面向计算思维发展的中学人工智能课程活动设计

段 波

以人工智能（Artificial Intelligence，人工智能课程）为代表的新一代信息技术的快速发展，正推动人类社会向智能时代迈进，其中，计算思维也成为智能时代的必备素养之一。如何培养学生面向智能时代的计算思维，业已成为我国政府及各级各类部门的聚焦点。如我国国务院下发的《新一代人工智能发展规划》明确提出，“要在我国中小学阶段设置人工智能相关课程”[1]。这意味着在基础教育阶段开展人工智能相关课程将成为培养学生的计算思维的一种新路径。为此，本文以促进中学生的计算思维发展为目标，对中学人工智能课程活动进行设计，并提出中学人工智能课程活动的参考建议，以为相关研究者和实践者提供借鉴。

一、计算思维与人工智能课程

（一）计算思维及其教育现状

计算思维（Computational Thinking）不是一个新概念，其在中国古代数学中就已经存在。随着现代信息技术的发展，其作用也日益突显，尤其是随着人工智能时代的到来，计算思维的重要性已引起国际学者的共同关注。国际学界广泛采纳周以真（Jeannette Wing）学者的定义：运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计，以及人类行为理解的涵盖计算机科学广度的一系列思维活动[2]。

值得关注的是，由于智能化技术对人类生活、生产和教育等各个领域的深度影响，世界各国政府深刻认识到应用型、复合型、技术型人才将成为世界各国的核心竞争力，计算思维开始被国际社会广泛关注。2013 年，英国《新课程计划》将计算思维纳入信息技术课程。2018年，美国白宫及STEM教育委员会联合发布的《制定成功路线：美国STEM教育战略》中提到，要加强计算思维的培养，并推动其融入所有学科[3]。尽管计算思维的培养已得到学界和一线教学人员的广泛关注，但在中小学的实际教学中针对计算思维培养的教学活动相对较少。目前，学界对于计算思维的培养仍处于初级阶段。

（二）中学人工智能课程的现实需求

近年来，人工智能教育受到国内外基础教育领域广泛关注。在中学阶段开设人工智能课程已成为一种现实需求，主要表现为以下三方面：（1）人工智能已成为发达国家K-12 教育的必备内容。如美国在K-12 计算机科学课程标准中提出了开设人工智能课程[4]；新加坡还推出了面向小学的“AI for Kids”（儿童人工智能）和面向中学的“AI for Students”（中学生人工智能）等计划[5]。为了应对未来对具有人工智能素养人才的需求，我国有必要在基础教育阶段开设人工智能课程。（2）“十三五”期间，教育部对高中教育阶段的课程标准进行了系统性修订。在最新修订的《高中信息技术课程标准》中设置了“人工智能初步”等综合应用模块，以推进培养智能时代高中学生的计算思维、编程能力等人工智能素养[6]。我国尚未制定初中人工智能课程标准。（3）人工智能课程的开设不仅关系到人才培养理念层面的能力素养观的拓展，更关系到教育理念的发展、教与学活动方式的转变、教师能力素养的提升，以及如何落实好立德树人的根本教育理念。

（三）面向计算思维发展的中学人工智能课程活动设计可行性

我国中学教育面临接轨国际、应对挑战和培养人才的现实需求，亟须注重计算思维的培养。值得关注的是，中学人工智能课程活动设计为计算思维的培养提供了新的路径，主要缘由有以下三方面：（1）在目标指向方面，人工智能课程指向培养学生的智能设备应用、机器人编程、计算思维、人工智能原理理解，其综合体现的是学生的跨学科、跨领域综合性思维能力素养。计算思维作为一种核心能力素养，二者的目标指向在培养上有契合性。（2）在活动过程方面，人工智能课程由于涉及图形化编程、开源硬件项目设计、教育机器人创意等活动，需要学生通过运用计算机的相关知识进行设计和动手实践来完成。而计算思维的培养强调上文所述计算机科学的问题求解、系统设计等项目式学习的活动方式，故人工智能课程活动的开展可为计算思维的培养提供活动方式方法上的支持。（3）在评价要素方面，计算思维的培养和人工智能课程都指向“学习者为中心”和“能力培养”的过程性，故二者都关注学生在项目学习中的过程性表现以及学生发展的增值性评价。综上，通过设计中学人工智能课程活动培养计算思维具有可行性。

