鄭 妍，周 倩，王惠欣

（1.陜西師范大學 教育學院，陜西 西安 710000；2.西安工程大學 應用技術學院，陜西 西安 710000）

一、引言

當前，人工智能技術成為經(jīng)濟社會發(fā)展的下一個引擎，深度學習與大數(shù)據(jù)的興起以及由此帶來的個性化學習，促成了人工智能在教育領域的又一次應用爆發(fā)。各國政府高度重視人工智能的發(fā)展，2015 年以來，美國已發(fā)布《國家人工智能發(fā)展與研究戰(zhàn)略計劃》《為人工智能的未來做好準備》和《人工智能、自動化和經(jīng)濟報告》等三份重要報告；2017 年，日本制定了《人工智能的研究開發(fā)目標和產(chǎn)業(yè)化路圖》；2018 年，歐盟委員會向歐洲議會、歐盟理事會、歐洲理事會、歐洲經(jīng)濟與社會委員會及地區(qū)委員會提交了題為《歐盟人工智能》的報告，描述了歐盟在國際人工智能競爭中的地位，并制定了“歐盟人工智能行動計劃”[1]。人工智能在我國的發(fā)展同樣受到高度重視，2017 年7 月，國務院發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，明確提出到2030 年我國人工智能理論、技術與應用總體達到世界領先水平，成為世界主要人工智能創(chuàng)新中心，為躋身創(chuàng)新型國家前列和經(jīng)濟強國奠定重要基礎，并提出要加快培養(yǎng)聚集人工智能高端人才，建設人工智能學科[2]。

為響應國家號召，加快人工智能人才的培養(yǎng)，2018年4 月10 日，教育部發(fā)布關于印發(fā)《高等學校人工智能創(chuàng)新行動計劃》的通知，提出未來將形成“人工智能+X”的復合專業(yè)培養(yǎng)新模式，還對中小學、高校等多層次教育體系提出要求，未來將在中小學階段引入人工智能普及教育[3]，為人工智能教育的發(fā)展指明了方向。

二、中小學人工智能教學模式構建的迫切性

美國斯坦福大學人工智能、機器人和未來教育項目執(zhí)行主任、斯坦福全球創(chuàng)新設計聯(lián)盟聯(lián)席主席蔣里指出，隨著人工智能的發(fā)展，現(xiàn)在的小學生、中學生，等10-20 年后進入社會，有可能成為第一代一進入社會就被替代的一代，因為部分重復、機械性的工作將會被替代，人工智能既需要技術型人才也需要通用型人才，不僅包括技術層面精深的專家，也包括對人工智能理解透徹的應用專家，還需要把握技術趨勢和未來社會發(fā)展的未來學專家[4]，因此人工智能教育不僅僅局限于在高校培養(yǎng)人工智能領域的高技術人才，還應使未來社會中每個人都能熟悉人工智能、應用人工智能。因為在未來社會，人機協(xié)同將成常態(tài)。

隨著人工智能技術的快速發(fā)展，英、美、澳等發(fā)達國家紛紛開始在中小學設立人工智能課程[5]，我國早在2003 年頒布的《普通高中技術課程標準（實驗）》中就在信息技術課程選修模塊設置了“人工智能初步”?？萍及l(fā)展至今，中小學開展人工智能教育成為大勢所趨。為響應國家號召，培養(yǎng)適應人工智能時代全面發(fā)展的人，大批人工智能教材涌向?qū)W校，由任友群指導編寫、涵蓋小學到高中的首套人工智能教材《AI 上未來智造者——中小學人工智能精品課程系列叢書》已在上海的嘉定一中、交大附中嘉定分校以及嘉定青少年科創(chuàng)集散地試用，并將逐步正式引入全國更多中小學正式上課，其中，與小學階段對應的課程內(nèi)容涉及力學、數(shù)學等知識，旨在通過對傳感器的使用方法和工作原理的探究，培養(yǎng)學生的邏輯思維；與初中階段對應的課程內(nèi)容涉及人形機器人的基礎理論，教授語音交互、智能感知、智能決策圖形化編程軟件等知識；與高中階段對應的課程內(nèi)容包括Python 編程、開源主板應用、變形機器人搭建等高階課程。除這種全系列的涵蓋小學至高中的人工智能教材外，由陳玉琨、湯曉鷗編寫的《人工智能基礎（高中版）》也廣受關注，它是我國第一本面向中學生的人工智能教材，此書的一個亮點在于讓學生了解到人工智能概念、原理及其相互關系是如何被發(fā)現(xiàn)的，以及其在現(xiàn)實世界中的具體作用，此外，全書還涵蓋了22 個實驗供學生動手實踐。各種中小學人工智能教材還在不斷地涌入市場，探索適宜的中小學人工智能課程教學模式迫在眉睫。

