中小学人工智能普及教育的贯通式设计

以ChatGPT为代表的生成式人工智能浪潮席卷全球，对人类的学习、生活和工作方式产生了强烈的冲击，催生全球范围内社会范式的急剧变革，社会和个人的发展将越来越依赖人工智能。因此，每个公民都需要对人工智能技术有正确的认识和基本的素养。面对生成式人工智能给教育带来的挑战与冲击，国家已在宏观层面加强了中小学人工智能教育顶层设计，在课程建设、教师培养、资源投入等方面采取了系列措施。如我国早在2017年就发布了《新一代人工智能发展规划》，明确指出要完善人工智能教育体系，实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程[1]，并通过《普通高中信息技术课程标准（2017版2020年修订）》和《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》，不断健全完善中小学阶段的人工智能课程体系。在此背景下，区域和学校也应协同多方力量，积极为中小学生提供人工智能教育的机会，让他们尽早建立起对人工智能的全面认知，了解其潜在的风险和益处，力求以最少的投入实现中小学人工智能教育最大范围的覆盖和最快速的普及。一、普及中小学人工智能教育所面临的困难当前，全国各地都在积极推进中小学人工智能教育，如广州、武汉、苏州、长沙、浙江、上海、深圳等。但我们还需清醒地认识到，大多数地区还缺乏相关的落地性政策、推进主体和配套经费，软硬件条件差异较大，全面普及中小学人工智能教育还面临诸多挑战。（一）课程缺乏一体化顶层设计虽然我国在政策层面已经表现出了开展人工智能教育的决心，但在具体实施中仍缺乏进一步的细化，尤其缺乏系统化的人工智能培育体系和完善的层级培养策略。这导致政府、科研机构、企业和学校未能形成共识，无法共同致力于中小学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术（科技）课程、校本课程、社团、STEM教育等开展。其中，信息技术（科技）学科是中小学人工智能普及教育最重要的阵地，然而其课程标准中缺乏对人工智能教育的一体化设计，以至于课程内容的确定与衔接、教学设计与实施、教学资源配套等缺少理论依据。同时，课程标准中人工智能相关模块的学习较为后置，如在高中信息技术课程中被安排在选择性必修中学习，在义教信息科技课程中被安排在九年级。这就导致在具体实施中，人工智能模块的课时基本得不到保障。（二）课程内容难度两极分化目前，中小学人工智能教学中普遍存在着两种现象。一方面，部分学校将人工智能学科中高深的模型和理论直接引入课堂，超出学生已有认知和逻辑思维能力，导致学生难以理解并产生抵触情绪，失去学习人工智能的兴趣；另一方面，一些学校只注重学生的感知和体验，注重通过简单而大量的动手实践来吸引学生学习，学生对人工智能的了解始终停留在表层，难以深入了解其背后所蕴含的思想方法。究其原因，人工智能教育的培养目标还不够明确，缺乏一条从教学目标到教学内容的明晰路径，学生学到的只是与人工智能相关的知识和技术，无法融会贯通地加以运用，自身的潜能也未能得到充分发挥，与创新意识的培养更是相距甚远。此外，现有的教学对如何安全、符合道德规范地使用人工智能等内容的重视程度还远远不够。（三）师资、软硬件资源严重缺乏现阶段，我国中小学人工智能教育的师资在数量和质量上都存在明显的不足。人工智能是一门涉及多个领域的交叉学科，具有复杂性、跨学科性的特点，对教师智能素养和知识水平的要求较高。然而，目前我国中小学人工智能课程开发与建设的主力军仍然是信息技术（科技）教师，他们在人工智能专业知识储备、技术运用水平和教学实践经验方面存在一定不足，开展人工智能教育的意愿也不高[2]，缺乏专业的培训和共同成长的平台。此外，中小学阶段的人工智能课程需要依托与日常生活紧密联系的场景来推动学生对人工智能内涵的理解，而对场景的体验、剖析、设计与制作都离不开软硬件的支撑[3]，如体验平台、硬件和模型生成的算力等。