謝忠新，曹楊璐，李?盈

一、引言

人工智能作為引領(lǐng)未來的戰(zhàn)略性新興技術(shù)，正在深刻影響著社會的方方面面，也將深刻改變我們的生產(chǎn)生活方式。2017年國務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確指出人工智能已成為國際競爭的新焦點，我國應(yīng)逐步開展全民智能教育項目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程、逐步推廣編程教育、建設(shè)人工智能學(xué)科[1]。2018年教育部印發(fā)《教育信息化2.0行動計劃》，明確要求要完善課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)，使中小學(xué)人工智能和編程課程內(nèi)容能充分適應(yīng)信息時代、智能時代發(fā)展需要[2]。

在中小學(xué)開設(shè)人工智能課程，從小學(xué)、初中到高中分學(xué)段、系統(tǒng)化地進(jìn)行人工智能教育，是具有前瞻性的舉措。本文將在分析中小學(xué)人工智能相關(guān)課程現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，從學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的視角提出對中小學(xué)人工智能課程內(nèi)容建設(shè)的想法，以期為中小學(xué)人工智能課程內(nèi)容的建設(shè)提供一些參考。

二、中小學(xué)人工智能課程現(xiàn)狀及反思

(一)國內(nèi)外中小學(xué)人工智能課程現(xiàn)狀

現(xiàn)階段，中小學(xué)的人工智能教育課程更多的是在計算機(jī)科學(xué)教育及計算機(jī)課程、信息技術(shù)課程、科學(xué)課程、STEM課程、創(chuàng)客課程中引入人工智能相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容。可以說，當(dāng)前國內(nèi)外中小學(xué)人工智能教育課程是以人工智能教育為主題的泛在課程系列。

20世紀(jì)80年代，人工智能課程以選修課的形式出現(xiàn)在英國的ICT課程中，主要講解人工智能的基礎(chǔ)知識、人工智能的應(yīng)用知識。2013年，英國在中小學(xué)教學(xué)大綱的全面改革中將原有的信息通信技術(shù)(ICT)課程修訂為計算(Computing)課程，教學(xué)目標(biāo)轉(zhuǎn)向關(guān)注計算思維和人文價值。在人工智能教學(xué)方面，英國多與高校協(xié)作開展，比如將來自高校的實習(xí)教師作為中小學(xué)人工智能教育的外部師資、依托高校力量為中小學(xué)搭建人工智能教學(xué)網(wǎng)站、邀請高校專家參與中小學(xué)師生的討論和答疑等。

在美國，人工智能課程是計算機(jī)科學(xué)課程的一部分，且多以選修課的形式開設(shè)[3]。目前，美國中小學(xué)的編程課主要是引導(dǎo)學(xué)生組裝編寫好的程序模塊來控制機(jī)器人完成簡單動作，進(jìn)而培養(yǎng)編程興趣。在人工智能教學(xué)方面，與高校合作開辦課程是美國中小學(xué)人工智能教學(xué)經(jīng)常采用的方式，比如，卡耐基·梅隆大學(xué)將本科計算機(jī)專業(yè)學(xué)生的可擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)機(jī)器語言課程改進(jìn)之后供參加暑期夏令營的高中生使用[4]。

我國在2003年正式啟動中小學(xué)人工智能教育，經(jīng)過十幾年的教育實踐，當(dāng)前的人工智能教育主要在信息技術(shù)課程、STEM課程、創(chuàng)客課程中開展?！镀胀ǜ咧行畔⒓夹g(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》將“人工智能初步”列為選擇性必修模塊，分為人工智能基礎(chǔ)、簡單智能系統(tǒng)開發(fā)、人工智能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用三部分內(nèi)容[5]。隨著STEM課程和創(chuàng)客課程的廣泛開展，部分學(xué)校和一線教師嘗試在STEM和創(chuàng)客等跨學(xué)科課程中探索人工智能教育。比如，中國人民大學(xué)附屬中學(xué)將人工智能教育內(nèi)容和STEAM課程相整合，從感知、認(rèn)知和創(chuàng)新三個層次構(gòu)建了“STEAM 人工智能教育”校本課程體系。此外，在高中通用技術(shù)的“智能家居應(yīng)用設(shè)計”模塊和“機(jī)器人設(shè)計與制作”模塊中，也將人工智能、大數(shù)據(jù)處理等技術(shù)的學(xué)習(xí)融入其中，深化學(xué)生對人機(jī)關(guān)系的認(rèn)識。

