义务教育阶段开展人工智能教育的现状分析与思考*

（福州教育研究院，福建 福州 350001）

一、概述

近年来，人工智能在商业、社交、工业、安防等领域的成功应用案例不断涌现，技术对人类生产、生活的影响显著，各类特征识别、模式识别、自然语言理解、智能机智人等也日益被大众了解并走进人们的日常生活、学习，人工智能必将成为引领未来的关键技术。

2017年7月8日，国务院印发《新一代人工智能发展规划》的通知，指出人工智能的发展将深刻改变人类社会生活、改变世界；并提出“广泛开展人工智能科普活动；在中小学阶段设置人工智能相关课程”[1]。2018年7月30日，福建省教育厅印发《福建省教育厅关于义务教育阶段学校开展人工智能教育试点工作有关事项的通知》（闽教基〔2018〕56号），文件明确福建省将在义务教育阶段学校开展人工智能教育试点，以“促进福建省中小学校人工智能应用和普及水平能稳步提升，让更多学生能感受体验到人工智能技术在学习和生活中的广泛应用，激发学生探索学习人工智能技术的兴趣，为培养人工智能人才打下基础”[2]。各省市也陆续出台各种政策规划和实施细则，人工智能教育在中小学，特别是义务教育阶段的普及势在必行。

二、人工智能教育在义务教育阶段基本情况

（一）数据分析

人工智能在义务教育阶段的教育实践是一个较新的研究领域，经检索、查阅中国知网文献数据，2000年至2019年10月期间，有关人工智能在教育领域的研究论文共有1096篇，其中，提及在中小学阶段的研究论文有327篇。在发表年度趋势图（如图1）中，可看出大量的研究[1]论文发表于近两年，一半以上的文章是2018年以后的。

图1 发表年度趋势图

通过知网对查阅文献进关键词共现网络分析，选择与“人工智能教育”临近节点的关系分析后，出现词频度较高的是“人性化学习”“深度学习”和“教育应用”三个关键词（如图2）。

图2 关键词共现网络分析

从近二十年与人工智能教育有关的研究论文主题中得出的词云图（如图3），呈现出重要的主题为“人工智能”“教育”“学 习 ”“智 能”“ 学习者”“计算机 ”。

图3 论文主题词云图

基于以上数据分析可看出，目前有关“人工智能教育”的论文研究呈现的方向（主题）大部分集中在以下几个方面：人工智能概念界定及研究领域的介绍、人工智能教育产品的研发、人工智能在教育教学中的应用途径及前景。鲜见具有可操作性的义务教育阶段的实施指导和可借鉴的课程形态介绍。

（二）教学现状

据统计，至2018年底，国内已有70余所高校开设了与人工智能相关的近90个二级或交叉学科，以期从上位布局并完善人工智能学科建设。

2003年高中技术课程标准（信息技术）明确在高中信息技术学科中实施人工智能内容的教学，其中，在信息技术基础（必修模块）安排2-3课时的人工智能基础知识介绍和基本应用（模式识别类及自然语言识别类）体验，并设置了《人工智能初步》选修模块供师生选择学习。大部分学生可通过基础模块中有关人工智能内容学习体验了解其基本概念和应用价值。而在选修五《人工智能初步》课程中主要介绍了人工智能的概念和特点，知识表达、简易专家系统和易于高中生掌握的人工智能语言，为部分学生提供进一步学习的方向[3]。2017版的高中信息技术课程标准也在必修一和选择性必修四设置《人工智能初步》的教学内容[4]。

目前，义务教育阶段课程设置中，没有明确的人工智能学科课程。相关学科如小学的科学、综合实践课程（信息技术）中均未有系统的人工智能教学规划，近期出台的福建省、山东省相关文件中，大部分均以“试点”的形式推动人工智能教育的普及。2018年国内出版发行的与人工智能相关的中小学读本、教材十几种。2019年1月19日，教育部教育装备与发展中心与五地（北京、武汉、广州、深圳、西安）教科院所联合发布中小学人工智能教育装备、课程指南（3-8年级）、学生用书（3-8年级）等项目研究成果。在政策支持、技术支撑的大好形式下，预计2019年各类人工智能的研究项目和发行物将大量涌现，教育实践将得以有效实行。

