漫談中小學人工智能教育

上海市虹口區教育學院 柳 棟

北京市東城區教育科學研究院 魏 寧

魏寧：最近十多年，信息技術進入了一個高速發展的時期，這也導致了基礎教育中技術教育的百花齊放，我們平時耳熟能詳的很多技術都走入了中小學課堂，以不同的形式呈現出來。3D 打印、機器人、大數據、人工智能，這個時代最時髦的技術陸續出現在中小學的課堂上，創客教育、STEAM 教育等全新的教育形態也落地生根。

但我們也要看到，一方面，在中小學我們可以接觸到各式各樣的新技術，另一方面，由于缺乏系統的思考和架構，這些技術內容的出現多少有些隨意。不同的技術內容應該如何安排在課程中？它們該有怎樣的內容體系？類似這樣的理性思考與研究還滯后于技術本身的發展。

近幾年來，人工智能教育逐漸走入人們的視野。不論從一線的教育實踐還是官方的教育政策上看，人工智能教育在未來都將與信息技術課程產生越來越緊密的聯系。

面對人工智能這樣的前沿技術，一線教師保持了一如既往的火熱激情，但有時候也需要靜下來思考一下。特別是從一些更加上位、更加本質的問題入手，如技術的本質、人工智能的知識體系、學校課程體系等，以此為起點深入思考人工智能教育。我相信，這對于理解和實踐中小學人工智能教育大有裨益。今天，就和柳棟老師一起聊聊這個話題。

柳棟：人工智能教育是當前的熱點話題，對它的關注已經超出了教育界，這也和當前的國際國內大背景相關聯。

眾所周知，自人類社會進入工業社會以來，蒸汽機、電氣、集成電路與計算機、網絡等關鍵技術的發明，大大促進了世界生產力的階段性飛躍。在現代制造業基礎上發展起來的人工智能技術，已然成為引領下一輪產業革命的重要契機。2017年，國務院發布了《新一代人工智能發展規劃》，明確了人工智能發展的戰略目標：“到2025年，人工智能基礎理論實現重大突破，部分技術與應用達到世界領先水平，人工智能成為我國產業升級和經濟轉型的主要動力，智能社會建設取得積極進展；到2030年，人工智能理論、技術與應用總體達到世界領先水平，成為世界主要人工智能創新中心?！?019年4月11日，教育部發布了《高等學校人工智能創新行動計劃》，從前沿創新、人才培養、科技成果轉化與示范應用等方面提出了具體的行動目標，明確指出了人工智能人才培養中專業領域的復合性、教育體系的多層次。2019年5月16日，國際人工智能與教育大會在北京召開。國家主席習近平在賀信中明確指出：“培養大批具有創新能力和合作精神的人工智能高端人才，是教育的重要使命?！?/p>

基礎教育也隨之跟進，教育部在《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》中將人工智能列為“選擇性必修”模塊的學習內容，能力目標層次定位在“通過本模塊的學習，學生應該了解人工智能的發展歷程及其概念，能描述典型人工智能算法的實現過程，通過開發簡單的智能技術應用模塊，親歷設計與實現簡單智能系統的基本過程與方法，增強利用智能技術服務人類發展的責任感”。近年來，全國各地的人工智能教育方興未艾，各地已經出版了多套中小學各學段的人工智能教材，大量的區域、學校先行先試，在校本課程板塊中開發了人工智能類選修課。

魏寧：確實如您所說，這幾年各地的中小學人工智能教育實踐無疑是令人鼓舞的。今年初，教育部公布了對政協十三屆全國委員會第三次會議《關于全面開展中小學生人工智能教育的提案》答復的函。文中第一部分著重闡述了關于在中小學開設人工智能教育課程的相關內容，這可以看作是對當前中小學人工智能課程現狀的一次權威表述。

答復函中明確，當前，中小學人工智能的相關教學內容主要在下述課程中呈現：小學科學、初中科學、普通高中信息技術、普通高中通用技術和中小學綜合實踐活動等。下一步，也將根據需要將人工智能教育相關內容納入義務教育階段開設的信息科技課程中?？偟膩砜?，中小學人工智能教育的未來是值得期待的。

