张银荣等 | 人工智能素养模型构建及其实施路径
摘要：人工智能技术的快速发展与应用对学校人才培养提出了更高要求，而人工智能素养作为人工智能时代核心素养的具体体现已成为决定学校人才培养质量的重要因素。在此背景下，文章首先分析了人工智能素养的概念和相关模型，然后以“人工智能五大理念”为理论基础，建构了人工智能素养结构模型，模型指出，使能目标、内核目标和发展目标是人工智能素养培养的三大目标，AI知识、AI能力、AI伦理是人工智能素养的三个重要维度。最后，文章从构建多层次人工智能教育体系、开展高质量人工智能教学活动、制定多角度评价标准三个方面提出培养学生人工智能素养的实施路径，以期促进学生人工智能素养的发展。
关键词：人工智能；核心素养；人才培养；AI知识；AI能力；AI伦理
一 引言
近年来，人工智能（Artificial Intelligence，AI）已经渗透进人们生活的各个方面，使人们的生产生活方式更加便捷。与此同时，由于智能机器承担了大部分生产工作，人与人之间、人与机器之间的竞争压力日益增大。如何保证个体在人工智能时代依然具有不可替代的核心竞争力，提高人工智能素养成为关键。教育领域的相关研究表明，到2030年人工智能有望将中小学教师工作的40%实现自动化，并且在校车路线优化、校园安全预警等方面的应用也将逐步深入[1]。在此时代背景下，人工智能素养和阅读、写作、数学素养一样，已经成为应对智能时代所必需的技能[2]。在培养这项技能之前，我们首先需要回答一个核心问题：人工智能素养是什么？
核心素养是知识、技能和情感态度的集合体[3]，与人工智能素养的培养密切相关。核心素养最早由OECD提出，是指能满足个人生活需求且能持续发展的一系列素养[4]，涉及“人与工具”“人与自己”“人与社会”三个方面[5]。欧盟指出，核心素养是每个人发展自我、融入社会并胜任工作所必需的能力[6]。蔡清田[7]认为，核心素养是个人能够应对工作挑战、获得优质生活所应具备的知识、能力和态度。不难看出，核心素养的根本目的是为了个体能持续性地适应快速发展的社会。而人工智能素养正是为人们能更好地适应智能社会的工作与生活而提出的。因此，核心素养和人工智能素养的本质是相同的。核心素养作为一个多维度、多功能的复合结构，不仅能从宏观层面对人工智能素养的整体结构进行调控，而且能从单一维度的微观层面对人工智能素养模型的建构给予启发[8]。基于此，本研究尝试以中国学生发展核心素养为指导，同时参考国内外相关研究成果，探讨人工智能素养的理论基础与构成要素。
二 人工智能素养的研究现状：概念与模型
1 关键性概念：人工智能素养
针对人工智能素养的研究早已有之，但限于当时人工智能技术的不成熟，该领域并没有引起人们的重视。直到2018年，人工智能素养才重新进入大众视野并引发教育界的研究热潮[9]。围绕人工智能素养概念的研究主要分为两类：①人工智能素养代表的是一种公民适应智能社会的基本能力，即个体适应人工智能时代工作、学习和生活所需的能力[10]。乔治亚理工学院的Long等[11]认为人工智能素养既是一种个人能够批判性地评估人工智能技术、与人工智能进行有效沟通和协作的能力，也是一种能够将人工智能作为在线、家庭和工作等场所中学习工具的能力。②人工智能素养象征着一种综合素质，不仅包括人工智能相关的知识和能力，还包括与人工智能技术使用相关的态度和伦理等。香港大学的Gary等[12]认为人工智能素养包括“AI概念、AI应用、AI伦理”三个部分，其中“AI概念”主要指了解基本的人工智能知识及其起源，“AI应用”指人工智能技术在现实世界中的应用，而“AI伦理”指在实践中应用人工智能技术面临的道德挑战和安全问题。总之，不论是能力论的人工智能素养，还是综合素质论的人工智能素养，都表现了两个明显的特征：都包含AI知识、AI能力和看待AI的态度等要素，研究的侧重点虽不尽相同，但都认为其是公民适应智能社会所必备的素质，对人的发展至关重要。
2 多元化视角：人工智能模型
本研究采用文献研究法，整理和分析了国内外人工智能素养的相关文章：①在中国知网以“人工智能素养”或“智能素养”或“人工智能素养”为关键词检索近五年（2017~2021）的文章，获得主题相关的期刊文章29篇，其中与本研究直接相关的文章有12篇。②通过关键词“AI Literacy”在WOS、Elsevier ScienceDirect、ACM等数据库检索（2017~2021）近五年的相关文献，最终获得与AI Literacy相关的文章30篇。通过文献研读，本研究筛选出与人工智能素养模型相关且有一定代表性的文章共6篇，如表1所示。