但从查阅到的资料和笔者所在地区目前实践情况来看，义务教育阶段如何有效开展人工智能教育教学存在以下几个现实问题。

1.师资方面

人工智能是一门前沿交叉学科，近年来其核心技术的更新迭代非常迅速。义务教育阶段以往从未开设，目前也并没有正式设置人工智能学科课程，其两个相近学科（科目）为小学的科学及综合实践活动课程中设计与制作活动下的信息技术，这两个学科（科目）的教师绝大部分还不具备人工智能教学经验，且即便教师受过教育技术（信息技术）或计算机等相似专业的高等教育，其人工智能方面的知识储备仍不足以支撑其开展具体的教学或研究工作。

2.内容选择

百度百科描述人工智能是“研究、开发、模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学”。人工智能是利用数字计算机或者数字计算机控制的机器模拟、延伸和扩展人的智能，感知环境、获取知识并使用知识获得最佳结果的理论、方法、技术及应用系统[5]。从以上两个人工智能定义可看出，人工智能涉及多方面的知识，包含众多领域。目前，常见人工智能应用的关键技术有生物特征识别、计算机视觉、自然语言处理、人机交互、机器学习等。2003年版高中信息技术必修模块对人工智能教学要求定位在对智能信息处理工具软件的体验及了解其基本原理层面，在选修模块的知识框架仅包含“知识及其表达、推理与专家系统、人工智能语言与问题求解”三个主题，与现今的发展有一定差距。人工智能技术内涵和外延的发展迅速，新一代的人工智能研发重点是提升感知识别、知识计算、认识推理、运动执行和人机交互等能力。2017版高中信息技术课程标准提升了对人工智能的认知和体验要求。新一代人工智能的概念、理论及技术对于义务教育阶段如何把握其深度和广度也是实施教育教学难点之一。

3.课时安排

在义务教育阶段，人工智能不是国家单列课程。在国家课程安排方案中，2017年印发的《义务教育阶段小学科学课程标准》将开课年级从之前的小学三年级提前到小学一年级，原则上在一、二年级每周不少于1课时，三至六年级仍为每周2课时[6]，2017年印发的《中小学综合实践活动课程指导纲要》包含四个主要活动方式，信息技术属“设计制作”活动中的一个方向，新纲要在课时安排中指明综合实践活动课程在小学一、二年级平均每周不少于1课时[7]；小学三至六年级和初中，平均每周不少于2课时。在《福建省初中综合实践活动课程教学与考试指导意见》要求初中阶段综合实践活动课程的课时数平均每周不少于2课时，课时总数不少于216课时，其中，设计与制作主题活动中的信息技术部分应在八年级上学期完成教学内容，其课时数不少于40课时，综合实践活动的四种活动方式在开足规定课时总数的情况下，学校可根据学生活动主题需要，灵活调整、合理安排。目前，福州地区信息技术教学，小学阶段三年级至六年级每周一课时，初中阶段七年级至八年级每周一课时。两个科目的课时安排中均没有明确开展人工智能教育的可用课时数。

另外，在人工智能相应教学设施及实践环境配备上也没有可借鉴的可行方案。以上因素对在义务教育阶段全面推动、实施人工智能教育均会造成一定影响。

三、义务教育阶段开展人工智能教育的几点思考

义务教育阶段能得以有效实施人工智能教育首先需要明确各阶段基本的学习目标，结合人工智能具体内容和技术应用，以较可行的课程形态开展教学活动。下面笔者将从这个两方面论述个人观点。

（一）义务教育阶段的学习目标界定

在我国，目前义务教育阶段是指从小学入学到初中毕业的九个年级，一般一至六年级属小学阶段，七至九年级属初中阶段。根据学生的认知特点及现行科学、信息技术两门课程的教学现状，可将义务教育阶段实施人工智能教育分为三个阶段，每个阶段的基本学习目标做层级递进规划（如表1）。

表1 义务教育阶段学习目标规划

义务教育阶段学生认知基础和思维发展并不完善，因此，在实施人工智能教育时总目标不应设定过高。义务教育阶段的人工智能教育重在促进学生了解，认知基本的人工智能概念和应用范畴，明白人工智能技术的基本工作原理和发展方向，会使用模块化的编程工具体验、实现简单的人工智能应用设计，提升学生学习能力和思维品质，以适应未来社会的发展。

