素养导向的中小学人工智能教育：化知识为素养

摘要：

人工智能革新与应用创生出社会发展的新理念、新业态和新模式，加强中小学校人工智能教育、提高学生智能素养已成为学校教育的新任务。考察人工智能教育实施情况，当前还存在着“人工智能素养简化为人工智能知识与技能”“人工智能学习内容来自大学课程的简单下放”以及“人工智能学习方法等同于智能技术工具操作”等问题。针对这些问题，中小学校的人工智能教育要坚持素养导向，紧扣人工智能学科大概念，构建结构化的学习内容，通过“做中学”“用中学”和“创中学”的实践方式化知识为素养，培育学生的核心素养。

新一代人工智能与社会各领域的深度融合创生出全新的智能化生存环境，它在改变人们的行为方式时，也转变了人们的思维方式，重塑了人们沟通交流的时间观念和空间观念，深刻影响着人们的生活、工作与学习。随着人工智能应用场景日趋丰富，生活于其中的每一位成员不仅要会使用智能工具，更需要用符合智能时代的思维方式去理解与创造性解决问题，具备与智能工具协同创新的能力。因此，在中小学教育中，提升全体学生的人工智能素养，增强他们在智能环境中的适应力与创造力，就成为学校教育的新任务。

一、人工智能教育实施中的问题

2017年，国务院印发《新一代人工智能发展规划纲要》，首次将人工智能发展上升到国家战略层面，提出实施全民智能教育项目，要求在中小学设置人工智能相关课程。此后教育部发布的《普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）》和《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》都将人工智能纳入课程内容，推进中小学人工智能教育的开展。但是，人工智能作为一项全新的学习内容，因教师教学经验不足、教育理论研究不充分，教学实施中出现了“人工智能素养简化为人工智能知识与技能”“人工智能学习内容来自大学课程的简单下放”以及“人工智能学习方法等同于智能技术工具操作”等问题。（一）人工智能素养简化为知识与技能

素养是人在特定情境中综合运用知识、技能和态度解决问题的高级能力与人性能力[1]，是内在的，是从人的视角来界定课程与教学的内容和要求。在智能环境下学生需具有的人工智能素养是人工智能的基本知识与技能、应用人工智能技术解决问题的过程与方法以及人工智能伦理、道德、社会责任的综合表现。然而，在教学实践中，因受知识本位论的影响，一些人工智能教育将素养培育简化为人工智能知识与技能传授，机械地向学生讲解人工智能概念、原理和技术方法。例如，在人工智能教学设计中，有教师将教学目标界定为“了解一种程序设计语言，知道程序设计语言的数据类型、表达式和运算符，能够正确定义变量数据类型”的编程学习结果，也有教师将教学目标设定为“非监督学习、监督学习、强化学习的基本概念、算法设计和技术路线”的机器学习原理内容。事实上，如果忽视学生的内在发展，未能从整体层面上界定人工智能教学目标，过于强调人工智能知识与技能学习，不仅窄化了人工智能课程育人价值的内涵，还会因为过于强调已有知识的“绝对性”正确和不容置疑的结论而将探究与实践排除在学习之外，导致学生创新精神和实践能力严重弱化。[2]

（二）人工智能学习内容来自大学课程的简单下放

中小学学习内容的选择与设计受学科发展、学生认知能力和社会发展需要等多种因素影响。不同学科有不同的知识体系和概念逻辑关系，中小学学习内容的选择要符合学科本质特征与发展趋势，确保课程内容的科学性和时代性；学生是学习的主体，课程内容的选择与组织也需要符合学生的认知能力，提高学生学习的积极性和参与度，加强课程内容的吸引力和可学性；此外，学科内容与其他领域结合也会对社会发展起重要作用，因此，课程内容的选择与设计也要与社会需要相结合，培养与社会发展相适应的人才。可见，中小学人工智能学习内容的选择与设计需要综合考虑学科知识、学生认知能力和社会发展需要等因素，体现课程内容的科学性、教育性和社会性。但是，人工智能作为中小学全新的学习内容，与之相关的教学理论、教学内容和教学方法还缺少深入研究，在教学实践中出现了将大学人工智能学习内容简单下放到中小学教学中的问题。例如，有教师将马尔可夫决策过程及其求解算法直接下放到中学课堂教学中，也有教师要求中学生应用蒙特卡洛法训练机器学习模型。事实上，如果无视学生的认知能力，脱离学生的学习基础，只是将大学人工智能知识简单下放到中小学校课程中，不仅不能支持学生学习人工智能，还会因为学习内容过难、知识量过大而加重学生的学习负担，甚至给学生学习人工智能带来“挫折感”。