當然，在中小學階段開設人工智能教育，是一個系統工程，它不是僅依靠一門信息技術課程就能夠實現的。在中小學階段實施人工智能教育，學校以及教師自身需要從課程建設、知識體系、教學方式等多個方面有所突破，依靠自己的智慧，探索出一條人工智能教育的有效路徑。

柳棟：是這樣的，我們先從宏觀一些的課程建設說起吧。

對廣大中小學校來說，學校課程教學實踐的法定依據是國家課程方案、國家學科課程標準、區域學科教學要求、區域專題教育規劃等文件。學校以此為依據，結合自身的具體情況，形成學校課程體系，并進一步細化課程設置、課時安排、科目銜接等要素。

但是，人工智能屬于一個新生事物，具有顯著的創新性，它的出現已經明顯超越了傳統意義上的學科課程（基礎型課程）范疇。它既可以涵蓋學科課程（基礎型課程）、校本課程（拓展型課程）、綜合實踐活動中的研究性學習（研究型課程），也可以在校本課程（拓展型課程）、綜合實踐活動中的研究性學習（研究型課程）領域形成特色科目群，分布到各個年級。這種情況在技術類課程中較為普遍，如編程教育、創客教育、STEAM 教育等，也面臨著同樣的問題。

如果我們從這個角度看待人工智能課程，重新架構基于人工智能課程的課程體系，就會發現，其實安排這些學習活動的時空“已經存在”，我們需要做的只是找對它們的位置。

正如教育部答復函中所提到的，中小學階段人工智能方面的學習內容，根據學習目標的差異，可以靈活安排在不同的板塊中實施，小學科學、初中科學、普通高中信息技術、普通高中通用技術和中小學綜合實踐活動等課程領域都是人工智能教育實施的有效載體。

對于學校課程的“頂層設計”來說，需要有一個整體的設計思路。并且，從嚴格意義上來說，人工智能課程的落地并不限于科學或技術類課程，語文、數學、道德與法治等都可以納入人工智能課程體系中來，在相應的課程空間內落實相關學習活動。當然，這需要我們對人工智能的知識體系有一個全面的把握和認識。

魏寧：確實如此，人工智能課程體系這一概念拓寬了人工智能教育的路徑，讓我們看到了實踐中的更多可能性。

這讓我想起了2017年7月8日，國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》在“加快培養聚集人工智能高端人才形成”中強調了要“完善人工智能教育體系”，其中，“鼓勵高校在原有基礎上拓寬人工智能專業教育內容，形成‘人工智能+X’復合專業培養新模式，重視人工智能與數學、計算機科學、物理學、生物學、心理學、社會學、法學等學科專業教育的交叉融合”。

雖然這一人工智能人才培養新模式針對的是高等教育，但其“人工智能+X”的復合專業培養模式，顯然值得基礎教育借鑒。只不過，這里的X 需要我們在基礎教育的框架內重新加以定位。

柳棟：這種課程建設的起點，應該是對人工智能知識體系的梳理。如同對“人工智能課程究竟是應該單一學科實現，還是應該多學科廣域融合”這一問題的回答，除了對課程相關政策的梳理，還必須建立在對人工智能知識體系的認識基礎上。也就是說，課程相關政策給了我們實施的空間，但究竟應該如何科學設置課程，還必須厘清人工智能的知識體系，從人工智能的知識體系出發，來看它的實施途徑。

魏寧：這正是一種“自上而下”的思考路徑，它的邏輯是清晰而嚴謹的，也是非常有價值的。您是如何理解和認識人工智能知識體系的呢？

柳棟：首先，我們還是需要從本體論的角度來討論人工智能的知識體系。這里，曾任中國人工智能學會理事長的我國著名信息科學家鐘義信教授的“全信息理論”為我們提供了一個很好的思考框架和邏輯起點。

