学科教学知识视野下师范生人工智能素养培养探析

任永力　唐涛

未来已来。人工智能学科教育已经提升为国家战略，为适应信息时代、智能时代发展需要，高校开展人工智能学科建设和人工智能课程内容教学已经成为我国教育信息化2.0的重要内容之一。人工智能模块是小学科学课程“技术与工程”领域的重要分支，是科学教育专业师范生专业核心课程，师范生人工智能素养的培养已经成为当务之急。人工智能时代的大背景之下，我们国家传统的教育模式正在接受新的挑战，即使现在的课堂上已经应用到一些自媒体辅助教学，但这远远不够，它将会面临人工智能时代冲击，在智慧时代大背景下，师范生人工智能素养可以从以下三个方面进行优化培养：一是将人工智能素养教育融入科学教育专业教师常规课程培养体系，设计交叉共融的课程体系；二是营造人工智能学习氛围，促进教师自主学习，构建高素质复合师资队伍；三是制定相关教育协同政策，汇聚有关部门资源，推进产教深度融合。

人工智能（Artificial Intelligence），英文简写为AI，是指深入研究、发展，用以模仿、延续和拓展人的智慧的思想、方式、技能和运用系统的一种新兴的工程技术科学。人工智能可以对人的思想意识、信息过程、行为举止等进行模拟。虽然计算机无法直接取代人脑的智能，但是它可以像人那样去思考、洞察，甚至会超过人的智能。

最新修订的《义务教育科学课程标准（2022版）》（以下简称“科学课程标准”）指出，第一，在第三条修订原则“坚持创新导向”中指出科学课程应当坚持与时俱进，反映科学技术新成果，更新课程内容，体现课程时代性。由此可见，在人工智能时代，科学课程应当与人工智能相结合。第二，科学课程标准中科学课程的总目标是：培养学生的核心素养，将核心素养分为四个方面：科学观念、科学思维、探究实践、态度责任。细看核心素养的学段特征可以发现，学生的核心素养中有关科学、技术与工程方面的都能与人工智能素养相联系，例如了解科学、技术、社会、环境之间的相互影响以及科学研究和技术应用中需要考虑伦理与道德的价值取向；能辩证地看待科学技术成果的使用对人类造成的影响；懂得并认同科学研究与技术应用要遵循一定的伦理道德。由此可见，科学教师作为科学课程的具体教学实施者，应当具备更高水平的人工智能素养，才能成为一名合格的科学教师。

一、中小学新课标关于人工智能技术的要求分析

《新一代人工智能发展规划》指出，在未来人工智能这个领域将会变成全球争夺的新的焦点，所以需要逐渐地去进行全民智慧的教育项目来普及大众，在中小学阶段，先在新课标下去设置与人工智能有关的课程，慢慢普及一些编程教学项目，去逐渐建立人工智能课程，然后培养出具备创造力的复合型人才，从而去建立中国人工智能领域的人才高地。这就对我们目前中小学的信息技术教学提出了新的要求和改变，同时也给中小学普及人工智能技术和教学带来了新的契机。中小学新课标关于人工智能技术方面的课程其实比较难把握，因为人工智能相关的知识储备比较薄弱，其次教学资源也比较少，但是让中小学生了解及普及人工智能，并且让人工智能成为学科教学目标刻不容缓。

（一）小学关于人工智能的了解感知

对于小学生而言，心智尚未发育成熟，作为教育教学工作者，让其了解人工智能是首要前提。从贴近学生生活的人工智能技术出发，激发学生的学习兴趣，懂得人工智能的概念，并可以对人工智能产品或者信息有判断和辨别的能力。

（二）初中关于人工智能的体验教学

初中的人工智能教育教学就比较成熟了，会结合到新媒体及其传统自媒体等形式，让学生身临其境地去体验人工智能带给他们的惊喜。比如可以让学生以手机APP的形式现场体验，例如行色，这款APP是即时识别花草植物的一款软件，可以让学生在教学过程中自己体验识别，去增强学生对于人工智能的现场体验感，同时也可以将人工智能产品的工作原理分享给学生。

