菏泽市中小学人工智能教育研究

摘要：当代科技发展日新月异，人工智能深刻地改变着经济和社会发展的面貌，影响人们的日常生活，人工智能改变全球格局引领世界未来。为跟上时代的发展，各国纷纷制定科技战略和规划，重视中小学的人工智能教育。本文主要是在研究国内外人工智能教育的基础上，重点研究了菏泽市中小[]学在人工智能教育方面的现存的问题、原因及应对策略，为学校和政府决策提供依据。

关键词：人工智能;中小学;教育

【中图分类号】G40-057 【文献标识码】A

一、菏泽市中小学人工智能教育研究概况

1.1 研究背景

人工智能的概念最早是在1956年美国达特茅斯学院会议提出，它是一门涉及众多领域的交叉前沿科学，人工智能的迅速发展深刻改变人类社会生活、改变世界，它已经融入到现代社会中的各行各业，推动了时代的发展。为应对时代发展的洪流，抓住时代发展的契机，构筑人工智能发展的先发优势，提升整体公民的人工智能教育水平，为加快建设创新型国家和科技强国，2017年国务院出台《新一代人工智能发展规划》，在规化中提出了：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，鼓励社会力量参与寓教于乐的编程教学软件、游戏的开发和推广，至此国家战略对于人工智能教育提升到了一定高度，要求在基础教育阶段普及人工智能相关的知识，从小培养孩子对高科技技术的感知，为以后的发展打下坚实的基础。 2019年5月国际人工智能与教育大会上教育部部长陈宝生主旨报告中提出，要通过顶层设计、政策鼓励、加快改革等多种形式推动人工智能教育的快速发展。为了未来能全民普及人工智能基础知识，就需要利用中小学基础教育的普及性和便利性，在中小学中系统开设人工智能相关课程，培养具有智能时代素质的公民，为我国人工智能人才高地夯实“教育”基础，有利于夯实全民智能素质和人工智能人才培养的基础。“中兴事件”和“华为事件”也启示我们培养创新人才的重要性。培养能够发现问题，综合运用多学科知识解决实际问题的创新人才是教育界面临的重大挑战，也是构建创新性国家的必要条件。

1.2 研究现状

随着虚拟现实、无人驾驶、机器人手术、3D打印等一批颠覆性技术的出现，人工智能作为科技创新的核心，未来必将推动高新技术人才的竞争，为跟上科技人才的需求，各国都积极跟上时代发展的步伐，制定国家战略，继颁布文件，将人工智能教育列入国家人才培养战略中，以赢得新一轮的“竞赛”。伴随着人工智能的发展和崛起，各个国家都比较重视本国的人工智能教育，陆续在中小学都设立了人工智能相关课程，比如美国在2016年出台了《为人工智能的未来做好准备》，在这篇报告中主要论述了人工智能的现状、应用及在社会和公共政策存在的可能问 题。 2016年，日本发布《日本振新战略2016——面向第4次产业革命》，在这篇报告中提出了人工智能教育应用政策，指出在中小学必修课中加入人工智能教育课程。2017年1月法国政府发布《法国人工智能综合报告》，该报告强调跨学科平台建设，强调计算科学、认知科学及自然语言识别等学科人才的培养。2018年3月，新加坡总理办公室发布“人工智能新加坡”项目，该项目支持人工智能领域科学活动，通过创客空间共享资源和设施。

人工智能教育的起步在我国相对较晚。在2014年以前，我国在学校的人工智能教育方面，始终以课外活动、兴趣小组、培训班等表层的认知理解为主，系统化的教育比较少见。2015年是我国中小学人工智能教育改革的一个重要转折点，教育部颁布了《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见》，促使很多学校设立了创客空间，设立了基于智能机器人开展创客教育和STEAM教育，培养青少年对人工智能的兴趣，提高学生解决问题的能力，帮助孩子形成创新思维与信息概念。人工智能是一门复杂度综合性学科，在中小学设置关于人工智能的课程，并非是将大学阶段的专业课简单地迁移到中小学中去，而是调动学生对人工智能的兴趣，积极参与和学习。

