中小学人工智能科普教育路径探索

引言

自2017年国务院印发《新一代人工智能发展规划》开始，人工智能的普及教育就受到了各级教育行政部门的重视。随着科技自主创新成为国家战略部署的重要一环，青少年人工智能教育也被提到新的高度。新课程的研发、新装备的应用，对人工智能科普教育做出了巨大贡献。

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》中多次提到“人工智能”，首都师范大学樊磊教授认为，人工智能代表了解决我们社会生活中各种问题的一种思维方式，其最大的教育价值在于启发学生的创新意识。

在此背景下，我们应该如何正确认识人工智能科普教育，如何开展人工智能科普教育，成为当下迫切需要解决的问题。

科普教育不普通

中国科学技术协会发布的“第十一次中国公民科学素质抽样调查结果”显示，2020年我国公民具备科学素质的比例为10.56%。尽管这一数据相较于2015年的6.2％和2018年的8.5％有了很大的提升，但与发达国家相比（加拿大2014年公民具备科学素质的比例为42%，居全球第一）还有很大差距。

例如，《半夜鸡叫》这个故事在我上学的年代就已家喻户晓。但几十年来，中国的学生大都接受了这一设定，并认为是习以为常的事情，这似乎是一个没有任何疑问的“常识问题”。但当中国作家陈唤星在美国受外孙女的邀请到班上讲这一故事时，结局却与中国的课堂完全不同。一位美国学生听完故事说：“我养过鸡，并且对鸡做过科学观察。鸡要啼叫，必须有两个条件，一是成年的公鸡，二是要有自然光的刺激。黎明时，就是日出前的一小时，早晨3：30左右，这时微弱的光会刺激公鸡的视觉，公鸡才会产生啼鸣的条件反射。半夜，也就午夜12：00，一片漆黑，鸡是不可能叫的。不信我们可以通过科学实验来证明。”学生的发言赢得了一片掌声。从这一例子中我们可以看出中美之间科学教育的差异，中国学生普遍认可结论，但美国学生更倾向质疑结论。

那么，具备怎样的要素才能称为公民具备科学素质呢？2021年国务院印发的《全民科学素质行动规划纲要（2021—2035年）》中明确指出，公民具备科学素质是指崇尚科学精神，树立科学思想，掌握基本科学方法，了解必要科技知识，并具有应用其分析判断事物和解决实际问题的能力。也就是说，科普教育不能仅仅停留在科学知识的传授层面，更应培养学生深入研究的实践精神，正所谓，科普教育不普通。

人工智能是科技

2021年教育部印发的《教育部关于公布2020年度普通高等学校本科专业备案和审批结果的通知》中确定了130所高校新增人工智能专业，并对人工智能专业作出定义：人工智能，是一个以计算机科学为基础，由计算机、心理学、哲学等多学科交叉融合的交叉学科、新兴学科，研究、开发用于模拟、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，企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器，该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。这一定义突出了“技术科学”的概念，即找准人工智能科普教育的定位，既不能当成科学研究，也不能当成技术实践。

中小学科学教育的现状如何呢？纵观相关专家的研究，我认为，目前中小学科学教育主要存在八个方面的问题：只注重传授知识，甚至是陈旧的知识；重知识轻能力；学生的想象力和好奇心受到抑制；掌握科学教育方法的师资不足；科学教育的真正核心——科学思维与科学精神培养不足；设施条件成为制约因素；评价导向不利于开展科学教育；分科教育和标准化给学科交叉和科学应用带来了严重的负面影响。中小学技术教育的现状又如何呢？《中小学综合实践活动课程指导纲要》“设计制作活动”包含劳动技术和信息技术两个方面。劳动技术包含我有一双小巧手、奇妙的绳结、创意设计与制作等，信息技术方面包含我是信息社会的“原住民”、“打字小能手”挑战赛、镜头下的美丽世界等。由此我们可以看出，技术教育在原则上仍属于技能教育，即掌握学习、工作、生活中必备的生存技能。《义务教育课程标准和课程方案（2022年版）》将劳动、信息科技及其所占课时从综合实践活动课程中独立出来，劳动、综合实践活动占据了14%～18%的课时数，要求每周均不少于1课时；信息科技则是在三至八年级独立开设。