表1 有代表性的人工智能素养模型一览表
具体而言，侯贺中等[13]分析了国内外人工智能素养的研究进展和人工智能课程的开设情况，并参考数据素养的基本要素，构建了智能素养金字塔模型；郑勤华等[14]从人机协同的视角出发，基于加涅的学习结果分类理论构建了智能素养模型；许亚锋等[15]从认知取向和实用取向两个维度，构建了以“基本数智知识与技能、高阶数智思维能力和数智信念与伦理”三个维度为核心的教师数智素养框架。Hyein等[16]界定了K-12阶段学生人工智能素养包含的核心要素，并以此为基础提出了AI素养要素框架；Kim等[17]从人工智能课程开展的角度，构建了AI素养模型；Long等[18]归纳了人工智能素养的定义和学生需要掌握的一组能力，在此基础上提出了AI素养框架。总的来说，现有人工智能素养的研究尚未形成完整的、统一的指标体系，存在“千人千面”的现象，并且有部分研究只是构建了人工智能素养指标，并没有指出如何在教育教学中培养学生的人工智能素养；有部分研究提出的人工智能素养培养措施则相对宏观，存在落地难度大的问题。在智能时代，人工智能素养的提出可能会推动未来学生学习模式的改变，帮助学生获得更优的学习结果和更大的成长空间，因此对人工智能素养模型和指标的探讨还有待进行更加精细化的研究。参考现有的研究成果，本研究提出了更加全面综合的人工智能素养模型和指标，为学生人工智能素养的培养提供理论指导和人工智能相关课程的设计提供依据[19]。
三 人工智能素养的理论基础
由国际中小学人工智能教育指导工作组提出的“人工智能五大理念”[20]，为人工智能素养的研究奠定了坚实的理论基础。这五大理念阐述了机器是如何获得“智能”、“智能”外显以及“智能”交互，如图1所示。
图1 人工智能五大理念
人工智能五大理念包括：①感知是指智能计算机用传感器感知世界，即智能计算机从传感器信号中提取意义的过程。②表示与推理是指智能代理对物理世界进行表征并利用算法模型进行推理。③机器学习是指一种在大量数据中找规律的统计推理方法，这种方法需要大量人工提供的或机器自动获取的“训练数据”。④人机交互是指掌握多种知识技能的智能代理与人类自然交互的技术或过程。为达到与人类自然交互的目的，智能代理需要用人类的语言进行交谈、能够识别人类的面部表情，并利用人类的文化和社会习俗来推断人类行为的含义。⑤社会影响是指人工智能技术既会给社会带来正面影响，也会带来负面影响，其正在改变人类工作、出行和沟通的方式，但其也可能给人类带来一些挑战与威胁。
上述五大理念不仅帮助人们更加深入地了解人工智能，而且对人工智能素养内涵的构成有绝对性影响：首先，感知、表示与推理、机器学习、人机交互四个方面涉及传感器、算法机制、数据训练、语义识别和面部表情识别等一系列需要学生了解和掌握的人工智能基本知识；其次，只具备人工智能基本知识还远不能成为具有人工智能素养的人，还需要具有与人工智能开发和应用相关的基本能力，如计算思维、数据思维和编程能力等——这些能力可被统称为学生需要掌握的“AI能力”；最后，人工智能技术对社会的影响对人工智能素养的构成起着决定性作用，人们对人工智能技术的态度、AI可能带来的危害等衍生出AI伦理维度，特指人们对人工智能技术带来的一系列社会问题的看法与认识。
四 人工智能素养结构模型的构建
基于以上分析，本研究采用内容分析法对 “人工智能五大理念”中五个维度内容进行概括与归类，析取AI知识、AI能力和AI伦理三个主体要素；继而对人工智能素养研究文献进行总结，并提出反思实践、动态调控、创新驱动、综合评价四种调节机制；最后在契合中国学生发展核心素养的基础上，构建了人工智能素养结构模型，如图2所示。在该模型中，AI知识、AI能力和AI伦理是人工智能素养的三个基本维度。这三个维度经过反思实践、动态调控、创新驱动、综合评价四种机制的干预与调节，衍生出人工智能素养培养的三大目标：内核目标、使能目标和发展目标。其中，内核目标引领智能时代学生文化基础的前进方向，而文化基础则为学生内核目标的达成提供原料；使能目标作为学生AI能力发展的向导，与强调发掘自身潜力，培养解决复杂问题能力的自主发展理念不谋而合，为培养学生能力同向助力；发展目标和社会参与都强调社会责任感和道德准则，发展目标特指与AI相关的责任和道德，与社会参与呈现出一种包含与被包含的关系。
图2 人工智能素养结构模型
1 三大目标的内涵