一、二年级的学生刚开始认知世界，学习可塑性较强，易接受直观、具体、形象思维，这个阶段重点可放在学习习惯及学习兴趣的培养。针对人工智能教育的内容设计，可侧重于用形象、生动的方式呈现身边的人工智能，帮助学生初步了解人工智能是什么？人工智能能做什么？不能做什么？

三至六年级的学生具备一定的抽象及逻辑思维能力，有主动学习的意愿，能发现并尝试解决问题，可提供一些人工智能方面的实践体验活动，加深学生对人工智能概念及应用领域的了解，并可通过简单问题的解决，感受人工智能技术，在活动中让学生思考未来的人工智能可能是什么？培养学生问题意识和创新思维。

七、八年级的学生能理解一些抽象的概念，具备一定的知识归纳能力，可通过观察进行知识概括，本阶段可结合具体实例进行分析，利用思维工具呈现问题解决思路，并可尝试用编程语言，实现简单的人工智能应用体验，了解人工智能的基本工作原理。

人工智能技术的发展对人类社会的产生影响存在双面性，因此，各阶段规划中，应有意识的在教育教学中渗透安全、伦理及法律意识，以帮助学生树立正确的技术观和道德观。

（二）目前几种可行性课程形态

在义务教育阶段，没有独立的人工智能课程，短期之内以独立课程形态出现的可能性也不大。依照国家义务教育阶段的课程设置，除国家统一课程外，地方与学校课程占有一定的课时量，另结合目前学校教学实际，笔者认为以下面三种形态来开展人工智能教育或较可行。

1.校本课程

充分利用地方与学校课程课时，学校教研团队自主开发与人工智能主题相关的课程，形成系列化的课程体系，由教师团队确定教学目标并进行相应课程实施与评估。可根据学情，从人工智能研究的基本领域出发，结合学校及教师资源，逐步架构课程体系、完善课程内容和教学资源。必要时可与校外企业联合，建立课程研发、实施及管理团队，形成具有学校特色校本教学、教研模式，促进校本课程的有效实施。以校本课程形式开展人工智能教育，有一定的课时保证，且教学经过统筹规划，相关人工智能教育内容可相对完整。

2.项目课程

在综合实践活动主题或小学科学学科课程教学中，开展人工智能项目式学习也是一种可行的实施模式。项目可用人工智能的一个研究领域或关键技术来进行教学单元设计，或是用一个主题情境连接多个相关的人工智能应用。也可结合综合实践活动中的考察探究、设计制作等活动的主题内容，融入人工智能教育内容，引导学生了解人工智能相关理论和技术。项目亦可围绕人工智能，以时下热门的创客或STEAM融合课程为设计理念来展开。项目课程因课时安排有限，所以，建议在实施时充分利用信息技术手段，为学生搭建拓展学习和体验的数字化资源，为学生个性化学习提供支持。

3.活动课程

活动课程即师生利用课余时间（下午第四节课、中午或周末），不占用国家课程的课时，整合学校与教师等资源开设的专题实践活动。活动课程课时安排应为学校、教师和学生三方协调统一，以兴趣小组等形式开展相应的学习、实践活动。另外，活动课程可结合一些相关的学生竞赛项目，例如面向中小学生全国性竞赛中的科技创新类比赛：青少年科技创新大赛、青少年机器人竞赛、青少年创意编程与智能设计大赛、青少年人工智能创新挑战赛、青少年电子信息智能创新大赛、中小学信息技术创新与实践大赛等。基于某个具体的赛事来带动学生学习人工智能技术，体验人工智能应用。

义务教育阶段人工智能教育教学中理论知识的介绍应贴近时代变化的趋势，实践部分可充分利用四大公司（百度、阿里云、腾讯、科大讯飞）建构的国家级新一代人工智能开放平台来开展体验活动。上述三种课程形态，可从不同层面促进人工智能教育在义务教育阶段的实施，不论是相对系统化的校本课程教学还是有所侧重的项目及活动课程学习，对学生感受、体验并探究人工智能相关知识、技术领域，适应未来社会发展都应是有效的尝试。