三、國內(nèi)外人工智能課程實施模式

目前對中小學人工智能課程實施模式的研究主要有講授式為主與探究式為主兩種方式。

以講授式為主的課程實施方式主要有如下研究：杜海瓊、張劍平于2008 年針對2003 年教育部頒布的《普通高中技術課程標準（實驗）》中信息技術課程選修模塊“人工智能初步”的三個主題：知識及其表達、推理與專家系統(tǒng)、人工智能語言與問題求解，提出利用Prolog 語言來進行人工智能課程的講授，并給出了Prolog 語言在這三個主題應用中的具體案例及分析[6]，此種基于編程語言的教學模式有效系統(tǒng)地進行了人工智能知識點的傳授及學生邏輯思維的鍛煉，但缺乏與生活實際的聯(lián)系，學生不易建立所學人工智能知識與現(xiàn)實世界的聯(lián)系。趙飛龍等2018 年在基于建構主義的教學設計模式和基于電子書包的PBL 教學模式的指導下，建構出了人工智能科普教育教學模式，其教學實施過程以教師的講授為主，提倡教師有意義的情境創(chuàng)設及對學生知識原理理解的支持，同時注重學生練習及分享，并以初一《語音合成》課程為例詳細解釋了教學流程的實施[7]，此模式在教師傳授基礎的人工智能知識方面有很好的借鑒價值，學生在有意義情景下的學習比較容易建立人工智能知識與生活實際的聯(lián)系。但此種缺乏學生自主探究項目的教學模式，使得學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力及創(chuàng)新能力在自主探究過程中得不到良好培養(yǎng)，這些能力是人工智能時代學生人工智能素養(yǎng)培育中的重要內(nèi)容。

對以探究式為主的課程實施方式的研究較多：李鳴華2008 年論述了案例教學法在高中人工智能課程中的運用，并對案例教學法運用于人工智能課程中案例的編選、呈現(xiàn)、分析等原則及方法進行了詳細論述[8]。強調(diào)教師作為課程的輔助者，引導學生積極參與進給定案例情境的探究中，此方法突出了學生主體性的發(fā)揮，利于學生建立人工智能知識與實際問題的聯(lián)系，學生的分析問題、解決問題能力也得到了充分培養(yǎng)，但由于人工智能知識的綜合性、復雜性，一味強調(diào)學生探究性的發(fā)揮有可能導致知識邏輯思維建立的不完善。北京師范大學課程與教學研究院在中小學人工智能課程教學實踐方面進行了探索，其課程以項目式學習為主要形態(tài)，依托項目使學生動手探究，教師轉(zhuǎn)變?yōu)閷W生探究過程中的指導者、輔助者，學生的學習積極性得到了充分發(fā)揮[9]。其與案例教學法在人工智能課程中的實施有相似之處。陳凱泉等2018 年提出，目前我國開展得如火如荼的STEM 教育、創(chuàng)客教育中均部分涉及人工智能教育的影子，人工智能相關內(nèi)容的復雜性、跨學科性致使人工智能教育最好以一種貼近生活實際的探究式教學方式展開[10]。目前探究式教學也是STEM、創(chuàng)客教育中普遍采用的教學策略。