鐘義信教授認為信息科學與技術的研究內容主要有信息、信息的性質及其運動規律，以及信息運動過程中相關手段與工具的設計、研發與運用等。

而對于具體的信息運動過程來說，它既包括了常規信息處理，如對模擬信號、數字信號進行信號增強、特征抽取等加工，也包括了對智能信息的處理，如邏輯運算、數據發掘、建模等。請注意，在信息技術的大框架下看人工智能，它就處在“智能信息處理”這個位置上，如文字識別、機器翻譯、語音識別、音樂編輯、現場監視、目標檢測、機器人應用等。

我們再從技術的本質出發來思考，技術在本質上是人的主觀世界對客觀世界的主動構造，這種構造導致了我們使用工具。人類是技術過程的內在參與者，技術是人類與客觀世界的互動手段與互動途徑（現代科學通過技術來影響人類，從這個意義上，現代科學相對技術更為專業化）。技術是一類社會實踐的結構，通過將社會實踐情境化和具體化，積極地達成人與自然、社會和諧的整體性。

因此，鐘義信教授認為：“人工智能的研究目的，是要在理解自然智能（特別是人類智能）基礎上，創制具有一定智能水平的智能機器，服務于人類社會?！?/p>

這為人工智能教學的知識體系給出了一個理解框架。

我們再看一些具體的產業研究提供的參考：中國信息通信研究院在《2018 世界人工智能產業發展藍皮書》中，從產業“存在”的角度出發，將我們用“人工智能”這個詞匯所指代的事物涉及的領域劃分為三層——基礎層、軟件算法層、應用層，這三層包含了8 大類、24 小類的相關事物、事件。

此外，我們研究中小學人工智能課程的知識體系，也不能忽視高校相關領域的課程設置，這會給我們帶來有益的啟示。

我們考察了國內主要高校的人工智能本科專業設置，發現它們大都是基于課程群的方式來構建的。例如，南京大學人工智能本科專業的課程設置就是由4 類課程群——數學基礎課程、學科基礎課程、專業方向課程、專業選修課程構成的一個課程體系。值得注意的是，這里把數學基礎課程單獨列出，表明了數學對于人工智能的基石作用。而西安交通大學的人工智能本科專業課程設置，則由專業基礎類課程群、專業主干類課程群、專業交叉類課程群這3 大課程群組成，里面具體涵蓋8 類課程。

魏寧：所以，您理解的人工智能課程體系應該是以一種“課程群”的形態存在。那么，您有哪些實踐方面的探索呢？

柳棟：是的，中小學課程框架中的人工智能課程，應該是廣域融合的，它不應是一個單一學科的概念，而應是以一個課程群的形態存在。

我們認為，要想在基礎教育中落實人工智能領域的培養，就要重視人工智能領域的跨界融合特征，重視人工智能基礎性的特征。這意味著不能夠僅僅通過單一的某一門課程，如信息技術課程來落實人工智能教育，要考慮現有課程方案框架下各類課程的作用，要在真實問題解決的前提下整體思考。既要看到諸如信息技術等技術類課程的主干作用，也要看到語文、數學、道德與法治、物理、化學、生物、歷史、地理等學科在人工智能人才培養中的作用。僅僅停留在單一學科途徑上，不符合復雜性理論所揭示的事物運行基本規律。為此，我們構建了一個中小學人工智能課程群的廣義框架，它是跨領域的，是開放的。目前的這個廣義框架，我們設想主要由三部分組成：

第一部分是主干學科科目組，圍繞計算機視覺、語音識別、檢索、機器人等主干領域設計相應學習活動，豐富體驗，激發興趣，以期了解人工智能，激發深入學習的興趣。第二部分是領域應用科目組，從物理、化學、生物、地理等學科領域出發，豐富體驗，嘗試從領域視角分析問題，探索人工智能介入與現實生活應用的各種可能性。第三部分是基礎學科科目組，從語文、數學、倫理等學科與領域出發，體驗減少歧義的表達樣式，探索簡單客觀事物中的規律，探討人工智能在我們現實生活中的兩面性。

