中小學(xué)人工智能普及教育的貫通式設(shè)計(jì)

以ChatGPT為代表的生成式人工智能浪潮席卷全球，對(duì)人類的學(xué)習(xí)、生活和工作方式產(chǎn)生了強(qiáng)烈的沖擊，催生全球范圍內(nèi)社會(huì)范式的急劇變革，社會(huì)和個(gè)人的發(fā)展將越來越依賴人工智能。因此，每個(gè)公民都需要對(duì)人工智能技術(shù)有正確的認(rèn)識(shí)和基本的素養(yǎng)。面對(duì)生成式人工智能給教育帶來的挑戰(zhàn)與沖擊，國(guó)家已在宏觀層面加強(qiáng)了中小學(xué)人工智能教育頂層設(shè)計(jì)，在課程建設(shè)、教師培養(yǎng)、資源投入等方面采取了系列措施。如我國(guó)早在2017年就發(fā)布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，明確指出要完善人工智能教育體系，實(shí)施全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程[1]，并通過《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版2020年修訂）》和《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》，不斷健全完善中小學(xué)階段的人工智能課程體系。在此背景下，區(qū)域和學(xué)校也應(yīng)協(xié)同多方力量，積極為中小學(xué)生提供人工智能教育的機(jī)會(huì)，讓他們盡早建立起對(duì)人工智能的全面認(rèn)知，了解其潛在的風(fēng)險(xiǎn)和益處，力求以最少的投入實(shí)現(xiàn)中小學(xué)人工智能教育最大范圍的覆蓋和最快速的普及。一、普及中小學(xué)人工智能教育所面臨的困難當(dāng)前，全國(guó)各地都在積極推進(jìn)中小學(xué)人工智能教育，如廣州、武漢、蘇州、長(zhǎng)沙、浙江、上海、深圳等。但我們還需清醒地認(rèn)識(shí)到，大多數(shù)地區(qū)還缺乏相關(guān)的落地性政策、推進(jìn)主體和配套經(jīng)費(fèi)，軟硬件條件差異較大，全面普及中小學(xué)人工智能教育還面臨諸多挑戰(zhàn)。（一）課程缺乏一體化頂層設(shè)計(jì)雖然我國(guó)在政策層面已經(jīng)表現(xiàn)出了開展人工智能教育的決心，但在具體實(shí)施中仍缺乏進(jìn)一步的細(xì)化，尤其缺乏系統(tǒng)化的人工智能培育體系和完善的層級(jí)培養(yǎng)策略。這導(dǎo)致政府、科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)和學(xué)校未能形成共識(shí)，無法共同致力于中小學(xué)人工智能教育的落地普及。目前，人工智能教育主要依托于信息技術(shù)（科技）課程、校本課程、社團(tuán)、STEM教育等開展。其中，信息技術(shù)（科技）學(xué)科是中小學(xué)人工智能普及教育最重要的陣地，然而其課程標(biāo)準(zhǔn)中缺乏對(duì)人工智能教育的一體化設(shè)計(jì)，以至于課程內(nèi)容的確定與銜接、教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施、教學(xué)資源配套等缺少理論依據(jù)。同時(shí)，課程標(biāo)準(zhǔn)中人工智能相關(guān)模塊的學(xué)習(xí)較為后置，如在高中信息技術(shù)課程中被安排在選擇性必修中學(xué)習(xí)，在義教信息科技課程中被安排在九年級(jí)。這就導(dǎo)致在具體實(shí)施中，人工智能模塊的課時(shí)基本得不到保障。（二）課程內(nèi)容難度兩極分化目前，中小學(xué)人工智能教學(xué)中普遍存在著兩種現(xiàn)象。一方面，部分學(xué)校將人工智能學(xué)科中高深的模型和理論直接引入課堂，超出學(xué)生已有認(rèn)知和邏輯思維能力，導(dǎo)致學(xué)生難以理解并產(chǎn)生抵觸情緒，失去學(xué)習(xí)人工智能的興趣；另一方面，一些學(xué)校只注重學(xué)生的感知和體驗(yàn)，注重通過簡(jiǎn)單而大量的動(dòng)手實(shí)踐來吸引學(xué)生學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)人工智能的了解始終停留在表層，難以深入了解其背后所蘊(yùn)含的思想方法。