信息科技教材中人工智能主线的设计与实施

丁婧

摘要：人工智能作为信息科技领域的重大战略性技术，可通过信息科技教材实现课程独特的时代育人价值。信息科技教材中由应用系统体验递进、机器计算与人工计算异同递进、伦理与安全挑战递进构成了人工智能逻辑主线设计立体框架。在教材使用中，教师应实现课堂从技术向科技的转变，理清“教材项目活动线—学科知识线—学生认知线”后形成自己的教学逻辑线，并运用工程理念开展人工智能项目学习。

关键词：信息科技课程；人工智能；教材设计

中图分类号：G43 文献标志码：A 文章编号：1673-9094（2024）03-0073-07

伴随着数字技术的飞速发展，人工智能作为信息科技领域的核心驱动力，正深刻改变着人们的生产、生活、学习方式，推动人类社会迈向新的发展阶段。生成式人工智能的横空出世与快速迭代，更让技术从执行走向创意，人机共智带来了新机遇、新挑战。中小学信息科技课程承担着培育学生数字素养与技能的关键任务，人工智能教育是其中不可或缺的一环。2022年，教育部颁布的《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称《课标》）中明确指出，“人工智能”是义务教育阶段信息科技学科的逻辑主线之一。这一定位凸显了人工智能在课程中的核心地位，彰显了它对学生个体发展、社会进步和国家竞争力提升的重要意义。这是对“为谁培养人，培养什么人，怎么培养人”的有力回应，体现出信息科技课程的独特时代价值。教材作为课程实施的基础和关键资源，其设计与实施的成效直接关系到教育目标的实现。因此，信息科技教材的编写必须以科学的知识观为基石，依托先进教育教学理论，紧密结合时代发展，重视人工智能主线的设计与实施。

一、人工智能在课程中的核心地位与内在逻辑

《课标》依据核心素养和学段目标、根据学生的认知特点，设置了六条逻辑主线、九个内容模块，从而形成立体、丰富的课程内容体系。人工智能既是六条逻辑主线之一，也是内容模块之一“人工智能与智慧社会”中的关键词。作为模块的人工智能主要体现于部分年级中，而作为逻辑主线的人工智能则贯穿整义务教育阶段。

课程的六条逻辑主线不仅是课程内容的循序渐进和螺旋式上升的框架，各主线内也呈现出自身的递进与螺旋式上升。人工智能逻辑主线的三个认知层级是：应用系统体验—机器计算与人工计算的异同—伦理与安全挑战[1]12。三个层次在认知递进的同时涵盖动作技能领域与情感领域。应用系统体验的认知层次相对较低，以人工智能具象和抽象的辨识、初步了解为主，体验的同时形成情感领域的接受、认可、赞同等正面感受。机器计算与人工计算的异同是信息科技核心科学原理，涵盖多个认知层次。从课程学段目标可知，目标为理解原理与方法，应用技术创造性地进行问题解决。内化原理过程中的技能学习涵盖动作技能领域的模仿、独立操作、迁移等不同层次。伦理与安全挑战要求学生在理性、深刻地认识人工智能的本质价值后作出有说服力的判断，是认知层级中的最高级。同时兼具的情感领域目标与应用系统体验的情感领域目标明显形成层次差异，稳定这个价值观念是本层次的教育目標，即能够建立稳定的个人安全观与国家安全观，并对无定论的伦理问题有思辨能力。

二、教材中人工智能主线的设计

人工智能作为逻辑主线设计决定其在整个义务教育阶段的贯穿设计。教材应通过三个认知层面间及各层次内的多次螺旋上升，形成符合学生认知发展特点的人工智能逻辑主线设计框架。

根据皮亚杰的儿童发展阶段理论，3～9年级的学生正处于具体运算阶段和形式运算阶段。3年级的学生处于具体运算阶段，以感性体验为主；4～5年级的学生处于由具体运算向形式运算过渡的阶段，可以初步涉及人机异同的原理和安全伦理的感受；6～8年级学生的形式运算能力有所增强，可进行人工智能技术、原理、系统的进一步研究，对安全问题进行相对深入的探讨；9年级的学生形式运算能力相对比较成熟，体验层次应上升，对原理的理解可加深，伦理认知更加严谨深入。综合《课标》要求和学生认知特点，教材可形成如图1所示的人工智能逻辑主线设计框架：

