基于CiteSpace可视化分析的中小学人工智能教育现状研究

廖素芬?陈卫纯?袁李华

摘  要：在人工智能背景时代下，中小学人工智能教育可以为我国培养创新人才，推动教育高质量发展，在日后国际竞争中更具有优势。文章借用CiteSpace主要分析了中小学人工智能教育的研究现状，从关键词共现分析和关键词聚类分析来进行计量分析;从能力培养、课程实施和教学系统进行内容分析。总结并分析我国中小人工智能教育的发展热点和趋势，还需要多主体共同探讨合作做好人工智能教育的顶层设计。

关键词：人工智能教育;中小学;CiteSpace

中图分类号：TP391       文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）06-0119-03

Research on the Artificial Intelligence Education Status in Primary and Secondary School Based on the Visualization Analysis of CiteSpace

LIAO Sufen， CHEN Weichun， YUAN lihua

（School of Humanities and Education， Foshan University， Foshan  528000， China）

Abstract： In the era of artificial intelligence background， the artificial intelligence education in primary and secondary school can cultivate innovative talents for our country. it will promote the education department of high quality and make it have comparative advantages in international competition in future. This paper uses the CiteSpace mainly to analyze the research status of the artificial intelligence education in primary and secondary school. The keyword co-occurrence analysis and keyword cluster analysis is using for measurement analysis， and the ability training， courses implement and teaching system is using for content analysis. It summarizes and analyzes the development hot spots and trends of artificial intelligence education in primary and secondary school， and it is also necessary for multiagent to discuss and cooperate together to make the top-level design of artificial intelligence education.

Keywords： artificial intelligence education; primary and secondary school; CiteSpace

0  引  言

隨着物联网、云计算、大数据等人工智能技术的发展，人工智能技术不断地被应用于教育领域。人工智能教育主要有两种理解：一是课程内容，学习人工智能最新的技术知识。二是技术支持，利用人工智能相关技术去分析教育数据，实施精准教学和个性化学习。人工智能教育可以改变教育方式，促进教育公平，提升教育质量。本文主要通过探究中小学人工智能教育的发展现状，以期为我国人工智能教育的未来研究提供参考价值。

1  研究设计

1.1  研究数据

本文将中国知网CNKI作为数据来源平台，以“中小学人工智能教育”为主题词，文献型为期刊论文和学位论文，检索时间为2002年1月1日至2021年12月15日，最终筛选出有效文献为564篇。

1.2  研究工具

本文的研究工具CiteSpace 5.8.R3是美国Drexel大学陈超美教授研发的知识图谱可视化分析工具，通过文献关键词的可视化分析，我们可以快速地了解某一领域内最新的发展热点和趋势[1]。

2  知识图谱分析

2.1  关键词共现分析

本文借助CiteSpace对中小学人工智能教育相关文献进行关键词词频和中心性分析。在关键词共现分析中，词频分析就是在文献中提取能够表达文献核心内容的主题词词频的高低分布;中介中心性是指关键词在整个共线网络中的中心地位，一般把中心性大于0.1的节点称作关键节点。

如图1所示，关键词共现图谱中的网络节点有316个，网络连线为488条，网络密度为0.009 8，这说明该图谱关键词之间联系较紧密。

如表1所示，除检索主题词“人工智能”“中小学”“智能教育”之外，中小学人工智能教育的高频关键词还有编程教育（33）、机器人（27）、创客教育（22）、信息技术（18）、智慧教育（13）等;它们的中介中心度均大于0.1，这些关键词说明中小学人工智能教育的主要关注方向。4369D54D-E4F7-4C8C-9335-FCC8753EEB2A

2.2  关键词聚类分析

在关键词共现分析的基础上，本文借助CiteSpace中对数似然算法（LLR）对样本数据所包含的关键词进行聚类。在关键词聚类分析中，“节点数量”代表聚类中包含的关键词个数;“紧密程度”代表各关键词之间的联系程度，值越高聚类效果越好。

如表2所示，在关键词聚类表中，中小学人工智能教育共形成10个有效聚类标签。除检索主题词人工智能之外，聚类标签的节点数量较多的有机器人、创客教育、编程教育等;各聚类标签值的紧密程度均在0.9以上，说明聚类效果很好，形成相对应的研究主题。

3  文献内容分析

知识图谱分析可以反映研究的主要方向，但无法提供更详细的内容信息，存在一定的局限性。因此，本研究以CiteSpace的聚类分析结果为参考，通过整合聚类标签形成三大研究主题，从内容分析的角度深度地去探究中小学人工智能教育的发展情况。

3.1  以能力培养为核心的研究主题

该主题的聚类词有人工智能、信息素养、教学模式、教学实践，相关的关键词有创新能力、创客素养模型、智能素养、计算思维等。机器人教育可以激发学生的创新意识，培养科技创新能力[2]。为扮演好教师在信息技术创新教学中的角色，从创新设计者、学习促进者、建设性评价者等维度构建教师信息技术创新应用能力框架[3]。为应对中小学缺乏创客教育师资的问题，构建面向师范生培养的创客素养模型[4]。智能素养是发展人工智能的重要能力，从智能意识、智能技能、智能创新等维度构建了中小学生智能素养框架[5]。为提高师范生的智能素养，开发面向师范生人工智能素养自评工具[6]。在人工智能课程中开展项目式教学培养学生的问题解决能力及计算思维能力[7]。由此，我们发现能力培养的主体不仅面向学生，还对教师能力有了更高的新要求。能力培养目标从信息素养转变为智能素养，有了更宽泛的内涵。中小学人工智能教育主要围绕以创新能力、问题求解能力、计算思维等高阶思维能力去培养，更高层次地推进素质教育。

