原题：简论中小学人工智能课程的建构

　　作者简介：王本陆，北京师范大学教育学部 100875；千京龙，北京师范大学教育学部 100875；卢亿雷，北京师范大学教育学部 100875；张春莉，北京师范大学教育学部 100875

　　内容提要：开发中小学人工智能课程是我国《新一代人工智能发展规划》提出的基础教育课程建设的新课题。中小学人工智能课程的建构，需要在深入理解人工智能技术及其发展应用趋势的基础上，基于基础教育规律和学生身心发展需要，以培养更好地适应人工智能时代的人为基本取向，整体架构课程目标、内容层级及其教学体系。人工智能课程应致力于培养中小学的“创造力、人文素养和计算思维”等核心素养，可按照基础体验、兴趣培养、自主探究、专业学习等层级由浅入深规划课程内容，基于其综合实践活动课程的性质定位，配套建设基于人工智能技术的数字化教学软件平台和任务式项目创新学习教学模式。基于对人工智能课程的理论认识，课题组尝试开发了“基于人工智能和大数据的青少年创新素质测评系统及AI教学技术平台”，并在全国几十所中小学校开展了人工智能课程的初步教学实践探索，取得了积极成果。

　　关 键 词：人工智能 课程开发 综合实践活动课程

　　标题注释：本文系北京市教育科学“十二五”规划重点(优先关注)课题“信息化条件下北京市中小学学生学习方式变革实验研究”(ABA14010)阶段性研究成果。

　　进入21世纪以来，随着信息技术的飞速发展，互联网、大数据、云计算、智能手机等信息技术产品和服务给人类社会带来了翻天覆地的变化，也不可避免地给教育行业带来了深刻影响。特别是在2016年，以智能机器人AlphaGO战胜围棋高手李世石为起点，全球再次掀起了“人工智能”技术的热潮，“人工智能时代”正以惊人的速度向我们走来。2017年8月，党中央、国务院正式发布了关系我国全局和长远发展的《新一代人工智能发展规划》(以下简称《规划》)，描绘了未来十几年我国人工智能发展的宏伟蓝图，并在《规划》中明确提出了“在中小学阶段设置人工智能相关课程”的要求。本文基于我们近年的实践探索，尝试就中小学人工智能课程建构问题做些讨论。

　　一、中小学人工智能课程的目标定位

　　课程是人才培养的具体蓝图。开设人工智能课程，必然要回答一个前提性问题：中小学人工智能课程是培养人工智能专门人才，还是培养适应人工智能时代的全面发展的人？我们体会，人工智能专门人才的培养固然很重要，但对于基础教育而言，如何使人更好地适应人工智能新时代，是一个更加具有全局性的问题，是人工智能课程需要真正解决的根本问题。

　　人工智能不仅是一次技术层面的革命，未来它必将与重大的社会经济变革、教育变革、思想变革、文化变革等同步，成为下一次工业革命的核心驱动力。人工智能时代将是人类社会全新的大发现、大变革、大融合、大发展的时代。面对这样的大变革时代，我们不得不思考“我在那时能做什么”，而结论必然是“我能做和智能机器不一样的事”。

　　人工智能会迅速占领所有标准化领域，那些程式化的、重复性的、练习性的，那些靠记忆、搜索、整合和反复练习就可以掌握的技能将几乎肯定会被机器取代；反之，那些最能体现人的综合素质的技能，人类独特的技能，将倍显珍贵，例如，人的创造性思维能力；对于复杂系统的综合分析与决策能力；对于艺术和文化的审美与创作能力；由生活经验及文化熏陶产生的直觉、常识；基于人自身的情感(爱、恨、热情、冷漠等)与他人互动的能力；思考、创造、沟通与情感交流能力；人与人的依恋、归属感和协作精神；好奇、热情、志同道合的驱动力；综合感悟和对世界的想象力，等等。这些是人与智能机器最大的差别所在，也是人工智能时代人类最有价值、最值得培养和学习的特性。