（一）应用系统体验的递进设计

体验是一种既包括理性反思又包括感性体验的学习方式，人工智能应用系统的体验既应包括学习目标、内容、过程有差异的认知体验式、情感体验式、行为体验式三类体验[2]12，也应涵盖感官体验、反思性体验和高峰体验[3]三个层级的体验。总体而言，各类体验的分布特点是1～3年级偏感官体验、情感体验，4～8年级三类三层体验兼具，直至9年级回归情感体验的同时升华至高峰体验。

1.人工智能应用情感体验

基于学生认知发展，1～3年级可定位于让学生站在用户角度体验与人工智能的交互，对人工智能场景、应用、系统进行经历和尝试，在感官体验层面产生对人工智能应用效果的接受、认可与赞赏，产生积极感受。尤其是AIGC（生成式人工智能）技术产生后，教材可设计创意绘画等活动，使学生产生强烈的正面感受。

2.人工智能技术行为体验

在感官体验基础上，4年级起可设计反思性体验，以《课标》强调的实验形式开展人工智能技术行为体验。在实际操作、结果反思、修正行为的循环中，人工智能的使用技能得到提升，以工程设计型实验帮助学生实现从用户身份向开发者身份的切换。在初中阶段的行为体验中，可进一步强化学生的开发者身份。在教材实验设计中强化实验的规范性、严谨性，作为实验对象的系统的复杂性也可进一步增加，如从小学阶段的智能台灯系统上升到初中的智能路灯控制系统，学生通过体验及反思，习得人工智能技术与具体技能。

3.人工智能原理认知体验

人工智能原理认知体验的设计可始于人工智能技术基础上的“数据”“算法”。从计算机的数据编码、数据处理、数据分析到AIGC的数据预测，从身边的算法到计算机的算法，从算法的描述到算法的程序验证，从算法的三种基本控制结构到机器学习算法，都是人工智能底层技术，教材可设计系列体验性栏目形成递进体验。从初中阶段开始，年级关键词更为复杂与抽象，体验设计应在前期感官体验的基础上向原理迈进。如低年级已体验过的图片搜索、智能推送等可用于分析其背后支撑的人工智能技术，使学生从感受走向反思，形成抽象概念并迁移到新情境中检验。至9年级时，在已打下客户端交互体验、核心技术基础、硬件软件基础、方法论基础的学情下，学生可进行复杂的人工智能系统性原理认知体验，例如通过体验中国研发的围棋AI“绝艺”感受人工智能系统中的数据、算法、算力。

4.智慧社会情感体验

情感体验从1～3年级的应用情感体验起步，贯穿整个义务教育阶段，到义务教育结束时应让学生在情感上升华至高峰体验，即从自然科学领域的人工智能体验转向社会科学领域的智慧社会的情感体验。在智慧社会高峰体验中，自我实现的“我”应被分为“小我”和“大我”。“小我”即学生自己，大我即让学生有强烈归属感的国家。此时的情感体验设计要注重两点：体验情境要典型，要具有足够的情绪、情感的冲击力；要通过集体讨论或寫感想等方式引导学生对情感经历进行评价反思，促进情绪信息的编码和记忆[2]13。

在反思设计上，工程项目中方案论证、工程实现环节的交流讨论都可以促进学生深入地评价与反思，案例分析类体验中强调的集体讨论与归纳，都是促进学生反思的有效设计。

在情境选择上，对于“小我”，智慧校园系统、无人驾驶系统等对于初中学生而言有认知难度的系统，在教材精心搭建的支架下成功运行的冲击力，可使学生达到精神上自我实现的满足。在“大我”方面，我国在人工智能领域虽起步较晚，但近年来已逐步进入全球领先行列，在众多领域的亮眼成果与创新值得学生敬畏和自豪。国产人工智能案例的选择应落实于各年级教材之中。在设计活动时，选用国产人工智能开放平台和人工智能设备、元器件，可以让学生直观感受到我国人工智能产品的强大功能。在案例分析中，全国一体化算力网、“东数西算”等材料的选择使学生感知我国在国家层面对人工智能的宏观战略规划，明白国家的人才需求；“绝艺”的亮眼成绩、洋山港的高度智能化无人管理、农业无人机惠及全球、智慧雄安的建设，无一不令学生内心的自豪感油然而生，从而树立今后投身报国的远大理想。