3.2  以课程实施为核心的研究主题

该主题聚类词有机器人、创客教育、编程教育，相关的关键词有课程设计、人工智能课程等。为了应对中小学人工智能课程内容碎片化，缺少对人工智能课程系统化设计等问题，以区域校本课程“小学人工智能入门”为例，构建信息技术学科“1+2”课程模式[8]。围绕人工智能通识、应用及编程等内容，开发具有广州市地方特色的中小学人工智能课程体系[9]。创客教育的课程建设要以以解决现实生活中的实际问题为主，要围绕人工智能相关技术作为开展项目研究的技术支撑[10]。开发了一套面向高中AI课程项目资源包“校园新时尚，垃圾分类我先行”[11]。由此，在开展人工智能相关课程的过程中，以校本课程开展为主，课程内容多为编程，创新应用各种新型的教学模式。总体来讲，面向中小学人工智能教育的课程内容不断地丰富，教学设计不断地创新。但是，还存在诸多挑战，例如课程内容偏理论轻实践、课程标准不统以、课程评价方式缺乏多元化设计等问题。

3.3  以教学系统为核心的研究主题

该主题聚类词有智慧教育、中小学校园网、专家系统，相关的关键词主要有智慧课堂、大数据、智能教学系统等。基于机器学习与深度学习技术，开发面向中学生的“智慧狗”人工智能教学辅助系统[12]。构建了基于Machine learning for kids平台的小学生人工智能项目式教学模式[13]。基于建构主义学习环境（CLES）设计模型，从促进知识建构的认知工具、启迪学生思维的会话与协作、人工智能应用的社会境脉支持等方面，提出了针对中小学人工智能课程学习平台的优化策略[14]。提出构建中小学教育大数据人工智能教育系统，让中小学教育更加智能化[15]。智能一体化实验教学与管理系统用智能技术为教师减轻压力，从而开展实验教学[16]。由此，我们发现人工智能教学平台有助于缓解当前中小学人工智能教育资源分配不均、优秀师资匮乏的难题，减轻学生的学业负担和教师的教学压力。但是，人工智能教学平台存在教学实际脱节、教学资源难实现协同共享、教学资源数据缺乏安全保障、教育数据伦理等问题。

4  结  论

通过分析中小学人工智能教育的现状，本研究发现中小学人工智能教育的发展还处于初步探索阶段，我们除了要培养学生的高阶思维能力之外，还要注意提升教师信息化教学水平。除了信息技術教师之外，其他任课教师都应该将人工智能相关技术运用到常态化教学。人工智能课程的实施存在地区差异化，经济发达地区开设校本课程，而欠发达地区却没有存在课程资源匮乏。人工智能教育平台建设需要多方力量的协同合作，解决资源共享、资金费用及技术指导等问题。人工智能教育课程的开发是前提基础，师资匹配和平台系统是保障支持，能力培养是最终目标，我们需要继续推动人工智能技术与教育教学的融合创新。

参考文献：

[1] 陈悦，陈超美，刘则渊，等.CiteSpace知识图谱的方法论功能 [J].科学学研究，2015，33（2）：242-253.

[2] 张智军，朱海洋.人工智能背景下青少年科技创新能力培养研究与实践 [J].创新创业理论研究与实践，2020，3（5）：71-72.

[3] 王永军.中小学教师信息技术创新应用能力框架构建研究——基于ISTE2017版《教育者标准》 [J].远程教育杂志，2019，37（6）：50-60.

[4] 蔡阳，金石梅.师范生机器人创客素养模型构建 [J].中国教育技术装备，2019（7）：6-9.

[5] 侯贺中，王永固.人工智能时代中小学生智能素养框架构建及其培养机制探讨 [J].数字教育，2020，6（6）：50-55.

[6] 王欢.师范生人工智能素养自评工具开发研究 [D].贵阳：贵州师范大学，2021.

[7] 侯怡帆.面向计算思维的项目式教学模式的构建与实践研究 [D].上海：上海师范大学，2021.

[8] 许明伟，陈明宏.基于“1+2”课程模式的人工智能教育课程设计与实施——以区域校本课程《小学人工智能入门》为例 [J].教育信息技术，2021（3）：31-34.

[9] 刘载兴.区域开展中小学人工智能课程实验的策略与工作路径——以广州市为例 [J].中国信息技术教育，2021（4）：50-53.

[10] 王振堂.人工智能时代下创客教育的课程建设探究 [J].中国现代教育装备，2019（18）：40-41+45.

[11] 张闻闻，徐晓雄.高中人工智能课程项目资源包的设计与实现 [J].中国教育信息化，2021（2）：36-40.

[12] 马静，刘江岳，刘奕林.中小学人工智能教学平台研究与设计——以“智慧狗”人工智能教学辅助系统为例 [J].中国教育信息化，2021（1）：1-10.

[13] 张舒雨.基于Machinelearningforkids平台的小学生人工智能项目式教学模式设计与实践 [D].天津：天津师范大学，2021.

[14] 沈晨，柏宏权.中小学人工智能课程学习平台建设现状与优化策略 [J].电化教育研究，2021，42（10）：77-83.

[15] 李训.基于大数据的中小学人工智能教育系统的构建与运用 [J].信息记录材料，2019，20（4）：133-134.

[16] 方宏件.智能一体化实验教学与管理系统的思考 [J].中国教育技术装备，2020（3）：12-13+26.

作者简介：廖素芬（1993—），女，汉族，广东佛山人，研究生在读，研究方向：信息技术学科核心素养。

收稿日期：2022-01-264369D54D-E4F7-4C8C-9335-FCC8753EEB2A