(二)對國內(nèi)中小學(xué)人工智能課程現(xiàn)狀的反思

盡管當(dāng)前人工智能教育被給予足夠的重視，但縱觀國內(nèi)中小學(xué)人工智能課程現(xiàn)狀，當(dāng)前的課程尚存在如下不足。

1.人工智能課程重視技能訓(xùn)練，輕視計算思維的培養(yǎng)

從當(dāng)前的課程實踐來看，中小學(xué)的人工智能教育主要依托編程教育和機(jī)器人教育來開展。編程教育，無論是校內(nèi)還是校外，多停留在指導(dǎo)學(xué)生利用程序設(shè)計語言完成具體的編程題目。機(jī)器人教育，多停留在簡單的實體安裝層次，在設(shè)計思維能力的培養(yǎng)方面并沒有發(fā)揮機(jī)器人教育的自身優(yōu)勢。而中小學(xué)生大多以參加競賽為目的而接受編程教育，在學(xué)習(xí)過程中更多地關(guān)注編程技能的提升。此外，現(xiàn)階段中小學(xué)人工智能教育的教材大多屬于產(chǎn)品說明書或用戶指南類[6]，缺少對學(xué)生思維能力培養(yǎng)的科學(xué)引導(dǎo)。

新一輪課改將我國基礎(chǔ)教育的總目標(biāo)落實到“學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)”。其中，信息意識、計算思維、數(shù)字化實踐能力、信息社會責(zé)任是學(xué)生需要具備的四個方面的信息技術(shù)核心素養(yǎng)[7]。人工智能可為計算思維培養(yǎng)提供生動案例，同時，人工智能的很多作品也是計算思維支持下的成果。因此，以計算思維的培養(yǎng)目標(biāo)指引人工智能的課程設(shè)計與教學(xué)，能有效地將人工智能教學(xué)實踐上升至更高水平。

2.人工智能課程缺少完善的課程內(nèi)容體系

從課程內(nèi)容來看，人工智能教育主要依托于信息技術(shù)課程、STEM課程、創(chuàng)客課程、計算機(jī)科學(xué)課程來開展，人工智能教育的課程目標(biāo)只是對應(yīng)課程目標(biāo)的一部分。雖然從小學(xué)、初中到高中都有不同專題的人工智能相關(guān)課程，但是這些課程是碎片化的，缺少對人工智能意識、方法、能力目標(biāo)的系統(tǒng)化設(shè)計。從課程的學(xué)段設(shè)置來看，人工智能教育多在初中、高中開展，小學(xué)甚少涉及。這種小學(xué)、初中、高中人工智能教育的脫節(jié)不僅會增加學(xué)生的學(xué)習(xí)障礙，也會因為認(rèn)知延遲而降低學(xué)生的能力水平。因此，人工智能課程需要建立覆蓋小學(xué)到高中的完善的課程體系，從而讓學(xué)生接受系統(tǒng)的人工智能教育。

