編譯：趙小慧 東南大學(xué)腦與學(xué)習(xí)科學(xué)系

研究生導(dǎo)師：柏毅 夏小俊

作者：Xiaodong Huang

隨著時(shí)代的發(fā)展,，社會(huì)對(duì)學(xué)生的信息能力提出了新的要求,。學(xué)生迫切需要高質(zhì)量的計(jì)算機(jī)教育來(lái)幫助他們發(fā)展計(jì)算思維。人工智能具有包容性、綜合性和實(shí)用性,，與數(shù)學(xué),、心理學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等學(xué)科密切相關(guān),。人工智能課程可以幫助學(xué)生體驗(yàn)人工智能的成就,，理解人工智能的原理，實(shí)現(xiàn)人工智能的應(yīng)用,。在此基礎(chǔ)上,，學(xué)生可以利用信息技術(shù)開(kāi)發(fā)程序，構(gòu)建系統(tǒng),，準(zhǔn)確表達(dá)自己,，從而提高能力。人工智能教育作為一門新興學(xué)科,，在我國(guó)面臨著理論指導(dǎo)不足,、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有限的困境。因此,，合理設(shè)置人工智能課程內(nèi)容,，使人工智能教育課程有利于培養(yǎng)學(xué)生的關(guān)鍵能力至關(guān)重要。

人工智能是利用機(jī)器模仿人類智能活動(dòng)的科學(xué),，包括符號(hào)計(jì)算,、模式識(shí)別、專家系統(tǒng),、機(jī)器學(xué)習(xí),、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展,，大量的科技成果不斷涌入我們的生活,，使我們的日常生活更加方便，也改變了我們的思維方式,，為我們打開(kāi)了一扇新的大門,。但也有人擔(dān)心，它的進(jìn)一步發(fā)展會(huì)給人類帶來(lái)新的麻煩,。只有不斷推動(dòng)和發(fā)展人工智能教育,，培養(yǎng)優(yōu)秀的人工智能人才，解決人工智能發(fā)展問(wèn)題,，才能實(shí)現(xiàn)人工智能最大限度造福人類的目標(biāo),。因此，我們現(xiàn)在必須努力發(fā)展人工智能教育,。

人工智能在中小學(xué)的教育已經(jīng)引起了人們的極大關(guān)注,。然而，很少有中小學(xué)將人工智能課程作為一門獨(dú)立的課程,。通常情況下,，人工智能課程與STEAM和技術(shù)課程相結(jié)合，以編程為主要內(nèi)容,，科普講座和技術(shù)展示為補(bǔ)充,。人工智能課程在中小學(xué)整體上仍處于初步探索階段。根據(jù)我們的調(diào)查,，中國(guó)基礎(chǔ)教育階段的人工智能教育應(yīng)該解決的四個(gè)主要問(wèn)題,。

第一，人工智能教師不足,。人工智能作為一門新興的學(xué)科，代表著信息技術(shù)的前沿發(fā)展,。它的理論和技術(shù)還在不斷發(fā)展,，已成為改變?nèi)祟惿畹闹匾侄?。在小學(xué)開(kāi)設(shè)人工智能課程意義重大，一定會(huì)引起學(xué)生的興趣和好奇心,。然而,，沒(méi)有足夠多的有能力的教師來(lái)教授人工智能課程。

第二是沒(méi)有充分的統(tǒng)籌規(guī)劃,。人工智能是目前計(jì)算機(jī)科學(xué)中最熱門的研究領(lǐng)域,，其研究課題包括人臉識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別,、機(jī)器翻譯,、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)等,。人工智能教育的內(nèi)容如此復(fù)雜,，中小學(xué)的人工智能教材不可能如此包容。目前,，我國(guó)中小學(xué)缺乏權(quán)威的人工智能教材,。大多數(shù)中小學(xué)教師沒(méi)有能力開(kāi)發(fā)和編寫人工智能校本教材，教學(xué)內(nèi)容比較零碎,，缺乏整體規(guī)劃,。此外，在課程的形式上也有明顯的差異,。有些學(xué)校將其與創(chuàng)客教育相結(jié)合,，有些學(xué)校則將其與STEAM教育相結(jié)合。

