助力創(chuàng)新人才培養(yǎng)的高中人工智能課程建設與實施探索

羅明勇 張森 董晶

（1.北京師范大學第二附屬中學，北京 100088；2.中國科學院 自動化研究所，北京 100190）

一、推進人工智能教育的背景及發(fā)展現(xiàn)狀

（一）基礎教育階段推進人工智能教育的背景

人工智能快速發(fā)展所釋放出的巨大潛能，正驅動社會各個行業(yè)深度變革。一方面，生活中涌現(xiàn)的大量人工智能應用，正在塑造人們便捷美好的生活；另一方面，智能機器人或智能應用系統(tǒng)也正在加速替代部分職業(yè)或勞動崗位，一些體現(xiàn)智能時代特征的新職業(yè)將會誕生。因此，盡快盡早實施人工智能普及教育，將有助于學生更從容地應對未來時代變革與挑戰(zhàn)。

人工智能對行業(yè)的深遠影響，引起了社會各界廣泛關注。例如，周濟認為，新一代人工智能與先進制造技術深度融合所形成的新一代智能制造技術，已經成為新一輪工業(yè)革命的核心技術，也成為第四次工業(yè)革命的核心驅動力[1]；譚鐵牛等認為，人工智能是第四次技術革命關鍵驅動力[2]；徐林等認為，軍事裝備智能化應用，將沖擊到建立在核平衡法則和戰(zhàn)略互信基礎之上的全球戰(zhàn)略穩(wěn)定[3]。人工智能已成為影響世界深刻變革的重要變量之一，引起了各國政府的高度重視。一些國家紛紛出臺發(fā)展人工智能的戰(zhàn)略性政策文件，搶占人工智能發(fā)展的制高點。2017 年，國務院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出我國人工智能發(fā)展的戰(zhàn)略目標，即“到2025 年，人工智能基礎理論實現(xiàn)重大突破，部分技術與應用達到世界領先水平，人工智能成為我國產業(yè)升級和經濟轉型的主要動力，智能社會建設取得積極進展；到2030 年，人工智能理論、技術與應用總體達到世界領先水平，成為世界主要人工智能創(chuàng)新中心”[4]。

然而，教育在適應社會變革方面具有較大的滯后性，當前乃至今后一段時間，人工智能專業(yè)人才都會呈現(xiàn)嚴重短缺狀態(tài)[5]。在人工智能拔尖人才方面，北京智源人工智能研究院等單位聯(lián)合發(fā)布的《2021 年人工智能全球最具影響力學者——AI 2000 榜單》顯示，美國學者數(shù)量最多，占榜單總人數(shù)的58.2%，而中國僅占11.1%[6]?？梢?，加強人工智能創(chuàng)新型人才培養(yǎng)，尤其是早期拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)，在國際競爭日趨激烈的形勢下，顯得異常緊迫。

綜上所述，加快推進人工智能普及與專長教育，不僅是第四次工業(yè)革命帶來社會產業(yè)升級背景下，對勞動者素養(yǎng)與能力水平的基本要求，更是應對國際競爭，盡早盡快培養(yǎng)人工智能拔尖創(chuàng)新人才的戰(zhàn)略訴求。

（二）人工智能教育的發(fā)展現(xiàn)狀

近幾年，在國家政策驅動下，人工智能教育得到了蓬勃發(fā)展，支撐人工智能教育發(fā)展的生態(tài)正在逐漸形成。教育部發(fā)布的2017 版《普通高中信息技術課程標準》，已將人工智能作為“選擇性必修”模塊內容。同時，適配新課程標準的國家教材通過審定并發(fā)行，地方教材、企業(yè)版教材也紛紛涌現(xiàn)；支持學校課程開設的企業(yè)支撐平臺、教學實驗裝備等正逐漸豐富；部分區(qū)域學校先行先試，已在開設人工智能校本課程。另外，已有相關學會、協(xié)會開始探索青少年人工智能素養(yǎng)測評體系，一些學術機構也正在跟蹤、研究人工智能教育的發(fā)展。

當前，日益豐富的人工智能教育生態(tài)體系，對推動中小學人工智能普及教育具有很大促進作用。據(jù)筆者觀察，受限于課程目標定位、師資對人工智能本真內容的把握能力、校本實踐能力，以及開課空間局限等多種因素疊加，當前人工智能教育的實施存在以下問題：①僅在高中選擇性必修內容中涉及人工智能的課程標準，成體系的課程實施缺乏指導，致使傳導給學生的人工智能本真知識與內容呈零星分散樣態(tài)。②從已實施的人工智能課程類型來看，思辨型課程遠多于實驗探究型課程；從課程內容來看，人工智能跨學科屬性的自然優(yōu)勢未能很好聯(lián)結學生已有的知識儲備。③通過購買服務形式引進人工智能課程的學校居多，具有自主開拓能力的學校較少。④現(xiàn)有教材知識生硬晦澀、入門門檻高；人工智能外延內容（如機器人、智能系統(tǒng)等）遠多于內涵內容。

