郭瑾 佟安然 高偉

摘 要：為提高我國未來人才競爭力，需從基礎(chǔ)教育階段培養(yǎng)學(xué)生人工智能技術(shù)素養(yǎng)。通過解讀2013-2019年《地平線報告（基礎(chǔ)教育版）》，分析人工智能相關(guān)問題和發(fā)展趨勢，提出與人工智能相結(jié)合的教學(xué)方式及教師和學(xué)生培養(yǎng)方向，以期強(qiáng)化人工智能技術(shù)在基礎(chǔ)教育中的應(yīng)用深度。

關(guān)鍵詞：人工智能;基礎(chǔ)教育;《地平線報告》;教育技術(shù)

0 引言

從1956年人工智能學(xué)科被正式提出以來，人工智能（Artificial Intelligence，AI）至今已有60多年的歷史，作為計算機(jī)科學(xué)分支，人工智能是研究人員和學(xué)者十分關(guān)注的前沿學(xué)科。人工智能研究成果包含圖像識別、語言處理、情景感知、專家系統(tǒng)等多個方面[1]。

隨著信息社會的進(jìn)步與發(fā)展，人工智能在日常生活中發(fā)揮著越來越重要的作用，只有充分利用技術(shù)才能在未來信息社會占據(jù)更大優(yōu)勢。我國從基礎(chǔ)階段培養(yǎng)信息社會人才，致力于將學(xué)生培養(yǎng)成為未來發(fā)展的中堅力量。本文結(jié)合《地平線報告（基礎(chǔ)教育版）》，分析人工智能技術(shù)在基礎(chǔ)教育中教與學(xué)的方式，以期提升我國教育競爭力。

自2004年開始，新媒體聯(lián)盟（New Media Consortium，NMC）一直致力于文化教育等方面的發(fā)展趨勢評估，報告從關(guān)鍵趨勢、重要挑戰(zhàn)以及關(guān)鍵技術(shù)三大方面進(jìn)行闡述[2]，旨在判斷影響全球教育的新興技術(shù)發(fā)展趨勢及對各級各類教育機(jī)構(gòu)在教學(xué)方面的影響，并作出相應(yīng)規(guī)劃。

面對人工智能帶來的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，如何在教育中應(yīng)用人工智能已引起密切關(guān)注。美國是信息技術(shù)起步比較早的國家，對中小學(xué)教育給予了極大重視[3]。2018年秋季開始，美國匹茲堡蒙托學(xué)區(qū)推出一個新的人工智能項目，使學(xué)生能夠更好地體驗人工智能。部分中學(xué)也開設(shè)了人工智能課程，如佛吉尼亞州的一所縣公立中學(xué)開設(shè)了人工智能課程，但考慮到課程難度，只作為選修課對部分學(xué)生開設(shè)。2005年英國蘇格蘭中學(xué)將人工智能作為選修模塊，目的是培養(yǎng)學(xué)生對知識分類、知識搜索方法以及專家系統(tǒng)等知識的理解和掌握[4]。我國也在2018年與2019年先后出臺了人工智能高中版與初中版教材，著眼于培養(yǎng)具有科學(xué)精神的新時代學(xué)生[5]。

國外人工智能研究主要以學(xué)生為中心，以學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為為主要方向，且校間合作、校企合作較為常見。我國以教學(xué)設(shè)計為原則，研究怎樣將人工智能與教育深度融合[6]。本文基于《地平線報告》中人工智能技術(shù)的分析，并與我國當(dāng)前基礎(chǔ)教育相結(jié)合，在應(yīng)用技術(shù)與培養(yǎng)方面提出建議，對報告中提及的挑戰(zhàn)與技術(shù)進(jìn)行深層次應(yīng)用分析，以增強(qiáng)我國人工智能教育完整性，提升學(xué)生素質(zhì)。

1 《地平線報告》研究

1.1 研究方法與步驟

本研究采用系統(tǒng)和定量的內(nèi)容分析法，對基礎(chǔ)教育版《地平線報告（2013-2017）》中預(yù)測的關(guān)鍵趨勢、重要技術(shù)以及重大挑戰(zhàn)進(jìn)行客觀系統(tǒng)的分析。內(nèi)容分析法具有系統(tǒng)性、客觀性和定量性3個特征，本文在熟悉相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，進(jìn)行層層推理。

