中小學人工智能教材發展與課程需求探究

雷云鶴 王楓 馮霞芳

摘? ?要：人工智能進入中小學課堂已呈勢不可擋之態。在本世紀初就有幾套中小學人工智能教材出版，文章縱觀15年間前后人工智能教材的結構與特點，對上海市中小學人工智能課程的主要執教者（信息科技教師）進行抽樣調查，綜合分析了人工智能課程的開展現狀和實施需求，旨在為中小學人工智能課程的有效深入開展提供參考和建議。

關鍵詞：中小學人工智能;人工智能教材;信息科技

中圖分類號：G423;G434 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2021）11-0027-05

一、問題的提出

人工智能是一門綜合性、交叉性的學科，最早于上個世紀50年代提出，經過幾次起起伏伏，最近自深度學習算法提出，尤其是2016年AlphaGo戰勝李世石以來，人工智能受到社會各界廣泛關注。國際上，各個國家都積極探索人工智能在中小學校的應用。AI在各行業的廣泛應用為K-12學校帶來兩個契機：一是K-12學校應使用已有的AI技術在輔助提高課堂成效、實現網絡安全和控制等方面有所作為;二是讓學生開始學習如何設計、操作和使用AI機器人進行工作，為未來進入工作場所打好基礎。[1]美國人工智能協會AAAI和美國計算機教師協會CSTA聯合成立了K-12人工智能教育工作組（AI4K12），提出了K-12學生應該了解人工智能的五個關鍵：計算機通過傳感器感知客觀世界;智能代理對客觀世界進行建模和表達，并用于推理;計算機能從數據中學習;智能代理與人類的自然語言交互是AI領域的重大挑戰;AI應用對社會的影響有好有壞。[2]

在國內，王海芳等認為，人工智能在教育領域較為廣泛的研究主要集中在專家系統、機器人學、機器學習、自然語言理解、人工神經網絡和分布式人工智能等方面。[3]高婷婷等認為人工智能教育應用是一個宏觀的動態系統，不是教育子系統和人工智能子系統的簡單結合，而是人工智能與教育深度融合的產物。[4]本文主要探討如何讓中小學學生開始學習人工智能及其課程（體驗、設計、操作和應用）研發和實施的相關問題?？傮w上看，很多省市的中小學已在嘗試引入人工智能課程。人工智能技術進入中小學看似已成必然之勢，然而，我們對人工智能課程最可能的主要實施者——信息科技教師的認知情況不盡清楚。中小學的信息科技教師也許已經嘗試過相關課程，他們是否能夠承擔起人工智能走進中小學生課堂的重要責任，都是需要考慮的實際問題。

任友群在《AI上未來智造者》叢書的序中講到：人工智能課程應以立德樹人為目標、以核心素養培養為前提，以算法與編程實踐為抓手，建立起科學、系統的課程體系，同時要分學段打造符合學生特點的課程體系。謝忠新等認為，中小學的人工智能課程在不同的學段要有不同的側重點，小學側重感悟，初中重在體驗，高中聚焦創造創新。周邵錦等將K-12人工智能課程劃分為三大模塊——人工智能基礎、算法與編程、機器人與智能系統。[5]

二、教材發展：15年間前后中小學人工智能教材的對比

1.不同版本人工智能教材對比

我國早在2003年就已將人工智能列入高中信息科技課程選修模塊，在2004到2005年的兩年中，相應的人工智能教材得以出版，余挺挺等曾對當時四種版本的《人工智能初步》教材進行對比分析：其中李藝主編的教育科學出版社版本主要以“概念——原理——運用”為主線;祝智庭主編的中國地圖出版社版本是以“任務”驅動的形式培養學生的創新思維能力和問題解決能力;應吉康主編的上?？萍冀逃霭嫔绨姹臼且曰顒雍陀懻撘?，讓學生體驗人工智能;李冠英主編的廣東教育出版社版本是以應用人工智能技術求解問題為主線的。當時的幾個版本主要聚焦于人工智能基礎知識、知識表示、專家系統、問題解決等方面內容。[6]

時隔10多年后，隨著人工智能又一波熱潮，中小學人工智能教材再次陸續出版，主要有湯曉鷗和陳玉琨主編的華東師范大學出版社版本《人工智能基礎》（高中版），蔡耘和郭紹青主編的北京師范大學出版社版本《人工智能（初中版）》，熊友軍、王吉慶和黃勁松主編的華東師范大學出版社版本中小學人工智能叢書《AI上未來智造者》（共10冊），姚煒和王錚主編的蘇州大學出版社版本《中小學人工智能系列叢書》（共8冊），以及覃祖軍主編的河南人民出版社版本“智龍X計劃”的指定教材《人工智能實驗教材》（共33冊）。