（三）高中关于人工智能的深度剖析

2018年1月，教育部公布《普通高中课程方案和语文等学科课程标准（2017年版）》，人工智能、物联网、大数据处理正式被纳入《普通高中通用技术课程标准（2017版）》新课标。2019年，教育部印发《关于“智慧教育示范区”建设项目推荐遴选工作的通知》，通知要求在2019年和2020年，分年度各遴选5个以上地区优先开展“智慧教育示范区”建设与实践探索，开设人工智能教育课程和实验项目，以应对教育科技的“零点革命”。所以在高中提升学生对于人工智能的敏感度就显得极为重要，要在学科教学知识视野下让学生逐步认识到人工智能技术的广泛性和巨大潜力，就目前而言也有不完善性。设置人工智能课程、创立设计出智能化的教学环境和创新学生主体的多元教学方式，培养学生信息创新能力的同时，也有利于人工智能知识的普及。

二、师范生人工智能素养现状调研

本研究结合科学教育专业教师的教学实践修订量表。从人工智能素养的内涵出发，从“人工智能知识”“人工智能能力”“人工智能意识”三个维度进行问卷问题设计。利用探索性因子分析、验证性因子分析和相关性分析进行问卷效度检验，运用描述统计得到调查对象的基本分布情况及科学教育专业教师的人工智能素养整体水平，然后使用独立样本t检验比较性别和执教年级对人工智能素养的影响，以及职前与职后教师的人工智能素养差异。

（一）研究对象基本情况

对样本进行统计分析，本次收到在线问卷202份，剔除无效问卷7份后，获得有效问卷195份，问卷有效率为96.5%。

受测对象基本情况：从学历分布来看，本次调研对象均是本科学历；从性别分布来看，本次调研对象大多集中在女性，男女比例约3：7；从年级分布来看，2020级、2019级、2018级人数较多，其余年级人数分布较少且分布较均匀；从执教学科来看，科学教育专业职后教师执教学科多为科学，占职后教师执教学科的近85%，其余学科分布较少且较均匀；从执教年级来看，贵阳学院科学教育专业职后教师所执教的学段绝大部分是小学学段，占比高达95.4%，其中执教四五年级的教师居多，初中学段占比约4%，高中学段则不足1%；从教龄分布情况来看，有近六成的调查对象没有教学经验，具有1-5年（含1年，不含5年）教學经验的教师大约有三成，拥有5年及以上教学经验的教师约为一成。具体分布情况如图1所示：

（二）整体素养水平分析

在测量表中，得分从低到高是1-5分，因此本研究以平均3分作为衡量标准的及格线。科学教育专业教师人工智能素养的平均得分为3.70分，总量表稍高于及格线标准，说明科学教育专业职前职后教师的人工智能素养水平处于中等偏上，整体状况一般。各维度的得分相差不大，均在3.7左右；其中表现最差的是人工智能应用技能维度，平均得分为3.56分，人工智能教学知识维度得分3.63分，表现较差，略高于人工智能应用技能。表现最好的是人工智能意识维度，平均得分为3.79分，人工智能常识维度平均得分为3.78分，与人工智能意识几乎相当。全量表得分中最大值与最小值之间得分相差3.6分，说明学生之间的人工智能素养水平差异较大。从表中的数据可以看出：相比之下科学教育专业教师应用人工智能的技能以及对人工智能教学知识的掌握较为欠缺，对人工智能常识的了解程度以及对人工智能的意識表现较强。可见，科学教育专业职前职后教师在日常学习、生活、教学工作中愿意使用人工智能，对应用人工智能持比较乐观的态度，也能较理性地看待人工智能。具体得分情况如表1所示：

（三）性别对人工智能素养的影响

为了研究不同性别的科学教育专业教师的人工智能素养水平是否存在显著性差异，对不同性别的科学教育专业教师人工智能素养进行了独立样本t检验，结果显示：T值和P值均显示性别在智能知识维度、智能能力维度、智能意识维度及人工智能素养水平上不具有显著性差异（p>0.05）。但从得分均值来看，总体上男性科学教育专业教师得分略高于女性科学教育专业教师，在各维度上也是如此；另外，我们分别将男性教师和女性教师的总量表平均分和各维度均值与全体教师的总量表平均分和各维度得分均值进行比较，发现无论是在总分，还是各维度平均得分上，男性教师均高于女性教师。由此看出，性别对人工智能素养存在一定的影响，男性教师的人工智能素养普遍高于女性教师。