我們認為，人工智能教育在未來可能的分類包括狹義和廣義兩種形態。狹義的“人工智能”課程聚焦于“人工智能主干領域”的中小學人工智能課程，幫助中小學生體驗圖像識別、語音識別等現有的人工智能應用，并從智能機器（俗稱“智能機器人”）等角度介紹相關的編程技能，個別高中人工智能課程則涉及算法體驗和修改的學習內容。這可以被稱之為“狹義方式”的中小學人工智能課程，這種方式目前能夠得到教育外部的支持相對較多。

廣義的“人工智能”課程則是由“主干學科、領域應用、基礎學科”三類科目組構成的中小學人工智能課程群，這種方式能夠調動學校內更多的教師參與到中小學人工智能課程的實踐中來，同時能夠很好地運用現有國家課程方案中“綜合實踐活動”板塊中的研究性學習以及校本課程落實教學實踐。

此外，還必須考慮到長遠的發展。這就需要從信息哲學出發，重新認識已有各類學科和可能的跨領域實踐活動，升級各類學科課程標準，重構中小學課程體系。

魏寧：剛才您也談到了人工智能教育的教學內容，根據不久前江蘇師范大學的楊現民等研究者對國內已出版的45 種中小學人工智能教材進行的詳細分析（參見王東麗、周德青、王亞如、楊現民《中小學人工智能教材綜述——基于45 本已出版教材的分析》，《現代教育技術》2021年第2 期），從教材定位看，啟蒙、科普的味道比較重，大部分教材定位于普及人工智能教育，體驗、了解的內容居多。從教材的核心內容看，大體包括了六大類別內容：人工智能基礎知識、機器人及其應用、人工智能硬件及其應用、人工智能的關鍵技術、知識表達與人工智能語言、人工智能的未來和展望。

人工智能教材反映了目前課程的內容體系，總的來看，目前人工智能教學還缺乏從學科視角出發，能體現縱向一體化特征的教材系列。當然，這顯然需要大量前期的基礎研究做支撐。

柳棟：學科知識體系的梳理、課程體系的建構，都是一個長期的過程，不是一蹴而就的。并且，這確實需要以扎實的基礎研究為依據。

魏寧：我們也可以參照一個“他山之石”，就是2019年7月，美國人工智能促進協會（AAAI）、美國計算機科學教師協會（CSTA）等機構聯合發布的“k-12人工智能教學指南”。這個指南對從小學到高中的基礎教育階段人工智能教學的目標、內容、資源給出了科學、專業的設計。我們可以把它看作是美國版的中小學人工智能教學指南，這也是一次系統地對中小學人工智能教育展開的梳理，頗值得我們關注。

在美國版的指南中，把適合k-12 階段學習的人工智能知識分為5 大主題——感知、表示與推理、機器學習、人機交互、社會影響。

感知指通過傳感器感知世界，它涵蓋了人工智能領域的很多重要應用，如語音識別、計算機視覺、場景理解等。表示與推理指通過特定的邏輯模型表示現實世界，并進行推理，像網絡智能搜索、自動駕駛汽車、人工智能對弈等都是它的具體應用。機器學習指計算機通過數據以及各種算法進行學習，它的具體應用有機器翻譯、各種搜索、識別系統的訓練等。人機交互指計算機與人類自然交互，如聊天機器人、教育中的智能學習伙伴等。社會影響要求對人工智能帶來的正面或負面的影響予以關注，包含了人工智能在道德層面的決策標準、設計方案等。

指南的編制者認為，上述5 個主題可以覆蓋人工智能的各個領域，而且是適合中小學生實際需求的。但如果我們從人工智能自身的知識體系看，這樣的劃分在邏輯上還不能完全自洽，如社會影響與前面4 個主題就不處于同一個層次上。