本文研究步驟包括：

（1）選擇研究樣本?！兜仄骄€報告》包括基礎(chǔ)教育版和高等教育版兩個版本，自出版以來已成為國際教育信息化發(fā)展風(fēng)向標(biāo)，我國自2011年起就對《地平線報告》進(jìn)行學(xué)習(xí)研究，引起了我國教育界廣泛關(guān)注。由于2018年的《地平線報告（基礎(chǔ)教育版）》并未如期出版，本文選擇新媒體聯(lián)盟2013-2017年連續(xù)發(fā)布的5期報告作為樣本，并結(jié)合2019年美國學(xué)校網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合會（Consortium for School Networking，CoSN）出版的《基礎(chǔ)教育創(chuàng)新驅(qū)動力報告》，這是繼承《地平線報告（基礎(chǔ)教育版）》理念與方法發(fā)布的最新版本報告，該報告分為3個專題，分別為趨勢篇、挑戰(zhàn)篇和技術(shù)驅(qū)動篇[7]。

（2）確定分析單元。每年的報告均包括關(guān)鍵趨勢、重要挑戰(zhàn)及關(guān)鍵技術(shù)3個主要單元，且每單元內(nèi)容數(shù)目固定，將報告中每個單元涉及的6個關(guān)鍵趨勢、6項不同階段的挑戰(zhàn)、6個技術(shù)按時間段進(jìn)行分類。

（3）歸納分析單元。在認(rèn)真閱讀報告的基礎(chǔ)上，總結(jié)每年報告中的關(guān)鍵技術(shù)、重要挑戰(zhàn)與重要趨勢，結(jié)合上一步驟確定的單元，將內(nèi)容歸納整理到表格中。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展

通過對2013-2017年《地平線報告（基礎(chǔ)教育版）》和2019年《基礎(chǔ)教育創(chuàng)新驅(qū)動力報告（趨勢篇）》的關(guān)鍵趨勢進(jìn)行整理，獲得6年間關(guān)鍵趨勢，如表1所示。

2013-2017年的關(guān)鍵趨勢是按照遠(yuǎn)期、中期和近期的方式進(jìn)行劃分的，2019年的關(guān)鍵趨勢并未按照遠(yuǎn)期、中期和近期的方式劃分，而是將總體創(chuàng)新趨勢的前5名排列出來。從表中可看出，近幾年的關(guān)鍵趨勢如學(xué)習(xí)創(chuàng)造者、STEAM學(xué)習(xí)、個性化發(fā)展等多以學(xué)生為中心[8]，但對于教育者而言，學(xué)習(xí)者（即創(chuàng)造者）個性化發(fā)展等趨勢也可為教育者帶來發(fā)展機(jī)遇，教育者可以以這些反映未來社會發(fā)展的趨勢為出發(fā)點對教育教學(xué)進(jìn)行討論和應(yīng)用。

通過對2013-2017年《地平線報告（基礎(chǔ)教育版）》與2019年《基礎(chǔ)教育創(chuàng)新驅(qū)動力報告（挑戰(zhàn)篇）》[9]的整理，獲得6年間挑戰(zhàn)和技術(shù)方面的縱向?qū)Ρ?，如?所示。

2013-2017年的挑戰(zhàn)是按照可應(yīng)對的挑戰(zhàn)、有難度的挑戰(zhàn)和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)3個維度進(jìn)行劃分的，2019年給予挑戰(zhàn)難易度系數(shù)，可以更加明顯地看出各類挑戰(zhàn)的難度。2019年的挑戰(zhàn)雖然在表述方式上有所差別，但總體內(nèi)涵相似，教師專業(yè)發(fā)展與教師教育[10]、推動正規(guī)教育與時俱進(jìn)、數(shù)字化公平、推廣教學(xué)創(chuàng)新和領(lǐng)導(dǎo)變革持續(xù)創(chuàng)新分別對應(yīng)的新表述如表3所示。

2019年《基礎(chǔ)教育創(chuàng)新驅(qū)動力報告（技術(shù)驅(qū)動篇）》尚未出版。2013-2017年5年間《地平線報告（基礎(chǔ)教育版）》技術(shù)進(jìn)展對比如表4所示。

從表中可以發(fā)現(xiàn)，未來幾年的技術(shù)方向在人工智能方面占據(jù)很大的比例[11]，如3D打印、可穿戴技術(shù)、2017年的分析技術(shù)、虛擬現(xiàn)實、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)均與人工智能有關(guān)[12]。