　　李开复博士说：“我个人预测，从事翻译、新闻报道、助理、保安、销售、客服、交易、会计、司机、家政等工作的人，未来十年将有约90%被人工智能全部或部分取代。如果就全人类的工作进行一个粗略的估计，我的预测是，约50%的人类工作会受到人工智能的影响。”[1]p156甚至连计算机普通程序开发这样的工作，都会有一大部分被机器替代，但是，这并不意味着人类就会全面失业。[1]p160技术发展将造成一部分简单工作、底层工作的消失或转变，但由此也会催生更多新型的、更需要人类判断力和创造力的工作类型，例如：设计师、架构师、建筑师、流程设计和管理者、艺术家、文学家，等等。这些工作不但不会被取代，反而会成为未来的稀缺资源，会吸引更多在社会和经济转型中愿意尝试新领域的人来从事类似工作。像科学创造、文学评论、艺术创作、深度访谈节目的电视导演等，这些需要复杂思考和创造的工作，可以利用人工智能来局部提高效率，但无法被智能机器所完全取代。

　　综上所述，我们认为：创造力、人文素养和计算思维将是人工智能时代的人才所需的核心能力。培养人的创造力、人文素养和计算思维，这就是人工智能课程的核心目标，也是人工智能时代基础教育课程的重要价值取向。

　　创造力是人类区别于自然界和机器的最重要的能力。人类社会从低级到高级、从简单到复杂、从原始到现代的进化历程，就是一个不断创新的过程，正是因为人类具备创新能力，才有了人类社会的不断进步和发展，才有了人工智能时代的到来。创新能力是基础教育阶段学生发展的最高目标之一。可以从“知识力、思维力、践行力、协作力、自控力”①等方面对学生进行综合训练和测评，从而提高学生创新素质和能力。创造力是以想象力为基础的创意物化的能力，它需要在不断的思考、创意、设计和动手实践中培养。影响创造力的最重要因素有三：创新文化，物化工具与实践活动。没有鼓励创新的氛围和环境，学生们的想象力会被扼杀；没有合适的创意物化工具，学生们就无法表达自己的奇思妙想；没有全情投入的动手实践行为，创造力将无法得到有效的训练和培养。

　　人文素养是对人类生存意义和价值的关怀，是人类独具的一种精神现象。我们需要从历史文化、核心价值观、人文情怀、艺术感知等多方面教育和引导学生，并使之在亲身感知、思考和体验中树立正确的人文情怀，这是人类区别于机器的终极素养。

　　计算思维是人工智能时代的独特能力要求。当人类的工作与生活都被人工智能所环绕时，如果连它最基本的运行原理和思维方式都一无所知，又怎么有效运用人工智能呢？计算机科学是人工智能的基础，而计算思维就是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一种思维方式和思维活动。计算思维是人类解决各种问题的一条有效途径。我们使用各种计算终端设备(电脑、手机、VR、可穿戴设备等)，用自己的智慧去解决一些在计算机和人工智能技术出现之前从来不敢尝试的问题，这将是人工智能时代很重要的思维手段。比如，利用人脸识别技术快速定位一个人现在的位置，这在以前是不可能实现的任务，而现在只需几秒就可以找到答案，这个过程所运用的就是计算思维创造的AI算法。计算思维包含编程思维，但绝不等同于编程，更不是局限于某种编程语言的学习。[2]在基础教育阶段，学生的个性、能力与兴趣千差万别，学生们通过接触计算思维的一些方法和模型，从培养兴趣人手，一步步熟练运用计算思维解决问题，进而可以像计算机科学家一样工作和思考，这是基础教育中计算思维培养的主要目标。使用计算设备，运用计算思维解决问题，将是智能时代每个人都必须具备的基本思维方式。此外，通过深入浅出、生动有趣的课程设计，激发学生对计算思维的兴趣，也会让部分孩子走上计算科学的道路，通过继续深入的专业学习，最终成为计算机和人工智能领域的专门人才。

