中小学人工智能教育：何以探索与实践
教育
科学
2024-06-19 15:30
北京
![]()
图/在 2023 年全国青少年人工智能创新实践交流展示会上，学生向观展者介绍自己的项目
祁荣宾／上海人工智能实验室智能教育中心
王艳芳／教育部课程教材研究所课程改革实验研究中心
随着人工智能技术的迅猛崛起，人才培养正迎来一场前所未有的深刻变革。昔日，教育的重心在于传授基础知识和技能，以满足工业时代的迫切需求。然而，随着数字时代的翩然而至，教育的焦点已悄然转变，更加聚焦于培养创新思维和数字素养等高阶能力。
我国政府对人工智能领域的人才培养给予了高度重视，并将人工智能教育列为国家发展战略的关键一环。特别是中小学阶段的人工智能教育，作为孕育未来创新人才的摇篮，正逐渐受到社会各界的热切关注。早在2017年，国务院发布《新一代人工智能发展规划》，明确提出在中小学阶段设置人工智能相关课程。2022年，教育部印发的《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》明确提出将人工智能作为课程内容。当前，中小学人工智能教育正站在时代的风口浪尖，既迎来了前所未有的发展机遇，也面临着诸多挑战与问题，亟待深入思考与解决。本文将从中小学人工智能教育的推进之策，以及如何提升教师专业水平两个方面进行分析，以期为我国中小学人工智能教育实践提供有益的参考和启示。国家对中小学人工智能教育高度重视，但现实中仍面临诸多挑战。人工智能已作为教学内容纳入信息课程标准，但在课程标准、课时安排、教学评价等方面缺乏统一规范。地方区域层面，经费和人力投入不足，缺乏自上而下的有效统筹；学校方面，人工智能教育尚处于摸索阶段，资源和师资匮乏，且融入日常教学体系不足；企业和高校方面，尽管拥有丰富的教育产品和深厚的成果沉淀，但其提供的产品和服务与中小学人工智能教育的实际需求还有一定距离。因此，建立起一个健康、稳定、可持续的中小学人工智能教育生态环境，需要政府、学校、企业、高校和科研机构等多方面的协同努力。教育相关部门应出台更加具体和有针对性的政策，明确中小学人工智能教育的建设目标，做好顶层设计和统筹管理；对人工智能课程标准和各学段开设的课时量提供指导；组织专业力量，研发课程内容；加强教师培训，提升教师的专业素养和教学能力；提供人工智能实验室建设规划与指导，确保教育资源的合理配置和高效利用；对发展不平衡的区域，分层有序推进人工智能教育落地。学校应加强对人工智能教育的重视和投入，为教师提供足够的发展空间，鼓励和激励教师积极开设人工智能相关课程，参与相关展示交流活动，以学促教，以赛促学，提升教师和学生的获得感和成就感。区域或学校可以通过政策引导、建立合作机制、加强监管和评估等措施，联合企业和高校，提供更加优质的教育产品和服务。只有各方齐心协力、形成合力，才能推动中小学人工智能教育走向更加美好的未来。研究机构可以充分发挥专业引领作用，为区域和学校人工智能教育发展提供有力支撑。比如课程教材研究所与上海人工智能实验室联合开展了“中小学人工智能教育实践研究”项目，通过顶层设计，明确任务规划，构建了教材所—实验区—实验校三方联动的工作推进机制，形成了专家指导—区教研引领—实验校全员参与—教师校本化实践的教研机制，通过专业指导、示范引领，促进区域人工智能教育实践全方位发展。中小学人工智能教育面临课程内容规范性不足的问题，课程缺乏标准指导，课程定位不准确。有的过于追求技术前沿，有的过于简单，还有的将编程、机器人、STEM等课程等同于人工智能课程。此外，课程内容零散、缺乏系统性，学生难以建构人工智能思维模式；不同地区对课程内容的深度和广度需求差异大，规范建设难度高。不同地区可以结合自身发展水平和人工智能教育目标规划，组织专业的研发团队，从课程目标、课程内容、课程评价等方面进行课程和资源开发，也可以结合企业或科研机构研发的课程进行优选或本土化再加工。中小学人工智能课程内容要体现基础性、注重实践性，课程内容应符合中小学生的知识体系和理解能力，强调以情境体验和动手实践驱动知识习得。内容选择上需要与人工智能技术发展保持同步，应有一定的前瞻性、开放性和灵活性。课程体系设计以小学、初中、高中一体化为出发点，构建具有高度连贯性的中小学人工智能课程体系。围绕人工智能核心理念，数据、算法、算力三大要素，确保课程内容合理贯穿于小、初、高全学段，各阶段课程内容能够很好地衔接，使知识累积呈现循序渐进的过程。依据《中小学人工智能课程指南》[1]，上海人工智能实验室联合一线教师研发了适合中小学阶段开课的进阶式课程和项目，表1列出了部分推荐的内容。![]()