第三,，存在巨大的地區(qū)差異,。沿海地區(qū)教育資源豐富，師資力量雄厚,，教學(xué)設(shè)備先進(jìn),，教材和教學(xué)方法不斷更新。因此,，這些地區(qū)的中小學(xué)都能抓住機(jī)會(huì)提供人工智能課程,。相比之下，偏遠(yuǎn)地區(qū)只有少數(shù)學(xué)校具備發(fā)展條件,。這種不平衡的發(fā)展需要各級(jí)政府和社會(huì)機(jī)構(gòu)的支持,，以推動(dòng)人工智能課程在全國(guó)的普及。

第四,，教材陳舊,、重復(fù)、單調(diào),。目前,，小學(xué)開(kāi)設(shè)的人工智能課程主要集中在編程和機(jī)器人方面,。小學(xué)三年級(jí)和四年級(jí)開(kāi)設(shè)圖形編程課程，五年級(jí)和六年級(jí)開(kāi)設(shè)Python編程課程,，每個(gè)年級(jí)都開(kāi)設(shè)機(jī)器人課程,。學(xué)校偶爾會(huì)利用當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)資源開(kāi)展人工智能教育。然而,，這類講座和展覽所占的比例并不高,。總體而言,，單調(diào)的教材使學(xué)生感到枯燥,，小學(xué)人工智能課程也面臨著內(nèi)容單調(diào)的問(wèn)題。

近年來(lái),，相關(guān)組織和國(guó)家提出的關(guān)鍵能力框架在內(nèi)容選擇上體現(xiàn)出了國(guó)際性和民族性的結(jié)合,。其共同特征體現(xiàn)在三個(gè)方面：人與工具之間的相互關(guān)系側(cè)重于溝通能力、技術(shù)利用能力和信息能力,；在人際關(guān)系方面,，注重學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決問(wèn)題的能力；在人與社會(huì)的相互關(guān)系方面,，強(qiáng)調(diào)社會(huì)交際能力,。這表明，各國(guó)都重視公民的基本和關(guān)鍵能力,，努力培養(yǎng)具有21世紀(jì)工作技能和關(guān)鍵競(jìng)爭(zhēng)力的人才,。

人才培養(yǎng)的總目標(biāo)是關(guān)鍵能力的獲得，課程目標(biāo)是實(shí)施特定課程所要達(dá)到的目標(biāo),。人的生存需要多種能力,，其中最基本、最重要的能力被認(rèn)為是關(guān)鍵能力,。AIEd（artificial intelligence in education ：人工智能在教育中的應(yīng)用）課程作為一種特殊的課程,，是實(shí)現(xiàn)和充分發(fā)揮學(xué)生關(guān)鍵能力的重要手段和途徑。關(guān)鍵能力的內(nèi)涵更廣,，人工智能課程目標(biāo)更明確,、更具體。因此,，關(guān)鍵能力的內(nèi)涵是高度概括和全面的,。關(guān)鍵能力的培養(yǎng)要求我們不僅要教學(xué)生如何使用工具，還要訓(xùn)練他們合作和獨(dú)立,。人工智能教育應(yīng)促進(jìn)關(guān)鍵能力的培養(yǎng),。在關(guān)鍵能力的指導(dǎo)下，根據(jù)各學(xué)科的性質(zhì)和內(nèi)容制定合適的課程目標(biāo),，既要支持學(xué)生的發(fā)展,，又要滿足社會(huì)發(fā)展的需要,。

本文從基礎(chǔ)教育階段學(xué)生的培養(yǎng)目標(biāo)和DeSeCo（Definition and Selection of Competencies：能力的定義和選擇）對(duì)關(guān)鍵能力的基本定義出發(fā)，對(duì)我國(guó)基礎(chǔ)教育階段學(xué)生應(yīng)具備的關(guān)鍵能力進(jìn)行了總結(jié)和梳理,。學(xué)生的關(guān)鍵能力不僅要注重基本知識(shí)和基本技能的掌握，更要注重培養(yǎng)個(gè)人適應(yīng)未來(lái)社會(huì)所需的素質(zhì),，培養(yǎng)個(gè)人終身發(fā)展所需的素質(zhì),。

根據(jù)DeSeCo關(guān)鍵能力的基本定義，將中國(guó)學(xué)生的關(guān)鍵能力定義為：知識(shí)能力,、團(tuán)隊(duì)能力和學(xué)習(xí)能力,。