2 《地平線報告》啟示與作用

“人工智能”從字面表述來看可以分為“人工”和“智能”兩部分，“人工”按字面意思可以理解為人類能制造的;“智能”有多方面的含義，包括意識、思維等。高等教育領(lǐng)域采用的熱點技術(shù)多為移動學(xué)習(xí)，包括移動學(xué)習(xí)平臺管理、與課堂的融合等[13]，但對于基礎(chǔ)教育階段學(xué)生而言，由于學(xué)生自控能力還不強(qiáng)，在課堂中使用移動設(shè)備進(jìn)行學(xué)習(xí)存在一定的不可實現(xiàn)性?；诖?，本文通過分析發(fā)現(xiàn)，可以從教育方式、人工智能技術(shù)應(yīng)用、學(xué)生與教師培養(yǎng)等3個方面改善我國基礎(chǔ)教育階段教學(xué)。

2.1 教育方式與人工智能技術(shù)的應(yīng)用

2.1.1 教育方式

根據(jù)表2提到的種種挑戰(zhàn)，我國基礎(chǔ)教育應(yīng)采取正式學(xué)習(xí)與非正式學(xué)習(xí)相融合的模式，并在擴(kuò)大與保持學(xué)生創(chuàng)新思維與創(chuàng)新性的同時，讓學(xué)生了解數(shù)字公平。

（1）正式學(xué)習(xí)與非正式學(xué)習(xí)相融合的教學(xué)模式。正式學(xué)習(xí)主要指在學(xué)校經(jīng)歷的學(xué)歷教育和參加工作后的繼續(xù)教育;非正式學(xué)習(xí)指在非正式的時間和地點發(fā)生的，通過非教學(xué)性質(zhì)的社會交往傳遞和滲透知識，由學(xué)習(xí)者自我發(fā)起、自我調(diào)控、自我負(fù)責(zé)的學(xué)習(xí)?？梢酝ㄟ^翻轉(zhuǎn)課堂等方式將兩種學(xué)習(xí)方式相融合，讓學(xué)生在正式學(xué)習(xí)場所學(xué)到的知識在非正式學(xué)習(xí)場所中得到鞏固和提升，目前面對基礎(chǔ)教育階段的許多研究仍處于教師層次，但也有少部分面向?qū)W生的研究，說明教學(xué)模式具有可行性。兩種教學(xué)模式相結(jié)合不但可以改善傳統(tǒng)課堂高付出、低效率的問題，而且可以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，加快學(xué)習(xí)速度。

（2）擴(kuò)大與保持創(chuàng)新的同時推進(jìn)數(shù)字公平。2019年《基礎(chǔ)教育創(chuàng)新驅(qū)動力報告（挑戰(zhàn)篇）》中擴(kuò)大與保持創(chuàng)新這一挑戰(zhàn)的難度系數(shù)最高，將技術(shù)遷移到跨學(xué)區(qū)及大環(huán)境中的挑戰(zhàn)，需要學(xué)校靈活組織、改善并提升策略和思維方式，提升學(xué)生創(chuàng)新能力，促進(jìn)創(chuàng)新。澳大利亞將學(xué)生的好奇心放在首位，通過科學(xué)課程激發(fā)學(xué)生好奇心，以悅?cè)せ姆绞綆椭鷮W(xué)生理解計算機(jī)科學(xué)世界[14]。學(xué)生只有在不斷接觸新事物的過程中才會產(chǎn)生天馬行空的問題和想法，推進(jìn)數(shù)字公平，讓學(xué)生更廣泛地接觸到新事物與新知識，以學(xué)生為中心，讓學(xué)生自行解決問題，提升在真實世界動手操作能力和創(chuàng)新意識，更好地迎接未來社會發(fā)展帶來的挑戰(zhàn)。

2.1.2 人工智能技術(shù)

在探究人工智能的同時應(yīng)該回歸教育本身，強(qiáng)調(diào)做好技術(shù)與教育的融合研究。為使人工智能與教育更好地契合，可以在學(xué)校教學(xué)中讓學(xué)生接觸易于理解的人工智能技術(shù)，如3D打印、虛擬現(xiàn)實、自適應(yīng)學(xué)習(xí)等技術(shù)均可運用到實踐教學(xué)中。雖然3D打印僅在2013年和2015年提到，但自2014年在報告中提出3D打印以來，國際上有多個國家，如美國、英國等國家已將3D打印作為STEM教育中的一項學(xué)習(xí)內(nèi)容融合在信息技術(shù)課程中進(jìn)行學(xué)習(xí)，我國目前也有很多學(xué)校將3D打印作為信息課程教學(xué)的一個重要內(nèi)容，或作為校本課程開設(shè)。在教學(xué)中使用3D打印技術(shù)，讓學(xué)生以發(fā)明者、創(chuàng)造者的身份親自動手操作將作品打印出來，既能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能夠培養(yǎng)學(xué)生動手能力和創(chuàng)新能力。