中小学信息科技教师在人工智能教育中扮演关键角色，但专业背景的局限性成为他们面临的一大挑战。许多教师缺乏人工智能的核心知识和技能，他们更侧重于编程技巧或工具使用。首先，加强现有教师专业培训是关键，为教师提供系统的人工智能知识和教育教学方法的学习机会。同时，还可以建立教师学习共同体，通过联合校内和地区教师之间教研，进行经验分享和交流，共同提升专业素养。建立人才梯队，激励有能力的教师脱颖而出，带动示范和引领其他教师的成长。针对人工智能师资不足的问题，可以从校内转化或引进校外服务。很多数学、物理、化学等学科教师，因为有比较深厚的数学基础和理工科思维，能够快速进入人工智能领域的学习，同时又能运用人工智能技术解决本学科的问题，可以通过引导参与人工智能的教学。其次，可以借助企业或高校师范生等人工智能技术与教育相关专业的人员进校协同授课，与本校教师在教学和人工智能技术方面做到互补，形成边教学、边培养、边成长的良性发展模式。人工智能作为一门实践学科，其实施与落实离不开完善的实践环境和配套设备。当前，中小学在推进人工智能教育时，面临硬件设施落后、必要设备缺乏的瓶颈，计算机陈旧、硬件设备不足、网络条件不佳，都严重影响学生的体验和课程普及。相关部门应尽快制定中小学人工智能教育实验场所建设标准，规范学校实验室建设，促进不同地区、学校、企业之间的深入合作，共同推动实验室建设步伐。同时还要注重实验室与人工智能课程资源的配合使用，优化资源配置，提升使用效率。学校需要着力提升人工智能教学的软硬件配置水平，包括性能良好的计算机、开源硬件、本地训练需要的算力资源等。选择功能全面，性能稳定，满足日常教学、项目实践、资源共享的一体化人工智能平台也至关重要。此外，还需优化网络环境，提升网络带宽和稳定性，确保教学平台的流畅访问，为学生提供良好的在线学习环境。人工智能教育的核心在于全面促进学生的培养与发展，这是一项集优质课程内容、专业教师团队、适宜实践环境及良好教育生态于一体的系统工程。科普实践活动在其中扮演着重要的角色，作为连接各关键要素的桥梁与纽带，可有效推动各要素间的深度融合与提升。通过科普实践活动不仅能促进人工智能的教与学，还可助力构建创新人才评价体系，使优秀成果得以反哺课程内容，形成正向循环。同时，实践活动应注重内容的丰富多彩，吸引学生积极参与，并通过广泛辐射效应推动各地区人工智能教育协同发展。由中国科协青少年科技中心、中国青少年科技教育工作者协会、上海人工智能实验室和地方科协主办的全国青少年人工智能创新实践活动就是一个非常典型的科普实践活动案例。该活动以“与AI共创未来”为主题，面向青少年开展人工智能艺术生成、人工智能交互设计、人工智能工程实践及人工智能算法挑战等实践活动，普及推广人工智能相关知识和技能，通过线上线下的人工智能学习体验和创新实践活动，引导青少年在当今“人机共智时代”，更好地运用人工智能技术为社会和人类未来的发展贡献自己的力量。在2023年的全国青少年人工智能创新实践活动中，经过严格评选，来自全国31个省（自治区、直辖市）及澳门特别行政区的8 000余份参赛作品中，最终有238项优秀人工智能科技实践作品脱颖而出，参与现场展示与交流环节。这些作品充分展现了青少年在人工智能领域的创新精神和卓越才华，共同见证了他们在科技前沿的突破与成长。如何从一个对人工智能知之甚少的“小白”，成长为具备人工智能素养的优秀教师呢？可以从认知转变、学习提升、教学实践、团队协作入手，从被动接受到主动拥抱，从基础入门到深入钻研，从教学研究到课程落地，从单兵作战到合作共赢，实现教师的自我成长。在数字化浪潮席卷而来的今天，信息科技教师正在面临一场深刻的认知转变。曾经，许多教师可能将人工智能视作一个遥不可及的高科技领域，与自己的教学工作关系不大。