二、发展计算思维的人工智能课程活动设计

当前，中学人工智能课程主要依托编程教育和机器人教育，更注重学生编程技能的习得，而对学生思维能力的提升涉及较少[7]。计算思维作为信息技术学科核心素养的四大要素之一，应成为人工智能课程设计的聚焦点。此外，中学人工智能课程多为“做中学”的学习活动，既存在活动主题多元化、活动组织松耦合、活动项目协作管理、内容非标准化等特点[8]，也由于学习活动中多涉及开源硬件、教育机器人等智能设备的应用，容易在设计与组织学习活动等方面给任课教师带来困难。为此，应以发展学生计算思维为目的，对中学人工智能课程活动按照如下思路进行设计，如图1 所示。

图1. 发展计算思维的中学人工智能课程活动设计

（一）人工智能课程活动的需求分析

人工智能课程与国家课程、地方课程不同，其开发主体主要是学校教师个体或团队，这就使得课程的学习活动设计与组织并无权威、科学、统一的课程标准指导。对于有一定先进性的人工智能课程活动而言，由于大多数任课教师之前并无设计与开展人工智能课程学习活动的经历与经验，因而需求分析对于人工智能课程活动设计尤为关键。为此，中学人工智能课程活动设计的需求分析应重点关注以下方面：（1）分析学生具备的知识体系与基础能力。由于人工智能课程所包含的活动内容涉及图形化编程、开源硬件项目设计等，需要教师分析学生具有的计算思维和跨学科能力水平。（2）分析学生的人工智能课程学习期望。课程不具有强制性，人工智能课程的学习目标、知识内容和活动形式都应根据学生的学习期望进行灵活调整，甚至可以让学生参与学习活动设计。（3）分析智能化学习设备条件。人工智能课程活动并非仅在传统的教室中开展，其涉及计算机、教育机器人、开源硬件等设备的支持。为此，设计人工智能课程活动还要分析其对智能化学习设备、技术创设的活动情境等方面的需求。

（二）人工智能课程活动的开展方式

人工智能课程活动的开展方式可借鉴典型的基于计算思维的学习方式来设计，主要包括以下三种学习方式：（1）围绕问题设计学习活动方式。人工智能课程中的问题可以是源自生活情境中的真实问题，也可以是教师为了达成教学目标虚构的问题。但这些问题的设计要具有一定的价值性、情境性与可行性，为此才能让学生通过协同合作与动手实践，实现问题解决或形成可行的问题解决方案。（2）围绕项目设计的学习活动方式。这种学习活动方式是目前被普遍认可的计算思维培养教学法[9]，也可以将其理解为相对复杂的任务式学习方式。需要注意的是，教师在设计人工智能课程项目时，由于整个活动过程是学生计算思维形成的关键阶段，因而教师要充分分析学生的知识储备与计算思维水平，尽可能让学生组建具有异质特征的项目小组或学习共同体参与活动。（3）基于设计的学习活动方式。基于设计的学习强调迭代式的设计过程，更关注学生在设计学习过程中发现问题、批判性分析问题、协同解决问题的迭代式循环，进而全面培养学生的设计思维、创新能力、坚韧品质。

（三）人工智能课程活动的情境设计

设计与开展人工智能课程活动的基本目标是培养学生的人工智能素养及计算思维，而非以往课堂中单一知识的传授。基于此，人工智能课程活动方式也多为基于问题、项目、设计的学习活动方式。但值得关注的是，由于这些学习活动方式基本是围绕一个非常明确的主题、任务或问题实施的，加之面向中学生的人工智能知识内容本身就偏向知识科普与探索应用，这就使得人工智能课程活动需要具备较强的情境性。教师可从以下三方面进行学习情境设计：（1）结合现实生活创设问题与任务情境。当前人工智能技术已经在人们的生活中广泛应用，为人工智能课程活动提供了丰富的生活情境与问题素材。如教师可以将生活中“垃圾分类”与“智能扫地机器人”相结合，为“基于开源硬件的垃圾分类机器人项目”创设情境。（2）选择合适的数字技术创设情境。在人工智能课程活动中，正确地选择数字技术作为活动支持，能够为学生的学习活动创设良好的学习情境，激发学生的学习动机。如在编程学习中，选择图形化编程语言要比使用传统的编程语言能够创设更生动的学习情境，既容易被中学生接受，也可达到培养他们计算思维与编程能力的目标。（3）通过学习支架策略来创设情境。人工智能课程活动是以学生为中心的通过“做中学”方式来开展的学习活动，教师在整个过程中既要扮演好活动的设计者与组织者的角色，更需要维系学生在整个过程中的学习积极性。为此，教师可基于活动过程适时地采用学习支架策略来创设或改变学习情境、氛围，持续维持学生的学习积极性和活跃性。