為了綜合考察當前中小學人工智能教材的特點，筆者分別從單元結構、關鍵技術（內容主題）和主要特點或亮點等維度進行對比分析，綜合考察當前市面上的人工智能教材，如表 1所示。

2.14年的跨越給我們的啟發

綜合所有人工智能教材的出版情況，主要可以分為兩次熱潮，第一次是2004—2005年，第二次是2018—2019年。對比兩次教材的主要內容和形式，可以發現主要表現為以下三點特征。

第一，從關注基本的理論基礎到融合社會生活的現實情境。這與人工智能技術的實際發展和應用存在密切關系。從中我們也可看出，我國人工智能教材的研發思路緊跟技術發展，并表現出明顯的提升和深化。

第二，從高中選修到全學段覆蓋。這與國家政策密切相關，關涉2003年的課程標準、人工智能發展規劃等。從14年間前后的變化看，人們對人工智能的重視程度顯著增強，人工智能教材已經從單獨的高中階段延伸到了幼兒園、小學、初中等不同學段。

第三，從體驗感知到聚焦計算思維。在14年前，人工智能教材主要側重于讓學生體驗學習人工智能的基本理論和方法;14年后，人工智能教材主要側重于計算思維，聚焦于設計、算法和編程等能力。人工智能教學從初步的知道了解層次，上升到對學生思維能力的培養和關注上，是一個質的飛躍和進步。

三、教師認知：中小學人工智能課程現狀調研

中小學的人工智能課程主要是由信息科技教師負責，其普及應用需要充分考慮一線教師的認知現狀，因此，筆者采用問卷調查法對上海市的中小學信息科技教師進行抽樣調查，以反映信息科技教師對人工智能課程的認知情況，尋找可能存在的待解決問題，以便促進中小學人工智能課程的早日普及應用。

1.研究設計：來自上海市信息科技教師的視角

筆者針對人工智能在中小學的應用需求，參考了人工智能技術工程師的意見，并征詢了信息科技的學科專家、骨干教師和一線教師的建議，對問卷進行了結構調整和表述修訂，形成了最終的調查問卷。主要包括人工智能知識獲得方式、人工智能課程開展現狀、人工智能課程的設想、人工智能技術的學習需求、人工智能課程實施中可能的難點、計算機教師勝任人工智能課程教學的能力、實施人工智能課程的需求保障等7個維度。同時筆者對7個維度的41項指標進行了編碼。

2.研究問卷的可靠性檢驗：信效度分析

筆者抽取了上海市的10個區縣作為樣本開展調查，通過問卷星發放問卷，共回收問卷440份，其中有效樣本440份。筆者綜合采用SPSS22.0和SPSSAU對回收數據中的態度類量表題進行信度和效度分析。

對問卷數據的態度類量表題（共41項）進行信度分析，得到信度系數Cronbach.？琢系數=0.935>0.9，說明問卷數據的信度高。對所有題項，考察分析項被刪除后的信度系數值并沒有明顯的提升;同時，所有分析項對應的CITC（矯正項總計相關項）值均高于0.2，因而說明分析項之間具有良好的相關關系，同時也說明信度水平良好。

對態度類量表題（共41項）進行效度檢驗，分析因子載荷系數，發現其因子載荷系數小于0.4的有兩項，分別是Scratch、KODU等其他的可視化編程課，現處于自學和摸索階段，去掉這兩項后，再次進行效度分析，得到KMO值=0.904，說明數據具有效度，所有研究項對應的共同度值均高于0.4，說明研究項信息可以被有效提取。因此，在本文的數據統計中，將這兩項內容刪掉，剩余39項二級指標。

3.統計學意義上的差異性：非參數檢驗方法

對問卷數據的態度類量表（共39項）進行正態性檢驗（Sharpro-Wilk檢驗），p<0.01，說明全部題項數據均不具有正態性特征，因而適合采用非參數檢驗的方法對比不同群體之間存在的差異。

（1）Spearman秩相關系數

通過對市郊區縣、教師性別、任教學段與問題的各題項做相關分析，如表2所示，得出：①市郊區教師在參加線上線下培訓班方面表現出負相關。②市郊區教師在閱讀人工智能相關專業書籍方面表現出負相關。③教師性別與人工智能編程課表現為負相關。④不同學段與體驗先進人工智能拓展課表現出正相關，市郊區與體驗先進人工智能表現出負相關。⑤市郊區與知識圖譜、強化學習、機器人、神經網絡、機器學習等方面表現出正相關。⑥市郊區與領導的大力支持、技術人員的幫助、專業理念的培訓、團隊的協同、家長的認知支持等方面表現出負相關。⑦教師性別與研究經費的支持、技術人員的幫助、團隊的協同、家長認知的支持、學生興趣的支持等表現出正相關。