究其原因，人工智能教育的培養(yǎng)目標(biāo)還不夠明確，缺乏一條從教學(xué)目標(biāo)到教學(xué)內(nèi)容的明晰路徑，學(xué)生學(xué)到的只是與人工智能相關(guān)的知識(shí)和技術(shù)，無法融會(huì)貫通地加以運(yùn)用，自身的潛能也未能得到充分發(fā)揮，與創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)更是相距甚遠(yuǎn)。此外，現(xiàn)有的教學(xué)對(duì)如何安全、符合道德規(guī)范地使用人工智能等內(nèi)容的重視程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。（三）師資、軟硬件資源嚴(yán)重缺乏現(xiàn)階段，我國(guó)中小學(xué)人工智能教育的師資在數(shù)量和質(zhì)量上都存在明顯的不足。人工智能是一門涉及多個(gè)領(lǐng)域的交叉學(xué)科，具有復(fù)雜性、跨學(xué)科性的特點(diǎn)，對(duì)教師智能素養(yǎng)和知識(shí)水平的要求較高。然而，目前我國(guó)中小學(xué)人工智能課程開發(fā)與建設(shè)的主力軍仍然是信息技術(shù)（科技）教師，他們?cè)谌斯ぶ悄軐I(yè)知識(shí)儲(chǔ)備、技術(shù)運(yùn)用水平和教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)方面存在一定不足，開展人工智能教育的意愿也不高[2]，缺乏專業(yè)的培訓(xùn)和共同成長(zhǎng)的平臺(tái)。此外，中小學(xué)階段的人工智能課程需要依托與日常生活緊密聯(lián)系的場(chǎng)景來推動(dòng)學(xué)生對(duì)人工智能內(nèi)涵的理解，而對(duì)場(chǎng)景的體驗(yàn)、剖析、設(shè)計(jì)與制作都離不開軟硬件的支撐[3]，如體驗(yàn)平臺(tái)、硬件和模型生成的算力等。然而，大部分地區(qū)和學(xué)校缺乏相關(guān)配套資金購買硬件和服務(wù)，人工智能教學(xué)環(huán)境搭建耗時(shí)多且兼容性差，相關(guān)開源硬件種類龐雜且質(zhì)量參差不齊，相關(guān)教學(xué)資源數(shù)量少且交互不足……這些因素加劇了人工智能教育在中小學(xué)普及的難度，提高了人工智能教育落地的“門檻”。工具和環(huán)境的缺失容易導(dǎo)致人工智能教育停滯在知識(shí)層面的學(xué)習(xí)，使智能素養(yǎng)的培育流于形式。二、中小學(xué)人工智能教育的貫通式設(shè)計(jì)理念與實(shí)踐本研究針對(duì)當(dāng)前我國(guó)中小學(xué)人工智能教育面臨的實(shí)際問題，提出貫通式設(shè)計(jì)方案，以期為我國(guó)中小學(xué)人工智能教育體系建設(shè)提供有價(jià)值的參考，為各地開展人工智能教育教學(xué)實(shí)踐提供有益的借鑒。（一）樹立中小學(xué)人工智能教育觀在國(guó)家課程標(biāo)準(zhǔn)缺乏對(duì)人工智能教育一體化設(shè)計(jì)的大背景下，從事人工智能教育的教師需要突破自身學(xué)段壁壘，具備全局觀。這就意味著，教師需要明確每個(gè)學(xué)段人工智能教育的育人目標(biāo)是什么，指向的關(guān)鍵能力是什么，教什么內(nèi)容。此外，教師還需要明確應(yīng)通過怎樣的項(xiàng)目融入核心知識(shí)點(diǎn)和技能，通過怎樣的平臺(tái)、硬件和資源來達(dá)成目標(biāo)。為幫助教師形成人工智能教育觀，本研究構(gòu)建了區(qū)域化中小學(xué)人工智能教育課程指南，涵蓋小、初、高三個(gè)學(xué)段的人工智能培養(yǎng)目標(biāo)、關(guān)鍵能力、課程內(nèi)容、項(xiàng)目主題以及教學(xué)資源，以彌補(bǔ)當(dāng)前中小學(xué)人工智能教育無法體系化開展的不足。