（三）人工智能学习方法等同于智能工具操练 

中小学科技教育注重从实践出发，帮助学生理解科学的基本概念和基本原理，掌握技术应用的基本方法，引导学生认识科学技术对人类社会的贡献，提升学生的知识迁移能力和学科思维水平，体现“科”与“技” 并重。人工智能作为科技教育的一项重要内容，其教育实施不仅要让学生知其然，也要知其所以然；不仅要让学生掌握人工智能技术工具的基本操作，也要让学生学习一些基本原理和学科方法，提高学生应用人工智能解决问题的能力。但是，受软硬件技术操作教学的影响，当前人工智能教育还存在着“重操练，轻探究”“重模仿，轻创新”的问题。例如，在“应用智能工具识别植物” 的教学过程中，教师并没有引导学生思考和探索如何选择智能工具、怎样探索智能工具识别植物的新方法和新策略、如何思考智能工具识别植物的优势和潜在问题等“人工智能+”问题解决的过程与方法，而是让学生重复演练自己讲解的操作步骤，即“第一步，打开智能移动终端中的智能工具；第二步，拍照上传所识花朵图片；第三步，获取花朵相关信息”。事实上，在人工智能教学过程中，如果过于强调学生对智能工具的操练而忽视其对人工智能应用过程的基本原理与特征的理解，那么，随着人工智能技术的持续创新发展，学生就很难将已有的操作方法迁移至新的智能情境，人工智能教学就不能起到“举一反三”的效果。

二、人工智能教育目标：坚持素养导向

核心素养是课程育人价值的集中体现，是学生通过课程学习逐步形成的正确价值观、必备品格和关键能力，对日常教学起着统领和指导作用。[3]素养导向的人工智能教育超越了传统课堂中知识与技能的学习，注重知识与技能、过程与方法、情感态度价值观的整合，从意识、思维、创新、责任等方面体现学科的独特育人价值，主要表现为以下四个方面。

（一）人工智能教育要提高学生的人工智能意识

意识是个体对外界感觉、知觉以及对自身思想、记忆和情感觉察的组成。人工智能意识作为人在智能环境下“意识”的一种特殊表现形式，反映出的是个体对人工智能发展的敏感度、理解力和判断力，主要表现在：其一，能敏锐感知人工智能技术革新及其对社会发展的影响，准确判断出生活和学习场景中智能工具的应用；其二，能根据需要自觉选用智能工具解决问题，乐于和善于使用人工智能开展协同创新活动；其三，在感受到人工智能给人们的生活、学习和工作带来便利的同时，也能认识到其可能引发的潜在问题，有意识地规避人工智能带来的潜在风险。提高学生的人工智能意识既可摆脱因“技术恐惧”而造成的盲目排斥人工智能工具的行为，也可避免因“技术跟风”而掉入盲目崇拜人工智能的“陷阱”。

（二）人工智能教育要发展学生的智能化思维 

思维是个体内在的心理认知历程。在此历程中，个体将心理上认知事件的过程予以抽象化，对事件的性质予以推理判断从而获得新的知识。在智能环境中，数据采集、机器学习、模式识别、自动化处理等技术与方法的广泛应用形成了独特的理解与解决问题的过程与方法。为有效应用人工智能解决问题，人们就要能够用符合智能环境的方法与策略去思考和解决相关问题，即具有智能化思维，主要表现为：理解人工智能感知、识别、预测、迭代、优化的过程，针对问题需求设计应用人工智能解决问题的方案，通过智能工具验证和优化解决问题的方案，领悟应用人工智能解决问题的方法，并能将此迁移应用于解决其他问题。发展学生的智能化思维，一方面可破除学生对人工智能的神秘感，提高其使用人工智能工具的自信心；另一方面可确保人应用人工智能的主体地位，即人在理解人工智能的基础上根据需要合理选用智能工具，提高人机协同的创新能力，避免“人”被人工智能所控制。

（三）人工智能教育要培养学生“人工智能+”的能力

人工智能作为新一轮产业的核心驱动力，催生出新技术、新产品，赋能传统行业的变革，通过“人工智能+”引发经济结构的重大变革，实现社会生产力的整体跃升。因此，人工智能教育不应停留于认识和理解人工智能的层面，更需要培养学生创造解决问题的新方法、新路径和新模式的“人工智能+”的能力。主要表现为：其一，具有能针对所需解决问题的特征合理选择智能工具的能力；其二， 能结合所需解决问题，利用人工智能创新性地解决问题，具有人工智能创新应用的能力；其三，能针对人工智能应用效果，分析应用新方法解决问题的优势及可能引发的潜在问题，具有人工智能应用反思的能力。