（四）职前与职后教师的人工智能素养差异

为了研究职前与职后科学教育专业教师人工智能素养差异，本研究根据教龄将调查对象分为职前教师（教龄=0） 和职后教师（教龄≥1），运用独立样本t检验对其进行差异性分析，检验数据显示：独立样本t检验中，人工智能常识、人工智能教学知识、人工智能应用技能及总量表得分的t值为-0.268～1.843之间，显著性指标在0.067～0.789之间，说明职前与职后教师的人工智能素养、人工智能常识、人工智能教学知识及人工智能应用技能不存在显著性差异。而人工智能意识维度t值为2.977，显著性指标为0.003，小于0.01，表现为极显著。说明职前与职后教师的人工智能素养在人工智能意识维度具有显著性差异。并通过比较均值发现：职后教师人工智能意识明显强于职前教师。

（五）执教年级对科学教育专业教师人工智能素养的影响

为了研究执教年级对科学教育专业教师人工智能素养的影响，本研究根据执教年级将执教小学阶段的教师分为低年级段教师（执教一、二、三年级）和高年级段教师（执教四、五、六年级），运用独立样本t检验对其进行差异性分析，数据显示：人工智能常识、人工智能应用技能、人工智能意识三个维度的t值为1.680～1.770之间，显著性指标在0.080～0.096之间，说明职前与职后教师的人工智能素养、人工智能常识、人工智能教学知识及人工智能应用技能不存在显著性差异。而人工智能教学知识维度和人工智能素养总得分的t值分别为2.552、2.271，显著性指标分别为0.012、0.025，显著性指标小于0.05，表现为显著。说明执教不同年级段的教师的人工智能素养存在显著性差异。并通过比较均值发现：执教小学高年级段的教师人工智能素养水平高于执教低年级段的教师。

三、学科教学知识视野下师范生人工智能素养构建

目前国家正在积极布局全学段贯通的人工智能教育，覆盖小学、中学、职业教育、高等教育。但目前相关人才培养方案多为单工具、单年级、单学段的课程，缺乏系统化培养体系。未来在我国课程教学视角下人工智能教学将步入高速发展时代，在培育大量的技术型和技能型人工智能人才方面将起到关键作用。由此可见，师范生人工智能素养的培养将是人才培育的重点。人工智能的发展促进了产业转型和经济结构转型，产生了新的产业和就业机会，但也对从业人员的知识、技能提出了更高的要求。专业学习的学生在毕业时面临广泛的行业，每个行业的专业职责都被精确划分。要找到工作必须有广泛而系统的知识体系和优秀技能。学科教学知识视野下对师范生人工智能素养的需求特点是智能化、融合化和终身化。

（一）智能化

计算机教师应可以随着该行业的科技发展和产业需要调整自身的教学知识结构和应用能力，使之具备实用性和专业化。另外，需要及时跟进新科技的发展趋势和对课程进行理论视野实际创新，了解未来人工智能领域发展需要的关键科学与技术，并将之导入课堂，培养学员在人工智能领域方面的职业技能。

（二）融合化

要充分调动老师在课堂中的积极性，把人工智能技术作为辅助手段深入课堂，让教师教育丰富多元化，学生学习个体化，有效提升质量与效益。因此，老师必须通过大数据分析人工智能系统追踪每位学生的学习状况，并针对学生个体差异调整教学与评价的方式。

（三）终身化

首先，在高度人工智能的背景下，相关知识的更新速率将大大提高。老师应该重视计算机科学技术在该学科领域的发展和最新运用，以增强学生掌握最新内容和方法的意识，在教育实践中创新教材内容和教育观念。其次，通过人工智能的参与，使课堂的教育方式和教学内容变得更加开放、多样化和丰富。教师应随时为新教法的变化做好准备。

总之，专业教师应该有机会终身学习，以满足专业大学教师智能发展和数据爆炸时代不断变化的需求。

人工智能时代的到来加速了教育教学和教师角色的转变。普及人工智能教育正逐渐成为我国的国家战略。人工智能学科在高校还没有建立一个完整的、标准化的教学培训体系。使用的教材陈旧，缺乏与最新的人工智能跟踪技术和学科教学知识的整合。另外，由于教学相对单一，且各个学科领域间的关联性较少，专业间的交叉融合度也较低，学生无法以“跨学科整合”的视角全面反思专业教学知识问题，从而限制了学生的创新性思考能力与跨学科问题处理能力。师范生人工智能素养培养，是培育双师型“教学工程师教师”，除了专业理论知识外，还具有教育和教学能力。