三、中小學(xué)人工智能課程內(nèi)容設(shè)計探究

中小學(xué)是學(xué)生學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)階段，在這個階段開設(shè)人工智能教育系列課程，重在以人工智能思維方式轉(zhuǎn)變和思維能力提升為培養(yǎng)目標(biāo)，以激發(fā)探索興趣、理解基本思想為出發(fā)點，通過系統(tǒng)的、科學(xué)的課程內(nèi)容設(shè)計，讓學(xué)生在小學(xué)、初中和高中接受體系化的、符合其認(rèn)知發(fā)展規(guī)律的人工智能教育，使學(xué)生在建立興趣的基礎(chǔ)上，提高運用人工智能相關(guān)技術(shù)思想來分析和解決問題的能力、動手實踐能力及創(chuàng)新創(chuàng)造能力。

(一)基于認(rèn)知發(fā)展規(guī)律的中小學(xué)人工智能課程目標(biāo)設(shè)計

皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論指出，小學(xué)階段的學(xué)生可以將感知動作內(nèi)化，并能在具體內(nèi)容的支持下進(jìn)行簡單的抽象邏輯思維；初中階段開始，學(xué)生能夠擺脫具體內(nèi)容進(jìn)行抽象邏輯，并能進(jìn)行假設(shè)——演繹推理[8]?；诖?，中小學(xué)人工智能課程建議分為認(rèn)知、理解、應(yīng)用、實踐、創(chuàng)新五步走，人工智能思維方式和思維能力的課程培養(yǎng)目標(biāo)將與這五步有機(jī)融合。

1.認(rèn)知。通過“人機(jī)大戰(zhàn)”等故事講述，通過看、聽、說、想等多感官維度的人工智能場景產(chǎn)品體驗，使學(xué)生建立對人工智能的直觀認(rèn)識，感受人工智能給生活帶來的巨大改變。

2.理解。通過類比、游戲活動等形式，使學(xué)生初步理解人工智能的基礎(chǔ)知識與基本思想，能對人工智能產(chǎn)品背后的原理作簡單解釋。

3.應(yīng)用。通過體驗各種人工智能產(chǎn)品，使學(xué)生學(xué)會與智能工具打交道，能夠利用智能工具改變學(xué)習(xí)和生活的方式。

4.實踐。通過編程的系統(tǒng)化學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維和動手實踐能力，使學(xué)生能夠在實踐中完成簡單的人工智能作品。

5.創(chuàng)新。通過對人工智能的整體學(xué)習(xí)，使學(xué)生能夠在理解人工智能原理的基礎(chǔ)上，完成人工智能產(chǎn)品的創(chuàng)新性設(shè)計與開發(fā)。

(二)中小學(xué)人工智能課程內(nèi)容設(shè)計

隨著知識的增加，學(xué)生的認(rèn)知能力與對知識的接受能力有很大的不同，三個學(xué)段人工智能課程的開設(shè)在普及人工智能知識的基礎(chǔ)上，內(nèi)容的側(cè)重點應(yīng)有所不同，如圖1所示。

1.小學(xué)人工智能課程，重在感悟

小學(xué)人工智能課程應(yīng)重在讓學(xué)生感悟人工智能對生活和學(xué)習(xí)的影響，體驗生活中的人工智能，直觀地了解人工智能的特點，激發(fā)探究的熱情和積極性。例如，通過播放科幻片、人工智能“人機(jī)大戰(zhàn)”等相關(guān)視頻讓學(xué)生對人工智能的應(yīng)用領(lǐng)域等建立直觀的認(rèn)識，讓學(xué)生知道人工智能可以做什么、不可以做什么；從認(rèn)知視角體驗人工智能的用途，學(xué)習(xí)如何與人工智能機(jī)器人合作，如何利用簡單的人工智能工具來提高工作效率，讓生活更加美好等。小學(xué)人工智能課程內(nèi)容可以從三個主要方面來展開，具體如圖2所示。

(1)認(rèn)識人工智能

本模塊通過一系列人工智能認(rèn)知的小故事，讓小學(xué)生直觀認(rèn)識什么是人工智能。例如可以通過經(jīng)典的“人機(jī)大戰(zhàn)”故事的講述讓學(xué)生感受人工智能；也可以從其他生活中經(jīng)常應(yīng)用到的智能小工具讓學(xué)生了解感受科技的發(fā)展，以及人工智能給生活帶來的改變。