（四）人工智能教育要引导学生践行智慧社会责任

人工智能的广泛应用也催生了与之相关的法律和法规，形成新的社会秩序。生存于智能社会中的成员，就需要以符合智慧社会的伦理道德开展活动，遵守智慧社会的法律、法规，践行智慧社会责任。因此，人工智能教育要提高学生在智能环境下自我保护的能力，让学生学会采用一定的策略保护个人隐私，安全使用智能工具，如使用智能工具时进行隐私设置以防止个人数据被过度采集。同时，人工智能教育也要引导学生正确应对人工智能对社会的影响，认识到人工智能对伦理与安全的挑战，尊重他人的知识产权。此外，人工智能教育还要引导学生按照相关的法律、法规与人工智能伦理道德进行自我约束，积极维护智慧社会秩序，养成生活在智慧社会中的好行为、好习惯。

三、人工智能教育内容：以大概念为支撑 

素养导向的教育从“为了知识的教育” 转向“基于知识的教育”，知识从教育的目的转化成培育学生核心素养的途径。[4]人工智能核心素养的落实，需要改变脱离学习情境、碎片化、流于形式的知识技能点的学习方式，转向围绕核心素养、立足学科大概念进行内容结构化，以循序渐进、螺旋上升的方式设计适合中小学生认知能力的人工智能学习内容。

（一）明确人工智能学科大概念

学科大概念体现了学科的特质和思想方法，具有相对稳定性、共识性和统领性的特征，包括学科知识逻辑范畴和学科综合应用方法。[5]在人工智能教育实施中，教师应依托大概念系统地组织学科零散的知识，为核心素养培育提供知识载体。2019年，美国人工智能协会和计算机科学教师协会研制的“K-12人工智能教育指南”以感知、表示与推理、机器学习、人机交互和社会影响五个大概念为基础，构建了中小学人工智能的教育内容。2023年，我国中小学人工智能课程指南课题组在“中小学人工智能课程指南”中以“概念与历史”“应用与技术”“感知与数据”“方法与实现”“伦理与社会”主题方式设计课程内容，支持人工智能核心素养落实。人工智能学科大概念的提出明确了适合中小学生学习的课程内容，如同“锚点”一样为学生核心素养的发展打下基础。

（二）梳理人工智能学习内容的纵向逻辑主线

布鲁纳在教材内容组织研究中发现，同一原理在不同年龄阶段的教材中，应随着年级的升高在抽象程度更高的水平上反复出现，从而呈现一种螺旋式上升的趋势。[6]学生学习人工智能的过程应是一个循序渐进、螺旋上升的过程。明确学科大概念后，教师就需要依据学生的认知能力和学习基础，将大概念（或子概念）进一步分解为学生在不同阶段的学习内容，将相关内容贯穿于不同学段的内容模块，形成人工智能学习内容的纵向逻辑主线。例如，分解“感应”（“感知”的一个下属概念）内容时，依据学生的认知能力可梳理出“找到并识别电脑、手机、机器人和其他设备上的传感器(摄像头、麦克风)（2年级）——说明计算机感应与人类感应的不同之处（3-5年级）——举例说明智能代理如何整合来自多个传感器的信息（6-8年级）——描述各种类型的计算机传感器的限制和优势（9-12年级）”这一递进式的逻辑主线。逻辑主线如同项链中的丝线一样把零散知识组织起来，支持学生理解知识的相互关系及相互作用，为提升学生核心素养搭建了“脚手架”。

（三）加强人工智能教育内容的横向关联

《义务教育课程方案（2022年版）》中指出，课程内容选择要“注重与学生经验、社会生活的关联，加强课程内容的内在联系，突出课程内容结构化”。分析人工智能学习内容可发现，其中所涉及的概念不是割裂的，它们相互联系、互相融合，构成整体性学习内容。例如，我国义务教育信息科技课程“人工智能与智慧社会”模块，要求学生能“通过分析不同的人工智能应用场景，了解数据、算法和算力三大技术基础的作用，以及搜索、推理、预测和机器学习等常见的人工智能实现方式，正确对待人工智能带来的伦理与安全挑战”[7]。上述要求结合学生的学习与生活经验，通过主题活动将零散的人工智能概念统合为整体性的学习内容，加强人工智能学习内容的横向关联，引导学生在主题活动中综合学习和应用人工智能知识，完成主题活动任务，促进学生智能化思维、智慧社会责任的发展，为落实核心素养提供了抓手。

四、人工智能教育实施：以实践为路径

素养不能等同于知识，但发展学生核心素养离不开知识，没有知识，素养就是无源之水、无本之木。[8]人工智能素养教育不能等同于人工智能知识的积累，而是要“活化”知识,培养学生能根据需要应用人工智能知识解决问题的能力。因此，发展学生人工智能核心素养就是要化知识为素养，加强课程内容与实践活动的结合，通过“做中学”“用中学”“创中学”优化实践活动的实施方式与路径，引导学生在实践探究中建构知识，在实践应用中内化素养，在创造性解决问题过程中提升素养。