　　创造力、人文素养和计算思维是人工智能时代人才必备的素养，也是当前中小学人工智能课程教学和人才培养的核心目标。在具足三方面素养的同时，每个人还需要有个性化专长。比如：顶尖的AI科学家，需要在计算技术领域深入研究，他们不但要创造领先的技术和产品，还要用人文情怀确保AI技术的安全可控；一般性专业人才大部分会被AI所替代，而各行业具有创造力的顶尖人才：医生、律师、教师、人类学家、历史学家等等反而会成为AI时代的翘楚；音乐、美术、文学等抽象的人文精神的创造者是AI很难追赶人类的领域；与心灵打交道的服务业人员，比如心理治疗师、咨询师、志愿者、护工等情感服务是AI无法完全胜任的……以上无论哪种专业人才都需要了解AI并善于运用AI产品辅助自己的专长，并以人文情怀不断创造出机器永远无法企及的、高级的物质和文明。中小学学生应该广泛接触和体验各种领域的学习，在全面培养人工智能时代核心素养的同时，逐步发现并深入培养自己的专长，为未来的人生道路选择打下良好基础。

　　二、中小学人工智能课程的内容规划

　　今天的中小学生，将是人工智能时代的中流砥柱，只有从现在开始让他们接触、了解、体验和深度学习人工智能，才能在未来人与人、人与机器、人与世界的共处中实现自己独特的价值。因而，合理规划人工智能课程内容，让中小学生逐步有效接触、了解、体验和掌握人工智能，是一个重要的现实课题。

　　我们认为，了解人工智能时代的特点，体验人工智能时代的人生，打下人工智能时代生存能力的基础，让拥有不同专长、不同个性、不同年龄阶段的全体中小学生们都能从中学习到迎接人工智能时代的知识、技能与体验，这是基础教育阶段人工智能课程与教学的根本追求。这一目标需要在基础教育的不同阶段逐步落实和展开，需要根据学生年龄特点和学校教育学段特征有序规划为不同的课程内容，从而提高人工智能课程的针对性、实效性和系统性。下面简单谈谈我们的设想(见图1)。

图1 人工智能课程的内容层级

　　如图1所示，人工智能课程可以规划为专业性逐渐增强的从边缘到中心的课程层级系统。最外围的是面向普通大众群体的人工智能科普课程，主要涉及AI的相关科普知识、产品使用以及社会热点传播等。

　　基础教育是一种普惠教育，需要让所有学生都能够接受必要的人工智能课程，而不只是让一部分具有特长的学生去学习人工智能。不同学段的人工智能课程，应由浅入深地逐步让学生体验人工智能、使用人工智能和初步探索人工智能。

　　具体说，义务教育阶段的人工智能课程，可以大致分成低中高三个学段来设计。第一，以“基础体验”为特征的低阶人工智能课程。在小学1-3年级可开设低阶人工智能课程，这一阶段的课程内容重在让小学生对人工智能有所接触、了解和体验，具体可以AI知识类故事、计算机及通用软件基本操作、游戏化机器人体验、游戏化教学课程为主。第二，以“兴趣培养”为特征的中阶人工智能课程。在小学4-6年级可开设旨在培养学生人工智能兴趣的中阶人工智能课程，可以涉及使用不同的教具进行想象力转化创作、融入人文精神的主题式创意物化、初步的团队合作、可视化编程、初级机器人编程、游戏化Python编程语言等课程内容。第三，以“自主探究”为特征的高阶人工智能课程。在初中7-9年级可开设突出“自主探究”精神的高阶人工智能课程，初中学生已经具有较强的自我意识和学习能力，因此可采用以学生为中心的教学方法，根据学生特点和兴趣开展自主设计创作、初级论文撰写等团队项目、初级专业编程语言(Python、Java、C++)等课程。简言之，在义务教育阶段，人工智能课程的内容重点是关于人工智能的基础知识、人工智能的初步体验以及人工智能技术的简单探究等，其目的主要是帮助学生亲近、感受、关注和初步探究人工智能。

　　在高中阶段，学生已经能够发现自身的能力和特长，产生不同学习重点的分科分流，因此可以开始在相对专业的研究领域进行人工智能方面的接触与探究。在大学及研究生阶段，学生已经明确选择了未来职业发展道路，其人工智能课程将定位于专业技术领域的人工智能学习与研究，以培养专门人才为己任。