國外學者主要采用項目式學習的方式來進行人工智能課程的實施探究，如Nicole Sintov、Debarun Kar 等人探究了使用從問題到項目的腳手架框架來教授人工智能[11]，即以一個真實世界的問題為基礎，引入基于項目的學習與教學來支持教授復雜的人工智能概念，問題到項目的腳手架的好處是有一個統(tǒng)一的主題，使學習者和指導者能夠?qū)⒏拍詈腿蝿张c中心思想聯(lián)系起來。同時主題還提供了增強相關性的能力，案例中的項目以游戲項目的形式展開；課程實施方式為從真實世界的問題開始，逐步引入復雜的人工智能概念，使用講座、互動練習，最終通過動手游戲來促進學習；以保護野生動物安全的游戲為例，利用人工智能明確部署安全資源，幫助護林員自動生成隨機巡邏策略，游戲中學習者可以輪流扮演護林員和偷獵者的角色，展開形式為個人或小組，分團隊進行策略制定及策略程序?qū)梗⒃诖诉^程中不斷優(yōu)化自己的程序；從最終結(jié)果來看，采用這種方法，使用游戲植根于現(xiàn)實世界的問題，學習者的參與度較高且增加了他們學習人工智能概念的興趣。Amruth N Kumar采用同樣的方式使用機器人教授人工智能課程[12]，課程實施載體是具體的項目，針對每個學習內(nèi)容主題，設計對應項目讓機器人參與到現(xiàn)實世界中有意義的任務中，其項目有盲搜索、游戲玩法等，此種教學方式對學生理解算法的復雜性及處理突發(fā)性、不確定性的編程大有裨益，課程實施過程中確保了開放的實驗室，允許課后完成項目以此來保證學生設計、測試、創(chuàng)新時間的充裕，同時根據(jù)學生的項目完成情況及反饋適當對環(huán)境和機器人項目成功的標準做出調(diào)整，當項目完成標準不變時，學生逐漸嘗試與他人合作來共同完成一個項目，最終，實驗結(jié)果表明基于真實生活情境的項目對學生學習人工智能課程的優(yōu)勢作用更顯著，因為現(xiàn)實生活中的環(huán)境通常要求近似而不是精確，更易允許從錯誤中逐漸改進來取得成功，并幫助學生理解如何操作一個算法，學生對人工智能課程的投入也變得更高。

總之，基于探究式教學方式的人工智能課程實施模式對學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題能力、創(chuàng)新能力、人際協(xié)作能力的培養(yǎng)大有裨益。但由于人工智能課程的特性，對基礎教育而言，如何使人更好地適應人工智能新時代，培養(yǎng)適應人工智能時代全面發(fā)展的人是人工智能課程需要真正解決的問題[9]。因此，除了聯(lián)系實際生活對學生人工智能應用能力的培養(yǎng)外，還應該注重學生人工智能思維、對人工智能基本原理等知識以及人工智能涉及的情感、倫理等方面知識的培養(yǎng)。只有這樣，才能在未來時代達到人的智能與人工智能協(xié)同共生。

四、中小學人工智能課程的培養(yǎng)目標分析

人工智能在簡單重復的腦力勞動等方面確實有其獨特的優(yōu)勢，但其絕不能全面替代人類，目前教育要培養(yǎng)“人工智能時代的原住民”,即掌握人工智能時代所需知識與能力、能夠與人工智能系統(tǒng)協(xié)作的創(chuàng)新型、智能型人才[13]。BBC 基于牛津大學卡爾·佛雷和米歇爾·奧斯本（Frey&Osborne，2016）的數(shù)據(jù)分析了未來的職業(yè)淘汰率，結(jié)果顯示掌握社交、協(xié)商、同情心、創(chuàng)意和審美的職業(yè)被取代的幾率非常小[14]。因此，在教授人工智能課程的過程中，不僅要注重人工智能支撐技術、基本原理等知識的系統(tǒng)傳授，還要注重對學生那些不能被代替的如共情能力、提出問題、解決問題的能力、創(chuàng)新能力等的培養(yǎng)，畢竟未來時代不只需要熟練人工智能的技術型人才，還需要廣大理解并熟悉應用的人。

英、美、澳等發(fā)達國家的人工智能課程體系體現(xiàn)出了其培養(yǎng)目標，除了對人工智能應用模塊如專家系統(tǒng)、自然語言處理等知識的學習外，一個突出特色還體現(xiàn)在對學生人工智能時代思維方式的培養(yǎng)上[5]。如印第安納州幼兒園至八年級的計算機科學標準中對于人工智能課程提出了明確要求：通過對人類智能與人工智能在表征方式及行為模式等方面的對比來識別二者的差異。這種差異識別的過程中，學生對人工智能解決問題的方式有了更深的理解，其人工智能思維也隨之得到了提升，正如蔣里博士指出的那樣，人的智能+人工智能是未來教育的最大出路，讓學生在人工智能課程的學習中不僅學習專業(yè)的人工智能知識，在此過程中培養(yǎng)學生的人工智能思維，使其更加熟知人工智能與人類智能的差異及各自優(yōu)勢，在未來更得心應手地應用人工智能、與人工智能相處，這是中小學人工智能課程實施的最大出路。人工智能時代需要未來的公民熟知并能掌握常用的智能工具、機器、設備等來處理生產(chǎn)、生活特別是研發(fā)創(chuàng)新工作中的復雜問題[5]。基于此，中小學人工智能課程應著重培養(yǎng)學生下述方面的能力：