四、学科教学知识视野下人工智能方向师范生课程方案设计

人工智能技术的加速发展，使得社会专业形式的转变越来越快。学科教学视野下，在培养师范生人工智能素养的基础上提高人工智能与学科相结合的项目创建能力。将引导师范生使用人工智能和创新学习工具创建更具创造性和前沿的课程设计，并尝试人工智能学科的跨学科教学。以学习者为导向，在创新交叉共融教学体系、设计教学方法与内容、产教融合育人、打造优秀复合型教师四大方面，我们将着力推进师范生教学技能水平，提高教学能力，以扩大师范生的专业和教育技能。

（一）将人工智能素养教育融入师范生人才培养体系，设计交叉共融的课程体系

高师院校要根据国家“人工智能”的学科培养目标，在科研要求、课程的内容和专业要求等方面为未来的实际工作条件下的教学老师和专业学员设计一个人工智能技术课程体系，主要包括课程内容、教学方法和教学内容，实施方法和评价目标。在原有系统教学（如家庭）的基础上，增加了智能程序设计、深入认知和强化知识等新内容。结合跨学科整合的需要，将创新元素整合到教学内容中，有效增加了中小学生知识面的深入与广度，充分调动了学生学习欲望，为今后的继续攻读与终身攻读打下了根基。

贵阳学院科学教育专业在人才培养中就设置了《人工智能》这门专业课程，教学模式方面，基于人工智能技术进行在线和开放式学习搜索，实现在线和离线教学的整合和协调。在正常课堂教学的基础上，组织学生课后学习，使用网络知识平台等。使学生不再受教学条件、传播领域、时间和空间的限制，教学方法多样化、个性化。此外，根据学生学习状况和学习能力的差异设计个性化课程，并使用大数据工具准确分析学生学习情况和调查反馈需求，有科学依据地跟踪学生的学习动态，并及时向有学习困难的学生提供帮助。在理论课程中，以课本为依据，对原章节出现的知识点分散、理论太多、知识内容不够等现象加以总结与完善。保持基础知识重点，删减一些基本、概念化和陈旧的内容，适度介绍人工智能方面的新内容，以开阔学习者的眼界和思路；增加基于工程的课程，将人工智能实际案例导入课堂，引导学生深入真实世界的研究情境，有助于他们进一步了解知识体系的背景，培养他们应用知识处理复杂工程难题的技能。教学实践方面，增加课程设计与教学实践的比重与内容，以探讨更有效的教学实验与实践途径。加强试验内容、研究方法和研究手段。根据课程，教师将人工智能实验分解为多层次的实验子目录。每个子目录都是独立的和相互关联的。课程设置强调创新性与跨学科融合。该评估全面评价了学生在人工智能技术、实验设计理念和实践技能方面的技能。课程设计方面，老师按照课程要求建立了一个典型的框架，由他们按照自身的兴趣爱好和能力设计课程，并引导他们进行自主预习、小组讨论和获取数据进行深入研究。在实践性方面，强调培养学生处理实际复杂工程技术问题的能力与创意。鼓励拥有优秀研究及工程项目研发经历的老师作为课程实施主体，并让学员参与项目团队。通过对学生的精心教育与引导，把科学研发思想、研究方式和重要技术点整合在设计实践中，使学生掌握不同的编程语言，在教学阶段参与正在开展的重大科研与开发项目的模型架构与设计，以培养学生将其知识运用于实际的能力。另外，作为教学实践的重要因素，主动应对人工智能变革对教学的影响，把人工智能思维与技能纳入教学课程，通过优化教学方法与内容，显著提升教学品质。积极指导学生参与全国机械创新大赛、全国大学生机器人大赛、贵州省贵安杯3D打印大赛等竞赛，采用团体协作、老师积极引导等方法激励学生进行实践与探索。

