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思维素养视角下的中小学人工智能教育

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秦建军郭艳玫马福贵

国务院印发《新一代人工智能发展规划》，明确指出人工智能成为国际竞争的新焦点和经济发展的新引擎，应逐步开展全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程、逐步推广编程教育。那么人工智能在教育中有哪些前沿应用？如何在中小学阶段开展人工智能教育？设置人工智能相关课程有哪些困难和挑战？如何推进会比较有效？人工智能方面教育资源供给和需求是否匹配？一線学校有哪些开展人工智能教育的经验？为此本刊特开设“人工智能教育”专栏，旨在呈现目前中小学校对人工智能的科普与推广情况，挖掘人工智能教育先进而有效的做法，供广大读者参考和借鉴。

早在1977年，麻省理工学院人工智能实验室的KenKahn就提出应该面向儿童开展人工智能程序编写及与之交互的教育[1]，限于当时人工智能自身的技术水平，直到20世纪末才被引进英国、美国、澳大利亚等国家的部分中学课程中[2]。我国从2003年开始尝试在高中阶段开设人工智能选修课程，教育科学出版社、中国地图出版社等在2004至2006年间组织出版了我国第一批《人工智能初步》（选修）教材和配套资料。但是，受限于人工智能学习和授课难度，加上师资、课程趣味性、教学学时限制等原因当时并未得到大规模的实施和应用。

近年来，随着新一代人工智能掀起的技术变革新浪潮，基础教育阶段的人工智能教育焕发新的生命力，并从高中阶段向初中、小学甚至学前阶段延伸。澳大利亚昆士兰科技大学的MichaelMilford教授编制了儿童版的人工智能科普教材[3]。2018年5月，美国人工智能学会（AAAI）发布了面向K12阶段的人工智能教育行动。同年7月，美国人工智能学会（AAAI）和计算机科学教师协会（CSTA）正式联手推进K12人工智能教育计划，间隔一两个月均有相关的研讨活动[4]，目前基本明确了小学阶段人工智能教育的内容应包含机器感知、智能体和推理、从数据中学习、人机交互、伦理等五个主要维度。麻省理工学院电气与计算机系则在今年春季开设了从学前到高中阶段人工智能课程设计的课程[5]。

2017年，国务院《新一代人工智能发展规划》对在中小学阶段设置人工智能课程做了明确部署。贵阳市、成都武侯区、北京东城区等地区，除了高中阶段外，都成规模开设了面向小学阶段部分年级的人工智能课程。由此可见，我国高中阶段的人工智能教育的研究和实践基本和国际同步，而小学阶段的人工智能教育研究和实践探索则要明显快于其他国家，国际基础教育动态显示，在欧美等国家人工智能基础教育也是当下的热点话题。

思维素养是中小学人工智能教育的核心

近年来，开源硬件和图形化编程教育在中小学校中已经有较好的普及基础，以此拓展人工智能的知识点和简单应用在实施层面上并没有太大的难度。但是人工智能又与现有技术课程侧重于工具学习和技能掌握有明显区别，它融合认知科学、计算机、自动化、电子技术、数据科学、系统科学等众多学科领域，决定了中小学人工智能教育培养学生的综合思维素养的突出特点，也是开展人工智能普及教育的重要依据之一。

人工智能基础教育不能生搬硬套学科知识教育的方式，直接把某些知识点的学习作为主要目标。思维素养的视角侧重于培养学生提出问题、构思概念原型、提出不同解决方案、寻求创造性的途径、社会合理性等结构化和通用化的思维表达能力，这些素养包括计算思维、创造性思维、设计思维等。

表1中列出了人工智能教育涉及的主要思维素养及对应的主要目标。以创造性思维为例，人工智能解决问题的结果是多样性的，比如身份识别会有指纹、面部、虹膜、掌纹、声纹等方式，很难说哪种方案一定好或者不好，其中接触式的指纹识别虽然准确但是不方便，面部识别则有误解锁的风险。如何让机器更加聪明地解决问题，不同学生有不同的理解，从学生的视角会设计很多差异性的解决方案。设计思维鼓励学生从使用者、使用场景、任务背景等条件出发考虑问题，因此会得到不同的设计结果和解决方案。

表1所提及的一些思维素养已经在现有的基础教育中涉及，人工智能基础教学内容和方案的设计最大的不同在于是否采用分而治之的方法，需要从思维素养的整体考虑将知识学习、案例启发、练习拓展、实践创新等融会贯通。

思维素养与人工智能教育的形式

探索阶段的人工智能教育可不必严格拘泥于某个特定形式，要做好层次划分和培养目标定义，条件成熟的地区或学校可开设正式的课程或者综合实践，教师也可围绕擅长的案例选择几次课程进行讲授，条件欠缺的学校可结合科技节等活动让学生体验人工智能技术或者相关产品，这些都是学习人工智能的不同方式。

1.科普和体验

人工智能作为科技热点本身会激发学生们的好奇心和兴趣，无论是阿尔法围棋（AlphaGo）人机大战、新华社人工智能播音员正式上岗还是无人驾驶事故频发，这些热点新闻本身就会引起学生对人工智能相关技