然而，大部分地区和学校缺乏相关配套资金购买硬件和服务，人工智能教学环境搭建耗时多且兼容性差，相关开源硬件种类庞杂且质量参差不齐，相关教学资源数量少且交互不足……这些因素加剧了人工智能教育在中小学普及的难度，提高了人工智能教育落地的“门槛”。工具和环境的缺失容易导致人工智能教育停滞在知识层面的学习，使智能素养的培育流于形式。二、中小学人工智能教育的贯通式设计理念与实践本研究针对当前我国中小学人工智能教育面临的实际问题，提出贯通式设计方案，以期为我国中小学人工智能教育体系建设提供有价值的参考，为各地开展人工智能教育教学实践提供有益的借鉴。（一）树立中小学人工智能教育观在国家课程标准缺乏对人工智能教育一体化设计的大背景下，从事人工智能教育的教师需要突破自身学段壁垒，具备全局观。这就意味着，教师需要明确每个学段人工智能教育的育人目标是什么，指向的关键能力是什么，教什么内容。此外，教师还需要明确应通过怎样的项目融入核心知识点和技能，通過怎样的平台、硬件和资源来达成目标。为帮助教师形成人工智能教育观，本研究构建了区域化中小学人工智能教育课程指南，涵盖小、初、高三个学段的人工智能培养目标、关键能力、课程内容、项目主题以及教学资源，以弥补当前中小学人工智能教育无法体系化开展的不足。我们依托信息技术（科技）课程，对人工智能课程进行模块化设计，将其巧妙融入三个学段中开展项目式学习，确保在不影响信息技术（科技）课程总体实施的情况下，有效渗透人工智能教育。此外，我们定期为教师提供人工智能素养提升培训，并配套提供课程指南、课程内容以及数字化教学资源。即使现有师资基础薄弱，教师也可以通过边学边模仿的方式开课，待他们能力提升后，再发挥个人智慧，不断丰富和完善课程内容。这一系列举措，让系统性的中小学人工智能教育能尽早并有效得以普及。（二）明确中小学人工智能课程的培养目标在国家层面，人工智能尚未被确定为基础教育的独立学科，因此，本研究谈及的培养目标主要是从人工智能课程出发，探索培养学生适应未来智能社会所需的正确价值观念、必备品格和关键能力。参照中国学生发展核心素养的具体内容，并对标信息科技学科核心素养的总体目标，我们提出区域化的中小学人工智能课程核心素养：智能意识、智能思维、智能应用创新和智能社会责任[4]（见表1）。这些核心素养旨在让学生在开展人工智能活动时，一是拥有智能意识，为他们运用人工智能思想、方法解决问题提供内在动机[5]；二是具备智能思维，为他们提供解决问题的思路和方法；三是能进行智能应用创新，为他们提供解决问题的实现路径；四是具备智能社会责任，为他们正确使用人工智能提供保障。（三）形成人工智能素养贯通式学段水平层次划分本研究根据不同学段的学生特点和发展需求，对四个核心素养需要达到的水平层次做了以下划分（如图1）。在智能意识方面，小学阶段的主要目标是培养学生的感知能力。教师要通过看得见、摸得着的人工智能技术，以生动有趣的故事形式，引导学生辨认和识别人工智能，让他们对人工智能产生好奇心，知道它“是什么”。初中阶段的主要目标是培养学生的认知能力，借助人工智能的三大特征、三次发展浪潮、常见算法与应用等内容，让学生从内部特征、历史发展与原理等方面来明晰人工智能的潜力，知道它能“怎么样”。高中阶段的主要目标是培养学生的理解能力，借助自动化等概念以及人工智能的研究方向等内容，让学生在理解概念的基础上，进一步构建系统化和具体化的知识体系，能够重新建立或者调整认知结构，达到知识的融会贯通，并使知识得到广泛的迁移[8]，知道它“为什么”被称作人工智能。在智能思维方面，小学阶段的主要目标是培养学生的表达能力，让学生能够使用图形等方式表达现实生活中客观物体的关键特征，使用流程图等方式描述人工智能技术的工作过程。初中阶段的主要目标是培养学生的抽象思维能力，让学生在描述人类是如何执行相同任务的基础上，了解分析计算机是如何对数据进行抽象的、如何进行学习的。高中阶段的主要目标是培养学生的迁移能力，借助人工智能算法原理等内容，让学生能够总结人工智能解决问题的过程与方法，并迁移到与之相关的其他问题中。