1.3 研究的意义及重要性

现代社会的发展，促使人民重视人工智能教育，培养具有应对未来智能社会的公民，重视全民的人工智能素质的提高必须从小开始，所以在中小学中普及人工智能教育是人工智能时代国家战略性选择。本课题在研究国内外的中小学关于人工智能课程的学习和开设情况，重点调查研究菏泽市的中小学开始人工智能课程开设现状，分析问题存在的问题和原因，为地方政府和学校制定相关政策提供参考意义。

二、研究人工智能教育的主要方法及重难点分析

2.1主要方法

要分析人工智能教育情况需要收集分析各种资料，从中挖掘资源的价值，本课题主要通过以下三种方法进行具体任务的实施。

（1）问卷调查法：针对各个学校开设学习人工智能课程相关情况，编制设计了调查问卷，了解调查菏泽市中小学对人工智能課程的开设和学习情况，并对结果进行分析和讨论。并同时进行走访调查，实地了解开设课程情况。

（2）理论研究与应用研究相结合：本课题首先对研究内容进行理论分析，特别对不同学科知识点相关性挖掘、学生学习行为挖掘与反馈，案例报告的自动评测等创建或改进相关模型、算法，提出相应的机制、对策或建议，做到理论创新，同时又要进行应用研究，将理论成果应用现实问题中，既对跨学科相关知识挖掘进行验证，创建相应的学科知识图谱，又要对现实的案例进行分析、挖掘并进行教学和实践。

2.2重点难点及分析

本课题首先通过社会调查、数据挖掘方法、自然语言处理方法、知识表示与融合等人工智能关键技术依据STEM 教育模式，挖掘各学科间知识联系，构建学科知识图谱。以此为基础，设计STEM教育框架下跨学科项目，包括学科知识融合、工程实践等。进一步研究人工智能跨学科教育，包括教学环境设计，题目来源设计、教学内容设计、教学目标设计及教学评价设计等内容，最终在上述研究的基础上为创新思维人才培养打下夯实的基础，人工智能技术在人工智能教育中的应用和提高中小学生的人工智能素养的研究把人工智能技术融入到STEM教育和创客教育中是个挑战。

三、菏泽市人工智能教育存在的问题

人工智能这门学科属于前沿交叉科学，对于教学内容和教育师资等都有很高的要求。菏泽市共2000多所中小学，其中只选取了部分学校进行调查研究，包括菏泽市内的学校也有乡村中小学，通过调查研究分析，发现菏泽市中小学人工智能教育及课程建设存在的主要问题如下。

第一，课程目标定位和内容缺乏合理性。人工智能教育提出也是最近几年，很多学校反应缓慢，也缺乏统一的人工智能课程标准，并且也没有中小学人工智能课程具体内容的规定，认识也不统一，不同的教材选择的内容模块和难度也存在差异。不同的学校在进行学习的过程中，也没有统一的标准，基本上是一个学校一个样，普遍的做法还是沿用的以前信息技术课程的内容，忽视了对学生创新能力、计算思维和高科技人才素质的培养。

第二，师资力量薄弱。由于人工智能是个新兴的行业，各高校开设人工智能和大数据等相关专业也是从近些年开始，时间较短，而社会上对人工智能人才的需求量很大，并且国家也未有服务于中小学的人工智能师范专业及对应的教师资格认定制度，所以现在中小学都缺乏具有人工智能素养的师资，相应硬件资源也同样匮乏，在菏泽市现有的中小学对该课程的任课教师严重缺乏，基本所有学校还是有信息技术老师担任，这部分老师基本都不是人工智能相关专业毕业，普遍不具备教授人工智能课程的专业能力，即使安排了相关的课程，也很难实际开设这门课程。更有甚者很多学校开设不起来人工智能相关知识课程，特别是菏泽市乡村学校，关于人工智能教育的培养更加不容乐观。

