中小学人工智能教育面面观

》 马 涛

正高级教师，北京市特级教师，北京市海淀区教育科学研究院教育网络与数据中心主任。首届教育部基础教育教学指导专业委员会委员，中国教育技术协会中小学专业委员会常务理事。中央电教馆“全国中小学新媒体新技术教学应用研讨活动”专家委员会副主任，中央电教馆全国中小学电脑制作活动评审专家，国培计划中西部骨干培训主讲教师。北京市教育科学研究院基础教育教学指导委员会信息技术学科兼职教研员，北京市中小学教师信息技术应用能力提升工程1.0、2.0项目专家。主编《中国互联网学习白皮书》之2017至2021年《人工智能教育（基础教育）发展报告》，主编人民教育出版社、中国地图出版社联合出版的高中2017版课标《人工智能初步》教材并通过教育部审定。

》 魏 宁

北京市东城区教育科学研究院研修员，本刊特约撰稿人/专栏作者。

厘清人工智能教育的核心内容

魏宁：马老师，您好，很高兴有机会和您一起聊聊中小学人工智能教育这个话题。我们先从一份报告说起吧，教育部教育管理信息中心从2017年起每年都会发布并出版《人工智能教育（基础教育）发展报告》，作为《中国互联网学习白皮书》的重要组成部分，对当年度中国基础教育领域人工智能教育的发展状况进行总结、盘点，并探讨人工智能教育的发展趋势。我知道，您从2017年开始就担任了这一报告的主编，近年来也一直追踪、关注中小学人工智能教育的发展，对这一领域有着非常深刻的见解。

马涛：感谢杂志提供这样一个机会，能够一起聊聊中小学人工智能教育这个话题。刚才您提到的这个报告，它的背景源自2017年国务院印发的《新一代人工智能发展规划》。规划中明确提出：“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。”于是，人工智能教育开始引发持续关注，成为中小学教育的热点，在这一背景下，《人工智能教育（基础教育）发展报告》得以推出。这个系列报告到今年已经5年了，并且仍在以每年一本的方式继续推出，这也是目前国内基础教育阶段人工智能教育领域坚持时间最长的系列报告，它见证并记录了中国中小学人工智能教育的发展历程。其中包括了人工智能教育的推广、普及状况，教师和学生对人工智能教育的认知状况；中小学人工智能教育相关课程的开设状况；类型结构，还存在哪些问题和困惑等。我有幸担任了这一系列报告的主编，见证了近年来国内人工智能教育的蓬勃发展。

魏宁：通过5年来对人工智能教育的观察，您觉得当前人工智能教育开展面临的最大问题是什么？最大的困难是什么？

马涛：实事求是地说，开展人工智能教育的最大困难和问题是我们对人工智能核心内容的理解仍存在偏差，对什么样的课堂才真正属于人工智能教育存在认知误区。我认为，体现出人工智能核心算法、人工智能功能调用，实现人工智能功能的课堂才是人工智能教育。但在我们比较常见的认识中，会认为机器人课就是人工智能课，智能硬件课因为有智能两个字，也被认为是人工智能课，甚至编程课也被认为是人工智能课。以至于有的学校开设了编程课程、创客课程，就认为自己开设了人工智能课程，这种以非人工智能的内容混淆人工智能课程内容的现象还是比较普遍的。所以，我们需要引导方向，让大家清楚人工智能的核心内容到底是什么。