（四）人工智能课程活动的过程设计

中学人工智能课程活动的开展方式可以是基于问题的学习、基于项目的学习和基于设计的学习三种活动方式，且这三种用以发展学生计算思维的方式已形成非常成熟的活动模式。关于如何设计人工智能课程活动过程，在此不再赘述，但在围绕这些学习活动方式进行具体的活动过程设计时，应该注意以下几点：（1）要依据学生的能力与学习内容来选择和设计学习活动过程。如基于设计的学习活动过程周期稍长，只适合相对较难的人工智能课程学习内容，但教师可对其进行简化，或者提供更多适合的学习支架，或者降低学习内容难度，进而缩短学习活动的迭代周期。（2）学习活动过程设计要同时关注学生的独立学习与协作学习。基于以上三种学习方式设计活动过程时，建议教师在每一种活动方式中既要设计基于协作小组和共同体的子活动，也要设计一些学生独立学习的子活动，这样既可以保证学生进行协作知识建构，也能确保学生在独立自主的深度学习中进行个体知识建构。（3）学习活动过程设计要重视数字技术、智能设备和网络学习空间与学习活动各环节的应用融合，避免出现技术工具与学习活动的“两张皮”现象，如果设计与使用技术工具不当，就可能妨碍学生学习活动的开展和学习效果的提升。

（五）人工智能课程活动的评价设计

教师在对中学生参与人工智能课程活动的表现进行评价设计时，应该关注以下三个方面：（1）评价目标要聚焦于学生的高阶能力与人工智能素养发展水平。一方面，教师要对学生的高阶能力进行重点评价；另一方面，教师重点关注和评价学生的计算思维、编程能力和人机协同等人工智能素养水平，尤其是对计算思维应重点考察。（2）评价方式要综合采用过程性评价和增值性评价。学生的能力素养水平一方面是在人工智能课程活动中，通过独立自主的深度学习、与同伴的协同合作、动手实践展现出来；另一方面则是通过活动结束后形成的人工制品或问题解决方案的完成度和可行性展现出来，这体现了学生活动的知识与能力的增值。（3）教师在设计和实施评价时，还需注意以下两个方面：一是教师要灵活采用数字技术来评价学生，如通过网络学习空间中的数据评价，或通过QQ 等交流软件生成的数据评价。二是教师要给予学生自评、互评与反思的机会，培养学生良好的实验记录能力与习惯，让学生在对自身及他人的活动评价和反思中不断成长。

三、中学人工智能课程活动设计实施建议

（一）从校园文化入手，构建人工智能课程活动主题

活动主题设计是人工智能课程的价值和意义所在，也是发展计算思维的关键。其中，校园文化在构建人工智能课程活动上有一定的导向和规范作用，尤其是当前中学人工智能课程的设计开发仍处于成长阶段，需要引导其向学校的办学理念发展，引导其将学生的核心素养发展内化为人工智能课程的设计理念。目前，校园文化建设存在目标功利化、内容庸俗化等问题，不利于学生核心素养的发展。因此，构建人工智能课程活动主题，应从建设校园文化入手，并重点关注以下几点：第一，在校园文化建设理念上，要以提高学生核心素养为目标，深入推进人工智能课程文化建设，加强其对人工智能课程活动主题的引导和规范作用。第二，在校园文化建设内容上，强化文化长廊、文化角等人工智能课程文化符号，为学生构建人工智能文化情境，使其真切感受和认识到人工智能的魅力，以优良、丰富的人工智能课程知识培养学生对人工智能课程的兴趣，并以此为基础构建人工智能课程的活动主题。第三，在校园文化建设规划上，构造校园文化建设的整体框架。校园文化不仅包括有形文化，如校园文化场所，也包括校规、校训和校风等隐形文化。学生计算思维的发展是校园文化和人工智能课程协同作用的渐进过程，学校应充分考虑有形文化和隐形文化在推动人工智能课程文化建设过程中的促进功用和实践价值，以构造面向计算思维的人工智能课程校园文化建设的整体框架。

