中小学信息技术课程中的人工智能教育

魏立成

摘  要 发展与研究人工智能教育越来越受到中小学教育工作者的广泛关注。人工智能知识普及将引导更多的青少年了解并有志于在该领域学习和探索。以有效的教学策略及方法，在综合实践活动课程、校本课程中开展科学的、成体系的人工智能教育，让学生了解人工智能的基本概念、原理，感悟人工智能编程的魅力，培养学生计算思维以及创新能力。阐述人工智能技术发展、人工智能教育现状，针对中小学各个阶段提出人工智能课程教学目标和内容设计的建议，并指出人工智能教育的核心要点。

关键词 人工智能;中小学;信息技术;计算思维

中图分类号：G623.58    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）19-0076-03

0  引言

随着人工智能逐渐渗透到人们的日常工作、学习以及生活中，人类社会正全面进入人工智能时代。例如：车辆在一些场景下已经实现自动驾驶;拍照时在人工智能的支持下，成像效果更完美;人们在家里通过智能语音对话，构建家庭智慧应用。当前，我国已经部署新一代人工智能人才培养战略规划，因此，对于中小学而言，要积极配合国家大战略，普及人工智能基本知识，建设人工智能实践及创新教育试点校，进而迎接人工智能发展的大机遇。

2017年，国务院发布《新一代人工智能发展规划》，明确提出要广泛开展人工智能教育活动，在中小学阶段设置人工智能相关内容，逐步推广编程教育[1]，最终实施全民智能教育项目。可以通过建设人工智能宣传展馆，完善人工智能科普基础设施，鼓励企业搭建人工智能编程开源平台，推进人工智能教育。中小学需要积极开展人工智能普及教育，举办人工智能项目竞赛，鼓励学生积极参与。教育部通过发布《2019年教育信息化和网络安全工作要点》，推动在各学段设置人工智能相关内容，同时进行中小学信息素养测评，最终逐步推广人工智能编程教育。

在中小学组织人工智能课程教学，目的是让学生了解关于人工智能的基本工作原理，了解人工智能对当今社会工作生活的影响，进行人工智能计算思维等能力的培养与教育，挖掘学生应用人工智能技术的能力，对培养学生的逻辑判断能力、独立思考解决问题能力、创新意识都有很大的帮助。要真正意义上把人工智能教育引进中小学课堂，首先要解决的问题是如何科学、系统地开展人工智能教育，这是信息技术课程要探索的问题。

1  人工智能技术

历史上，技术的不断进步与发展，推动人类去认识世界、改造世界。从“蒸汽时代”到“电气时代”，再到现今的“信息时代”，技术的发展由机械化朝着自动化方向迈进，也向着人们不可预见的方向发展，但当下必须抓住机遇。新一代的人工智能实现了机械化和自动化的有机结合，也是第三次工业革命“信息时代”的延续，催化了信息技术应用的新飞跃。就目前来看，人类智能生活时代的发展离不开人工智能技术。

英国科学家图灵1950年在《计算机器与智能》一文中提出著名的“图灵之問”[2]，激起社会各界对机器是否具有智能的思考。进入21世纪以后，以机器学习（Machine Learning）为代表的人工智能技术，正在对人类的思考、行为、心理、生活、工作等方式进行高强度的仿真，基本原理在于以由大量节点相互联结而构成的“人工神经网络”运算模型为基础，设计拟合计算模型，进而变换为数据的运算。从另一视角，以信息数据处理来观察，抽象模拟出人脑神经元网络的特点，使得人工智能从外部看来，类似模仿人脑进行识别、记忆、分析、建模等相关工作[3]。这种利用数据模型来模仿人类智能的操作已经达到真实应用阶段，能够实现人类的自主学习、自主表达、自主思考、自主分析、自主行动等活动，从而使得机器能够智能化地工作、运行。

就目前的发展趋势来看，人工智能时代越来越近，已经开始慢慢地改变人们的生活。智能手机、智能家居、智能生活这些在生活中的体现也将影响中小学教育事业，人工智能与教育的融合将是必然，这也是要着重研究的方向。如何将人工智能作为一个得力的工具，使其助力教育发展？良好的人工智能课程教育可以不失时机地引导学生兴趣，推动学生学习，有利于学生对于人工智能这个概念形成更清楚的认知，这对学生今后的生涯规划以及学科选择都具有重要作用，也具有积极的正面影响。

2  人工智能教育现状

目前，中小学信息化课程大部分还停留在计算机入门应用以及基础的编程实现。在一些学校已经开展了初步的人工智能教育课程，学校也引入一些外部资源，满足人工智能教育的需要，但从授课现状来看，还存在下面一些不足。

2.1  以传统的信息技术教学方式教授人工智能课程

从人工智能课堂实践来看，大部分课堂还是以传统的信息教学思维模式对学生进行简单的技能训练，对于计算思维的培养比较忽视。无论是校内的信息课程，还是机器人模块组装教育，只是让学生简单地模仿，并没有让学生理解智能运行的机制，以竞赛引导的信息教育更多的是关注编程技能的提升。此外，现阶段中小学人工智能知识的教育内容有的类似于软件的使用说明书，按步骤介绍软件的使用或是设备的安装说明[4]，在培养学生利用人工智能解决问题的思维能力上有所欠缺。

