特别专题 | 人大附中：以课程群建设推动中小学人工智能教育普及

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在前面的推文中，我们分享了“人工智能教育专题”的三篇文章——《特别专题 | 积极推进人工智能的教育应用》《特别专题 | 中小学人工智能课程的设计原则与实践范例》《特别专题 | 面向素养培育的中小学人工智能教育实践探索》（点击标题，即可阅读文章），今天继续分享。本期“人工智能教育专题”从人工智能课程的设计原则到人工智能教育的实践探索，再到人工智能课程体系建设和人工智能课程的实践案例，层层深入地为一线教师的教学实践提供设计思路与范例参考。

以课程群建设推动中小学人工智能教育普及

文 | 袁中果 常青 龚超

人工智能是新一轮科技革命和产业变革的重要驱动力量。为抢占人工智能技术制高点，在日益激烈的科技竞争中掌握主导权，美国、日本等相继制订了国家层面人工智能战略规划，在高等教育和基础教育阶段进行研究布局，并制定了相应的教学策略。我国也加紧人工智能教育普及与人才培养的战略布局。2017年7月，国务院在印发的《新一代人工智能发展规划》中指出，“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、建设人工智能学科”。该规划发布三年多来，全国各地，如山东、广东、福建、河南等省相继出台了一系列开展中小学人工智能教育的相关政策，并开展人工智能课程试点工作，统筹推进人工智能教育教学。

但是，目前我国中小学人工智能教育总体来说仍处于起步阶段，尚未形成比较完备的教学课程体系，在教学理念、课程设置、研学形式、教材内容等方面，与国家规划发展要求还存在不小的差距。人们对中小学人工智能教育是什么、教什么、如何教等问题的认识与理解还不到位，尤其是在“教什么”层面，对人工智能教学的目标定位和教学实践形式缺乏系统性思考和研究。本文结合人大附中多年来的人工智能教育实践，对上述问题进行分析，并提出相应的建议。

一

人工智能教育存在的问题剖析

尽管当前中小学人工智能教育得到了广泛重视，不少地方正在探索建立人工智能课程体系、编写人工智能教材，但是由于人工智能技术具有体系综合复杂、内容深度交叉、更新迭代快速、教学门槛较高等特征，中小学人工智能教育在教学体系建设、课程方案设计、教材内容研究、师资队伍培养等方面仍存在较大的改进和提升空间。

（一）人工智能课程内容与体系尚不够清晰

不少人认为，人工智能就是编程或机器人，而实际上，编程和机器人与人工智能既有区别，又有联系。编程可以是学习人工智能的基础课程，机器人可以作为人工智能的硬件基础，人工智能可以为机器人赋能，使其具有智能，但我们并不能因此就简单地认为“机器人是人工智能”。

人工智能是一个高度交叉的学科，主要涉及控制理论、计算机科学与工程、数学、统计学、物理学、认知科学、脑科学、神经科学、心理学、语言学、哲学等学科内容。根据《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》的要求，当前中小学人工智能教育主要是在信息技术、STEAM课程中融入人工智能相关教学内容，包括人工智能理论基础、简单系统开发、技术应用等，但尚未形成比较完备的课程体系，缺乏从“感知、认知”到“应用、实操”，再到“创新、发展”的多层次、立体化校本课程设计。对人工智能这一交叉学科，多领域融合综合教育做得还不够深入。

由于不同年龄段学生理解和接受知识的能力不同，加之人工智能作为前沿交叉学科对于学生认知水平要求较高，决定了中小学人工智能课程的设计要有明晰准确的阶段性目标和教学层次。目前，高中阶段已经开设了人工智能系列课程，但初中、小学阶段缺乏统一的人工智能课程标准，以致教学程度千差万别。另外，全国各地基础教育投入和发展不均衡，导致不同区域中小学人工智能课程的标准存在较大差别。

（二）课程内容设置与课程方案并未很好地协调匹配

教育部在《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》中明确了高中信息技术课程由必修、选择性必修和选修三类课程组成。其中，在必修模块中设置了人工智能科普内容，并专门设置了选择性必修模块“人工智能初步”，为有深入学习兴趣的高中学生提供支持。应该说，课程模块的设计凸显了学生学习的选择性，但《普通高中课程方案（2017年版）》又限制了学生的选择性。该方案明确给出技术科目（包含信息技术和通用技术）在高中阶段的必修学分为6学分。高中信息技术必修课程因此只有3学分，每学分18课时，共54课时；而两个必修模块的课程教学内容和教材编写都是按72课时4学分设置的，分配的课时不足以完成必修模块的内容，更没有为选修模块开设安排课时。除了将信息技术学科纳入高考的浙江省，多数学校根本没有课时给选修模块，只有个别教育理念较为先进的高中能挤出课时，开设“人工智能初步”模块。由于小学和初中阶段的人工智能教学目前还缺乏权威性的指导文件，各地教育部门很难根据小学、初中及高中各个学段的实际情况形成有效衔接。期待正在研制中的义务教育阶段信息科技课程标准可以解决这一问题。