我們依托信息技術(shù)（科技）課程，對(duì)人工智能課程進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，將其巧妙融入三個(gè)學(xué)段中開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，確保在不影響信息技術(shù)（科技）課程總體實(shí)施的情況下，有效滲透人工智能教育。此外，我們定期為教師提供人工智能素養(yǎng)提升培訓(xùn)，并配套提供課程指南、課程內(nèi)容以及數(shù)字化教學(xué)資源。即使現(xiàn)有師資基礎(chǔ)薄弱，教師也可以通過邊學(xué)邊模仿的方式開課，待他們能力提升后，再發(fā)揮個(gè)人智慧，不斷豐富和完善課程內(nèi)容。這一系列舉措，讓系統(tǒng)性的中小學(xué)人工智能教育能盡早并有效得以普及。（二）明確中小學(xué)人工智能課程的培養(yǎng)目標(biāo)在國(guó)家層面，人工智能尚未被確定為基礎(chǔ)教育的獨(dú)立學(xué)科，因此，本研究談及的培養(yǎng)目標(biāo)主要是從人工智能課程出發(fā)，探索培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)未來智能社會(huì)所需的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力。參照中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)的具體內(nèi)容，并對(duì)標(biāo)信息科技學(xué)科核心素養(yǎng)的總體目標(biāo)，我們提出區(qū)域化的中小學(xué)人工智能課程核心素養(yǎng)：智能意識(shí)、智能思維、智能應(yīng)用創(chuàng)新和智能社會(huì)責(zé)任[4]（見表1）。這些核心素養(yǎng)旨在讓學(xué)生在開展人工智能活動(dòng)時(shí)，一是擁有智能意識(shí)，為他們運(yùn)用人工智能思想、方法解決問題提供內(nèi)在動(dòng)機(jī)[5]；二是具備智能思維，為他們提供解決問題的思路和方法；三是能進(jìn)行智能應(yīng)用創(chuàng)新，為他們提供解決問題的實(shí)現(xiàn)路徑；四是具備智能社會(huì)責(zé)任，為他們正確使用人工智能提供保障。（三）形成人工智能素養(yǎng)貫通式學(xué)段水平層次劃分本研究根據(jù)不同學(xué)段的學(xué)生特點(diǎn)和發(fā)展需求，對(duì)四個(gè)核心素養(yǎng)需要達(dá)到的水平層次做了以下劃分（如圖1）。在智能意識(shí)方面，小學(xué)階段的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的感知能力。教師要通過看得見、摸得著的人工智能技術(shù)，以生動(dòng)有趣的故事形式，引導(dǎo)學(xué)生辨認(rèn)和識(shí)別人工智能，讓他們對(duì)人工智能產(chǎn)生好奇心，知道它“是什么”。初中階段的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的認(rèn)知能力，借助人工智能的三大特征、三次發(fā)展浪潮、常見算法與應(yīng)用等內(nèi)容，讓學(xué)生從內(nèi)部特征、歷史發(fā)展與原理等方面來明晰人工智能的潛力，知道它能“怎么樣”。高中階段的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的理解能力，借助自動(dòng)化等概念以及人工智能的研究方向等內(nèi)容，讓學(xué)生在理解概念的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步構(gòu)建系統(tǒng)化和具體化的知識(shí)體系，能夠重新建立或者調(diào)整認(rèn)知結(jié)構(gòu)，達(dá)到知識(shí)的融會(huì)貫通，并使知識(shí)得到廣泛的遷移[8]，知道它“為什么”被稱作人工智能。