在智能应用创新方面，小学阶段的主要目标是培养学生的应用能力，让学生学会使用人工智能App，使用图形化工具的人工智能模块搭建项目。初中阶段的主要目标是培养学生的实践能力，引导学生学会利用数据分析问题，使用人工智能技术改造生活。高中阶段的主要目标是培养学生的创新能力，引导学生善于发现问题，综合运用现有的知识、技能、思维能力分析问题，提出有别于常规的解决方案，合理运用人工智能技术设计出人工智能项目并解决问题。在智能社会责任方面，小学阶段的主要目标是培养学生的畅想能力，让这个年龄段的学生从多个方面对智能社会进行想象，对智能社会充满信心，激发他們对各学科的学习积极性，能够为迎接智能社会的到来做好准备。初中阶段的主要目标是培养学生的担当能力，让这个年龄段的学生能够在智能社会中肩负起相应的社会责任。高中阶段的主要目标是培养学生的规划能力，让这个年龄段的学生对人生、职业做出比较全面长远的计划，为未来能够参与智能时代社会标准的制定做准备。（四）构建中小学人工智能贯通式课程框架本研究借鉴国际范围内中小学人工智能教育研究的最新成果和实践经验，如美国K-12人工智能教育行动[9]，在结合各学段培养目标和能力层次划分的基础上，融入各学段的课程内容，形成中小学人工智能课程框架（如图2）。该框架覆盖了从小学到高中的贯通式人工智能课程，明确人工智能教育要让学生学习什么，通过体系化的课程帮助学生系统地、科学地认识人工智能，并注重人工智能伦理的培养[10]。从学生视角来看，该框架能够帮助不同学段的学生逐步了解人工智能的基本概念、应用领域以及解决问题的能力。从教师视角来看，该框架为教师提供了清晰的教学指导，帮助教师明确每个学段人工智能教育的教学内容、教学目标和教学深度，有效解决当前人工智能教学内容两极分化的问题。（五）开发中小学人工智能课程及其配套教学资源面对大部分教师缺乏人工智能课程开设能力的客观现实，区域需要出台全套解决方案，其中最为关键的是开发小初高系统化、多维度、情景化的中小学人工智能模块化课程以及适合混合式学习的课程“数字化示范教学包”。模块化课程以提升学生人工智能素养为核心，通过大单元设计的项目式学习，引导学生运用人工智能思想方法解决真实问题，在项目实践中内化人工智能相关知识和技能，发展计算思维，培养正确的人工智能伦理道德[11]。中小学人工智能课程框架中所包含的教学内容自然融入项目式学习过程中，实现“为真实而学习，在真实中学习”。“数字化示范教学包”以项目式学习贯穿课程教学始终，包含完整的教学设计、课件、微课、评价以及全套的习题资源（如图3）。教师结合学情灵活进行内容重组、活动重组、资源重组等个性化二次开发，从而实现课程重构、智慧融入以及新的生长，在一定程度缓解人工智能教育师资不足的问题。混合式教学则可以线上学习解放学习时空，提升学生自主学习能力；线下教学促进师生互动，实现学习的升华。同时，所有评价均可视化呈现，让数据赋能，让学习留痕。有了课程和资源，还离不开人工智能学习和开发工具。经过深入调研和实际反馈，本研究确定采用上海人工智能实验室智能教育中心开发的青少年AI学习平台，以及开箱即用的开发工具XEdu作为课程实施和学生学习的平台和工具[12]。无论是借助浏览器实现AI项目学习和实践，还是一键部署AI编程环境，都大大降低了一线教师开展人工智能教学的门槛（如图4）。这使得教师可以更加专注于带领学生逐步通达人工智能教育的核心。此外，所有的课程都可以基于低成本的摄像头实施，条件较好的学校可以进一步配备高集成度的开源硬件，如通过行空板部署模型，让学生通过动手搭建智能应用系统来解决真实问题。三、结语生成式人工智能技术正处在快速演进发展之中。中小学人工智能教育不仅要迅速开展，更要瞄准未来，如保证人工智能教育的公平性和包容性，平衡人工智能技术的快速更新和课程内容的稳定性，培养学生对人工智能技术的批判性思维和道德责任感等，努力开拓人工智能教育的新局面。中小学人工智能教育目前属于起步阶段，以构建面向全体的普及类课程为主。在此基础上