中小学人工智能教育现状问题与思考

中小学人工智能教育现状问题与思考中小学人工智能教育现状问题与思考 北京教育科学研究院 王振强 在党中央 国务院关于发展人工智能的各项政策的引导下 近年来 人工智能教育呈 现蓬勃发展之势 在高等教育领域 高校纷纷设立人工智能学院 创设人工智能专业 在 基础教育领域 人工智能教育不仅受到教育行政部门的普遍重视 中小学校纷纷引进各种 人工智能教育项目 开发课程 教材 众多科技教育企业也将其视为自身发展的机遇 投 入大量资金 技术和人力 大力发展人工智能技术已经成为国家战略 基础教育顺应国家发展 时代发展的需要 责无旁贷 青少年是未来社会发展的生力军和中坚力量 青少年时期是兴趣养成和世界观 形成的关键时期 在基础教育领域 研究如何切实有效地开展人工智能教育 提升青少年 对人工智能发展现状和研究前沿的认知水平 更好地适应人工智能时代的生活 加深对人 工智能所蕴含的技术思想和技术原理的理解 培养综合实践能力和创新精神 激发对人工 智能的兴趣 树立投身人工智能事业的志向 既是培养新时代创新人才的重要手段 更是 国家经济社会发展的战略需要 中小学人工智能教育已经成为一个炙手可热的话题 然而如何让人工智能教育真正落 到实地 其中还有许多问题值得深入研究 人工智能技术进入中小学 一方面可以作为教育 教学和学生学习的工具 另一方面 可以作为学生学习的内容 以下主要讨论作为学习内容方面的问题 一 国内中小学人工智能教育现状一 国内中小学人工智能教育现状 1 国家课程国家课程 在中小学阶段设置人工智能相关课程的要求 出现政府文件中 始于 2017 年国务院印 发的 新一代人工智能发展规划 但其作为高中信息技术学科选修模块教学内容早在 2003 年就已正式写入教育颁布的 普通高中技术课程标准 试行 由于当时技术发展 水平和普及程度不高 师资条件欠缺明显 课程内容设置不够合理等多种原因 高中信息 技术人工智能选修模块在全国范围内开设状况不佳 在 普通高中信息技术课程标准 2017 年版 中 人工智能相关内容不仅在选择性必修模块内专门设置 在必修模块中 也有所涉及 因此 人工智能作为高中信息技术国家课程的组成部分 已是既定事实 如 何在中学开设人工智能相关课程 必然涉及到其与信息技术课程的关系 信息技术课程是信息技术教育的重要形式 也是教育信息化建设的主要内容之一 是 2 信息技术与教学应用深度结合的基本保障 人工智能课程与信息技术课程内容高中重叠 信息技术课程大部分教学内容是人工智能课程内容的基础 以经过调整 完善 优化的信 息技术课程作为人工智能相关课程的主要部分 被广大一线教师和教研人员所认同 也是 让人工智能教育面向全体学生的可行和有效途径 我国中小学信息技术教育始于 20 世纪 80 年代初 迄今已有约四十年的历史 大致可 以分成三个阶段 计算机教育的实验阶段 1982 1990 计算机课程的形成与发展 1991 1999 信息技术课程全面发展阶段 2000 至今 早期计算机教育的内容以程序设计为主 教育目标定位在普及计算机文化 随着信息 技术的发展 计算机功能的增加 以及日常生活和学校各学科教育需求的变化 信息技术 教育目标逐步发展到计算机应用意识与能力以及信息素养的培养 信息技术课程的综合性 工具性 人文性得到充分体现 信息技术教育内容曾经一度以计算机基本操作和应用计算 机软件解决学生日常生活和学习中的常见问题为主 近五年时间里 以计算思维培养为代 表的新课程理念逐渐得到广泛认可 信息技术课程的学科专业性再次受到重视 2003 年 普通高中技术课程标准 试行 将 人工智能初步 作为选修模块直接纳 入高中课程 与 多媒体技术应用 网络技术应用 数据管理技术 并列为高中 信息技术课程的五个选修模块 经教育部审定的五套全国发行的高中信息技术教材中 