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中小学人工智能教育教什么
——以《深圳市义务教育人工智能课程纲要（修订版）》为例
文_顾荣桢1 李惠乾1 余峻展2 谢作如3 钟柏昌1
（1. 华南师范大学教育信息技术学院；2. 深圳市致理中学；3. 温州市科技高级中学；*通讯作者）
随着人工智能技术的快速发展与广泛应用，世界各国愈发认识到，人工智能素养是每一位公民应当具备的核心素养和生存能力，纷纷将其作为提前做好人力资源布局的关键抓手。提升学生的人工智能素养是中小学人工智能教育的核心任务[1]。《教育部办公厅关于加强中小学人工智能教育的通知》（教基厅函〔2024〕32号）指出，应“稳步推进”中小学人工智能教育普及工作，“探索将人工智能素养纳入学生综合素养评价体系”，“培育具有创新潜质的青少年群体”[2]。遗憾的是，目前中小学人工智能课程的结构与内容结构缺乏体系化、时代性与科学性，难以全面体现新一代人工智能教育特色，导致人才培养与国家发展战略有所出入。为助力解决中小学人工智能教育“教什么”这一关键问题，本文将以《深圳市义务教育人工智能课程纲要（修订版）》（以下简称《纲要》）为例，探讨如何优化设计我国中小学人工智能课程内容。
中小学人工智能课程的内容框架
近年来，国内外相关政府部门和组织纷纷发布中小学人工智能教育顶层设计文件或指导文件，促进中小学人工智能教育的普及推广，例如美国AI4K12工作组发布的《国家K—12人工智能教育指南》[3]、联合国教科文组织发布的《K—12人工智能课程：政府认可的人工智能课程蓝图》[4]、我国中央电化教育馆发布的《中小学人工智能技术与素养框架》[5]、中国教育学会组织编制的《中小学人工智能课程开发标准（试行）》[6]，以及华东师范大学组织制定的《中小学人工智能课程指南》[7]等。通过横向比较，大多数文件的课程目标和内容可重新分类为“人工智能与社会发展”“人工智能与人类智能”及“人工智能技术与开发”三大主题，均强调人工智能技术维度[8]。美国《国家K—12人工智能教育指南》围绕“感知、表示与推理、机器学习、人机交互、社会影响”五大核心概念构建人工智能课程框架，并将课程内容划分为不同的学段。其中，感知、表示与推理、机器学习可归属为人工智能技术与开发主题，人机交互、社会影响则分别属于人工智能与人类智能、人工智能与社会发展主题。此外，我国《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》[9]将人工智能相关内容划分为“人工智能的基本概念和常见应用”“人工智能的实现方式”“智慧社会下人工智能的伦理、安全与发展”三个部分，也体现了人工智能技术及其与人类、社会的相互作用。
各国对中小学人工智能课程的内容框架达成诸多共识。在课程定位方面，普遍认为人工智能课程应是面向全体未来公民的普及性课程，课程应让学生建立对人工智能的基本认识[7]。在教学目标方面，均强调人工智能课程应注重知识、能力、态度的整合，培育学生适应数智时代发展的人工智能素养。然而，由于依据的设计标准不同，导致课程内容要求差异较大[10]。例如，《中小学人工智能技术与素养框架》要求学生掌握“人工智能系统设计与开发”等高阶性的内容，《K—12人工智能课程：政府认可的人工智能课程蓝图》和《中小学人工智能课程指南》则注重引导学生学习“人工智能基础”“人工智能概念与历史”等基础性内容，尚未建立统一连贯的体系结构。另外，这些课程内容设计未体现新一代人工智能最新发展成果，如生成式人工智能的应用，从而弱化了人工智能课程的前沿性与时代性。此外，部分课程内容与不同学段学生的认知水平匹配度低、科学性不足，难以满足开发创新型人工智能工具所需的创造力和技能要求[11]。基于此，本研究试图以人工智能素养为导向，结合新一代人工智能特征及学生认知规律，优化设计中小学人工智能课程内容体系。
中小学人工智能课程内容的设计理念
为有效培养学生的人工智能素养，中小学人工智能课程应当引导学生积极利用人工智能技术解决真实问题，从而理解人工智能的本质[12]。为此，我们需要全面解析学生人工智能素养要求，系统组织人工智能学科核心内容，紧密联系人工智能发展前沿，综合考虑学生认知规律等，重构具有体系化、时代性和科学性的中小学人工智能课程内容模块。
目标引领：指向学生人工智能素养的培养
作为前沿科技，新一代人工智能具有极强的专业性，具有理论性强、涉及知识面广、实践要求高等特点[13]。义务教育是一种普惠教育，中小学人工智能教育需要面向全体学生，设置人人应学、人人能学的基础性内容和活动[14]。同时，为与高中阶段、大学阶段的创新型人才培养做好衔接，中小学阶段的人工智能教育不应局限于知识与技能学习，还应培养学生利用人工智能解决问题的思维和方法[15]。因此，我们应将新一代人工智能教育“降维”为一般的素养教育，重点培养学生适应未来智能社会所需的基本生存能力——人工智能素养，而非聚焦于人工智能的专业性技术方法。