第三，配套基础设施不完善，教学软硬件环境和资源缺乏。由于人工智能课程是个交叉前沿的课程，一般涉及的技术都是当前比较前沿的科技，比如虚拟现实、机器人、自然语言处理等等，这些知识的传授是需要有专业的实验室来进行，对整个软硬件的要求都很高，缺少必要的实验器材和实验室，目前具备这个能力的学校寥寥无几，这方面的资源太过缺乏。特别是一些乡村中小学基本没有能力开始人工智能课程，在市里的学校虽然部分学校有点能力进行人工智能教育，但是也没有得到充分的利用。

第四，课程内容设计有所欠缺，在小学阶段只有个别学校开设了人工智能相关课程，很多学校还没开设这些课程，特别是乡村学校，信息技术课程学习的只是简单的计算机的应用，对于人工智能部分基本没有开设。中学阶段的学校也是有很大部分学校也没有启动人工智能的教育，例如部分学校只是学习了办公软件（WPS）的用法和一些简单的画图软件的应用，讲授的内容还只是一些计算机的简单应用，对于人工智能的内容根本没有涉及。部分学校也只是把人工智能教育作为兴趣小组来进行开设，比如举行“机器人”、“编程”等兴趣小组，但是实际也很少能开展相对应的活动，也成了摆设，即使能够开展活动也只是对极少部分学生进行人工智能教育的启蒙，没有进行对人工智能的普及教育。

第五，教学课时没有保障，中小学的人工智能课程属于“非主科”，不参与升学的考核，一部分学校、教师和家长重视程度不够，课时有被其他科目挤占的现象，有点学校随意被别的课程占用，更有甚着学校安排了课程，基本都没实际给学生上过课，由于基本没有考核课时严重得不到保障。

四、菏泽市中小人工智能教育实施途径

4.1科学规划课程内容

课程内容是进行素质教育的主要扶手，合理科学的规划各阶段学习内容，让学生高质量的接受人工智能素质教育。人工智能涉及的主要内容有自然语言理解、计算机视觉、智能机器人、自动推理和搜索、知识表示、机器学习和知识获取等内容。由于人工智能涉及的是多学科的综合交叉应用，人工智能课程建设还处于研究探索阶段，还不成熟，在提高人们的高素质的目标下，要建成一个跨学科、有内部体系结构的课程内容体系，探索多维度多阶段有侧重有重点的学习。根据学生不同年龄特征安排不同深度的内容，以循序渐进逐步开展，以提高人工智能课程的针对性、实效性和系统性，为国家培养高素质人才。由于小学阶段的孩子逻辑思维发展不够，但随着孩子年龄的增 长，求知欲探索欲越来越强，接受知识主要以体验、感觉为主，可以安排小学阶段的学生以游戏和体验高科技产品为主，例如可以让学生体验虚拟现实VR产品，让学生接触机器人，各种智能产品的应用等等，让小学生体会到科技的高速的发展为人类带来的好处及便利。在中学阶段规划内容时，可以把人工智能知识融入到各学科当中，例如可以在数学、语文、生物、化学等学科内容结合，开展跨学科的课程设计，同时可以开展计算机的Python编程课程， 培养学生的计算思维和创新能力。高中阶段可以考虑以专题选修课的形式进行，例如可以开设“机器学习”相关课程，可以试着围绕着深度学习算法、机器学习、强化学习等前沿技术进行，在实施的过程中主要以项目的形式进 行、演示展现在学生面前，让学生切实体会到科技的魅力，提高培养学生的项目实践和创新能力。高科技现代技术融入到各具体学科的学习中去，试着提炼出各学科与人工智能相关的内容，然后在讲授的过程中融入人工智能相关的知识点。最后总体合理科学的规划每一个阶段知识内容，使得整个中小学阶段的对人工智能的学习内容能够自成科学的课程体系。

