呼吁“讓學生學習真正的人工智能”。要實現這一目標，需要政策制定者和教師共同努力，為中小學生創造必要的學習機會。現實中，部分政策制定者和教師將“學生能夠學得懂”作為判定學校是否能夠開展人工智能教育的主要標準，進而發出“青少年是否能夠掌握機器學習的原理及深度學習中的模型訓練、部署、應用等人工智能內容”這樣更高層次的疑問。

實際上，隨著人工智能的發展，其技術門檻正逐漸降低，“智能”已可通過“喂養”數據而獲得。且學習人工智能基本的硬件條件是計算機，依靠許多學校現有的機房配置，借助CPU算力訓練機器學習模型的速度已發展至一定水平，即使訓練深度神經網絡模型（如全連接神經網絡和卷積神經網絡模型等），也已綽綽有余。因此，筆者認為，大部分學校已具備實施人工智能教育的硬件條件。如果有教師希望帶領學生開展較為復雜的模型訓練，或結合科創活動以人工智能手段解決真實生活問題，才需購買其他硬件設備。

此外，開展中小學人工智能教育的另一個重要條件是擁有相應資質的教育隊伍。校領導需要鼓勵信息科技教師自主學習，或為他們提供培訓，并給予其開設相關課程的機會，提升其專業素養。在具體的教學中，教育者可選擇如下路徑展開實施。

路徑一：融入信息科技、信息技術課程。義務教育階段的信息科技課程與高中的信息技術課程，是開展人工智能教育的有益空間。目前，浙江教育出版社和清華大學出版社的信息技術教材，均在八年級設置了一個學期的人工智能內容。另外，信息科技與信息技術的課程標準中已涵蓋數據編碼、程序設計、開源硬件、物聯網等知識，教師可有機融入數據集整理，以及模型的搭建、選擇、訓練和部署等人工智能相關內容。教師可依托上述資源，靈活設計課堂教學。例如，高中信息技術課程“人工智能初步”模塊強調要充分利用豐富的開源硬件和人工智能應用框架等，聚焦面向實際生活的應用場景，引導學生借由技術解決真實問題。在執教該類課程的過程中，教師可以適當更換教材中的案例，留出恰當的課時用于開展人工智能教育。

路徑二：開發不同方向的校本課程。人工智能是一門實踐性很強的交叉學科，一個活動案例、幾個創意實驗都可以設計成一套3～5課時的課程。筆者認為，開發校本課程是學校在探索人工智能教育路徑的有效方式。從幾個質量較高的校本課程來看，《校園稻草人項目設計》促使學生從零開始設計人工智能作品；《從神經網絡到深度學習》組合了一系列經典人工智能實驗，便于學生開展循序漸進的探索；《趣味智聯網入門》對當前信息技術教材中的物聯網內容進行了拓展，學生可在教師的帶領下制作多模態交互的人工智能應用。

路徑三：開展相關科創活動。科創活動是中小學跨學科學習活動的重要形式，教師可組建跨學科教學團隊，通過設計相關科創活動，帶領學生開發人工智能模型，以促進生活中真實問題的解決。例如，借助“AI+科研”“科學智能+機器猜想”等融合范式整理煩瑣的數據，解放人力。又如，人工智能也可以成為助力創意表達的有效工具，可采用“AI+藝術”模式，生成藝術品的草圖，在此基礎上表達自己的創意。