在智能思維方面，小學(xué)階段的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的表達(dá)能力，讓學(xué)生能夠使用圖形等方式表達(dá)現(xiàn)實(shí)生活中客觀物體的關(guān)鍵特征，使用流程圖等方式描述人工智能技術(shù)的工作過程。初中階段的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力，讓學(xué)生在描述人類是如何執(zhí)行相同任務(wù)的基礎(chǔ)上，了解分析計(jì)算機(jī)是如何對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行抽象的、如何進(jìn)行學(xué)習(xí)的。高中階段的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的遷移能力，借助人工智能算法原理等內(nèi)容，讓學(xué)生能夠總結(jié)人工智能解決問題的過程與方法，并遷移到與之相關(guān)的其他問題中。在智能應(yīng)用創(chuàng)新方面，小學(xué)階段的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的應(yīng)用能力，讓學(xué)生學(xué)會(huì)使用人工智能App，使用圖形化工具的人工智能模塊搭建項(xiàng)目。初中階段的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)利用數(shù)據(jù)分析問題，使用人工智能技術(shù)改造生活。高中階段的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，引導(dǎo)學(xué)生善于發(fā)現(xiàn)問題，綜合運(yùn)用現(xiàn)有的知識(shí)、技能、思維能力分析問題，提出有別于常規(guī)的解決方案，合理運(yùn)用人工智能技術(shù)設(shè)計(jì)出人工智能項(xiàng)目并解決問題。在智能社會(huì)責(zé)任方面，小學(xué)階段的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的暢想能力，讓這個(gè)年齡段的學(xué)生從多個(gè)方面對(duì)智能社會(huì)進(jìn)行想象，對(duì)智能社會(huì)充滿信心，激發(fā)他們對(duì)各學(xué)科的學(xué)習(xí)積極性，能夠?yàn)橛又悄苌鐣?huì)的到來做好準(zhǔn)備。初中階段的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的擔(dān)當(dāng)能力，讓這個(gè)年齡段的學(xué)生能夠在智能社會(huì)中肩負(fù)起相應(yīng)的社會(huì)責(zé)任。高中階段的主要目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的規(guī)劃能力，讓這個(gè)年齡段的學(xué)生對(duì)人生、職業(yè)做出比較全面長(zhǎng)遠(yuǎn)的計(jì)劃，為未來能夠參與智能時(shí)代社會(huì)標(biāo)準(zhǔn)的制定做準(zhǔn)備。（四）構(gòu)建中小學(xué)人工智能貫通式課程框架本研究借鑒國(guó)際范圍內(nèi)中小學(xué)人工智能教育研究的最新成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，如美國(guó)K-12人工智能教育行動(dòng)[9]，在結(jié)合各學(xué)段培養(yǎng)目標(biāo)和能力層次劃分的基礎(chǔ)上，融入各學(xué)段的課程內(nèi)容，形成中小學(xué)人工智能課程框架（如圖2）。該框架覆蓋了從小學(xué)到高中的貫通式人工智能課程，明確人工智能教育要讓學(xué)生學(xué)習(xí)什么，通過體系化的課程幫助學(xué)生系統(tǒng)地、科學(xué)地認(rèn)識(shí)人工智能，并注重人工智能倫理的培養(yǎng)[10]。從學(xué)生視角來看，該框架能夠幫助不同學(xué)段的學(xué)生逐步了解人工智能的基本概念、應(yīng)用領(lǐng)域以及解決問題的能力。