柳棟：這樣的比較研究也是有價值的，但一定要以我們的教學實際情況為基礎。在美國版的指南中，把適合k-12 階段學習的人工智能知識分為感知、表示與推理、機器學習、人機交互、社會影響5 大主題，這樣的分類是有條件的。在美國，學生的語文和數學課程中已經對人工智能相關內容有所鋪墊，而在我國的教學實踐中，這類條件未必具備。這就要求我們在整個課程體系中要關照應有的變化，所以，我們特別列出了與語文、數學學科相關的科目組，注重自然語言清晰表達的學習和數學領域中規律尋找與空間拓撲方面的學習。自然語言清晰表達，不是文學方式的表達，而是更為邏輯、理性的陳述，追求的是別人在理解的時候歧義能夠更少。

另外，對于美國版指南中的人工智能知識分類，我倒不認為其分類方式不自洽，分類中的四個事實領域和一個價值領域并沒有什么違和的地方，因為事實評判和價值評判總是伴隨著人的一生。

魏寧：通過上面的分析，我們大致可以了解人工智能教育的相關內容。我們知道，在過去的十多年里，對于信息技術課程教學始終存在一種聲音，就是不要把技術教育僅僅看成學習技術操作的教育。曾幾何時，就有人將實踐中信息技術課程過于看重軟件操作學習的現象描述為“微軟培訓班”。其實，造成這一現象的一個觀念性的原因就是人們狹隘地認為操作技能就是技術的核心內容，而這顯然是片面的。

從技術教育的角度出發，人工智能相關內容的教學應該注意什么？又有什么需要避免的？

柳棟：作為技術教育的一部分，人工智能的課程教學肯定會受到技術教育方式的影響。對于教師來說，有什么樣的技術教育理念，就會反映到課堂教學方式中，這當然也包括了人工智能教學。正如你所說，在進行人工智能教學時，我們應該避免以往技術教育中的一些誤區。

在過去十多年中，隨著對“技術是什么”這一本質問題的思考逐漸深入，對于技術認識的一些誤區也愈發明晰，像“技術=工具”“技術=工具操作”這類工具論的技術觀，其實普遍存在于我們的教學實踐，甚至成為一種根深蒂固的觀念。由這種觀念導向的，就是在信息技術課程中講授計算機的操作、某款具體軟件的操作成了順理成章的事情，我想這是未來人工智能教學應該避免的，還是要著眼于整體的方法論和行動策略的學習。

魏寧：對于人工智能教育，還有一個不容忽視的內容，就是對人工智能與人類、社會的關系的思考，包括相關的倫理問題，我想，這將一直是人工智能教育的一個重要組成部分。

柳棟：是的。這不僅僅是對人工智能教育，對整個技術教育來說都是不可忽視的。它至少包含對如下幾種關系的思考：人類與人工制品之間的關系。這是一個主客體問題，對主體迷失、客體崇拜的反思。局部與整體的關系。像空間與機能的問題、如何避免孤立地看待技術問題。過去、現在與未來的關系。包括傳承與發展的問題，如我們經常會犯這樣的錯誤——在不了解歷史發展脈絡的前提下，一味地談創新。

總的來說，“主體迷失、手段至上”是面對技術時常見的迷思，這類迷思或讓我們恐懼于未來的不確定性，或讓我們沉溺于盲目的技術樂觀之中，或在產品設計時無意中埋下災難的可能。

對于教育而言，倫理的考量，不能夠僅僅停留在“事后”，更需要通過各種方式，讓我們能夠在一個事件剛開始規劃、設計的時候，就開始倫理思考與衡量。

魏寧：今天，很高興和柳棟老師暢談了中小學人工智能教育的方方面面，對于未來的中小學人工智能教育，國家層面肯定會有相關的頂層設計。但是，這并不意味著一線教師只需要按部就班、照本宣科就可以了。相反，正是由于人工智能教育的諸多新特征，讓今后的教學充滿了創新的空間與可能。所有參與中小學人工智能課程教學的老師們，都是人工智能教育的實踐者和創新者，讓我們期待中小學人工智能教育有著美好的前景，同時也能為國家培養更多的高科技人才。

柳棟：也謝謝雜志，讓我們有機會暢談中小學人工智能教育，祝愿中小學人工智能教育在未來有更好的發展。

［原載2021年4月（下）《中國信息技術教育》］