信息科技课程的开设，为人工智能科普教育的开展提供了借鉴和参考。《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称《标准》）在“课程性质”中明确指出，信息科技是现代科学技术领域的重要部分，主要研究以数字形式表达的信息及其应用中的科学原理、思维方法、处理过程和工程实现。当代高速发展的信息科技对全球经济、社会和文化发展起着越来越重要的作用。义务教育信息科技课程具有基础性、实践性和综合性，为高中阶段信息技术课程的学习奠定基础。信息科技课程旨在培养科学精神和科技伦理，提升自主可控意识，培育社会主义核心价值观，树立总体国家安全观，提升数字素养与技能。《标准》在“课程目标”中明确了核心素养：信息意识、数字化学习与创新、计算思维、信息社会责任。

在确定了信息科技课程标准的基础上，我们需要重新思考和设计人工智能科普课程，通过人工智能科普教育支撑信息科技课程的落地，同时统领学校科技教育，构建新的科技創新教育生态。根据《标准》，我确定了人工智能课程的四个核心素养：1.人工智能科技意识（幸福感、使命感、危机感）；2.人工智能科技思维（人工智能概念、原理、逻辑关系）；3.人工智能科技创新实践能力（应用技术解决问题，改进技术、创新技术）；4.人工智能科技社会伦理（服务人类、尊重他人、保护环境）。在人工智能课程的建设上，我认为需要坚持四个基本原则：浅而宽和窄而深的辩证统一、把握科技型课程四要素、人工智能实验装备体系化、装备课程化理念。（如下图）

人工智能科普课程设计的两条路径

一、相对传统的课程设计路径：中小学人工智能教育项目

为贯彻党中央国务院的有关精神，落实教育部的相关部署，原教育部教育装备研究与发展中心（以下简称“原装备中心”）主动履行教育装备研究“国家队”的职责，启动了“中小学人工智能教育项目”的研究工作，探索在中小学开设人工智能普惠性课程的有效路径。

1.确定课程指南

项目组完成了“中小学人工智能课程指南”，明确了中小学人工智能课程的基本性质、课程目标、内容架构等课程要素，为教材编写和装备使用指明了方向，强调中小学人工智能课程应以前沿人工智能装备和技术为基础，创设人工智能活动空间，让学生通过亲身体验、动手实践和创新设计，提升人工智能意识、技术创新思维、应用实践能力和智慧社会责任。

2.教材编写

项目组编写的教材尊重学生认知规律和水平，通过合理安排教学内容、采用活动化教学方式，让中小学生体验人工智能新技术、学习新知识。项目组广泛参考了国内外人工智能相关课程（教材）案例，汲取先进经验，确定了人工智能通识、人工智能体验、人工智能编程、智能机器人创建这一基本框架。

3.装备遴选与研发

装备包含三部分：全面展现人工智能技术应用的智能软件或智能系统、智能编程平台和智能硬件。项目组经过广泛调研，优选了40余种应用软件，研发了能恰当与人工智能的特色应用场景（如语言识别、人脸识别等）相融合的图形化编程平台，可满足学生进行自由搭建、自主设计和创作并且能处理图像、语音等复杂信息的开源硬件。

4.装备配备方案

配备方案包含人工智能活动空间和人工智能教育装备配备要求两部分，为学校进行人工智能活动空间建设和人工智能教育装备配备提供了参考。配备方案对人工智能活动空间的使用面积、功能、布局模式、空间环境、安全要求和装备配备要求都给出了较为详细的建议。

目前，中小学人工智能教育项目已形成了以课程指南、教材、装备遴选与研发、装备配备方案为主，以人工智能教育云平台、教学资源、教师培训方案等为辅的“4+N”系统化人工智能课程资源，为中小学人工智能课程的落地实施提供了坚实保障。