知識(shí)能力可分為兩類:技能能力和文化能力。技能能力主要指學(xué)生對(duì)各種基本知識(shí)和基本應(yīng)用方法的掌握,。人工智能教育知識(shí)能力的培養(yǎng)側(cè)重于幫助學(xué)生掌握適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)方法,，培養(yǎng)良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，并通過(guò)各種學(xué)習(xí)任務(wù)促進(jìn)學(xué)生邏輯思維,、抽象思維,、批判性思維、觀察分析能力的發(fā)展,，這有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率,。文化能力主要指學(xué)生對(duì)各種文化背景和人文思想的理解。人工智能教育從知識(shí)普及,、情感管理,、價(jià)值欣賞、興趣培養(yǎng)等方面引導(dǎo)數(shù)字化時(shí)代學(xué)生人文思想的發(fā)展,。因此,，它有助于學(xué)生正確理解人工智能的價(jià)值。

團(tuán)隊(duì)能力包括團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和人與工具協(xié)作能力,。團(tuán)隊(duì)合作能力強(qiáng)調(diào)學(xué)生在團(tuán)隊(duì)中處理人際關(guān)系和與學(xué)生溝通的能力,。在AI教育中，學(xué)生通過(guò)合作完成基于AI的項(xiàng)目,，學(xué)習(xí)如何發(fā)現(xiàn)項(xiàng)目中的問(wèn)題,，通過(guò)討論和協(xié)商共同解決問(wèn)題。人與工具協(xié)作能力強(qiáng)調(diào)學(xué)生識(shí)別和正確使用工具的能力,。在人工智能環(huán)境中,，人們不僅要處理人與實(shí)體之間的關(guān)系，還要學(xué)會(huì)與智能機(jī)器和諧相處,。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái),，當(dāng)人工智能機(jī)器被開(kāi)發(fā)和使用時(shí)，學(xué)生可以積極地遵循倫理道德的要求,，成為智能社會(huì)的積極建設(shè)者,。

學(xué)習(xí)能力包括認(rèn)知能力和自主學(xué)習(xí)能力,。認(rèn)知能力是指學(xué)生對(duì)事物的感覺(jué)、感知和表征能力,，以及判斷,、推理、分析和得出結(jié)論的能力,。在人工智能教育中,，通過(guò)觀察機(jī)器如何觀察事物，學(xué)生進(jìn)一步反思人們?nèi)绾胃兄屠斫馐澜绾蜕鐣?huì),。自主學(xué)習(xí)能力是指學(xué)生通過(guò)自主分析,、自主探索、自主實(shí)踐,、自主提問(wèn),、自主創(chuàng)造來(lái)獲取知識(shí)。在人工智能教育中,，學(xué)生可以了解機(jī)器如何學(xué)習(xí)算法,，并理解機(jī)器自主學(xué)習(xí)方法。因此,，學(xué)生可以充分認(rèn)識(shí)到自主學(xué)習(xí)的必要性,，養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)的習(xí)慣。

在學(xué)習(xí)了精心設(shè)計(jì)的人工智能課程后,，學(xué)生們將擁有這些關(guān)鍵能力,。學(xué)生具有獨(dú)特的想象力、綜合的分析和決策能力,、敏銳的感知能力,、藝術(shù)和審美鑒賞力、求知欲,、批判性思維,、良好的心態(tài)和突出的社會(huì)交往能力。

基于以上關(guān)鍵能力,，本節(jié)研究如何在基礎(chǔ)教育的現(xiàn)階段開(kāi)設(shè)AI課程,，以滿足我國(guó)學(xué)生關(guān)鍵能力培養(yǎng)的目標(biāo)。

人工智能教育的最終目標(biāo)是培養(yǎng)智能時(shí)代的人才,。從完善人工智能人才培養(yǎng)體系的角度來(lái)看,，AIEd是培養(yǎng)學(xué)生人工智能能力的載體。因此,，有必要構(gòu)建一個(gè)合理的人工智能模型,。我們應(yīng)該選擇有趣的教材，這將有利于吸引學(xué)生的興趣。虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)造了生活般的體驗(yàn),，使學(xué)生可以受益于互動(dòng)模式,。該課程有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和創(chuàng)新能力。人工智能課程必須深入挖掘關(guān)鍵能力特征,，參照人工智能學(xué)科發(fā)展和中小學(xué)人工智能課程內(nèi)容研究,，根據(jù)學(xué)生身心發(fā)展特點(diǎn)，選擇合適的主題和內(nèi)容,。