（2）卡方檢驗

通過卡方檢驗，發現以下差異：①不同學段教師在6項（B3、B4、G2、G3、G5、G6）上呈現出顯著差異。②教師任教在市區或者郊區縣，在3項（A2、D5、D7）上呈現出顯著差異。③教師性別不同，在12項（C1、C3、C4、E5、F1、F2、F3、G2、G3、G5、G6、G7）上呈現出顯著差異。

從上述數據差異可以得出：①不同學段的教師主要的人工智能開展現狀存在差異，對人工智能的保障措施的需求存在顯著差異。②教師任教在市區或者郊區縣，對人工智能的關鍵技術、強化學習和神經網絡方面存在顯著差異。③男教師和女教師，在人工智能課程設想、人工智能研發能力的難點、計算機教師的勝任能力、課程實施的需求保障方面存在顯著差異。

（3）非參數檢驗

通過非參數檢驗（Mann Whitney檢驗）分析市區和郊區教師的差異，得到其中的5項呈現出統計學意義上的差異性。也就是說：①在“體驗現今人工智能技術的拓展課”方面，市區教師和郊區教師存在顯著差異。②在人工智能技術“知識圖譜”方面，市區教師和郊區教師存在顯著差異。③在人工智能技術“強化學習”方面，市區教師和郊區教師存在顯著差異。④在人工智能技術“神經網絡”方面，市區教師和郊區教師存在顯著差異。⑤在人工智能技術“深度學習”方面，市區教師和郊區教師存在顯著差異。

（4）權重分析

為綜合考量人工智能開展現狀，本文對研究設計中的若干個指標進行了權重分析，并依次構建出反映人工智能現狀的結構圖譜。

經過檢驗，KMO值>0.8，適合進行因子分析。通過因子分析，提取出7個因子，即7個維度的變量，根據7個因子旋轉后的方差解釋率，通過歸一化處理（經四舍五入后，取小數點后兩位），計算出7個因子的權重，如表 3所示。我們可以用這7個維度來解釋中小學人工智能課程現狀，如圖 1所示，綜合反映出中小學人工智能課程的開展現狀和需求情況。

4.主要結論：人工智能課程的現狀和需求

從數據分析和權重分析的結果看，人工智能課程實施需要考慮人工智能技術領域、課程研發的保障措施和人工智能項目研發體驗等3個重要指標。

（1）人工智能技術領域主要有語音識別、圖像識別、知識圖譜、自然語言處理、強化學習、機器人、神經網絡、深度學習、機器學習等。在人工智能基礎（高中版）中涉及圖像識別、語音識別、自然語言處理、強化學習的主要原理。人工智能（初中版）中涉及機器學習、圖像識別、語音識別、自然語言處理的主要原理?？梢园l現，知識圖譜、機器人、深度學習和神經網絡沒有正式納入已有教材體系。從技術發展角度看，神經網絡，尤其是深度學習實際上是人工智能取得突破的重要領域，因此可考慮采取適當的方式讓中小學學生進行體驗式學習。

（2）人工智能課程的研發需要各方的協同合作。不可缺少的是國家政策方面的支持。從實踐條件上看，需要區域層面行政領導的大力支持，學校方面則需要校長的支持。在課程的教學研究中，需要有區域層面課程研究的專業理念培訓、教研團隊的協同研究。在課堂的教學實施上，需要相關編程技術人員的輔助、家長方面的認知支持，另外還需要尋找激發學生興趣的教學策略和方法。

（3）人工智能項目研發體驗。中小學開展人工智能課程尚處于起步階段，課時數非常有限，而掌握人工智能技術的核心編程技術需要花費大量的時間和精力。這對于中小學學生來說是難以實現的。當前針對中小學學生的人工智能編程課程主要是讓學生體驗人工智能編程技術的核心思想，鮮有對項目研發過程的關注。然而，對于任何一門編程語言來說，只有完整地體驗一次項目研發過程，才能形成全面的認知和理解。如有條件，可以帶領學生完整體驗一次研發過程，包括建立研發團隊、確定需要解決的實際問題、對問題進行需求分析和梳理建模、設計主要的程序算法、規劃項目開發的進度、按照計劃有序合理地完成程序代碼。

四、實踐建議：中小學人工智能課程設計與實施策略

人工智能的技術發展經歷再次高潮，已經能夠解決實際生活中的很多問題。人工智能課程進入中小學已成為必然趨勢。在人工智能課程的具體實施中，師資力量主要依托于中小學的信息科技教師（計算機教師）。從理論研究與實踐探索的形勢看，未來的中小學人工智能課程主要涉及四種類型，分別為人工智能體驗課程、人工智能設計課程、人工智能應用課程、人工智能研發課程。