　　近年来，我国基础教育界在开设开发人工智能课程方面做了不少大胆尝试，取得一定成就，也暴露出诸多问题。一种现象是，把人工智能课程窄化为编程语言课程。例如，以响应国家人工智能规划为口号，近期社会上掀起一阵中小学生需要从小学习Python编程语言的宣传热潮，更有甚者还要求从幼儿园就开始教Python，似乎人工智能课程就是学Python。这种枉顾基础教育自身规律，把人工智能课程的基本内容窄化为一种编程语言的学习做法，显然属于以偏概全，是不恰当的。还有一个值得警惕的现象是伪人工智能概念。伪人工智能有两类，一类是偷换概念造假，一类是夸大人工智能技术能力。例如，目前市场上部分智能音箱、跳舞机器人并不是人工智能。一些聊天机器人、会议秘书软件，先后被曝出是以人力辅助或使用替代软件的造假产品。另一类是夸大性能。例如，一些宣称可以替代人类的人工智能写作机器人几秒钟就可以生成一篇结构严谨、数据翔实的资讯稿件，让人们非常震惊和恐慌。其实，写作机器人的人工智能技术含量比较低，其技术本质还是大数据搜索，能够利用大数据和搜索技术索取海量文章中冰冷的数字和内容，形成结构化的新闻报道或文学脚本，但在撰写深度追踪报道、人物事迹或文学创作等需要强烈感情色彩的作品中，它是完全无法胜任的。因而，中小学人工智能课程的内容设计，要坚持严格的技术路线，遵循中小学教育规律，努力避免类似现象发生。

　　三、中小学人工智能课程的教学体系

　　要想全面实现人工智能课程的目标追求，需要在教学理念、教学内容、教学工具和教学活动等方面进行创新突破，努力形成新的教学样态。中小学生创造力、人文素养和计算思维等综合能力，需要在实际解决问题中通过不断训练、体验、修正和深度学习而逐步达成。因而，中小学人工智能课程，与常规的学科课程有很大差异，它是一种基于全新技术平台的综合化项目学习课程，即一种新型的综合实践活动课程。这种课程需要配套的新教学体系，如下图所示(见图2)：

图2 中小学人工智能课程的教学体系

　　根据上述分析和课题组近年来在数十所中小学校开展的AI教学实践，我们认为：中小学人工智能课程的教学体系可以从核心目标、内容体系、教师职责、教学方法以及技术平台这五个方面进行整体架构和具体规划。上文已经就人工智能课程的核心目标、内容层级等做了初步讨论，在此不再赘述。下面主要就教师作用、教学方法和教学平台等问题做些分析。

　　第一，使用数字计算终端设备和基于人工智能技术的数字化教学软件平台进行教学，这是人工智能课程区别于其他课程的重要教学特色。人工智能技术的教学平台是人工智能课程教学的关键特征和物质基础，这种平台能提高教学效率和科学性，它让学生们能在实际使用AI产品的过程中得到潜移默化的熏陶，也就是打造所谓“AI时代的原住民”。它不但能让学生充分共享优质教育资源，实现教育公平，还可以通过自主选择实现个性化学习，了解、学习和利用AI技术平台和产品进行学习，通过人机协作、人机沟通提高学习效率，创造全新学习方法，以强烈兴趣引导和激发学生主动学习和深度学习的原动力。没有AI教学平台，将很难让学生真实体验到人工智能技术，这种人工智能课程将很难达到预期效果。因而，系统开发和优化AI教学平台，是人工智能课程建设最重要的配套工程之一。

　　第二，人工智能课程作为综合实践类课程，其适宜的基本教学方法是体验式综合实践活动。这是一个任务驱动的问题解决的团队合作过程，在教学活动中，注重知识的综合应用和能力训练，以此提高记忆效率和记忆深度。需要强调的是，人类几百年来总结和延续至今的现代基础教育内容和方法依然是重要的，人工智能课程不能取代基础知识的教学，而是自觉与之形成紧密互补和联结关系，努力让学生在实践中学会运用和深度学习基础知识。中小学人工智能课程有效的具体学习方法有：跨学科学习、沉浸式学习、主动式学习、探究式学习、综合实践学习、在线学习、利用机器学习、协作式学习、兴趣主导学习等。学生们需要在解决综合性、复杂性的真实问题中学习，将基础知识学习和实践应用充分结合，边实践边学习。为此，人工智能的教学活动，需要充分发挥学生的主动性、创造性和团队协作精神。