魏宁：但对于中小学生来说，人工智能核心算法的掌握难度是显而易见的，我们是不是应该从义务教育阶段到高中，给学生一个认识的梯度？

马涛：是这样的，要想在中小学推动人工智能教育，确实需要从小学到高中将其分为不同的层次来开展。

在小学和初中阶段，学生的数学基础、认知基础决定了他们对人工智能的核心算法不会有太大的把控能力，此时可以借助一些开放的人工智能平台内容去呈现人工智能的功能，让学生理解人工智能到底是什么。这时我们就发现，在2017年《新一代人工智能发展规划》发布后，科技部就公布了首批4家国家新一代人工智能开放创新平台名单，也就是大家熟悉的BATI，这些平台开放人工智能库函数，让大家能够免费使用，这样小学生也可以在图形化编程下实现人工智能功能的调用。通过这样的方式，在小学和初中阶段，学生可以在不用过多学习基于数学的算法内核情况下，用简单的编程语言去调用库函数的方式实现人工智能的基本功能，如语音识别或图像识别等，进而用这样的技术功能来解决生活中的问题，实现人工智能创新应用于生活问题解决。

我举一个例子，曾经有这样一个学生作品，叫做“零接触电梯外按钮智能辅助装置——防疫小卫士”，一听这个名字，就能了解它的创意来自新冠疫情期间，学生希望设计出一种不用手触摸，通过人的声音或者挥手就能控制电梯按钮的装置，这个作品就体现了利用人工智能技术解决生活问题这一思路。

而在高中，《高中信息技术课程标准（2017年版）》里就比较清楚地在选择性必修模块里涉及了人工智能的核心算法，但必修模块里面是没有核心算法的，更多的依然是体验型，或者是认知层面的内容。

上面说的这些是关于人工智能教育的途径或方式，我们也可以回想一下信息技术课程的发展历程，从早期的编程教育开始，大家先考虑的是程序设计用什么语言，以及什么样的语句、语法，到后来开始涉及算法，再到后来提出计算思维。编程经历了从技术领域到方法领域，最后提升到思维领域这样的一个发展、进阶过程，人工智能教育我们也有着同样的期待。

确立人工智能教育的思维目标

魏宁：说到思维层面，您对人工智能教育在思维领域的目标有怎样的理解呢？

马涛：刚才我说到，编程的学习就有这样的一个过程，从编程技术的学习，到用编程解决问题，最后到计算思维的培养，这是一个从技术到方法再到思维素养提升的过程。在创客教育中我们也经历过这样一个过程，就是从开源硬件的技术使用，到用开源硬件去解决问题，最终通过创新性的方式解决生活中的问题，体现的是创新思维。那么，人工智能教育必然也要经历一个从人工智能的技术学习到解决问题方法的实践，最后到人工智能思维的培养的过程。

如果人工智能教育确实要经历这样的一个过程，那么不同学段的目标就明确了。在小学、初中阶段，更多的是去理解人工智能的基本特征和分析、体验应用方式，高中阶段培养学生掌握用人工智能解决生活中具体问题的内在原理、基本模式和思维方式。

这样一来，我们等于也明确地划分出了小学、初中、高中的不同能力水平，甚至划分出了不同学段课堂教学的内容和形式。有了这样的划分，这个课程就避免了不同学段教学内容和能力层次重复的问题。

魏宁：对，人工智能思维在不同学段的落位，也间接解决了不同学段差异性的问题。

马涛：是啊，我们以前在上信息技术课的时候，就遇到过类似的问题，就是关于“信息”的概念。小学信息技术第一课是讲信息的概念，初中第一课也是讲信息的概念，到了高中第一课还是信息的概念。在实际教学中，不管是小学、初中还是高中，都会用烽火台、结绳记事等例子来说明信息的概念。这就等于说，关于信息的概念，从小学到高中，教学中用到的案例都是一样的，学生活动也是一样的，那么学生的能力差异体现在什么地方？如果体现不出能力差异，我认为这样的课肯定是存在问题的。

人工智能课程同样如此，小学的人工智能课可能是让学生拿着手机去拍花的图片，用“形色”APP进行识别。初中、高中的人工智能课可能也会有同样的内容，那么，它们的层次差异体现在哪里？