(2)感悟人工智能

本部分課程內(nèi)容可以分為五部分來展開，每個維度對應(yīng)生活中實際應(yīng)用的例子，分別從人如何讓機(jī)器學(xué)會看、聽、說、想、動，模仿人的認(rèn)知，使學(xué)生來初步體驗人工智能的用途，如圖3所示。本模塊不強(qiáng)調(diào)技術(shù)，側(cè)重點是讓學(xué)生明白人工智能的實際應(yīng)用。

通過使用各種人工智能產(chǎn)品，例如識別花朵的APP能夠識別各類花草，讓學(xué)生感受人工智能可以讓機(jī)器“看”，通過語音識別技術(shù)感受人工智能可以讓機(jī)器“聽”，通過與智能機(jī)器助手對話感受人工智能技術(shù)可以讓機(jī)器“說”，會思考也就是會“想”，通過讓機(jī)器按照自己的指令來執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)，智能遙控器來控制電視、操縱智能小車等感受人工智能可以讓機(jī)器“動”。通過這些智能工具和技術(shù)，建立小學(xué)生對人工智能的認(rèn)識和感悟。

(3)嘗試人工智能

小學(xué)人工智能課程不只是單純的體驗和感知，而是在體驗和感知中培養(yǎng)學(xué)生的計算思維[9]。計算思維能夠幫助學(xué)生理解問題、高效解決問題。在小學(xué)階段引入Scratch、APP Inventor等圖形化編程工具，對學(xué)生進(jìn)行編程及算法思想的啟蒙與滲透[10]。

讓學(xué)生通過簡單的圖形化編程，完成人工智能相關(guān)作品，或者更改某些參數(shù)來實現(xiàn)人工智能作品。在這個過程中主要讓學(xué)生思考做什么、如何分步驟做等，在這個過程中培養(yǎng)學(xué)生的計算思維及動手實踐能力。例如可以為學(xué)生設(shè)計編程任務(wù)“聽話的燈”。當(dāng)聽到語音“請開燈”，燈亮，機(jī)器同時語音輸出“您好，燈已打開”，當(dāng)聽到語音“請關(guān)燈”，燈滅，機(jī)器同時語音輸出“您好，燈已關(guān)閉”。選擇合適的圖形化編程工具，讓學(xué)生思考，如果要完成，需要哪些器件，怎樣分步驟完成。老師可以給出每一個步驟，并把步驟打亂，讓學(xué)生自己排序，實踐完成該功能。

2.初中人工智能課程，重在體驗

初中階段，通過了解、體驗以及創(chuàng)作等一系列活動讓學(xué)生在親身參與中感受人工智能技術(shù)的無窮魅力，并在體驗中基本理解人工智能的原理，知道人工智能怎么“做”。培養(yǎng)學(xué)生交叉學(xué)科的創(chuàng)新思維，進(jìn)而思考如何利用人工智能解決問題。初中階段的人工智能課程，可以設(shè)計體驗類和簡單的創(chuàng)作類活動，讓學(xué)生感受到人工智能課程的“好玩”及“可玩”[11]。初中人工智能課程內(nèi)容，具體如圖4所示。

(1)認(rèn)識人工智能

通過介紹“人機(jī)大戰(zhàn)”、圖靈測試等故事以及生活中常見的人工智能應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生人工智能的興趣，讓學(xué)生在故事中理解人工智能是什么，能說出人工智能的定義；知道人工智能的三要素，并能說出每個要素的作用；了解人工智能的發(fā)展歷程，能用辯證的眼光來看待人工智能。

(2)體驗人工智能(理解簡單基本原理)