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）在2016、2017年被連續(xù)提到，與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相關(guān)的還有增強(qiáng)現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）和混合現(xiàn)實（Augmented Reality，MR）。虛擬現(xiàn)實指在計算機(jī)生成的環(huán)境中，學(xué)生能夠身臨其境地觀察學(xué)習(xí);增強(qiáng)現(xiàn)實除虛擬世界外還能看到真實世界，真實感更強(qiáng)，讓學(xué)生產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣。浙江大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院對于增強(qiáng)現(xiàn)實在教學(xué)活動中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，將增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)加入到信息技術(shù)課堂教學(xué)中。學(xué)生作為知識的主動探求者，在增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)下進(jìn)行參與、交互、傳遞、反饋、發(fā)現(xiàn)、強(qiáng)化[15]。通過結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)提高學(xué)生對信息技術(shù)的現(xiàn)實感知能力，讓學(xué)生直觀觀察從書本上難以理解的現(xiàn)象，提升學(xué)生數(shù)字化學(xué)習(xí)意識。

自適應(yīng)學(xué)習(xí)在2015年被認(rèn)為是2～3年內(nèi)具有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)，越來越多的學(xué)校和教育機(jī)構(gòu)開始關(guān)注如何建設(shè)與應(yīng)用自適應(yīng)學(xué)習(xí)工具，自適應(yīng)學(xué)習(xí)工具不僅促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)，還可減輕教師負(fù)擔(dān)、輔助教師了解學(xué)生。如美國的Learn Bop工具，致力于分解數(shù)學(xué)知識，讓學(xué)生逐步學(xué)習(xí)并獨立解決問題;CK-12也是自適應(yīng)評估系統(tǒng)，涵蓋多門學(xué)科，不僅可根據(jù)學(xué)生對知識的掌握程度設(shè)置題目，還能為學(xué)生提供形成性診斷報告，針對學(xué)生學(xué)習(xí)情況作出詳細(xì)的記錄[16]。多個國家正積極開展自適應(yīng)研究，我國近十年來自適應(yīng)學(xué)習(xí)系統(tǒng)取得了顯著成果，但也存在諸多瓶頸問題，還需及時調(diào)整，利用技術(shù)檢測每位學(xué)生的知識空白點，幫助學(xué)生更快更方便地學(xué)習(xí)知識。

2.2 教師與學(xué)生培養(yǎng)方向

（1）培養(yǎng)教師角色與教師專業(yè)素養(yǎng)。在基礎(chǔ)教育中進(jìn)行人工智能技術(shù)應(yīng)用，教師不再是教育教學(xué)中的主導(dǎo)者，而應(yīng)作為引導(dǎo)者幫助學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)，這要求教師具有良好專業(yè)素養(yǎng)。2019年教育部發(fā)布能力提升工程，目的在于著力推動全國中小學(xué)教師（含幼兒園、普通中小學(xué)、中等職業(yè)學(xué)校）提升信息技術(shù)應(yīng)用能力[17]。教師是學(xué)生學(xué)習(xí)的引路人，教師文化素養(yǎng)對學(xué)生學(xué)習(xí)和成長有重要影響。良好的師資隊伍對學(xué)生學(xué)習(xí)有極大幫助作用。

西班牙瓦倫西亞大學(xué)對于教師ICT基本模式的研究表明，信息與通信技術(shù)（ICT）的整合過程是復(fù)雜的，教師在其中起決定性作用[18]。課堂上ICT運用不僅受到教學(xué)能力的制約，而且還受到個人專業(yè)使用的制約。因此，表現(xiàn)出較強(qiáng)技術(shù)和教學(xué)能力的教師在其個人專業(yè)領(lǐng)域更能頻繁地使用這些資源，并更可能在課堂上與學(xué)生一起使用這些教育資源。