（三）教学内容较少关注中小学生的认知特点与能力

从教学内容来看，现有的中小学人工智能教材对与人工智能相关的法律、道德伦理等内容的重视程度还远远不够，甚至被忽视。但实际上，这部分内容不仅是人工智能课程体系的重中之重，更是落实立德树人根本任务的重要抓手。中小学人工智能教育的核心就在于“教育青少年形成正确的使用目的、科学的使用方法和健康的使用生态，避免他们在使用人工智能时伤害自身、他人与社会”。有的教材对人工智能的历史沿革要么一笔带过，要么写得枯燥乏味。其实，对人工智能历史知识的传递可以是立体鲜活的。教师可以用有趣生动的故事向学生讲述“为什么人工智能历史上会出现三起两落”“人工智能中算法的演化历史及其优劣”“风云人物如何在寒冬中坚持信念并最终成功”等。有些教师还会将教学内容聚焦在技能层面，忽视了对学生思维的培养。过度关注技能培养导致人工智能课变成了操作课，学生不清楚技术背后的原理，计算思维没有得到有效培养，也不会迁移应用解决问题的方法。在知识和技术快速更新的背景下，使用这样的教学内容很难培养出有创造力的学生。

难度拿捏也是困扰中小学人工智能教学的一个普遍问题。比如，在一些给初中生的书籍中，出现的数学知识往往是高中阶段才学习的内容。试问初中生该如何接受？还有的将大学阶段的内容简单下放到中学阶段，没有考虑到学生的认知特点与知识储备。

二

推进中小学人工智能课程群建设的建议

面对人工智能这样一门交叉广、体系大、更迭快、难度高的复合型学科，中小学人工智能课程应与信息技术课程群深度融合，按照学生的不同认知能力划分核心课程和进阶课程，通过探索构建“实践共同体”推动人工智能教学资源共建共享，以实现更高水平的人工智能教育。

（一）完善中小学人工智能教育顶层设计

在课程建设上，应将中小学作为整体统筹考虑，确定不同学段人工智能课程设置的边界，并探索建立评价机制，确保人工智能教育实施取得预期成效。在教育装备上，应结合人工智能课程设置，制订中小学人工智能教育实验室装备指导意见（或规范要求），保证人工智能实验室装备与课程相衔接，避免学校盲目根据企业宣传采购设备而造成浪费。教育主管部门、中小学、企业或学会等可以发挥各自优势，积极交流探索，尽早出台专业的指导性文件。人工智能课程很难单独划出一个独立的体系，一般会跟信息技术、通用技术、创客和STEAM等课程交叉融合，各校需要考虑本校的师资、课时、实验室和学生等综合因素，因地制宜地开设人工智能课程。人大附中将人工智能课程纳入整个信息技术课程群，综合考虑必修课、研学课、研修课和选修课，为学生提供更多选择（见表1）。

表1 人大附中 2020—2021 学年信息技术课程开设情况表

（二）根据学段设计有针对性的教学内容

考虑到人工智能内容相对较多、交叉性强、中小学课时有限等因素，为保障人工智能教学的有效开展，我们建议对小学、初中、高中不同学段进行分层次模块化教学。按照学生的认知能力分为核心课程和进阶课程。核心课程满足学生基本的人工智能学习需求，进阶课程则是为更多学有余力的学生开设的。因此，中小学人工智能教学应按照课程设置划分为基础、核心与进阶三个课程层次，再在课程基础上划分不同的模块。如，基础课程中包含信息素养基础、程序设计以及智能硬件三个模块（如图1）。这三个基础模块如果严格归类，也许不能称之为人工智能课程，却是一些人工智能教学项目的必备基础。以下重点分析核心课程和进阶课程的教学内容设计。

图1 中小学人工智能课程模块划分

1.小学：以体验为主，重在感知

该学段设计了核心课程“走近人工智能”，没有设计进阶课程。其目的是让小学生对人工智能有所接触、了解和体验，以人工智能知识类故事、游戏化机器人体验、趣味教学课程为主。通过体验人工智能技术在生活学习中的运用实例，了解人工智能发展史以及机器学习的概念；发现生活中的人工智能的案例；了解人工智能给社会发展带来的变化，感知人工智能的无处不在，并能够正确地认识这些变化带来的利弊。

2.初中：以发现为主，重在认知

初中阶段设计了核心课程和进阶课程。核心课程“人工智能入门”让学生了解人工智能的概念、发展历程、里程碑事件、发展趋势等，初步了解机器学习的原理，了解一些核心算法，了解专家系统、自然语言处理、图像识别等概念，了解人工智能哲学基础与伦理，能利用模块化编程调用相关库函数进行人工智能项目的实践。在“人工智能进阶”课程中，学生能够利用所学知识基于智能硬件、机器人等设施，结合人工智能算法，实现如无人驾驶等实践项目；利用人工智能算法进行语音识别与合成；掌握自然语言处理，能够利用算法进行词频统计、情感分析以及语义分析等。