我的理解是，当小学生用“形色”APP识别花卉图片时，是让学生理解人工智能的特征与非人工智能的区别，这是小学第一节人工智能课可以带给学生的。到了初中，就不能仅满足于通过这样一个智能识别工具理解人工智能的特征，还要能理解或者解释它的基本原理和方法，虽然学生未必能马上实现这一功能，但一定要解释清楚它的机理。到了高中，课堂中必须结合现有的编程基础学习相应的核心算法等内容，去设计一个解决问题的方案，并在人工智能课里面通过编程来实现。

这样一来，就把人工智能教育在不同学段的能力区分出来了，所以在我看来，人工智能教育在不同学段可以有这样的基本认知方式和实施方式，从而凸显不同层次教学目标的能力、思维培养。

魏宁：我看您刚才举的这些例子，以及不同学段能力、思维的层次，实际上已经把针对人工智能教育的评价隐含其中了，这里面已经体现出了人工智能教育的评价标准。

马涛：是的，因为到目前为止，针对人工智能教育的评价依然是一个难点，其中不仅要涵盖人工智能技术方面的评价，更要呈现对能力、思维、素养方面的评价。当然，人工智能教育评价也是非常值得探索的一个领域。

明晰人工智能教育的课程特征

魏宁：应该说，在2017年提出“在中小学阶段设置人工智能相关课程”的要求时，很多学校就开始了有益的探索。随着近年来高中阶段和义务教育阶段新课标的相继颁布，人工智能相关内容在课程中的呈现已逐渐清晰，当然，在信息技术（信息科技）课程之外，一些学校也在以校本课程的形式继续开展相关的探索。对于人工智能教育在中小学阶段的存在形态，您是如何看待的？包括近年来关于人工智能教育是否应该独立设课的讨论。

马涛：几年前，我们曾经有几个问题——人工智能教育，作为一个热点，它会维持多长时间？它和信息技术或信息科技课程的关系是怎样的？

我们可以从信息技术课程发展的历史上找寻类似的例子。例如机器人教育，在21世纪初曾经以非常高的热度出现过，很多学校也独立开设了机器人课程。但在一个高热度过后，它会缓慢降温，当然，这种降温到最后不是消亡，它会稳定在一个状态上并且一直维持下去。我们现在看到在很多教材里面都会有机器人的内容，它已经稳定地成为新的技术课程中的一个部分。

再来看创客教育。在大约十年前创客教育“火”起来以后，同样经历了一个快速发展阶段，但在一段时间后也在慢慢降温，降到一定程度后维持在了一个稳定的状态上。从存在状态看，它是一个独立存在的板块，在很多地方我们都能看到开源硬件的影子。这说明，对于创客教育的核心内容，它在信息科技或信息技术课里面所占有的比例，大家是有共识的，它不会消亡。

回到人工智能课程。在刚刚兴起的时候，大家可能更多地认为它是一个独立开设的课程，但从国家课程体系的角度来看，它一直就是信息技术或信息科技课程中的一部分。在最开始的时候，大家可能更多的是利用地方课程或者校本课程的方式开设。慢慢地，它会更多地固定在信息技术或信息科技课程中，成为一个部分。当然，在一些条件好的学校，人工智能教育仍然会以校本课程等形式继续探索下去，但对于全国范围的广大学校而言，人工智能教育的内容会回归到信息技术或信息科技课程中，会长期、稳定地存在下去。

魏宁：您怎么看待人工智能教育和现在流行的创客教育之间的关系？在很多人看来，它们之间存在着交叉关系，甚至不易区分。

马涛：我认为，人工智能对创客教育起到了推动的作用。我先说说我自己的亲身感受吧。我在担任一些创客活动评委的时候，在学生的创客作品中，注意到了和以往的一些不同。

例如，有一个作品叫“人工智能识别垃圾桶”，它的生活背景是当时开始实施的垃圾分类。从技术角度讲，它基于卷积神经网络制作，对垃圾拍摄采样并进行预处理，将图片放入卷积神经网络中进行训练，输出对应的概率分布并实施对应措施。通过这个案例我们可以看到，借助人工智能技术，可以做到：突出对外部的感知，突出人机交互，突出系统间信息互联互通，从而使创客作品在功能上与以往的基于“自动化”的作品有所不同。