人工智能的一個(gè)重要特征是綜合性,，它涵蓋了計(jì)算機(jī)科學(xué)、腦科學(xué)和生物學(xué)等廣泛的領(lǐng)域,。AI課程所涉及的知識(shí)也是包容性的。在為學(xué)生選擇合適的材料時(shí),，我們應(yīng)該考慮到學(xué)生的心理發(fā)展,。同時(shí)，也要尊重人工智能知識(shí)的內(nèi)在邏輯,。學(xué)科專家和一線教師應(yīng)協(xié)調(diào)選擇教材,。前者掌握了學(xué)科發(fā)展的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，后者充分了解學(xué)生當(dāng)前的知識(shí)水平和經(jīng)驗(yàn),。重點(diǎn)在于建立學(xué)生的生活體驗(yàn)與AI理論,、技術(shù)以及現(xiàn)實(shí)生活情境之間的聯(lián)系。最終目標(biāo)是增強(qiáng)學(xué)生對(duì)人工智能知識(shí)的理解和對(duì)人工智能技術(shù)的掌握,。這樣,，我們可以培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維，激發(fā)學(xué)生對(duì)人工智能的熱情,。

由于時(shí)代的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,，人工智能的一些成果已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生活的各個(gè)領(lǐng)域，為學(xué)生提供了更多的機(jī)會(huì)來(lái)體驗(yàn)人工智能技術(shù),，促進(jìn)學(xué)生對(duì)人工智能的理解,。作為“數(shù)字原生代”，年輕一代更依賴于數(shù)字設(shè)備和智能產(chǎn)品,，對(duì)探索和使用新技術(shù)成果更感興趣,。人工智能課程的學(xué)習(xí)將幫助他們更好地融入智能社會(huì)。因此,，在中小學(xué)開(kāi)設(shè)AI基礎(chǔ)課程,，符合學(xué)生目前的認(rèn)知水平，有利于提高學(xué)生對(duì)AI知識(shí)的理解,，激發(fā)學(xué)生對(duì)人工智能的探索,，幫助學(xué)生成為AI時(shí)代的積極建設(shè)者。

根據(jù)需求分析結(jié)果，學(xué)生對(duì)AI課程表現(xiàn)出極大的興趣,，希望學(xué)習(xí)智能機(jī)器人,、基礎(chǔ)人工智能技術(shù)等有趣的內(nèi)容。一線教師努力加快構(gòu)建系統(tǒng)的人工智能課程體系,，通過(guò)高質(zhì)量的人工智能課程激發(fā)學(xué)生對(duì)人工智能的興趣,，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維。因此,，加強(qiáng)對(duì)教師的人工智能培訓(xùn)是非常重要的,。人工智能專家認(rèn)為，人工智能課程的價(jià)值在于可以讓學(xué)生得到人工智能的形成性教育,，讓他們盡早接觸到人工智能的相關(guān)知識(shí),，了解人工智能的價(jià)值。這些都將激發(fā)學(xué)生探索人工智能的興趣,，提高學(xué)生的科學(xué)能力,，反過(guò)來(lái)為人工智能的發(fā)展培養(yǎng)更多的人才。因此,，學(xué)生,、一線教師和學(xué)科專家都強(qiáng)調(diào)，人工智能課程應(yīng)注重激發(fā)學(xué)生的興趣,，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維,，這也為中小學(xué)制定人工智能課程目標(biāo)提供了重要依據(jù)。

綜上所述,，人工智能課程目標(biāo)應(yīng)以需求分析為基礎(chǔ),，以培養(yǎng)關(guān)鍵能力為目標(biāo)，有利于學(xué)生的全面發(fā)展,。因此,，我們將其目標(biāo)分解為知識(shí)能力、團(tuán)隊(duì)能力和學(xué)習(xí)能力,。在培養(yǎng)學(xué)生關(guān)鍵能力的基礎(chǔ)上,，合理安排AI課程內(nèi)容。知識(shí)能力是與人工智能相關(guān)的核心知識(shí),。團(tuán)隊(duì)能力與人工智能中的團(tuán)隊(duì)合作相對(duì)應(yīng),。學(xué)習(xí)能力主要是學(xué)習(xí)和掌握機(jī)器學(xué)習(xí)的方法和認(rèn)知過(guò)程。

本研究將AI課程的具體內(nèi)容設(shè)置為統(tǒng)計(jì)變量,，目的是了解AI課程的具體內(nèi)容是否適用于學(xué)生關(guān)鍵能力培養(yǎng)的模型,。數(shù)據(jù)采集自北京市初中二年級(jí)學(xué)生和北京市高中一年級(jí)學(xué)生。在北京市5所中學(xué)共回收有效問(wèn)卷978份,。