（二）从课程素养入手，设计人工智能课程活动内容

随着智能技术的快速迭代发展，原有的人工智能课程存在核心概念需更新、侧重点需更改、课程编排需完善、课程难度需合理化以及课程的可操作性、政策性待改进等问题[9]。中学人工智能课程作为课改的新内容，有其专有的核心概念、知识体系和表达逻辑，对承担人工智能课程教学任务的信息技术教师而言，要求其自身具备较高的人工智能素养，以设计人工智能课程活动的内容，培养中学生的计算思维。第一，中学信息技术教师应具备丰富的人工智能课程知识体系。人工智能是研究使用计算机来模拟人的某些思维过程和智能行为的学科，是涉及多学科融合的交叉学科、新兴学科，中学教师未必对每个知识体系都精通，但必须具备一定的基础知识储备，以便更好地设计人工智能课程内容。教师可以通过研讨中小学人工智能教材进行学习，比如研讨由任友群主编的《AI 上未来智造者——中小学人工智能精品课程系列丛书》，提升知识技能；也可以通过教研和培训，在区域内开展人工智能课程的研究，打造具有区域特征的人工智能课程新模式[10]。第二，中学信息技术教师须具备较高的信息素养。从新课标对核心素养的定位来看，培养学生的计算思维，既需要教师具备人工智能课程活动内容设计所需的数字关键能力，也需要教师具备较高的信息技术素养。从对信息社会的适应能力来看，信息素养已成为教师在信息社会立足的基本能力，同时也是教师开展人工智能课程设计的基础。素养层面的数字胜任力是中小学教师胜任人工智能课程教育的关键，也是指向计算思维发展的人工智能课程活动设计的关键。第三，中学信息技术教师应具备设计项目式教学的能力。首先，从未来人才培养的需求和目标来说，“更注重思维、素养和问题的解决、创造、沟通、适应”[11]等能力培养，这与人工智能课程核心内容高度相关。而基于项目的学习方式可以帮助学生掌握学科核心知识，增强问题解决技能，提升自我学习能力，有利于学科核心素养的形成[12]。此外，从未来社会教师的角色定位分析，未来教师将逐步转变为课程和资源的设计者，而课程的设计更加注重真实情境中人才的培养[11]。这与基于项目的学习特征：“学习是在现实生活中进行探究”一致。因此，人工智能课程需要教师具备设计项目式教学的能力。

（三）从平台工具入手，搭建人工智能课程活动环境

区别于小学阶段注重感悟和尝试的人工智能课程，中学阶段人工智能课程活动设计需重点关注学生在亲身体验中的感受和认识人工智能的魅力，教师通过设计体验类和创作类的活动项目，引导学生思考如何运用人工智能解决问题，进而培养学生的核心素养[13]。因此，中学人工智能课程对教学环境的要求相对较高，需要相应的硬件、软件设备。在实施过程中可从以下方面展开：第一，政府应加强人工智能课程的服务供给。当前中学人工智能课程的信息化建设存在设备不足，经费不够等问题。在教育信息化2.0 阶段，政府应转变信息化服务供给方向、提高供给能力、健全供给制度，合理配置教育经费，从过去投入不足、粗放使用转向长效的精准配置，切实保障中学人工智能课程的开展。第二，学校也可在明确多元主体权责的背景下，寻求与高校、科研机构或高科技企业建立合作关系，借助外界的教育资源推进人工智能课程的教学。第三，人工智能课程可采用云教学，降低授课成本。目前人工智能课程教学资源建设缺乏统一的交流平台，人工智能课程资源水平参差不齐，内容冗余凌乱，无法有效支持中学人工智能课程活动的设计与开展。而采用云教学平台，可促进人工智能课程资源的互通共享，建立健全人工智能课程资源共享的保障机制，降低授课成本。

（四）从解决生活实际问题入手，探索人工智能课程活动路径

中小学开设人工智能课程，有些学校已经作了尝试，即通过普及人工智能教育，构建人工智能课程体系，使学生对人工智能从感知到体验，再到创新，全面提升学生的信息素养。无论是打好学习编程语言的基础，还是以项目式学习进行人工智能知识的建构，课程的落脚点最终是要解决生活中的实际问题。比如在设计车牌识别系统中，发现一张写有车牌的纸质图片也可以通过识别。抛出这个实际问题，让学生尝试在解决问题的过程中完成对人工智能相关知识的建构，逐渐培养学生的人工智能素养。在课程开发和活动设计过程中，不断探索创新活动路径，以“学中做，创中学”的方式促进学生的批判思维和创新思维的发展。

此外，在中学开展面向计算思维的人工智能课程，应注意捋清人工智能与“创客教育”“计算思维”“STEM 教育”“机器人教育”等之间的关系。这些已有的课程不能等同于人工智能课程，但是它们可以作为学习人工智能课程的实现桥梁。其次，面向计算思维的人工智能课程的设计，应注意在内容方面始终围绕人工智能核心内容：感知、推理、学习、决策、交互、道德；在授课对象方面，应注意从精英转向普适。事实上，学习者的差异已经明确告诉我们，我们不能将每个人都培养成未来的人工智能专家，但是，应该向学习者明确，未来我们将与人工智能共处的事实。要让学习者知道人工智能的原理，并且在未来能从容应对人工智能带给我们的变化，合理享用人工智能带给我们的便利。