二、装备体系化的课程设计路径：义务教育人工智能教育装备体系化研究

人工智能科普教育要沿着“窄而深”的原则进行设计，就势必离不开实践，装备的配备便成为人工智能科普教育核心内容之一。2020年，原装备中心申报了“义务教育人工智能教育装备体系化研究”课题，希望能够梳理出一套代表我国人工智能科普教育水平的装备体系。装备的选择要以课程的定位和目标为导向，坚持系统性、开放性、创新性、适切性、安全性、稳定性等原则。研究开展两年多来，我们将装备基本分为三个类型：通用装备、教学平台、实验/实践装备，并对其性质要求、配备建议、活动建议进行反复研究、修改，具体研究成果待最终确定后发布。

人工智能科普教育落地实施的方法

我以广东省广州市积极推进“中小学人工智能教育项目”的探索和实践为例，阐述人工智能科普教育落地实施的基本方法。按照“统筹规划、分布实验、点面结合、特色发展”的原则，广州市中小学人工智能课程实验分四个层面、四个步骤开展，逐步深入推进实施。

一、政府层面：政府推动是人工智能课程普及的基础

广州市于2019年参与“中小学人工智能教育项目”研究，构建起“部—市—区—校”四级课程实验体系：广州市教研院参与原装备中心项目研究工作，设立市级实验区（校）开展课程实验工作，市级课程实验区在区域内选择学校作为区级实验校开展人工智能教育实验，将实验成果辐射到各级各类学校。今年，根据《广州市教育事业发展“十四五”规划》目标要求及《广州市中小学人工智能教育普及工作方案》，广州市依托《人工智能》地方教材和广州市中小学人工智能教学平台虚拟资源，启动了全市中小学1—8年级人工智能教育普及工作。由此我们可以看出，有了政府的支持和推进，人工智能科普教育的落地实施更容易实现。

二、学校层面：学校是落实人工智能课程的主体

2019年，黄埔区入选广州市人工智能教学改革实验区，对区内学校人工智能课程建设、课程目标、课时安排、任课教师、硬件建设要求等做了规划与指导。同时，以社团活动、兴趣特长班等形式遴选有兴趣爱好的学生，在各学校开展提升拓展课程。由此我们可以看出，人工智能课程要做到落地生根，学校要做到三保障：保障一定课时、保障课程进学校课表、保障课程进学生课堂。

三、教师层面：教研是课程规模实施的关键

在人工智能课程教学领域，不管是信息技术专业毕业的还是有信息技术基础的教师，都是新手上任，只有采用边学、边教、边研、边思的方法，才能有效提升自身的专业素质。教研活动的开展，可以将学、教、研、思有机融合，结合各自优势和资源特点，借助人工智能专业领域的专家力量、技术支持，努力探索新课程环境下的人工智能教育教学方式，最终通过反思建构，不断提高人工智能课程教育教学质量，走出新天地。

四、学生层面：学生参与度是检验课程成果的重要标志

人工智能课程实验的最终目标是培养学生具备良好的人工智能意识、技术创新思维、应用实践能力和智慧社会责任。为学生创设良好的人工智能学习环境，是高效开展人工智能课程实验的有效路径。通过科技节、兴趣小组、研学活动等形式，学生积极参与各类人工智能拓展活动，参与不同层级的交流、竞赛活动等。在多元化的探索主题和实践环境中，学生参与人工智能领域学习、研究的积极性得到进一步激发，探究、沟通、创新和协作能力得到全面培养。只有积极构建以赛促学、促教、促研的机制，打造创新多元竞赛体系，提供利用人工智能相關技术进行创意设计、技能展示和探索交流的平台，学生才能在人工智能的学习环境中畅快翱翔。

展望未来，我们将慎终如始，着眼于中小学人工智能课程的体系化建设，探索中小学人工智能科普教育创新发展之路，为我国未来培养智能公民打好基础，为国家培养一批人工智能专业人才、形成我国人工智能人才高地夯实“教育”基础，为支撑我国创新人才培养而努力奋斗！

刘俊波

教育部教育技术与资源发展中心职业教育与高等教育装备处处长，研究员，中国教育学会生物学教学专业委员会常务理事。编著《中学生物显微图谱》《高中生物新课程探究实验指导》《中小学人工智能教育探索》等专著，发表学术论文多篇。