體驗人工智能(理解簡單基本原理)模塊是讓學(xué)生通過體驗，并從技術(shù)角度了解基本的人工智能原理，從機(jī)器會看(圖像識別等技術(shù))、聽(語音識別等技術(shù))、說(人機(jī)對話技術(shù))、想(機(jī)器人技術(shù)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù))等多個維度來學(xué)習(xí)體驗人工智能的用途。了解技術(shù)簡單的基本原理，在此基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)人工智能的重要的原理之一--機(jī)器學(xué)習(xí)(深度學(xué)習(xí))。體驗人工智能(理解簡單基本原理)模塊的學(xué)習(xí)過程設(shè)計如圖5所示。

以機(jī)器“聽”為例說明學(xué)習(xí)過程如圖6所示：

以機(jī)器“聽”為例設(shè)計相關(guān)內(nèi)容：

a.體驗?zāi)骋粦?yīng)用：通過輸入法的智能語音識別感受人工智能技術(shù)可以讓機(jī)器“聽”。

b.引出“語音識別”：理解機(jī)器“聽”的關(guān)鍵是語音識別技術(shù)。

c.理解“語音識別”原理：人說話的時候，通過聲帶使空氣發(fā)生震動，產(chǎn)生聲波。機(jī)器在學(xué)習(xí)的過程中，人們會設(shè)計一些數(shù)學(xué)模型，讓機(jī)器知道這個聲波對應(yīng)哪個漢字。學(xué)習(xí)完所有漢字后，就生成了一個模型，最后這個機(jī)器就把這個模型記在腦海里。識別的時候，機(jī)器同樣是把人所發(fā)出的聲波進(jìn)行處理，截取合適的片段，將這些片段與腦海中的模型進(jìn)行比對，哪個最接近，就把當(dāng)前發(fā)的音轉(zhuǎn)換為漢字，然后再把整句話合成輸出。具體步驟如圖7所示。

d.語音識別等技術(shù)相關(guān)知識拓展：語音識別的作用、語音識別的發(fā)展歷程等知識拓展。

(3)實現(xiàn)人工智能

結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知特點，本階段學(xué)生的編程是基于人工智能某一點的編程，在編程的過程中，一方面鞏固所學(xué)人工智能知識，另一方面培養(yǎng)學(xué)生計算思維及實踐能力。對初中學(xué)生計算思維的培養(yǎng)，圖形化編程是一種表達(dá)方式，也是一種新的開發(fā)方式。圖形化的編程語言，本質(zhì)上是可視化的思維，使得計算思維的培養(yǎng)和訓(xùn)練簡單方便。

通過圖形化編程，初步設(shè)計稍微復(fù)雜一些的人工智能作品(包含人工智能的多個功能點)，最終，通過整體對人工智能的學(xué)習(xí)，完成制作。比如，仍然可以為學(xué)生設(shè)計編程任務(wù)：“聽話的燈”。這里就需要學(xué)生了解語音控制電燈系統(tǒng)的信息流，會用可視化編程軟件編寫藍(lán)牙通訊apk，并掌握接收串口數(shù)據(jù)并控制端口的方法等相關(guān)技術(shù)。

3.高中人工智能課程，重在創(chuàng)造創(chuàng)新

人工智能時代，高中生應(yīng)該掌握的核心能力是獨立思考、問題解決、實踐能力[12]和創(chuàng)新創(chuàng)造能力。高中人工智能課程內(nèi)容的設(shè)計應(yīng)偏重于創(chuàng)造創(chuàng)新，強(qiáng)調(diào)人工智能基本理念與原理的傳遞，注重創(chuàng)造力、想象力、整體思考，以及動手能力的提升。高中階段，可通過編程教育、機(jī)器人教育、數(shù)據(jù)分析的案例或項目實踐，提升學(xué)生的創(chuàng)造創(chuàng)新及計算思維能力。