至于人工智能与创客的区别，从作品的角度看，人工智能作品突出认知、理解、决策，而创客作品更突出开源硬件。所以在作品创作中，突出各自的特点即可。

魏宁：如果从STEAM的角度看人工智能教育，其实，很多人工智能作品也体现了STEAM的特征。

马涛：是的，人工智能的作品很多都能体现出STEAM的特征，如当做出一个好的作品的时候，它应该有一个合理的、美观的外观设计，有一个完整的封装与制作。这里就体现了艺术的一面，就是STEAM里面的“A”。再有，作品制作的过程，涉及通用技术中的结构问题，以及劳动技术里面的制作问题，它隐含的工程思维，就是STEAM里面的“E”的体现。

破解人工智能教育的师资困境

魏宁：刚才我们聊了很多，总的感觉是人工智能是一个非常专业的领域，我们目前对人工智能教育的准备其实还是不足的，需要加快发展，我想这里面会有一个瓶颈问题，就是师资问题，它会制约课程的发展，您怎么看中小学人工智能教育的师资问题？

马涛：是的，人工智能师资问题的确是一个掣肘的问题。我们也可以换一个角度来看待这个问题，我们发现，在2017年之前，全国的高等学校在本科里设立人工智能专业的还非常少，基本都是在硕士层次以上才有相关的专业，这样的根基肯定会导致基础教育领域的人工智能师资匮乏。当然，近年来，高校在本科阶段开设人工智能专业蓬勃发展起来了，可以有相应的师资填充进来，但数量上还是不能满足中小学人工智能教育的需求。

魏宁：客观上在人工智能师资短缺的背景下，我们可以用什么方式尽量弥补呢？

马涛：在师资问题短时间内无法有根本性转变的情况下，学校可以考虑借助外部课程资源来填补空缺。当然，这也要看学校的经费状况。

如果学校的经费比较充裕，就可以选择付费的课程资源，有非常多的企业提供了全套的人工智能课程，其中涵盖了教学进度、教学内容、辅助资源、学生活动、评价方式，甚至还有线上的教师支持。如果学校的经费不足以支持这样的付费资源，那么就要考虑如何用免费的途径填补空缺。第一个就是免费的编程环境，BATI提供了免费的人工智能库。第二个就是硬件设备，如果学生的电脑上有麦克风、摄像头、扬声器，就可以在电脑上实现语音识别、语音合成、语义理解和图像识别等功能。如果学校有开源硬件或机器人，能连接摄像头、互联网，也能通过互联网来实现语音识别或图像识别，这就等于利用学校现有的硬件资源，实现了人工智能的教学功能。当然，这还需要教师来做整体的课程设计。在免费的教学环境下，我还是希望能有一个完善的教研体系，把教师培训做好，让老师们有一个学习、交流、展示的空间。不论是实体性的线下培训还是提供线上资源，它们对教师的学习成长都会有帮助。这也是以教研渠道提升师资能力的一种方式。

总之，对于人工智能教育的师资问题，长远看还是寄希望于有人工智能教育背景的学生不断补充进来。短期的方式就是，经费充足的学校可以考虑购买商业化的课程资源，由这个商业化的体系辅助教师一步一步往前走，经过一两轮教学实践后，教师就可以独自掌控课堂了。如果没有这样的条件，就需要开源设备的支持，以及比较详实的教材、教师指导用书，加上一套完整的教师培训体系、教研体系的支撑。

魏宁：很高兴今天和马老师聊了很多关于中小学人工智能教育的话题，希望我们的中小学人工智能教育越来越好，涌现出更多成熟的教学案例，培养出更多的人工智能优秀人才。

马涛：我也很高兴借助杂志提供的平台，和广大信息技术教师分享我的一点看法，同样也预祝中小学人工智能教育有着更加美好的未来。