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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侄巍Ｔ谛W(xué)開設(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，沒有足夠多的有能力的教師來教授人工智能課程。

第二是沒有充分的統(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)教師沒有能力開發(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的普及。

第四，教材陳舊、重復(fù)、單調(diào)。目前，小學(xué)開設(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)開設(shè)圖形編程課程，五年級(jí)和六年級(jí)開設(shè)Python編程課程，每個(gè)年級(jí)都開設(shè)機(jī)器人課程。學(xué)校偶爾會(huì)利用當(dāng)?shù)貎?yōu)質(zhì)資源開展人工智能教育。然而，這類講座和展覽所占的比例并不高?？傮w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)的問題。

近年來，相關(guān)組織和國家提出的關(guān)鍵能力框架在內(nèi)容選擇上體現(xiàn)出了國際性和民族性的結(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)鍵競爭力的人才。

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)目中的問題，通過討論和協(xié)商共同解決問題。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)見的未來，當(dāng)人工智能機(jī)器被開發(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、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)生通過自主分析、自主探索、自主實(shí)踐、自主提問、自主創(chuàng)造來獲取知識(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)階段開設(shè)AI課程，以滿足我國學(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，反過來為人工智能的發(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)共回收有效問卷978份。

問卷由兩部分組成: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)容無關(guān)。這說明學(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)。我們通過精心選擇教材和提供多樣化的課程內(nèi)容來提升學(xué)生的文化素養(yǎng)。