基于此，為對接國家戰(zhàn)略需求、加快培養(yǎng)更多人工智能人才、盡快開展早期人工智能創(chuàng)新人才培養(yǎng)，教育工作者既需要充分把握人工智能本真內容體系，從教育目標的定位開始，整合學生現(xiàn)有學科知識及其所能達到的能力水平，分層分級設計課程體系，又需要在現(xiàn)有課時空間中，成體系、創(chuàng)造性開展課程實踐。

二、人工智能課程體系的設計

（一）設計思路

在人工智能知識體系中，既有算法、編程等計算機學科知識，又有數(shù)學等基礎學科核心知識的深度拓展與應用，更涉及語言、生命科學等廣泛的學科領域交叉內容。無論對教師的教還是學生的學，都有很大挑戰(zhàn)。在構建高中人工智能課程體系時，需要整體把握人工智能知識域，結合學生的認知能力與發(fā)展進階，綜合考慮課程實施空間，進行融合性設計。由此，提出以下人工智能課程體系設計的基本思路。

1.關注人工智能與學生已具有的基礎學科知識、部分交叉學科知識的聯(lián)結，突出課程融合設計

人工智能的跨學科特性，既有助于拓展學生對基礎學科知識的應用視野，又能增補學生對基礎學科學習的原動力。人工智能在各領域中的應用，又突出了學科交叉特性，孕育著大量的實踐創(chuàng)新內容。實施人工智能教育，對擴展學生領域視野，培養(yǎng)實踐創(chuàng)新能力，具有舉足輕重的作用。根據(jù)維果斯基（Vygotsky）的“最近發(fā)展區(qū)理論”，要有效有益推動人工智能教育，在人工智能課程體系建構中，需要有意識地關注學生潛在知識背景，有效建構起人工智能本真內容與學生已有學科知識間的關聯(lián)。

2.關注學生認知進階與實踐能力的發(fā)展，突出興趣導向與志向引導有機結合

在課程結構設計上，要為學生認知發(fā)展搭建臺階，讓學生在親身體驗的基礎上，輕松入門。要注重實驗導向，通過實驗驅動學生動手實踐，在實踐中領悟人工智能基本思想與方法，強化學生學業(yè)成就的自動生成。在內容設計上，要突出課程的主題化或項目化，以有效激發(fā)學生的學習興趣，形成未來發(fā)展志向。

3.關注課程的可實施性與多元化，突出課程的選擇性、顆粒性

人工智能是新一代信息技術賦予產業(yè)變革的基礎變量。因此，人工智能具有很豐富的應用場域，這為課程設計提供了廣闊的空間。而教育本應給學生提供更多選擇，以豐富學生的學識、擴展學生眼界與心境、提升學生的綜合素養(yǎng)。但受課程實施空間限制，課程顆粒度不宜過大，學生學習某門課程的時間周期不宜過長，這就要求課程設置要進行必要的課程時長約束。

4.關注時代背景與育人導向，突出人工智能教育普及與專長并重

當前，為順應時代發(fā)展，迫切需要在人工智能領域培養(yǎng)大量創(chuàng)新型人才。因此，課程應以培養(yǎng)全體學生人工智能素養(yǎng)發(fā)展為核心，在全面普及人工智能教育的基礎上，注重早期創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

（二）課程體系總體框架

1.人工智能課程層次結構

基于設計思路，筆者結合教學實踐，提出了一種金字塔型人工智能課程層次結構，如圖1 所示。從課程建設來看，該結構既可以指導不同層次課程的建設，又可以指導同一主題課程不同內容層次的建設。從學習體驗來看，該結構可以主導項目實踐，促使學生經歷從感知、認知、模仿，到創(chuàng)新實踐的整個學習過程。從人才培養(yǎng)基數(shù)來看，該結構既可以服務于人工智能教育的普及，又可以合理驅動學生認知；將學生的興趣愛好引導到志向發(fā)展上，通過有層級的課程安排，讓有志于在人工智能領域發(fā)展的學生盡早學習，為其未來的創(chuàng)新發(fā)展奠定深厚基礎。

圖1 金字塔型人工智能課程層次結構

2.人工智能課程群框架

筆者認為，基于人工智能自有的學科交叉屬性、動態(tài)發(fā)展性、強實踐性等特征，采用泰勒課程開發(fā)模式，非常適用于高中人工智能課程體系的建構。筆者參考柳棟等提出的人工智能課程群框架[7]，提出了學校人工智能課程群建設框架，即“跨學科、豐富多元、成體系的人工智能課程群”框架，如圖2 所示。該課程群框架橫跨多個學科領域，以人工智能算法及領域應用為核心（以推進人工智能基礎普及為目的），支撐若干可動態(tài)拓展的人工智能項目課程（以豐富學生的選擇性為目的），同時供給人工智能研究與創(chuàng)新設計類課程（以滿足有志于在人工智能領域發(fā)展的學生學習為目的）。從育人視角來看，課程群框架能夠很好地兼顧人工智能教育的普及與早期人工智能創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。從課程動態(tài)建設與實施視角來看，課程群框架既符合學校校本課程的實施現(xiàn)狀，能夠有效解決課程實施空間的問題，又具有對當前相關課程（包括信息技術、通用技術、信息科技教育等課程）進行整體升級的可能性。該框架不僅可以有效推進人工智能普及教育，同時也回應了當前教育界積極倡導的推進跨學科教學實踐的訴求。