1.人工智能思維

人工智能思維的核心是認知，涉及如何解決人工智能通用問題，是一套成熟的、應用廣泛的知識表征觀念，以及相應的易用的推理引擎[15]。人工智能思維可以幫助學生理解人工智能基本原理和解決問題的方法，有助于人工智能知識的遷移。正如《普通高中信息技術課程標準（2017 年版）》中明確提出通過學習人工智能，學生應該能描述典型人工智能算法的實現(xiàn)過程，這是人工智能時代一種基礎的思維方式。

2.人工智能應用能力

人工智能應用能力涉及學生利用人工智能技術解決現(xiàn)實生活中的問題，能熟練自如地利用人工智能，達到人機協(xié)同的狀態(tài)，學生可以在實踐中根據(jù)具體問題，進行人工智能應用模塊的修正改進甚至重新設計，人工智能應用能力的培養(yǎng)一般可以通過項目式學習的方式，培養(yǎng)學生在實踐中利用人工智能解決問題及實踐創(chuàng)新的能力[7]。

3.人工智能情感因素

人工智能有其適合的問題，但絕對不能取代人的智能，人的共情、審美、創(chuàng)意等能力是人工智能不能代替的。應該培養(yǎng)學生對人工智能積極合理的認識，悅納人工智能，并自覺遵守人工智能相關倫理道德[16]，客觀認識人工智能技術對社會生活的影響，對人工智能樹立正確的態(tài)度。把握培養(yǎng)目標，讓學生了解人工智能，具備人工智能思維，應用人工智能，對人工智能技術及自身能力的優(yōu)勢與劣勢有一個清楚的認知，成為“人工智能時代的原住民”。

五、中小學人工智能課程教學模式探析

王本陸等2018 年提出中小學人工智能課程是培養(yǎng)適應人工智能時代的全面發(fā)展的人，在人工智能時代，人文素養(yǎng)、創(chuàng)造力及計算思維將是青少年所需的核心能力[9]。需要明確的是人工智能思維與計算思維密切聯(lián)系，因為具備計算能力的機器智能是實現(xiàn)智能的主要手段[15]，這也反映出人工智能思維較之計算思維涉及的范圍更廣。

學生人工智能的思維、應用能力及情感是中小學人工智能課程培養(yǎng)的重點，因此，人工智能課程的實施既要緊抓教學內(nèi)容，確保知識的系統(tǒng)傳授，在此過程中使學生的思維得到健全培養(yǎng)，又要注重學生自主探究能力的發(fā)揮。綜合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，可知項目式學習是人工智能探究活動開展的最佳方式之一，貼近生活實際的案例使學生的學習好奇心、積極性得到充分激發(fā)，同時能習得利用人工智能解決具體問題的能力，在項目開展的過程中，學習者發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、創(chuàng)新、協(xié)作、共情等人工智能時代所需的最寶貴的能力也得到了發(fā)展。在教師系統(tǒng)講授及學生主動探究的過程中，倫理知識、對人工智能的正確定位等人工智能情感一直在滲透其中。因此，中小學人工智能課程適宜的教學模式應該是“教師有意義的講授+學生為主體”的項目式學習。調(diào)整好課時安排，在基礎課程知識傳授之后，緊接一個相關的難度、形式設置合理的項目，讓學生進行更深入的探究。

“有意義的知識傳授+學生為主體”的項目式學習在中小學人工智能課程中的實施過程如下：

1.提出問題，激發(fā)學習興趣

“人工智能”研究對象規(guī)定為人工智能的基本原理和技術，知識點的抽象性、邏輯性致使其通常采用教師講授為主的教學模式[17]。中小學人工智能課程中的知識傳授并非走傳統(tǒng)“填鴨式”的老路，教師可以利用與學生學習生活緊密相關的問題來激發(fā)學生的學習興趣，吸引其注意力，發(fā)揮其學習的主觀能動性，這也可以促使學生將人工智能與實際生活聯(lián)系起來。