具体而言，内核目标是学生AI素养发展的根本保障，目的是培养学生的AI知识。使能目标是使之成为可能的目标，是为培养学生AI能力所制定的目标。发展目标涉及到学生AI素养发展的终身性和持续性，主要功能是培养学生社会责任感和人文情怀。三大目标不仅指明了AI素养的培养方向，而且丰富并深化了AI素养的内涵：①AI知识作为AI能力获得的先导条件，与AI能力共同构成了AI素养的基础，体现了学生发展AI素养的内核目标。只有当学生具备了一定的知识（如AI发展史和技术原理等知识），AI素养的发展才有其文化基础。②人工智能素养与其它素养（如媒体素养、信息素养等）的最大区别在于能力应用，即面对问题困境能够灵活地使用智能技术、计算思维等来处理与解决问题，这是学生培养自身人工智能素养的使能目标。在实现这一目标的过程中，不仅要强调学生在问题解决过程中的主动性、调控性，而且需着力考虑人工智能技术带来的伦理性问题（如人机关系的处理、教育机器人身份与权力边界等），这些问题会直接影响学生高效率、合规范运用人工智能技术的自主性。③培养人工智能素养的目的，是为了满足未来智能时代对人才培养的需求。人工智能素养的培养应指向人的终身发展，应具有可持续性、连续性、系统性特征，而不仅仅只是阶段性、跳跃性、断续性地发展。
2 指标体系的设计
依托AI素养结构模型，参考国内外现有的AI素养关键指标，本研究设计了AI养指标体系，并将其与核心素养相对应。在AI素养指标体系中，AI知识、AI能力、AI伦理这三个维度相互联系、相互依存，其中AI知识是基础、AI能力是核心、AI伦理是关键，如表2所示。
表2 人工智能素养指标体系
（1）AI知识
AI知识主要包括：①与人工智能相关的内容，如人工智能发展史、人工智能技术原理、人工智能应用领域等基础知识[21]。在人工智能时代，学生应对人工智能的发展史有一定的了解，并掌握一些基础的人工智能技术原理知识，以便对其应用领域和产生的影响有一定的认识。从核心素养视角来看，上述人工智能知识属于文化基础中的人文底蕴，主要是指学生在学习、理解、运用人文领域知识和技能等方面所形成的基本能力、情感态度和价值取向用[22]。人工智能时代的人文底蕴是指学生在学习、理解、运用人工智能知识技能的过程中，所形成的对人工智能的情感态度和价值观。②勇于探究人工智能新技术和新用途、敢于质疑人工智能合理性与公平性的进阶知识。随着人工智能深入社会的各个领域，人工智能技术的发展与应用也需要不断深化创新，同时对人工智能技术应用的合理性与公平性应持批判的态度。未来的人工智能技术将更加复杂、种类更加繁多，学生需要具备勇于探究和敢于质疑的科学精神才能更加有效并正确地使用人工智能技术。AI知识的关键指标及其举例说明如表3所示。
表3 AI知识
（2）AI能力
AI能力是指学生利用人工智能解决问题时能够熟练地调用相关知识表征观念和推理引擎的智能思维能力[23]，包括计算思维能力、数据能力等。在人工智能时代，这些能力是学生能否胜任未来工作的关键。例如，计算思维能力能够使学生更深层地看待人与智能机器的关系，从而更加有效地利用智能机器；数据能力和信息能力能够帮助学生获取、筛选、评价、利用信息进行创造和分享，发现信息数据之间的隐藏关系并进行价值决断[24]；编程能力和算法能力的培养涉及人工智能技术的开发与应用，是我国能否走在人工智能技术前列的关键；跨学科能力能使个体具有更加广阔的视野，看待问题和解决问题的思路也更加多元。从核心素养的视角来看，上述能力都属于自主发展中的学会学习部分——学会学习是指学生在学习意识形成、学习方式方法选择、学习进程评估调控等方面的综合表现[25]。在人工智能时代，如何在海量的学习内容中选择适合自己的内容、如何快速且准确地找到急需的内容等都取决于学生的学习能力，故学会学习十分重要。此外，AI能力还包括人机协同的能力。人机协同能力是指人们能够与机器和谐相处，充分发挥智能机器的优势来辅助生活的能力[26]，这对人们未来的健康生活来说是一项必不可少的能力。AI能力的关键指标及其举例说明如表4所示。
表4 AI能力
（3）AI伦理