然而，随着技术的飞速进步与广泛普及，人工智能已悄然融入我们日常生活的每个角落，教育领域亦不可避免地受到了深刻影响。人工智能对基础教育的重要意义不言而喻。它不仅是国家战略发展的基石，更是培养未来创新型人才的关键所在。因此，教师要深刻认识到人工智能技术发展对教育教学带来的前所未有的机遇与挑战，摒弃过去的陈旧观念，积极拥抱新时代的科技力量。保持开放的心态和持续学习的热情，保持对人工智能领域最新技术进展的敏锐嗅觉，时刻关注前沿研究成果和应用案例，紧跟时代步伐，不断拓展视野，丰富认知，更新知识体系，为学生提供高质量的教学和指导。要成为一名具备人工智能素养的教师，学习无疑是开启成功之门的金钥匙。在众多学习路径中，有的以活动和项目为航标，在解决问题的过程中按需学习，逐步深化对人工智能的领悟；有的则从人工智能工具的使用和应用体验切入，在熟练掌握操作技巧的同时，深究其背后的原理；还有的以专业系统学习为目标，致力于掌握人工智能的核心知识与技术，构建完整的知识体系。无论选择哪条学习路径，它们之间都相互交织、相互促进，通识性学习、案例实践及视野拓展都是共同的追求。通识性学习在人工智能入门阶段尤为重要，它涵盖了人工智能的基本概念、基本任务、基本应用及研究领域等，为教师提供了全面而基础性的认知框架。案例实践始终是学习的核心，它不仅是检验学习成果的试金石，更是提升解决问题能力的不二法门。通过实践，教师能够更好地将理论知识转化为实际应用，不断提升自己在人工智能领域的核心素养。华东师范大学出版的《人工智能基础》系列读本，每个单元都围绕真实问题展开，采用项目式学习的方式，让人工智能学以致用[2]。人工智能作为一门高度交叉与融合的学科，其深度与广度超越了单一学科的界限，它融合了计算机科学的算法逻辑、高等数学的理论基石、神经科学的生物基础，以及社会学与心理学的人文洞见。对于有志于深入探究人工智能奥妙的教师而言，夯实前置知识基础是不可或缺的，这不仅有助于教师更好地理解人工智能的内在逻辑与应用价值，更能为未来在人工智能领域的创新与发展奠定坚实的基础。教师不仅需要持续提升自身的人工智能素养，更应通过教学研究做好课程设计，提升教学方法，改变传统育人模式，有效培养学生的人工智能素养。在课程设计方面，教师应紧密结合学生的认知特点，设计层次清晰、实践导向的人工智能大单元教学案例。这些案例应涵盖问题分析、方案设计、实施验证和迭代优化等环节，旨在引导学生逐步深入理解和掌握人工智能的核心方法。同时，教师需不断汲取他人的教学经验，通过开展公开课、仔细打磨课程细节，并接受同行和专家的评议与指导，以完善课程设计。在教学方法上，教师应注重采用多样化、创新性的教学手段，通过真实场景的构建，激发学生的学习兴趣和主动性；利用创意设计吸引学生的注意力，提升课堂的趣味性；借助交互平台增强师生间的互动，提高教学效果。此外，项目实践是提升学生人工智能素养的重要途径，教师应鼓励学生直面挑战，自主思考，通过解决实际问题深化对知识的理解和应用。在育人模式上，教师应实现从注重知识传递向注重创新能力培养的转变。通过问题导向、项目驱动等教学方法，引导学生主动探索与实践，培养他们的创新思维和解决问题的能力。同时，教师还应关注学生的个体差异，因材施教，为每个学生提供适合自己的学习路径和发展空间。此外，鉴于人工智能技术的伦理、法律和社会影响，教师在教学过程中还需注重培养学生的伦理意识和社会责任感，引导他们正确看待和应用人工智能技术。![]()
在当下这个日新月异的时代，中小学人工智能教师若固守单兵作战的模式，显然无法跟上时代的步伐。人工智能教育不仅要求教师拥有深厚的专业知识，更应积极参与合作，在合作过程中获得更多实践锻炼的机会，与更多优秀人才和组织携手共进。同时，教师可以共享优质教育资源，互通有无，形成强大的教育合力，共同推动人工智能教育的普及和发展。通过探索与实践，我们共同期待中小学人工智能教育能够蓬勃发展，为国家的未来注入更多智慧与创新力量。参考文献
[1] 中小学人工智能课程指南课题组．中小学人工智能课程指南[J]．华东师范大学学报（教育科学版），2023，41（03），121-134．
[2] 汤晓鸥，潘云鹤，姚期智．人工智能基础．上海：华东师范大学出版社，2022．■