2.新知講授

人工智能時代，精通人工智能的專門人才的培養(yǎng)固然重要，但就基礎教育階段而言，使人更好地適應人工智能時代[9]，是一個更加重要的問題。因此教師在傳授知識的過程中，應該更關注學生人工智能思維的培養(yǎng)，同時進行人工智能倫理道德等方面的普及，而非僅僅要求學生進行復雜算法等知識點的學習掌握。比如在高中人工智能知識點“分類器”的講述中，教師應該將講授重點放在分類過程即特征提取、分類器的訓練、測試應用這三階段的實現(xiàn)原理、相互關系上，而非將關注點僅僅聚焦于訓練算法，學生學習之后，更應該達到熟悉分類器工作思想、了解其在生活中應用的目標。

3.項目開展，實踐探究

在每個知識點的傳授之后，應該緊接一個與之相關的、聯(lián)系生活實際且難度適宜的項目來促使學生人工智能應用能力的發(fā)展，需要明確的是，實際的項目探究不能隨堂練習化，學生必須親歷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程。比如關于分類器所涉及的基礎知識原理講授完成之后，教師設計一個以真實問題為主題的項目讓學生展開分組協(xié)作探究。以花朵分類為例，要求學生自行制定項目實施流程，最終得到一個花朵分類器。教師作為探究過程中的輔助者，為學生提供訓練集等探究所需的資源，考慮到時間因素，教師可以提供部分數(shù)據(jù)，但為了增強學生的體驗感，可以讓學生自行測量花朵數(shù)據(jù)來充實訓練集。學生在實踐探究的過程中，可以體會到不同訓練算法訓練出的分類器的差異，并通過分類準確率來選擇出成效最佳的分類器。小組協(xié)作的方式使學生的社交能力、共情能力等都得到了發(fā)展，在項目實踐中，學生勢必會面臨許多實際的、非良構的問題，其問題解決能力也會逐漸增強，同時學生的人工智能應用能力、對人工智能的定位認識也更加明晰，深刻體驗到了人工智能技術帶給學習、生活的影響，進一步激發(fā)了其學習人工智能的積極性，非常利于人機協(xié)同的未來時代。

4.探討交流

項目實踐過后的探討交流可以為學生提供一個很好的反思改進機會，學生可以互相交流自己小組在項目實踐中遇到的各種問題及解決途徑，也可以交流項目協(xié)作中的小組分工等問題，同時從其他小組中獲得有益的經(jīng)驗，有利于下次項目的順利開展，通過比對自己與他人的作品可以更加深化對知識的理解。最后，通過教師評價、小組互評、小組自評來對項目實施過程中的問題及最終的項目成功做出評價，學生獲得反饋后可以進一步改進自己的作品，獲得提升發(fā)展。

此教學模式可以根據(jù)教學內(nèi)容靈活安排，教學內(nèi)容可以是課程中的一節(jié)或是一章。教師根據(jù)教學內(nèi)容合理安排課時，若是內(nèi)容較多，則可在講授基本知識后布置項目主題，讓學生進行構思，下節(jié)課的時候再進行分組項目探究及分享交流。甚至可以安排一個以上的項目，一個作為基礎知識鞏固，一個作為拓展提高，只要把握“教師有意義的講授+學生為主體”的項目式學習的人工智能課程模式的培養(yǎng)核心便可。

針對中小學人工智能課程的培養(yǎng)目標，此種“教師有意義的講授+學生為主體”的項目式學習模式可以有效培養(yǎng)適應人工智能時代的人才。教師有意義的講授確保了知識系統(tǒng)的完整連貫性，學生的人工智能思維能得到良好的培養(yǎng)，學生為主體的項目式學習使得學生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題能力以及創(chuàng)新能力得到培養(yǎng)，增強了人工智能應用能力，同時協(xié)作探究的過程中學生的社交能力及對人工智能的定位與情感也朝著正確的方向發(fā)展，有利于培養(yǎng)適應人工智能社會的人才。