3.高中：以探究为主，重在创新

高中阶段也设计了核心课程和进阶课程，核心课程内容要求可以参考《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》中“人工智能初步”模块的内容要求。进阶课程设置了人工智能专业模块和人工智能+X模块。人工智能专业模块供学生分专业方向深入学习，如机器学习、强化学习、数据挖掘、计算视觉等，涉及以下内容：（1）理解自然语言处理领域的基本原理与框架，能够进行简单的项目实践；（2）掌握数据挖掘的基本知识、基本工具和实践方法；（3）熟练掌握人工智能图像处理技术，结合平台实现人脸识别等图像识别；（4）掌握神经网络深度学习的简单原理，能够利用平台实现简单的深度学习操作；（5）掌握语音识别、语音合成的相关原理，能够利用人工智能相关的平台实现初步的操作；（6）掌握一定的人工智能前沿技术的原理与应用。人工智能+X模块要求学生掌握人工智能知识与技术在语文、数学、生物、地理、社会学等学科中的应用方法，能够结合人工智能知识与技术实现跨学科的实践操作。

（三）建设实践共同体，共建人工智能课程群

人工智能作为一门新兴学科，对于大部分教师来说还是新事物，有不少教师对人工智能概念搞不清楚，试问如何能够教好学生？以机器学习为例，一些地方教育部门在出台的政策中明确规定了中小学人工智能课程必须涉及此项内容，但是不少教师却并不知道机器学习是什么。因此，中小学教师迫切需要有关人工智能知识与素养的培训。与此同时，一些中小学和机构在人工智能教学探索上已经走在前列，形成了很多宝贵的实践经验及教学案例。这些学校和机构应该积极共享资源与交流经验，对一些偏远地区的学校采取一对一的帮扶，营造良好的中小学人工智能学习生态，让更多的教师和学生有机会了解和学习人工智能。

在各地教育行政部门的支持下，围绕中小学人工智能课程群建设，由人大附中牵头，南京外国语学校等16家单位联合发起了“基于在线课程平台的横向跨学科、纵向分层次的中小学人工智能课程建设与实践”的实践共同体项目。该项目以“实践共同体”为先导，协同推进各区域、各学校之间的人工智能课程群建设（如图2）。它通过统一的在线平台在项目成员校之间共享教学资源，以优质研究课的形式精细打磨从课堂设计、课堂实施到评价反馈的整个流程，并将实验成熟的课程（如人大附中共享的“人工智能初步”“机器学习”和“人工智能跨学科项目实践”课程）向全国更多的中小学开放共享，鼓励优质先行实验校带动薄弱校共同发展，缩小地域、学校之间的数字鸿沟。与此同时，实践共同体还积极探索中小学人工智能教学资源共建共享的长效机制，打造高水平的人工智能教学师资队伍。

图2 实践共同体的中小学人工智能课程群

（四）探索建立人工智能教学平台

受此次疫情的影响，线上教育平台的优势越发凸显。优秀的平台不但可以完成线上线下融合教学，还可以记录学生的课堂行为数据，为教师发现问题、解决问题提供有效支撑。有些平台还包含自动批改程序等，大大节约了教师的时间，使得教师能够将更多的时间和精力放在教学与自身能力提升上。人工智能课程不同于编程，涉及不同的平台，不同场景下还需调用不同的库，加之其更新迭代较快，安装调试等工作无疑会增加教师的负担。目前，已有一些人工智能云教学平台提供了满足上述功能的一站式解决方案，以充分为教师赋能。例如，2020年暑假，人大附中联合中国人民大学高瓴人工智能学院等单位，共同发起“全球青少年图灵计划”，举办了人工智能夏令营公益活动，借助人工智能教学平台，邀请院士、知名教授和优秀中学教师，为来自全球10个国家的648名中学生进行线上授课，收到了良好反响。在这一实践活动中，人工智能教学平台不仅提供了在线课程管理和直播功能，还搭建了实验环境，解决了跨区域教学问题。平台积累的在线课程资源也共享给了中小学一线教师，教师听完课后可直接使用平台授课，大大降低了中小学教师开设人工智能课程的门槛。

总之，中小学人工智能教育是一个分学段、分课程、分模块的系统工程，需要社会各界的共同参与和探讨，努力营造一个良好的中小学人工智能教与学的生态，让教师能更好地传道、授业、解惑，学生能更好地知物、明理、笃行。

（作者袁中果系中国人民大学附属中学信息技术教研组组长、特级教师，中国人工智能学会中小学工作委员会秘书长；常青系中国人民大学附属中学信息技术教师；龚超系清华大学日本研究中心主任助理）

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文章来源 |《中小学数字化教学》2021年第4期

微信编辑 | 李中华 司君琪

责任编辑 | 牟艳娜

微信监制 | 赵满树

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