均 包括 人工智能初步 选修模块教材 普通高中信息技术课程标准 2017 年版 在原 课程标准的基础上进行了大幅修订 以信息意识 计算思维 数字化学习与创新 信息社 会责任四个学科核心素养 以及数据 算法 信息系统 信息社会四个学科大概念 对课 程目标 课程结构 教学内容进行重新架构 在人工智能技术领域 不仅保留了 人工智 能初步 选修模块 在必修模块中也增加了与人工智能相关的内容 2 校本课程和校内教育活动校本课程和校内教育活动 在学校开展的各类教育教学活动中 有些人工智能技术紧密相关 有些仅在内容上有 少许关联 但目标 形式上差距较大 由于人们对人工智能教育的内涵 外延没有清晰 统一的认识 这些活动与人工智能的关系难以严格 准确地描述 1 人工智能教育 命名的相关教育活动 2017 年 7 月 国务院印发的 新一代人工智能发展规划 对基础教育提出了 实施全 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 的要求 2018 年 4 月 教育部印发 高等学校人工智能创新行动计划 进一步明确要 构建人工 智能多层次教育体系 在中小学阶段引入人工智能普及教育 两个文件极大推动了以人 3 工智能相关课程为代表的人工智能教育在基础教育领域的开展 2018 年成为中小学人工智 能教育爆发式增长的重要一年 仅以中小学人工智能教材为例 据不完全统计 2018 年全国范围内推出了十几种中小 学人工智能相关的课程 教程或教材 这些课程和教材开发思路各有不同 也各具特色 从使用对象来说 有的面向全学段 覆盖幼儿园 小学 中学到职业教育 有的专门针对 初中或高中某一阶段 从开发思路来说 有的注重与科学和信息技术国家课程的衔接 有 的主要围绕技术路线突出实践活动 从内容上来说 有的以大数据为核心内容 有的侧重 编程 有的重点突出某一项或某几项人工智能的技术体验 此外 还有部分教材专门针对 校外教育机构 或定位于家庭教育 这些有益的前期探索提供了宝贵的经验 有效推动了 中小学人工智能教育的发展 但是这类人工智能教育教学活动 以何种具体形态在学校中 有效落实 各地的做法差异较大 2 以 机器人教育 命名的相关教育活动 2000 前后 随着教育部在全国中小学普及信息技术教育 开设信息技术必修课 实施 校校通工程 教育机器人 进入国内中小学 学习内容包括机器人结构搭建 传感器应 用 程序编制 创意项目设计等 机器人结构 外形主要分为以 乐高 为代表的插接积 木式 和以 能力风暴 为代表的固定外形式 以及后来衍生出后的标准结构件组合式等 几种 学校的机器人课程多是配合各类相关竞赛活动 以课外兴趣小组 学生社团等形式 开展 以教育机器人为载体开展人工智能教育是目前较为广泛流行的做法 但也有专家认 为 现在学校里常见的教育机器人难以承载人工智能技术的核心内容 3 以 STEM 教育 命名的相关教育活动 STEM 教育重点是加强对学生四个方面的教育 一是科学素养 即运用科学知识 如物 理 化学 生物科学和地球空间科学 理解自然界并参与影响自然界的过程 二是技术素 养 也就是使用 管理 理解和评价技术的能力 三是工程素养 即对技术工程设计与开 发过程的理解 四是数学素养 也就是学生发现 表达 解释和解决多种情境下的数学问 题的能力 STEM 在发展中又逐渐增加了艺术 人文等素养 学校的 STEM 教育形式多样 没有统一的标准 4 以 创客教育 命名的相关教育活动 创客一词源于英文 Maker 创客是热衷于创意 设计 制造的个人设计制造群体 包 括软件发展者 艺术家 设计师等诸多领域的代表 创客 Maker 以用户创新为核心理 念 是面向知识社会的创新 2 0 模式在设计与制造领域的典型体现 创客教育 Maker 4 Education 