　　第三，教师是指导学生创作实践和引导学生知识运用的设计师和教练员，发挥着独特的主导作用。教师通过内容设计引导学生主动思考、自主学习并指导学生解决问题。教师必须具有AI教学平台操作、问题解决策略、学生个别化指导、跨学科知识整合等方面的专业素养，这对于习惯于分科教学的老师来说，也是一种新的挑战。

　　综合有关人工智能课程目标及其教学框架的认识，我们尝试把中小学人工智能课程界定为：使用数字终端设备和基于人工智能技术的数字化软件，以培养人工智能时代人才的核心能力即“创造力、人文素养和计算思维”为目标的跨学科综合实践课程。这是从“人工智能时代人才培养”角度出发，而不是局限于“人工智能技术工程师训练”的狭隘角度来定义的。

　　四、人工智能课程建构的初步实践

　　自2016年以来，北京师范大学课程与教学研究院和北京粒创科技有限公司基于优势互补开展战略合作，以“信息技术条件下北京市中小学学生学习方式变革的实验研究”课题为依托，组建了“人工智能+青少年创造力教育”项目团队，积极研发“基于人工智能和大数据的青少年创新素质测评系统及AI教学技术平台”，并在全国几十所中小学校开展了人工智能课程的教学实践探索，在中小学人工智能课程体系架构建设方面取得了初步成果。

　　这套中小学AI课程体系是以“创造力、人文素养和计算思维”为核心目标，并以独特的“AI与VR相结合的远程手把手”在线教学技术平台为基础，实现了诸多教育技术的突破。例如，身处北京师范大学授课教室内的一名教师，可以与上海某小学计算机教室内的40名学生共同登陆一个VR云课堂，在这个场景式VR课堂里，教师与学生是面对面的，老师可以看到每一个学生的虚拟形象和他们的全部学习行为，学生也能看到老师的虚拟形象和全部行为，教师与学生们正在一个机器人工厂中，学生给VR机器人编写程序后，VR机器人开始根据学生编写的程序搭建起一座小桥，老师在旁边看到后，告诉学生有一个地方错了，并亲手帮助学生改过来。在这个教学过程中，学生的每一个动作和行动轨迹全部被后台的大数据监控软件抓取，并经过“创新素质评测模型”人工智能算法的分析，最终可输出一份该学生在本节课中的创新行为表现报告雷达图。

　　该课程以“AI/VR远程手把手”在线教学技术平台为基础，围绕前述AI教学的核心目标，形成了一套完整的课程(见表1、表2)。

　　这套课程以项目制学习为教学实践的主要形态，其主要教学方法是以强烈兴趣为引导、以主题为导向、以项目为依托的创造力教学方法，这是一种以学生为主体设计执行创意物化项目的教学方法。在这个课堂中，教师更多扮演着教练员和指导员角色。在一定的时间内，学生会在教师的引导下自主选择、制订计划、提出设计构思、团队协作完成任务，最后通过成果展示等多种形式解决实际问题，从而有效提高学生实际思考和解决问题的能力。该课程是结合了科技、人文、工程、艺术、计算思维、传统文化等多个学科的跨学科综合实践课程，其目标是通过人工智能与现实生活相结合的实践方式，使学生更有效率地学习、掌握和运用各学科基础知识，并在实践过程中培养学生的人文社会情感。通过部分学生作品我们可以看到，学生在问题解决过程中得到了跨学科知识学习与应用，同时创造力得到不断的训练与加强。

　　注 解:

　　①知识力、思维力、践行力、协作力、自控力是我们项目组提出的创新素养的基本构成要素，简称创新素质的“五力模型”，将另文专门讨论。

　　参考文献：

　　[1]李开复，王咏刚.人工智能[M].北京：文化发展出版社，2017.