（二）机器计算与人工计算异同的递进设计

人机计算异同涉及信息科技中最本质的科学原理。人工智能是研究、开发用于模拟人脑的理论、方法技术的领域，这一点决定了对人工智能的研究起始于对人类意识、人脑智慧、人工计算的研究与迁移应用，逻辑运算是两者之间最基础的共同点。至于差异，除人脑计算与人工智能计算的差异之外，还可细分为人工计算到计算机计算的进阶、传统计算机计算到人工智能计算的进阶、人工智能计算到AIGC计算的进阶等多次跨越式发展中的计算差异。教材应将引发这些飞跃的底层科学技术元素进行拆分，按学生认知水平特点分布于各年级，并将机器计算与人工计算的相同之处贯穿其中。

1.用户体验的异同

1～3年级教材不应涉及技术原理，学生主要以用户身份体验人工智能带来的交互体验的差异。以信息搜索为例，人工计算时代的报纸资料摘抄、网络时代的搜索引擎、人工智能时代的听歌识曲、拍图识物，效率效果形成明显差异。

2.技术基础的异同

4～5年级的关键词“数据、算法”是人工智能的技术基础，其技术发展相对清晰、具象，可外显化。教材可梳理并清晰呈现这些技术本身的发展脉络，比较不同阶段的异同。

数据技术方面，从人工处理数据到计算机处理数据，从使用计算机表格数据统计到大数据显示规律预测未来，从人工智能可以对文章形成词云图到AIGC成为运用学习用户行为数据不断改进功能的个人助手，技术智能化差异清晰，数据处理效果差异明显。教材活动设计要让学生认识到，无论使用哪种方式进行数据处理，都遵循大致相同的处理过程；只是大数据处理可能会新产生数据清洗、数据集成等细化环节；到了AIGC，机器学习模型不仅可以进行数据处理，还可以创建一个与训练数据相似的输出，从而实现创意创作。

算法技术方面，对算法两类执行主体（人、计算机）的实例区分与共性探讨，是对人工计算与机器计算的算法共性的揭示。如在交通控制系统中，无论行人的过街算法还是信号灯控制算法，共性是都由三种基本控制结构组成。传统信息技术教材往往止步于三种基本结构以及学生能力可及的编程，这些算法与人工智能算法之间依然存在巨大鸿沟，让学生无法在两者之间产生直接关联。信息科技教材需要将经典算法继续向人工智能算法延伸，如搜索引擎中的排名算法、机器学习的算法等。人工智能的算法具有复杂性，需要教材降级设计的难度以适应学生的认知水平。如算法层面以游戏、纸笔演算等活动模拟抽象的排名算法分析与描述；程序层面以参数调整、程序运行替代程序编写，以模块、函数调用避免人工智能程序黑盒的分析等。

3.控制方法的异同

各种人工智能应用的本质是系统，这是教材“过程与控制”部分需要首先解决的概念问题，而对系统进行控制的方式的变化，本质是从人工控制到智能化控制的进步。例如从树木的自然生长、人工修剪果树防治虫害，到现代农场中的自动种植、自动采摘系列实例，共性皆为对系统的过程与控制，差异在于体现出了几种虽无法明确边界但效果差异明显的控制方式：自然控制、人为控制，以及人工控制中的人工控制、自动控制、智能控制。这些系统具有同样的“输入—计算—输出”三环节，遵循着同样的控制、反馈原理，但随着智能程度的提升，控制力度的增强，对世界改造能力的增强，展示出智能控制对人类发展的积极作用。

4.运行基础环境的异同

不同的计算方式对于运行环境的需求差异巨大。互联网与物联网两个关键词，都是人工智能得以实现的环境支撑，也是人工智能发挥作用的场域。从飞鸽传书到互联网的出现使人工计算变成计算机计算，这一过程显而易见。互联网的普及和升级带来的分布式计算可能性使算力极大提升，众多人工智能应用才得以成为现实，教材可设计国家天文科学数据中心星系的迷宫全民科学项目等实例供学生体验。从人人相连的互联网到万物互联的物联网，数据规模得以爆发式增长，人工智能系统的远程控制与反馈也有了稳定的实现环境，教材可设计基于物联网及人工智能开放平台的实验和工程项目。

5.人工智能迭代中的异同

人工智能技术并非一帆风顺，自身发展经历数次浪潮，每次浪潮带来了哪些新的技术？尤其是全球正在经历的AIGC这一变革，目前在一线教学中的引入大多限于应用层面，但教材设计应揭示其背后数据、算力、算法等底层技术要素的变化。尤其在初中高年级系统性的人工智能内容中，应主动弥补《课标》出台时AIGC尚未展现锋芒而产生的文件无明确要求的情况，使教材体现人工智能最新进展背后的技术演进。