是一种融合信息技术 以 在创造中学习 为主要学习方式和以培养各类创新 型人才为目的的新型教育模式 创客教育活动一般以某种电脑开源硬件 如 Arduino Micro bit 掌控板 树莓派 等 为平台 进行创意设计 作品开发 创客教 育活动为培养学生的创新精力和实践能力提供了有效路径 3 相关学科竞赛活动 各类相关学科竞赛是与信息技术课程的发展同步进行的 从八十年代开始 在全国范 围内已经出现了 中小学生程序设计大赛 信息学奥林匹克竞赛 全国青少年计算机 考试 简称少儿 NIT 2000 年教育部开始举办 全国中小学生电脑作品制作活动 其后 一些知名企业与政府部门或行业协会 相断组织了如 全国中小学信息技术创新与 实践活动 简称 NOC 等各类与信息技术教育相关的计算机 机器人或科技创新竞赛活 动 这些活动在很大程度上促进了信息技术教育的普及和提高 也为人工智能教育的开展 提供了空间 4 校外培训机构开展的相关教育活动 2017 年以后 受政策影响 以编程 机器人 创客 STEM 无人机 人工智能为主 题的各类校外培训机构纷纷涌现 培训对象从幼儿园直到高中阶段 教学内容五花八门 这些教育机构推出的相关课程 丰富了学生校外教育资源 为学生的个性化发展提供了一 定空间 也为学校教育提供了可供参考的新思路 但是也存在着教学质量良莠不齐 教学 内容杂乱无序等问题 在一定程度上有可能加重学生的学业负担 二 人工智能教育的问题和挑战二 人工智能教育的问题和挑战 从最近各种机构已出版教材 以及各种人工智能主题研讨会 论坛中发布的人工智能 教育成果中 可以看到 人工智能教育在取得成绩的同时 也存在很多问题 1 顶层设计问题顶层设计问题 人工智能技术包含内容广泛 如今没有统一的原理或范式指导人工智能研究 在许多 问题上研究者都存在争论 无论在高等教育还是在基础教育阶段 人工智能专业 人工智 能课程目前还处于发展初期 内容框架 知识体系尚未建立 在高校现有的学科体系下 人工智能相关关键技术 计算机图形学 机器学习 自 然语言处理 语音识别 大多是在计算机应用技术 软件工程 电子通信工程等一级学科 中学习 人工智能尚未形成自己独特的课程体系 人工智能专业课程存在着高开低走 碎 片化 低水平重复的问题 而随着国内各高校纷纷设立人工智能学院或专业 人工智能一 级学科的建设正在逐步推进完善中 5 人工智能核心概念没有清晰的界定 在基础教育阶段 这个问题尤其突出 因为对人 工智能概念认识不清 有些教育行政部门领导 甚至教育专家 将人工智能技术与程序设 计混为一谈 有的将教育机器人活动项目等同于人工智能教育 有些教材的内容安排与已 实施多年的信息技术学科课程 创客活动 机器人活动无明显区别 只在名义上冠以人工 智能课程 有名无实 人工智能是个筐 什么都能往里装 的现象比比皆是 人工智能技术在近年得到快速发展 得益于物联网 大数据 云计算等技术的发展 与计算科学 网络通信 感测技术 自动控制技术等基础性学科的发展紧密相关 是现代 信息科技发展在最高层次上的集中体现 脱离其他相关技术的支持 人工智能技术的发展 将失去根基 但若将人工智能技术外延扩展到所有相关领域 人工智能技术又将失去发展 主攻方向 作为学习内容 人工智能教育与现有的信息技术教育 编程教育 智能机器人教育 STEM 教育 创客教育概念的关系同样需要进行讨论 深究 在各个学段 学生需要学什么 这些内容之间是什么关系 人工智能相关课程应该以怎么的形态存在 这些问题都需要在 顶层进行设计 2 教学方式问题教学方式问题 人工智能在研究领域尚有许多不确定的问题 在教学方式上自然无法得到统一 人工 智能技术中的许多代表性内容 如模式识别 知识表示 智能搜索 推理 规划 机器学 习 深度神经网络 专家系统 自然语言处理等等 技术核心均是以 