2.2  人工智能课程教学体系、课程内容单一

中小学信息技术教材中较少介绍人工智能相关理论知识，未详细介绍目前人工智能之核心原理以及运行机制。虽然从小学到高中各个学段，学校都会安排与人工智能相关主题的教学内容，但是由于并不是从上而下成体系介绍，有些内容存在重复，内容之间不存在递进关系。另外，这些内容也是碎片化的，缺少实践活动和具体案例分析，没有系统化地介绍人工智能原理、知识、方法、能力。从小学到初高中有关人工智能的内容介绍不连续，增加了学生的学习障碍，降低了学生的创新水平。因此，应在分析学情的基础上开发符合学生年龄段特点的完整的人工智能课程，让学生接受系统的人工智能教育。

3  人工智能课程内容

中小学开展人工智能教育应在理解人工智能思想和基本动作原理的基础上，激发学生对人工智能应用的探索兴趣，将原有对信息处理模式化认识转变为人工智能思维模式，提升运用人工智能思维解决问题的能力。将信息化课程结合人工智能知识重新进行设计与梳理，建设完整的、上下贯通的课程体系，不同学段有符合其认知发展规律的人工智能教育，也就是做好学情分析。依据皮亚杰的认识理论，可以考虑按阶段实施中小学人工智能课程，逐步引导学生认识人工智能知识与原理，理解人工智能技术，感悟人工智能产生的威力，通过实际案例，达到利用人工智能技术进行创新创造的目的。

3.1  人工智能课程的初级阶段：重在认知、理解与尝试

小学阶段的学生对于科学原理以及数据理论认识并不深刻，缺乏对原理理解的可能性。但这个阶段的学生对外界事物充满好奇，容易对人工智能对生活和学习的影响产生兴趣。人工智能已经在不同类型、不同维度和不同场景中得到应用，包括日常生活中的一些手机APP或是家用电器。通过直接的产品体验，让学生建立起对人工智能技术最直观的感受，了解人工智能的特点，体会生活中人工智能技术的魅力，激发其探究的热情和主动性。通过视频，以直观的形式，从人工智能的历史、原理以及最新的前沿技术等让学生对人工智能的应用领域等建立认识，让学生明确在当前这个阶段，人工智能可以做什么，后续还能做什么，短期内还不能做什么。通过一些小实验，让学生利用一些简单的人工智能构件工具提升生活的智慧。

3.2  人工智能课程的提升阶段：重在感悟与实践

初中阶段，学生的学业负担加重，科目增多，大致对科学实践有一个初步的认识。人工智能可以是一门单独的学科，通过一系列教育与教学活动，让学生亲身获取人工智能知识，理解人工智能核心原理，知道人工智能如何实现“智能”，培养学生融合各学科知识，进而引入人工智能解决实际问题。这个阶段的人工智能课程通过设计体验类和简单的创作类实践，让学生感悟人工智能并不是真正的智能，实际上也是模拟计算的结果。

3.3  人工智能课程的最终阶段：重在创造创新

高中生需要建立起独立思考、进行简单科学探索的能力。课程内容的设计偏重于创造创新，课程的内容要与生活相结合，重视在真实情境下如何解决问题，通过案例教学法，围绕学生身边事，采用可操作可实践的方式，层层递进，体会人工智能与现实生活的密切联系。引导学生发现人工智能中存在的问题，思考问题的根源所在，进而提出解决问题的办法，进一步激发其创造力。

4  实施人工智能教育的重点

教师是推动人工智能教育发展的第一资源。学校可采用招募和聘请相结合的方式，着力培训对人工智能感兴趣的教师。主管部门要帮助教师了解人工智能教育时代教师角色的转变方向，提升人工智能教育专业能力，以期带动人工智能教育。充分利用社会精英以及家长资源，聘请校外辅导员，积极有效开展教育教学。

通过课程实施、课堂实践、课题研究，利用人工智能、大数据、物联网、云计算等智能技术，推动教学方式、教学环境、学生培养模式的变革。课程应采用PBL（Project-based Learning，项目式教学）模式，学生以任务驱动为学习主线，根据真实问题进行研究分析并应用人工智能知识解决，激发内在驱动力，全面提升綜合素养能力，比如创意搭建、动作编程、运动控制、工程设计、计算思维、开源硬件、Python、人工智能算法等。

5  结语

人工智能教育是趋势也是发展的必然要求。中小学教师要深入研究在中小学开展人工智能教育的教学方式以及教学策略，完善信息技术课程内容，这是时代赋予的使命。学校应加强对人工智能教育的关注，注重培养学生的人工智能思维模式及创新能力。在中小学开展人工智能教育，应从不同年龄阶段学生的认知能力以及知识掌握的不同程度出发，合理考虑课程内容，设计各阶段的学习内容，从认识、理解、感悟、实践、创新五个阶段逐步深入，逐渐加深学生对人工智能相关知识的掌握，为将来深入学习人工智能打下坚实的基础。

参考文献

[1]国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知[EB/OL].（2017-07-20）[2021-07-05].http：//www.gov.cn/zheng

ce/content/2017-07/20/content_5211996.html.

[2]Turing A M. Computer Machinery and Intelligence

[J].Mind，1950，59（236）：433-460.

[3]黄郑亮.全球价值链视野下的欧盟人工智能竞争力分析[J].国际关系研究，2020（1）：51-66，155，156.

[4]徐多，胡卫星，赵苗苗.困境与破局：我国机器人教育的研究与发展[J].现代教育技术，2017（10）：94-99.