問(wèn)卷由兩部分組成:AI教學(xué)內(nèi)容調(diào)查和學(xué)生關(guān)鍵能力調(diào)查,。關(guān)于AI教學(xué)內(nèi)容和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的調(diào)查有九條陳述，可以分為七類:編程知識(shí)；圖像處理的知識(shí),；自然語(yǔ)言處理的知識(shí),；機(jī)器人的知識(shí)；人工智能的發(fā)展歷程,；人工智能倫理,；機(jī)器學(xué)習(xí)。學(xué)生關(guān)鍵能力調(diào)查共有26項(xiàng)陳述,，可分為知識(shí)能力,、團(tuán)隊(duì)能力、學(xué)習(xí)能力3大類,，6個(gè)子類:技能能力,、文化能力、團(tuán)隊(duì)合作能力,、人-工具協(xié)作能力,、認(rèn)知能力和自我學(xué)習(xí)能力。

在本研究中,，我們希望探討人工智能課程內(nèi)容與學(xué)生關(guān)鍵能力之間的關(guān)系。因此,，將AI課程內(nèi)容的7大類作為自變量,。

結(jié)果顯示，學(xué)生對(duì)機(jī)器人知識(shí)學(xué)習(xí)選擇的標(biāo)準(zhǔn)差為0.5203,，說(shuō)明大部分學(xué)生都愿意學(xué)習(xí)機(jī)器人相關(guān)知識(shí),。編程知識(shí)獲取的標(biāo)準(zhǔn)差為0.5661，說(shuō)明大多數(shù)學(xué)生認(rèn)為編程知識(shí)和機(jī)器人知識(shí)對(duì)他們非常重要,。學(xué)生對(duì)獲取人工智能倫理知識(shí)的選擇的均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為2.72和0.8651,，說(shuō)明學(xué)生對(duì)人工智能倫理學(xué)習(xí)的看法并不統(tǒng)一，且比較多樣化,。有些學(xué)生愿意學(xué)習(xí)這方面的知識(shí),，但有些學(xué)生不太愿意深入這一領(lǐng)域。大多數(shù)學(xué)生對(duì)其他知識(shí)內(nèi)容的學(xué)習(xí)表現(xiàn)出矛盾的態(tài)度,。

數(shù)據(jù)顯示,，文化能力與AI課程的內(nèi)容無(wú)關(guān)。這說(shuō)明學(xué)生在AI課程中很難培養(yǎng)自己的文化能力,。此外,，團(tuán)隊(duì)能力的兩個(gè)子能力(團(tuán)隊(duì)能力和人-工具協(xié)作能力)與人工智能課程內(nèi)容也呈負(fù)線性相關(guān)。這是因?yàn)槟壳暗娜斯ぶ悄苷n程過(guò)于重視學(xué)生知識(shí)和技能的培養(yǎng),，而忽視了團(tuán)隊(duì)能力的培養(yǎng),，這表明學(xué)生認(rèn)為人工智能課程只能部分地培養(yǎng)他們的團(tuán)隊(duì)能力。技能能力、認(rèn)知能力,、自學(xué)能力與人工智能課程內(nèi)容呈線性正相關(guān),，說(shuō)明學(xué)生非常欣賞人工智能課程內(nèi)容在這三個(gè)子能力培養(yǎng)中的作用。

從以上分析可以得出,，學(xué)生認(rèn)為目前的人工智能課程能夠促進(jìn)技能能力,、認(rèn)知能力和自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，在人工智能課程設(shè)置中加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作至關(guān)重要,。重點(diǎn)應(yīng)該放在培養(yǎng)人與智能機(jī)器之間的有效合作上,。此外，豐富課程內(nèi)容,，加強(qiáng)能力培養(yǎng)也很重要,。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)前的人工智能課程對(duì)提高學(xué)生的技能能力,、認(rèn)知能力和自主學(xué)習(xí)能力有一定的促進(jìn)作用,。在人工智能課程設(shè)置中，有必要考慮加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)成員的合作,。應(yīng)該重視人與人工智能之間的合作與互動(dòng),。我們通過(guò)精心選擇教材和提供多樣化的課程內(nèi)容來(lái)提升學(xué)生的文化素養(yǎng)。