（2）培養(yǎng)學(xué)生思維與意識。人工智能的諸多技術(shù)，對于基礎(chǔ)教育階段的學(xué)生而言是一個重在體驗的過程，但這種體驗不是單純的體驗和感知，而是在體驗和感知中培養(yǎng)學(xué)生思維[19]。在國外的研究熱點中，“人工智能”作為研究核心，形成被“學(xué)生”、“基礎(chǔ)教育”、“孩子”等詞圍繞的結(jié)構(gòu)，其中，“學(xué)生”的節(jié)點最大，說明國外注重構(gòu)建以學(xué)生為中心的教育。當(dāng)今社會正處于迅速發(fā)展之中，計算思維和數(shù)字素養(yǎng)作為近年來的重要挑戰(zhàn)和關(guān)鍵技術(shù)，被多個國家認(rèn)為是未來社會應(yīng)該具備的重要素質(zhì)之一，因此應(yīng)該對學(xué)生重點培養(yǎng)，為未來發(fā)展作好準(zhǔn)備。美國麻省理工大學(xué) 媒體實驗室從3個維度分析了計算思維包含的要素，分別是計算概念、計算實踐和計算觀念。為了實現(xiàn)計算思維教育，課程內(nèi)容需包含編程內(nèi)容，讓學(xué)生通過解決實際問題，體驗編程的基本流程等，達(dá)到培養(yǎng)計算思維的能力要求。根據(jù)調(diào)查，美國、英國等國家已在中小學(xué)教育中加入編程教育。西班牙國立遠(yuǎn)程教育大學(xué)對當(dāng)?shù)?所小學(xué)的93名學(xué)生進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)編程學(xué)習(xí)可以大幅度提高學(xué)生對邏輯和數(shù)學(xué)元素的理解[20]，可見編程學(xué)習(xí)還有助于學(xué)生其它方面的學(xué)習(xí)，當(dāng)學(xué)生從編程中學(xué)習(xí)到技能后，可以將能力正遷移到其它課程或生活中。

在小學(xué)階段的編程課程中可以使用少兒編程工具，如利用可視化編程語言進(jìn)行編程教學(xué)，有助于幫助學(xué)生提高編程能力，在工具的選擇上，教師可以選擇Scratch或MakeCode等作為編程學(xué)習(xí)工具，使學(xué)習(xí)者在編程設(shè)計中產(chǎn)生創(chuàng)造性學(xué)習(xí)興趣。如Scratch等進(jìn)行拖拽方塊的模塊式編程，學(xué)生在視覺化的窗口上，通過直觀、趣味化的游戲故事培養(yǎng)學(xué)生探索的習(xí)慣和創(chuàng)造、表達(dá)的意愿，而不是“被編程”，讓學(xué)生變得像機(jī)器人一樣按照程序指令一步步行動。學(xué)生可在學(xué)習(xí)過程中頻繁接觸計算思維的概念，如分支、循環(huán)、事件等，提升系統(tǒng)思考和創(chuàng)新思維能力[21]?；A(chǔ)階段學(xué)生的大腦正處于敏感期，容易培養(yǎng)編程天賦，有利于引導(dǎo)學(xué)生由抽象思維轉(zhuǎn)變成邏輯抽象思維，提升學(xué)生合作能力，因此，在基礎(chǔ)教育階段學(xué)習(xí)編程知識和思想對于學(xué)生未來發(fā)展大有裨益。對于高年級學(xué)生，有能力學(xué)習(xí)進(jìn)階編程語言，如Python語言，清晰性和趣味性是Python語言最好的品質(zhì)，并且適合學(xué)生閱讀，以Python作為編程的入門語言，可以讓學(xué)生將注意力集中到解決問題的邏輯上。

3 結(jié)語

人工智能技術(shù)發(fā)展十分迅速，學(xué)生學(xué)習(xí)需求呈個性化發(fā)展，尤其是基礎(chǔ)教育階段的學(xué)生，他們從小接觸網(wǎng)絡(luò)，對于網(wǎng)絡(luò)充滿好奇，在該階段既應(yīng)教授學(xué)生人工智能知識和技能，還應(yīng)為學(xué)生提供個性化教學(xué)、給予學(xué)生正確的引導(dǎo)，保證學(xué)生健康成長。本文對于最新的研究進(jìn)展尚未完善，除文中提到的自適應(yīng)學(xué)習(xí)、個性化學(xué)習(xí)等挑戰(zhàn)與技術(shù)外，仍有許多方面沒有提及，如芯片、專家系統(tǒng)等諸多硬件與軟件技術(shù)需要與基礎(chǔ)教育銜接、融合，怎樣將這些技術(shù)加入并融合到基礎(chǔ)教育的課堂教學(xué)中是亟待解決的問題，有待進(jìn)一步探究。

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（責(zé)任編輯：江 艷）