（三）伦理与安全挑战的递进设计

伦理与安全的问题伴生于信息社会的所有行为中，并因信息科技原理、技术的发展与创新而不断有新问题涌现。教材正视其存在是第一步，认识其产生原因是第二步，最终落实于个人应该如何应对，站在智慧社会的角度又该如何看待与规范。

1.感受人工智能伦理与安全要求

低年级在让学生体验在线学习与生活更便捷、更高效的同时，必须让学生对数字身份的信用价值有感性认识。教材可设计让学生在密码设置实践、二维码可信度讨论、安全Wi-Fi信号选择等活动中学会简单地保护自己信息安全的方法，在网络社交与现实社交的对照中形成网络社交礼仪规范的意识。感性的感受应随着原理、技术的展开在多个年级教材中围绕不同关键词展开，并进行强化和补充，如对数据安全的感受、算法偏见下的用户界面差异等。

2.理解人工智能伦理安全规范背后的技术

人工智能伦理与安全问题的出现，与大数据、算力、算法、硬件等密切相关。数据安全得不到保障、算法存在缺陷、算力无法满足必需的大数据处理时，都会导致安全问题的产生。但同时，它们又是保护人工智能环境安全、帮助维护人工智能环境中正确伦理观的有力工具。数据活动的各个环节，都有可能产生数据安全问题，但加密算法让数据的安全得到了保障。算法在受知识产权保护的同时，反过来又成为保护知识产权的有力武器。无人驾驶不仅存在安全风险，更有类似电车难题的伦理困境需要直面。这类不断造成认知冲突的活动体验在不同年级教材中出现、回顾与上升，可以将技术与伦理安全这一对看似无关的概念关联在一起并建立起紧密的内在联系。

3.建立正确的人工智能伦理与安全观念

安全观的价值判断取向较为明显，此类讨论可从低年级起一直伴随着教材对各个技术点的逐一展开而逐渐丰富，最终在9年级形成相对全面的人工智能安全观。

在人工智能时代，不仅个人层面的安全观念需要树立，意义更为重大的是自主可控技术带来的国家层面的安全。自主可控技术包括知识产权、技术能力、自主发展、国产化四个方面，国产操作系统、国产卫星系统、天网系统、高铁系统等，对这些自主可控案例的分析是有助于形成维护国家层面安全观念的有效情感体验类设计。学生从低年级讨论单技术维度的自主可控上升至初中讨论自主可控生态体系，可对自主可控形成较为全面的感受和理解。

伦理观念的形成需要有更理性、更高阶的思维，因此人工智能伦理的内容可主要设置在9年级。从经典的阿西莫夫机器人三定律的几无争议，到现在类似电车难题的无人驾驶算法已开始出现伦理冲击；从当下网络中的算法偏见，到今后AIGC普及后机器创作的作品是否具有版权等新问题，在社会尚未形成普遍共识的情况下，学生在开放性讨论中经历反思，是在为未来担任智慧社会的角色打好价值观基础。

4.形成和谐的人工智能伦理关系

智慧社会已经到来，学生需要认真思考在与人工智能全面共存的社会中，如何和谐生活，以人机和谐达到智慧社会的高效运转和人类的持续发展。尤其在AIGC普遍应用后，智慧社会中的人机将以全新的方式合理协作。从人机协同再到人机共智，如何发挥各自优势形成和谐人机关系，目前暂无定论，但这是作为未来智慧社会建设者的学生们必然面对的伦理问题，在教材中应为其开放性讨论提供空间。

三、应用教材的若干建议

教材是将课程标准落实于课堂教学的中间桥梁与辅助资源，教师的合理实施是教材设计理念在课堂的显性呈现。但信息科技教师群体如何将教材中的人工智能主线理想呈现，可能暂时还面临认知与实践方面的困惑或困境，包括：学科性质上从技术向科技的理念转变，专业知识上人工智能专业知识的学习需求，教学方式上从单课时活动式、任务式为主向大单元教学设计的转变等。因此，在教材使用中应抓住以下三个要点。

（一）實现课堂从技术向科技的转变

贯彻《课标》精神的信息科技教材会遵循“从信息科技实践应用出发，注重帮助学生理解基本概念和基本原理”[1]2的理念，教师应紧抓课标这一要求，在课堂上实现从技术向科技的转变。