圖2 人工智能課程群建設框架

三、人工智能課程內容建設與實施

（一）課程內容建設

人工智能相關課程要聚焦培養(yǎng)學生的人工智能領域核心素養(yǎng)，以發(fā)展適應智能時代變革的基本能力與實踐創(chuàng)新精神為目標，幫助學生樹立應用智能技術塑造美好生活的正確價值觀?；谌斯ぶ悄苷n程層次結構與課程群框架，課程建設要關注人工智能本真內涵及底層算法思想，重點突出人工智能與基礎學科知識的聯(lián)結、跨學科知識的整合、以及基于領域交叉的項目實踐。

1.課程內容與基礎學科的聯(lián)結

從計算視角來看，人工智能的本質其實是通過計算的方式發(fā)現(xiàn)事物間的規(guī)律，從而用于鑒別或預測。數(shù)學中的函數(shù)、微積分、概率論、矩陣論等內容是發(fā)展人工智能的重要基礎。在人工智能課程建設中，有效融入學生已有的數(shù)學知識，并適當拓展數(shù)學深度，既是課程項目實現(xiàn)的需要，又能讓學生真切感知數(shù)學的應用價值及重要性，強化學好數(shù)學的動機與愿望。

2.跨學科知識的融合

人工智能涉及的學科領域寬泛，跨學科融合是其賦能行業(yè)、改造行業(yè)的顯著特征。在高中階段的人工智能課程中，應主導學生進行人工智能原理、思想的學習，以及方法的認知。其中，跨學科知識融合既是認知與實踐人工智能的需要，也是發(fā)展學生綜合素養(yǎng)與創(chuàng)新能力的需要。例如，生物特征識別方向的人工智能課程，會融合生物學科內容；自然語言處理方向的課程，會融合語言學科內容。

3.基于領域交叉的項目實踐

技術實踐是學習與理解人工智能的有效途徑。基于領域交叉的技術實踐，有助于提升學生的認知邊界、跨領域實踐與應用遷移能力，可以引發(fā)學生進行深度實踐探究與智能創(chuàng)造，是挖掘與培養(yǎng)早期智能創(chuàng)新人才的重要途經。據(jù)筆者的觀察與實踐，當前在中小學廣泛推崇人工智能與機器人的交叉融合，通過人工智能賦能機器人的形式，引導學生開展學習與創(chuàng)造性實踐，深受學生歡迎，而且學習質量普遍較好。其中，有志于在人工智能與機器人交叉領域內發(fā)展的學生，通過進階的課程學習與自主探索，取得了較好的學習成績。

（二）課程實施

現(xiàn)階段，推進人工智能教育普及，開展早期人工智能創(chuàng)新人才培養(yǎng)，還將面臨一定的挑戰(zhàn)。結合課程建設與實施，筆者認為，要有效推進人工智能教育的落實，需要在課程容量與形式、課程融合等方面開展一系列的工作。

1.課程容量與形式

課程容量決定課程實施周期，課程內容形式決定學生學習樣態(tài)與收獲。在現(xiàn)行學校教學空間中，為有效推動人工智能教育的落實，需要對課程容量與呈現(xiàn)形式進行設計。筆者在實踐中發(fā)現(xiàn)，在人工智能課程體系框架下，需以項目形式統(tǒng)整相關的人工智能思想、方法及其行業(yè)領域知識。通過項目實踐與創(chuàng)造，讓學生體悟人工智能的基本思想與內涵。為便于人工智能課程的靈活實施，課程時長不宜過長，適宜0.5 學分或1 學分的課時當量。

2.課程融合

借助課程融合前的學科課時空間，可有效開展人工智能教育。這里提倡的課程融合，主要聚焦人工智能知識體系與現(xiàn)有信息技術學科課程、信息科技教育課程的融合。從學科屬性來看，人工智能是計算機科學的一個分支；從當前課程實踐表征來看，人工智能與信息科技教育課程的融合，是一種自然訴求。例如，教育部發(fā)布的《2021—2022 學年面向中小學生的全國性競賽活動名單》中[8]，可以融入人工智能元素的相關比賽項目就有8 項。在信息技術學科中，借助學科大概念，將人工智能內涵與外延內容，統(tǒng)整于信息技術課程中。另外，還可以對現(xiàn)有課程進行整體升級，利用現(xiàn)有學科課時空間實現(xiàn)智能教育。通過課程融合，能夠實現(xiàn)信息技術課程、信息科技教育課程整體升級，既是學校學科特色化改造的需要，也是學校順應智能時代發(fā)展，創(chuàng)新育人的需要。

四、結語

綜上所述，基于人工智能課程群框架體系，通過對課程內容進行跨學科、項目化和融合設計，并在課程容量方面做顆?；s束，同時借助現(xiàn)有學科與科技教育課程的課時通道，能有效促進人工智能普及教育與專長教育，助力早期智能創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。