大数据 深度学习 为标识人工智能算法 但这些算法深奥晦涩 需要学生具备深厚的知识基础和能力储备才 能理解 在基础教育阶段 如何将人工智能技术的工作过程可视化 让学生把 黑匣子 打开 看到其中究竟 不是一朝一夕可以解决的 纵观当前有些学校 机构的做法 有些是将大学的教学方式照搬到中小学 各种复杂 的公式 生涩的概念满堂硬灌 课堂毫无趣味 学生如听天书 有的则完全相反 教学内 容只关注应用 体验 完全不涉及人工智能技术的基本原理 思想 方法 课堂热热闹闹 学生收获寥寥 3 夸大宣传问题夸大宣传问题 不下三四种教材在各自的宣传中号称国内 国际 第一套 而实际上 人工智能课 程早在 2003 年就被确定为高中信息技术选修模块 五套全国发行的高中信息技术学科教材 中都有人工智能分册 有些机构不顾人工智能技术在历史发展进程中所经历的曲折坎坷事实 盲目乐观 过 6 度夸大宣传 给大众造成误导 有些单位为博领导和公众眼球 盲目引进一些并不成熟的 技术 或者与人工智能毫不相关的产品 无疑将会造成巨大的教育资源浪费 4 师资问题师资问题 师资队伍建设是人工智能相关课程发展的核心问题 承担人工智能课程教学任务的主 体 无疑会是中小学信息技术教师 他们在学校日常工作中承担了大量事务性工作 技术 服务性工作 教学只是他们的 副业 业务学习时间精力不够 工作成就感不强 队伍 不稳定 人工智能处在信息科技发展的最前沿 一线教师普遍没有接受过专业培训 需要 投入大量时间 精力进行学习 而相关的学习资源 教学案例又极匮乏 教师从事相关内 容教学困难重重 5 装备问题装备问题 人工智能课程的顺利开展 缺少不了必要教学装备的支持 人工智能课程需要什么样 的装备 如何才能做到少花钱多办事 提高人工智能教育装备性价比 有许多问题还需要 深入研究 目前中小学信息技术必修课教学环境尚不能满足教学需求 设备更新跟不上 学校人工智能实验室和相关设备配备目前几乎还是空白 6 课时问题课时问题 信息技术课程作为一门国家课程 在学校课程体系中始终没有得到充分重视 课时数 量少且不能得到保障 是其教育价值没有得到充分发挥的重要原因 部分地区中学因英语 学科口语考试 机房改造给信息技术学科教学造成障碍 为满足备考 测试 考场封闭 监考 数据留存等考试要求 大量信息技术课时被挤占 高中阶段课程标准对必修模块的要求 在课程方案 3 学分 54 课时的安排下 根本无 法完成 课程方案与课程标准之间存在明显矛盾 人工智能选修模块开设毫无保障 在当前中小学学生负担不断加重的现实情况下 想从国家课程中 尤其传统考试学科 中抢得课时完全没有可能 从地方 校本课程中安排课时 又要受各种条件 学校特色发 展思路限制 无法做到全面普及 7 部门机制协调问题部门机制协调问题 人工智能教育得到稳步 长远的发展 需要教育领域各部门之间 乃至社会各届之间 的广泛协调 步调一致 形成机制 教育信息化在虽然已得到广泛重视 但是作为一门学科课程 信息技术在学校课程结 构中长期处于被边缘化的位置 义务教育阶段课程形态 定位不清 课程标准缺失 信息 技术课程发展步履维艰 当前人工智能教育虽然受到各部门高度重视 但部门之间各自为 7 政 相互竞争 缺乏协调 都希望抢占先机 占领至高点 但每个部门的职能和能力有限 虽然纷纷研发出一些 标准 指南 方案 指导意见 但影响力也是有限 在另外一个层面 以学生视力下降 学生家长 被作业 等为由 禁止手机 平板电 脑 微信进入课堂 限制 PPT 大屏幕显示器使用 2018 年一些行政部门出台的文件 举 措 部分代表 委员的呼声 也在教育信息化发展 人工智能赋能教育新时代的春风中夹 入一丝寒意 以上这些信息技术课程发展过程中遇到的来自自方的障碍 阻力 困难 人工智能教 育同样会遇到 如何克服这些障碍 形成合力 是人工