教材以实践应用为显性项目承载，体现“科”的基本概念和基本原理的同时，必然伴随着“技”的推进，三者的关系是：以项目为载体，以技术为手段和过程性目标，以概念原理掌握为终结性目标。但惯性沿袭下的教师容易出现关注教材中技术点而对原理概念脉络无意识忽略的倾向。教师应首先主动学习课程中“科”的学科专业知识，并在教材理解、教材实施中重视揭示技术背后的科学概念、科学原理。例如教材中智能跟随机器人系统设计的项目，承载有反馈、干扰、优化等概念，硬件搭建、软件编程等技术内容。在教材使用前，教师应有意识地学习系统论、控制论中有关反馈、干扰、优化等专业知识；在教学中，教师要摆脱以机器人技术实现为目的的传统信息技术学习目标指向，转向引导学生看透和理解自动跟随技术的背后是负反馈的作用，跟随效果不理想的原因是内部外部干扰因素的存在，并借助系统优化思想迭代形成更稳定的智能跟随方案。

（二）理清“教材项目活动线－学科知识线－学生认知线”交织设计中的教学逻辑线

项目式大单元理念下设计的教材，单纯学科知识主线的设计方式已被项目活动推进明线的呈现形式取代。但教材以科学的知识观作为内容依据的原则不会变化，单元项目由学科大概念统领的设计原则决定了教材依然有科学、系统的知识结构，只是成为与活动明线同步推进的暗线。而项目活动的推进与学科知识的递进，背后是教材编者研究学生发展与认知规律发展特点而设置的学生学习逻辑线，即以上三条逻辑线共同螺旋推进构成教材内容框架。因此教师在借助教材实施教学中，应做到：梳理项目设计中的学科大概念统领下的概念体系，理清作为暗线的学科知识线，在教材基于学生共性认知逻辑设计的基础上，根据学情设计教学逻辑线。例如花盆浇水系统设计制作的单元中，明线是浇水系统通过不断功能升级能满足客户不断提出的新要求，暗线则是围绕系统中的量展开的开关量、连续量、阈值、逻辑运算的学科知识线递进。6年级学生对项目需求递进的可共情性和从开关量到连续量，再到两者转换的从简至繁的认知逻辑，是单元设计的基础。学情较好时，教师可适当弱化开关量的内容，在情境中就简单逻辑运算展开更深入的任务设计。

在学科大概念固定、教学逻辑确认的前提下，教师应从教教材走向用教材教，单元项目活动推进逻辑可借鉴但具体情境可调整，学科大概念需强调但具象概念、知识可依项目需求酌情增减。如将上述花盆浇水系统改为智能农植园、自动风扇等，情境有所改变但三条逻辑线主体不变。另外，人工智能的技术发展日新月异，应用案例层出不穷，因此教师应在认真学习人工智能科技专业知识的基础上将适应学情的最新案例设计到教学中，根据学生认知特点适当剖析应用背后的技术与科学原理，展示我国人工智能科技最新成果，弥补教材先天时效性的不足。

（三）以工程教育理念开展人工智能项目学习

《课标》在课程性质中明确指出，课程主要研究的是信息及应用中的“科学原理、思维方法、处理过程和工程实现”[1]1。工程实现是在科学发现、技术实现的基础上综合社会、艺术等众多因素向真实世界的靠拢。人工智能系统作为与人类互动、共存的人造系统借由工程得以形成，因此在江苏等省的教材设计中，人工智能项目的体例设计中已经融入工程教育理念。在教材实施中，教师需要运用工程教育理念进行人工智能项目教学，以体现和彰显教材设计意图，让信息科技人才培养服务于国家智能制造战略。

基于工程教育理念的项目式教学，始于工程决策、历经工程设计和工程实施，终于工程评价，其间贯穿着众多非技术性的比较权衡、折中妥协等社会化处理，需要在教学实施中系统设计与强化引导。比如设计实现一款老人使用的定时系统，其需求分析需要从技术领域的“定时器”转移到作为具体用户即那位老人对定时器的特定需求，而这个需求基于该位老人具体的生活习惯、审美偏好等。老人的高功能需求与“工程师”——初中生的开发能力之间存在差距，如何在时间有限、专业能力有限、物资有限的情况下权衡选取可实现的最关键功能，如何兼具硬件的实用与外形的美观等，都是异于传统技术型项目的考虑范畴。工程理念指导下的项目设计实现了让学生真正像人工智能工程师那样进行思考。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.义务教育信息科技课程标准（2022年版）[M].北京：北京師范大学出版社，2022.

[2]庞维国.论体验式学习[J].全球教育展望，2011（6）.

[3]易虹.体验式教学及其在小学的运用[D].武汉：华中师范大学，2014：11.

责任编辑：赵赟