（二）营造人工智能学习氛围，促进教师自主学习，构建高素质复合师资队伍

让职前教师主动参与到人工智能素养提升的过程中来。师范生只有意识到人工智能素养的重要性以及人工智能应用技能对教学和学习的提升效果，才能更好地激发他们的主观能动性去主动学习人工智能知识、人工智能应用方法，并主动培养自己的人工智能素养能力，提高自己的人工智能意识。另外，从事教学工作的高师教师队伍，他们有扎实的理论知识背景，却没有行业与项目开发经历。在教学过程中，易造成学生工程实际操作技能欠缺。学校还应该引导这些技术老师及时地掌握企业工程项目开发所需要的技术技能，使其专业技能与企业项目的实际需要紧密地联系，利用技术专员的项目经验或与公司的横向学科协作，广泛参加企业工程项目的研究，并利用对项目的实践应用，把技术知识融于企业实际，从而培养其实践创造的能力。在此基础上，把问题研究实践带到人才培养的课程中，引导和培养学习者的实践能力、设计技能以及处理具体科技课题的技巧。另外，在引进师资方面，高校应当具备全球眼光，广泛吸收当今世界上最先进的人工智能专业人才和优秀研究人员，建立人工智能师资资源库；同时，注意吸纳具备较高实际技术和良好专业技能的高端研究人员，加强教学队伍建设。最后，我们必须建立科学合理的教育测评系统，注重对基础知识、实际操作技能、教育教学能力、社会创新能力等进行综合评价。

（三）构建校企深度合作机制，推进产教深度融合

培养具有人工智能思维、大数据思维的人才，推动传统教育向“智能教育”演进，是教育体系发展的必然趋势。受限于师范生人工智能素养的培育需要大量的人力和物力，学生难以接触最新技术动态和产业应用。建立有效的校企深度合作机制，推进产教深度融合就迫在眉睫。高师院校可以通过聘请国际人工智能教育领域的精英机构来共同参与培养，进一步强化以合作教学与商业实战为导向的校企合作教育体制，将专职老师与学员之间的专业能力培养与企业的专业技能要求相结合，打造开放的、专业的、专业化的人才培养平台，为职业教师和学生提供一种协作和创新的新方式。人才企业要主动和高校协作，开展相应业务，提供实验平台、实施训练计划和技术课程，促进教育资源的双向共用，主动带动学校的创业项目的研究，有效培养学生的创造力、学科教育中的创新能力与跨学科融合。另外，公司和高师院校需要紧密跟踪产业发展要求和前沿技术方向，共同开发人工智能专业老师与学员共同培养的教学计划、教学内容与考核体系，同时针对学员的专业课程内容，按照学年开展实战训练，确保学生的创业培训经历所有阶段的培训。

深圳市优必选科技股份有限公司（以下简称“优必选”）是一家集人工智能和人形机器人研发制造、平台软件开发应用及产品方案销售为一体的“全球独角兽”企业，是全球AI和服务机器人技术及解决方案领域的开拓者和领军者。该公司基于自身核心技术优势和产业落地经验，致力打造“硬件+軟件+课程+师资+实验实训室+竞赛+认证”的教育生态圈，构建了覆盖“小学、初中、高中、职业院校、本科院校”的全学段贯通式人工智能教育体系。他的子项目——人工智能科创教育中心通过人工智能主题课程的系统学习和研究，帮助学生建立对“人工智能”系统知识框架，播下“人工智能知识”“技术应用能力”的种子，培养学生形成发现问题、探究问题、解决问题的创新思维。该公司将产业用人需求转化形成专业人才培养体系中的课程、竞赛、技能认证、实习就业等核心要素，面向高校，以专业共建、专业提升、产业学院共建等模式，共同探索专业人才培养，并且已经和一些研究型高校、应用型本科、职业类院校建立全方位合作。

五、结束语

总之，从学科知识教学的角度来看，师范生人工智能素养的培养至关重要，培养高素质的人工智能素养人才已成为当务之急。把《人工智能》课程设置为师范生专业课程，本着“实践出兴趣，实践出真知，实践出才干”的教学理念，让学生掌握“做中学，学中做”的教学方法和手段，学生能够掌握人工智能的定义、应用领域、简易机器人的设计原理、简单控制编程方法及简易机器人的搭建，学生也可以结合具体的项目任务，学习人工智能的高级知识，完成学科项目课程的设计，最终帮助学生获得使用人工智能学科创造性地解决教学问题的意识和能力。

【基金项目：教育部2021年第一批产学合作协同育人项目“STEM教育视角下科学教育专业师范生人工智能模块课程改革与教学体系建设”（项目编号202101319003）；2023年硕士培养点研究生科研专项（2023-YJS08）资助项目。】

（任永力，贵阳学院化学与材料工程学院副教授、硕士生导师。唐涛，修文县第三小学教师，研究发向：科学教育。）