“知识、情感与思维的相互作用关系共同构成了学生人工智能素养的底层逻辑”，中小学人工智能课程应当培养学生具备相应的人工智能知识、人工智能情感和人工智能思维[16]。其中，人工智能知识是指学生所需掌握的人工智能基本概念、人工智能技术要素和人工智能技术应用相关知识；人工智能情感是指学生对人工智能与人类、人工智能与社会所应具备的价值、观念或态度；人工智能思维是指学生在设计、开发、测试与优化智能交互系统过程中所应具备的设计思维、工程思维、计算思维与系统思维[17]。
体系塑造：组织人工智能学科的核心内容
作为一门独立学科，人工智能有一个严密、层次分明、循序渐进的知识体系[18]。同时，作为数字技术的前沿，人工智能的技术内容不仅复杂多样，而且变化迅速。如何选择具有代表性的内容培养学生的人工智能素养，是中小学人工智能课程内容设计的一大难题。为培养拔尖创新人才，教育部“101计划”建设了一批一流核心课程。其中《人工智能引论》[19]结合新一代人工智能的发展特点，以知识点为核心，组织构建了体系化的人工智能课程体系。为体现人工智能学科特色，本研究参考该课程的技术路线，以及中小学人工智能课程内容结构综述结果，针对性设计人工智能课程的内容模块。
人工智能的本质是模拟人类智能处理任务。从系统论的视角看，人工智能可被视为执行“输入—处理—输出”循环的黑箱[20]，能够实现感知、推理、学习和决策等功能。数据、算法、算力是影响人工智能发挥能动性的三大技术基础，其中数据和算法是人工智能认知的关键，算力是人工智能的动力[21]。人工智能通过搜索、推理、预测和机器学习等方式完成不同的任务。机器学习是人工智能研究中最重要的技术领域，深度学习成为新一代人工智能的重要特征[22]。基于此，中小学人工智能课程要突出人工智能技术基础、机器学习与深度学习的学习，培育学生利用人工智能技术解决真实问题的思维，达成良好的人机协同效果。此外，为实现知识、情感、思维目标整合，人工智能课程要从知识入手，包括人工智能发展中重要的人物、场景、时刻等内容[23]，以及人工智能创生过程中的伦理与规范。
与时俱进：融入生成式人工智能教学应用
生成式人工智能技术具有卓越的内容生成能力，其合理应用有望显著提升基础教育的质量与效率[24]。因此，中小学人工智能课程有必要在人工智能教学的过程中适度融入生成式人工智能技术的应用，构建“师-生-机”协同的教育共同体，为人工智能课程注入新动力。与此同时，生成式人工智能已经在经济发展和行业转型等诸多领域展现出颠覆性变革的影响[25]，有效使用该技术将成为未来公民应具备的重要技能。作为提升学生人工智能素养的关键途径，人工智能课程应引导学生正确认识与应用生成式人工智能技术，通过实践教学帮助学生了解其使用过程中的潜在风险，培养学生掌握基于生成式人工智能的学习技能。将生成式人工智能融入教学，不仅可以辅助学生学习人工智能知识，还可以提升学生的人工智能素养，增强学生在数智时代下的自主学习与适应能力。
科学进阶：遵循学生认知规律和思维特点
作为人类有意识、有目的地培养人的活动[26]，教育实践必须遵循学生的身心发展规律[27]。在中小学阶段，学生的认知发展从具体形象思维向抽象逻辑思维转变，心理特征也随着年龄的增长逐渐成熟。中小学人工智能课程设计需选取具有代表性、启发性且与学生实际生活紧密相连的内容作为教学重点，激发学生学习人工智能的兴趣，增强学生理论联系实践的能力。此外，针对学生人工智能素养培养过程中出现的知识迁移能力和原理性知识水平有待提高等问题[28]，中小学人工智能课程需要强调“做、学、创”合一，选取丰富的人工智能教育资源支持课程教学[29]。根据中小学人工智能教育的五级进阶框架[30]，人工智能创作工具的应用水平可分为体验级、理解级、应用级、综合级和优化级，分别对应修订版布鲁姆认知目标分类的不同认知水平。基于此，应循序渐进地引导学生从基本概念入手，逐步掌握人工智能技术的基本原理和应用方法，学会正确评估人工智能应用效果，进而能够创造有价值的人工智能制品。
综上所述，《纲要》设计了“人工智能概述”“人工智能技术基础”“机器学习与深度学习”“人工智能伦理与社会”4个课程模块（如图1）。其中，人工智能概述模块介绍人工智能的基本概念和发展历程，通过生活中的人工智能应用，让学生理解人工智能的特点与核心技术途径，知道人工智能应用领域与关键技术类型，了解人工智能的国际发展现状与趋势。人工智能技术基础模块主要介绍数据、算法与算力的基础知识，以及三者在智能交互系统开发过程中的基本应用方法，让学生理解数据、算法、算力与人工智能的关系，为智能交互系统的学习奠定基础。机器学习与深度学习模块系统介绍机器学习和深度学习的基本概念和一般过程，让学生了解常见的机器学习算法类型和深度学习模型，掌握模型训练的流程与方法以解决真实情境问题。人工智能伦理与社会模块主要介绍人工智能与人类的关系，让学生了解人机交互过程中人应该具备的伦理意识和应当承担的责任，认识人工智能技术开发和应用可能为社会带来的公平问题与法律风险，引导学生遵守与人工智能相关的法律规范，正确处理人机关系。
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图1 深圳市中小学人工智能课程体系
参考文献
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来源 | 《中国科技教育》2024-07，文章编辑：毕晨辉
编辑、排版 | 孟想