1.人工智能體驗課程：智能體驗，認識本質

體驗課程需要關注最新的技術發展動態，也可考慮聯合社會上的人工智能企業和研究機構共同研發。徐愛平強調智能機器人進入中小學，能夠使學生比較全面綜合地了解現代工業設計、機械、電子、傳感器、計算機軟件、硬件、人機交互等先進技術。提出采取研究小組、信息技術課、勞動技術課、研究性課程等形式進行教學。[7]總的來說，體驗課程重在對人工智能應用場景的體驗和感受，以此培養學生對人工智能的興趣和熱情。通過系統課程的體驗式學習，增強學生對人工智能技術的認識和體會，并激發其參與人工智能技術相關領域工作的熱情。

開展人工智能體驗課程，是讓中小學生從基本的感知層面熟悉人工智能技術和產品應用。人工智能技術已經進入生活的方方面面，因而中小學生在生活中早已有所接觸，例如智能陪伴機器人、智能化玩具、智能家居等。對這一類人工智能產品，教師在課堂中可以讓學生在體驗中思考其工作的特點和原理，在不同的學齡段開展不同深度的智能產品工作原理的教學，有助于學生在不同認知發展階段加深認識和理解層次。

小學生處于具體運算階段，初中和高中生處于形式運算階段，能理解符號，可以對事物做概括，具備可逆思維。例如，對于初次接觸“人機交互”概念的學生，可以通過Scratch圖形化編程讓學生體驗“人機交互”，可以設定三個遞進的“移動”任務，讓學生在逐個完成學習任務的過程中親身體會通過積木化編程實現“定點移動”、“來回移動”和“控制移動”等人機交互的基本功能。

2.人工智能設計課程：設計思維，激發創意

蘇州大學出版社的中小學人工智能系列叢書是此類課程的初步嘗試，為設計類課程的研發提供了可供參考的模式。隨著人工智能技術的發展，很多工作都會被智能化技術所取代。因此，設計理念將成為社會生活、學習和工作中的重要技能。在中小學教育階段，教師需要在教學中滲透設計思維，以此培養學生的創新思維和創造意識，從而幫助學生應對未來人工智能時代的挑戰。

隨著人工智能發展日益成熟，社會對設計類人才的需求不斷增加。各種工作用品和產品的設計需要具有以人工智能技術為基礎的背景。

例如，讓學生使用簡單的傳感器（如樹莓派等軟件），通過簡單的拼搭和編程，實現生活中的小創造、小發明，如臺燈、運載小車等，這些真實的體驗，都能讓學生學習人工智能時代的思考方式，想象人工智能時代的社會生活方式的變革。

3.人工智能應用課程：實際應用，加強理解

人工智能技術已在社會中很多行業得到應用。在教育教學中，人工智能應用于不同學科的教學，主要用于輔助教師的教和學生的學，這種場景下，學生對人工智能應用的學習和了解是間接的。若專門設立人工智能應用課程，可以讓學生在項目式學習和探究式學習中應用人工智能。通過人工智能應用課程，可以啟發學生，為未來進入人工智能工作場所做好準備。人工智能應用課程目前還比較缺乏。

4.人工智能研發課程：計算思維，解決問題

當前的人工智能研發課程主要聚焦于可視化編程和具體的編程語言，缺乏對項目整體研發流程的關注。人工智能研發課程的設計可以從不同學段進行課程設計，能夠讓學生充分體驗項目研發的流程。在低學段，如小學、初中等，可以組建研發團隊、分析實際生活中的研究問題、定義研究問題等;在高學段，如初中和高中等，可以設計程序算法，并編寫程序代碼。

人工智能研發課程是開展得最多的。小學和初中通常采用圖形化編程的方式（如Scratch、Cudo等），高中多為Python等編程語言。

參考文獻：

[1]Amy Passow.How K-12 Schools Have Adopted Artificial Intelligence[DB/OL].https：//edtechmagazine.com/k12/article/2019/01/how-k-12-schools-have-adopted-artificial-intelligence.

[2]Tom Vander Ark.What K-12 Students Should Know About Artificial Intelligence[DB/OL].https：//www.forbes.com/sites/tomvanderark/2018/12/12/what-k-12-students-should-know-about-artificial-intelligence/#410d4c9d6b11.

[3]王海芳，李鋒.人工智能應用于教育的新進展[J].現代教育技術，2008（13）：18-20.

[4]高婷婷，郭炯.人工智能教育應用研究綜述[J].現代教育技術，2019（1）：11-17.

[5]周邵錦，王帆.K-12人工智能教育的邏輯思考：學生智慧生成之路——兼論K-12人工智能教材[J]現代教育技術，2019（4）：12-18.

[6]余挺挺，張家華.高中人工智能新課標教材的分析與比較[J].中小學信息技術教育，2006（12）：14-16.

[7]徐愛平.讓智能機器人教育進入中小學[J].機器人技術與應用，2004（1）：14-16.

（編輯：王天鵬）