（一）在“做中学”中建构知识

“做中学”是把学生日常学习、生活中的活动结合起来，让学生在实践过程中建构知识。基于“做中学”的人工智能教育，教师需要为学生创设适合他们经验的活动主题，引导学生在动手实践中完成任务，在实践过程中思考解决问题的方法与策略，建构人工智能知识。例如，在制作“智能分类器”主题活动中，学生在明确物品分类的基础上借助人工智能学习平台采集数据，体验机器应用数据学习的过程，完成模型训练，应用训练模型对物品进行识别。通过主题活动，学生了解了机器学习的基本过程与方法，为进一步深入学习“机器学习”打下基础。基于“做中学”的人工智能教育方式关注人工智能教育的实践性，强调学生在主题活动中将人工智能知识建构与动手实践结合起来，以适应所生存的智能环境，避免了人工智能教育中理论学习与实践应用脱节的问题。

（二）在“用中学”中内化素养

“用中学”是指让学生将所学知识应用于实践中，在应用知识解决真实性问题时把知识内化为素养。基于“用中学”的人工智能教育，教师需要将挑战性问题融入主题情境，引导学生经历“问题分析—方案设计—人工智能应用—问题解决”的过程，为学生内化人工智能素养创设体验路径。例如，在开发“智能购鞋提示系统”主题活动中，学生要解决如何根据顾客的身高来预测相应鞋码的问题。学生应用人工智能学习平台所提供的身高和鞋码的数据，探索数据之间的关系，应用人工智能知识建立回归模型，编写程序实现模型的自动化预测。“用中学”和“做中学”的结合实现了学生在实践中学习人工智能的闭环，帮助学生在应用人工智能解决问题的过程中将知识内化为解决问题的创新性思维方式。

（三）在“创中学”中提升素养 

创新实践是人工智能发展的动力，既表现为人工智能自身技术的创新突破，也反映在将人工智能应用于各领域产生的新方法和新模式。因此，为提高学生的人工智能创新能力，人工智能教育就不应停留于把学生培养成智能工具的消费者层面，而应将学生培养成人工智能的创新应用者，将“创中学” 教育理念与方法融入教学。基于“创中学” 的人工智能教育，可通过创设跨领域的复杂主题情境引导学生应用人工智能创造解决问题的新方法和新模式。例如，针对农业大规模生产中的“果树病虫”难题，教师可引导学生应用人工智能技术创新果树病虫实时监测与远程调控的新方法。学生在探究应用人工智能解决农业领域的难题过程中提升了个人的人工智能创新素养。基于“创中学”的人工智能教育不仅要求学生能分析问题，而且还要求学生能够敏锐地发现问题，设计应用人工智能解决问题的创新方案，在方案执行的过程中判断其优势和潜在问题，针对问题进行方案优化和产品迭代。“创中学”突破了“用中学”和“做中学”的闭环路径， 引导学生在不断发现问题、解决问题的过程中，以螺旋上升的方式发展核心素养。

当今，人工智能正以新理念、新业态、新模式全面融入人类经济、政治、文化、社会、生态文明建设各领域和全过程，给人类生产生活带来了广泛而深刻的影响。面对新的社会发展需求和挑战，中小学人工智能教育要超越知识积累式的教育观念、方法和策略，让学生通过实践活动化知识为素养，提高学生的人工智能意识，发展其智能化思维和“人工智能+”的能力，让每位学生都能从容、自信、负责任地生活在智慧社会中。    本文系国家社会科学基金教育学一般课题“线上线下融合的信息技术教材新形态及创新应用研究”（课题编号：BCA210081）的研究成果。作者：李锋，华东师范大学教育信息技术学系教授，博士生导师；国家高中信息技术课程标准修订组核心成员，国家义务教育信息科技课程标准研制组核心成员。

参考文献

[1][8]张华.论核心素养的内涵[J].全球教育展望，2016（4）：10-24.

[2][4]余文森.从“双基”到三维目标再到核心素养——改革开放40年我国课程教学改革的三个阶段[J]. 课程·教材·教法，2019（9）：40-47.

[3]崔允漷.试论核心素养的课程意义[J].全球教育展望，2017（10）：24-33.

[5]邵朝友，崔允漷.指向核心素养的教学方案设计：大观念的视角[J].全球教育展望，2017（6）：11-19.

[6]邵瑞珍.教育心理学[M].上海：上海教育出版社， 2002：327.

[7]中华人民共和国教育部.义务教育信息科技课程标准（2022年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2022：46.