高中學(xué)生具有一定的信息化基礎(chǔ)，從內(nèi)容安排上看，可以讓學(xué)生理解人工智能的基本概念、人工智能的歷史、技術(shù)、人工智能的基本過程以及實現(xiàn)人工智能的典型算法和主要實現(xiàn)手段。通過諸如基于搜索的問題求解、基于反饋的控制思想、基于統(tǒng)計的模式識別、基于機(jī)器學(xué)習(xí)的問題求解等相關(guān)知識的學(xué)習(xí)來培養(yǎng)學(xué)生利用人工智能技術(shù)解決實際問題的基本思維方式及能力。高中的人工智能課程重點應(yīng)增強(qiáng)學(xué)生的計算思維，計算思維主要是指通過分解、模式與概括、抽象、算法思維、評估來形成有效的問題解決方案[13]。通過程序設(shè)計以及實踐經(jīng)驗，學(xué)生的計算思維才能得到鍛煉與培養(yǎng)。程序設(shè)計是計算思維能力提升的重要方法之一，因為程序設(shè)計過程可以讓計算思維這個抽象的概念變得具體，可以成為培養(yǎng)學(xué)生計算思維的工具。關(guān)于程序設(shè)計語言，Python被認(rèn)為是進(jìn)入人工智能領(lǐng)域的敲門磚。根據(jù)高中學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，高中課程編程部分建議使用Python語言。結(jié)合以上分析，高中課程內(nèi)容如圖8所示。

(1)認(rèn)識、體驗人工智能

通過基于場景的人工智能體驗來認(rèn)識人工智能，體驗各種人工智能產(chǎn)品，學(xué)會與較復(fù)雜的智能工具打交道，進(jìn)一步了解人工智能的三要素在產(chǎn)品中發(fā)揮的作用。嘗試讓學(xué)生自己分析體驗所涉及的人工智能的相關(guān)技術(shù)。

(2)理解人工智能(深入分析各技術(shù))

學(xué)習(xí)人工智能基礎(chǔ)知識與原理，可以通過項目式學(xué)習(xí)的方式，從基本的功能開始開展，逐步加入不同的人工智能技術(shù)(如語音識別、自然語言理解、圖像識別、語音合成、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等)，讓項目的內(nèi)容越來越豐富，能較深入分析人工智能的相關(guān)技術(shù)，了解典型算法和主要實現(xiàn)手段，理解人工智能的實現(xiàn)方法。例如通過不同的例子來學(xué)習(xí)基于搜索的問題求解、基于機(jī)器學(xué)習(xí)的問題求解、基于帶約束優(yōu)化的問題求解等相關(guān)技術(shù)，習(xí)得學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)采集與處理能力、數(shù)學(xué)建模能力、問題求解能力等(如圖9所示)。

(3)創(chuàng)造創(chuàng)新——實現(xiàn)人工智能(Python編程)

通過Python編程，實現(xiàn)復(fù)雜的人工智能作品，在作品完成過程中培養(yǎng)學(xué)生的計算思維及動手實踐能力、創(chuàng)新創(chuàng)造能力。相對于初中的基于點的編程，高中階段應(yīng)是基于面上的系統(tǒng)編程。通過整體對人工智能的學(xué)習(xí)，能夠設(shè)計相對復(fù)雜的人工智能作品。

四、結(jié)語

在中小學(xué)開設(shè)人工智能相關(guān)課程，可以提升學(xué)生的人工智能認(rèn)知、思維及能力，幫助學(xué)生適應(yīng)未來的生活，提升教育現(xiàn)代化水平。在我國，開展中小學(xué)人工智能教育，應(yīng)根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知能力、知識掌握水平等綜合因素，合理考慮課程內(nèi)容編排，分層次設(shè)計各個學(xué)段的課程內(nèi)容，從認(rèn)知、體驗、理解到應(yīng)用，逐步加深學(xué)生對人工智能相關(guān)知識的掌握。當(dāng)前，中小學(xué)人工智能課程設(shè)計和教學(xué)實踐都還處于探索階段，尚有許多問題待解決，期待有更多學(xué)者開展這方面的研究。

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