從教師視角來看，該框架為教師提供了清晰的教學(xué)指導(dǎo)，幫助教師明確每個(gè)學(xué)段人工智能教育的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)深度，有效解決當(dāng)前人工智能教學(xué)內(nèi)容兩極分化的問題。（五）開發(fā)中小學(xué)人工智能課程及其配套教學(xué)資源面對(duì)大部分教師缺乏人工智能課程開設(shè)能力的客觀現(xiàn)實(shí)，區(qū)域需要出臺(tái)全套解決方案，其中最為關(guān)鍵的是開發(fā)小初高系統(tǒng)化、多維度、情景化的中小學(xué)人工智能模塊化課程以及適合混合式學(xué)習(xí)的課程“數(shù)字化示范教學(xué)包”。模塊化課程以提升學(xué)生人工智能素養(yǎng)為核心，通過大單元設(shè)計(jì)的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用人工智能思想方法解決真實(shí)問題，在項(xiàng)目實(shí)踐中內(nèi)化人工智能相關(guān)知識(shí)和技能，發(fā)展計(jì)算思維，培養(yǎng)正確的人工智能倫理道德[11]。中小學(xué)人工智能課程框架中所包含的教學(xué)內(nèi)容自然融入項(xiàng)目式學(xué)習(xí)過程中，實(shí)現(xiàn)“為真實(shí)而學(xué)習(xí)，在真實(shí)中學(xué)習(xí)”?！皵?shù)字化示范教學(xué)包”以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)貫穿課程教學(xué)始終，包含完整的教學(xué)設(shè)計(jì)、課件、微課、評(píng)價(jià)以及全套的習(xí)題資源（如圖3）。教師結(jié)合學(xué)情靈活進(jìn)行內(nèi)容重組、活動(dòng)重組、資源重組等個(gè)性化二次開發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)課程重構(gòu)、智慧融入以及新的生長(zhǎng)，在一定程度緩解人工智能教育師資不足的問題。混合式教學(xué)則可以線上學(xué)習(xí)解放學(xué)習(xí)時(shí)空，提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力；線下教學(xué)促進(jìn)師生互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)的升華。同時(shí)，所有評(píng)價(jià)均可視化呈現(xiàn)，讓數(shù)據(jù)賦能，讓學(xué)習(xí)留痕。有了課程和資源，還離不開人工智能學(xué)習(xí)和開發(fā)工具。經(jīng)過深入調(diào)研和實(shí)際反饋，本研究確定采用上海人工智能實(shí)驗(yàn)室智能教育中心開發(fā)的青少年AI學(xué)習(xí)平臺(tái)，以及開箱即用的開發(fā)工具XEdu作為課程實(shí)施和學(xué)生學(xué)習(xí)的平臺(tái)和工具[12]。無論是借助瀏覽器實(shí)現(xiàn)AI項(xiàng)目學(xué)習(xí)和實(shí)踐，還是一鍵部署AI編程環(huán)境，都大大降低了一線教師開展人工智能教學(xué)的門檻（如圖4）。這使得教師可以更加專注于帶領(lǐng)學(xué)生逐步通達(dá)人工智能教育的核心。此外，所有的課程都可以基于低成本的攝像頭實(shí)施，條件較好的學(xué)?？梢赃M(jìn)一步配備高集成度的開源硬件，如通過行空板部署模型，讓學(xué)生通過動(dòng)手搭建智能應(yīng)用系統(tǒng)來解決真實(shí)問題。三、結(jié)語生成式人工智能技術(shù)正處在快速演進(jìn)發(fā)展之中。中小學(xué)人工智能教育不僅要迅速開展，更要瞄準(zhǔn)未來，如保證人工智能教育的公平性和包容性，平衡人工智能技術(shù)的快速更新和課程內(nèi)容的穩(wěn)定性，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)人工智能技術(shù)的批判性思維和道德責(zé)任感等，努力開拓人工智能教育的新局面。中小學(xué)人工智能教育目前屬于起步階段，以構(gòu)建面向全體的普及類課程為主。在此基礎(chǔ)上