一方面，AI伦理是指人们对如何规范、合理地开发AI技术，使用AI产品，以及如何应对人机交互过程中可能出现的社会问题的一种态度和价值观，具体包括AI接受度、AI公平意识等。其中，AI接受度是指人们对AI的接受程度。当前，人们对AI的态度分为两派：乐观派认为人工智能最终能够解放全人类，而悲观派认为人工智能最终将取代全人类[27]。对此，我们应保持理性，遵循人工智能的客观发展规律，同时能够悦纳人工智能，相信未来一定是人机协同的美好时代。AI公平意识是指人们应建立人工智能是为普通群众服务的意识，人工智能产品不能带有社会偏见、性别歧视或种族歧视的色彩[28]。AI道德主要涉及人工智能本身的道德评价问题和人工智能开发、利用过程中出现的善恶评价问题[29]。AI安全意识是指人们在面对人工智能潜在的“不可知、不可控、不可用、不可靠”等挑战时，应建立合理、正确地开发和使用人工智能的意识，并在确保个人隐私安全的前提下使用人工智能[30]。从核心素养的视角来看，上述AI伦理属于社会参与的责任担当范畴。人工智能时代的责任担当意义更加重大，面对AI技术带来的种种机遇，如何使AI技术真正满足生存发展需要、为全人类服务，而不是用来谋取自身利益，取决于人们的责任担当。另一方面，AI伦理是指人们对未来人工智能的想象和利用人工智能解决生产生活问题。从核心素养的视角来看，AI伦理涉及人们实践创新精神的培养。实践创新是社会发展的原生动力，在对人工智能进行未来想象和利用其进行生产生活的过程中都有可能开拓“AI新天地”，这既有利于社会的进步，也能培养人们的创造力和实践能力。AI伦理的关键指标及其举例说明如表5所示。
表5 AI伦理
五 智能时代培养学生人工智能素养的实施路径
人工智能素养是智能时代社会生产生活和个体发展的品格与能力[31]，是当代公民所应具备的基本素养，其培养理应受到教育研究人员和一线教师的高度重视。本研究从人工智能素养的原动力、内生力和内驱力三个方面着手，提出学校推进人工智能素养教育落地的实施路径。
1 知识路径：促进人工智能素养原动力培养的基本条件
AI知识的系统培养离不开人工智能教育。人工智能教育是指以人工智能技术为教育内容，以培养多层次的、具有人工智能素养的专业人才为目标，设置人工智能专业或课程，让学生学习人工智能技术的相关知识、原理并加以应用的教育形态[32]。构建多层次人工智能教育体系，成为学生建立系统、连贯的人工智能知识体系的基本条件，具体可从两个层面入手：宏观上可以明确人工智能教育的定位和基本框架，确立人工智能教育的发展目标，建立AI知识的评价标准；微观上根据各级各类教育的特点，可以制定不同的人工智能教育实施方法，如中小学开设人工智能教育的校本课程、在信息技术课程融入人工智能、将人工智能与STEM教育和创客教育相结合等，而高等教育应开设专门的人工智能课程，让学生接受系统的人工智能教育。
2 能力路径：促进人工智能素养内生力发展的有效方式
AI能力的培养需要学生经历真正有意义的学习活动，故设计并实施高质量的人工智能竞赛、科普活动对于提高学生的AI能力大有裨益。研究表明，让学生和智能机器人娱乐或游戏是一种相对有效的、锻炼其AI能力的方式[33]，该方式构筑了一个集协同化和个性化等多重优势于一体的人工智能场域，能够潜移默化地促进学生AI能力的形成。基于人工智能设计的游戏化活动强调多人协作、人机协作，能极大地锻炼学生的人机协同、算法、编程、计算思维等AI能力。如搭建一辆智能小车，在让小车逐渐获得“智能”的过程中，小组成员不仅需要不断交流、共同协作解决问题，还需要根据自己的知识、能力乃至喜好，创建不同的小车游戏活动。而不同成员的智慧贡献，使小组的整体AI能力得到了提升。显然，开发基于人工智能的游戏化教学活动有利于培养学生的AI能力，但具体如何开展这些工作还需要教师进行深刻的思考。
3 伦理路径：促进人工智能素养内驱力生成的重要举措
AI伦理具有内隐性特征，其培养不仅要与AI知识和AI能力相结合，还要渗透进人工智能素养的评价体系之中，利用“以评促学”的方式帮助学生建立正确的AI伦理观，因此公平、可靠的评价体系就显得尤为重要了。本研究针对该评价体系的建立提出了外延向内涵发展转型的三个具体思路：①评价学科上要从“单一学科”向“多学科”转型，由数据科学专家、计算机专家、教育心理学家和一线教学工作者开展跨学科跨领域的合作，以保证评价的科学性、真实性和全面性；②评价手段上要从“注重结果”向“注重过程与结果相结合”转型，将学习过程数据和表现结果数据相结合，以保证评价的准确性；③评价内容上既要关注学生的认知过程，也要关注学生对人工智能的态度和公平意识等非认知过程。此外，具有正确AI伦理观的教师对学生的影响也是巨大的，教师能潜移默化地帮助学生树立正确的AI伦理观，故教师需从“传统教师”蜕变为具有正确AI伦理观的“新型教师”，如此方能为学生AI伦理的培养“添砖加瓦”。
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