4.2建立考核机制

有了课程目标和课程内容的指挥棒，具体实施过程中的效率问题也需要考核，通过建立考核评价机制可以促进学生的全面发展，提升教师的教学质量，提高教师积极性。可以考虑利用人工智能技术挖掘学科间的联系，跟踪学生的学习行为，探索自动评价和反馈机制，以此为基础研究创新人才培养体系构建、课程及教学设计、评价方法， 为培养人工智能素质、数据科学素养提供数据支持和技术手段。

4.3提高教师专业素养

在知识的传授过程中，教师是学生知识学习引路人和学生实践的指导者。只有提高了教师自身的人工智能综合素质才能更好的教导学生，由于人工智能学科是新型前沿的课程，对人工智能教师总体素质就提出了较高的要求， 但是目前各学校的人工智能教师基本都是信息技术教师担任，中小学信息技术教师普遍总体素质不是很高，并且人工智能知识都是非常前沿的科技发展技术，学校教师普遍不具备这方面的知识素质，所以学校应考虑提高教师的总体素质，安排教师参加一些有针对性对前沿技术和人工智能课程相关的培训学习;教師自身也要注意主动学习当前前沿的技术以及一些实际应用，关注国家和地区的人工智能发展政策，时刻注意提高教师的总体专业素质，提高教师AI教学平台操作、跨学科知识整合等专业素养，这对当前的教师来说是一种不小的挑战。

4.4以赛促学

学校在条件许可之下可以组织学生参加一些力所能及国家允许的竞赛，积极引导组织学生参加，以点带面，鼓励有兴趣和有特长的学生积极参加，以带动更多的学生关注人工智能素质的全面提高，从而带动人工智能教育发展，吸引更多的学生参与其中，从而达到人工智能教育的目的。可以建立一些课外学习兴趣小组，可以按不同的侧重点设立各小组，提高认识，以带动更多的学生关注人工智能知识素质的提高。

4.5充分利用本地资源

知识的传授需要软硬件环境，对于人工智能知识的传授很多学校都不具备这方面的条件，但是本地有一些大中专院校具备这方面的资源，还有一些社会培训机构也建立了人工智能实验室，可以探索利用现有资源，建立中小学与大中专院校、培训机构等的扶持与合作。 特别是一些大中专院校基本都开设了同人工智能相关的专业，可以充分利用高校的优秀师资及实验环境，请相关教师到中小学进行人工智能课程的设计、内容组织进行指导，还可以请这些专业教师做一些前沿知识技术的科普报告，或是带领学生到在菏高校参观学习，提高学生的整体素养。培训机构在人工智能教学资源建设方面经验较丰富，对于有资质的培训机构，学校可以考虑与他们合作，为学生提供成体系的课程内容以及相应的配套设施。

4.6提高认识

提高全社会整体对人工智能教育的思想认识，提高学校、学生、家长对人工智能教育的重要性的认识，人工智能教育是当代智能社会必须具备的素养，不是可有可无的课程，要保证这部分内容知识的课时量及学习时间。

五、研究总结与展望

本课题的主要工作是调查分析各个学校教育现状，以菏泽市各个学校关于人工智能教育数据信息息为基础，借助数据挖掘技术分析对人工智能教育相关的问题，阐述了问题存在的大致原因，提出了提高中小学生人工智能教育素质的策略，通过以上研究分析，为学校和政府决策提供了一定的应对策略。人工智能教育的目的是“育人”，把知识的种子从小种到孩子们的心中，为培养具有信息素养、计算思维、创新能力和适应智能时代的高端人才打下基础，科教兴国，使得未来不再出现“华为事件”、“中兴事件”等卡脖子事件，使得未来有足够的实力来应对未来可能面对的各种高科技事件。

参考文献

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课题：2019年菏泽市社会科学规划课题，自筹课题项目号2019-39.