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
1.国内人工智能课程解析
2003年我国就在《普通高中技术课程标准（实验）》中提到了把“人工智能初步”列入信息技术科目的选修模块中，最近几年人工智能教育更加引起教育部门和学者的重视。2017年，北京市海淀区率先开设了人工智能课程，并制定了小学、初中、高中三级培养目标框架和相应的课程内容[8]；2018年4月华东师范大学联合商汤科技编写出国内第一本高中人工智能教材；2018年7月西北师范大学和科大讯飞共同发布了全球首本初中版人工智能教材。但是由于缺少统一的人工智能课程标准，学者们对于人工智能教育的目标和内容众说纷纭。王本陆等人结合人工智能的特点和未来职业的发展趋势，指出创造力、人文素养和计算思维将成为人工智能时代人才所需的核心能力[9]，但是人工智能的实现是以编程为基础的，人工智能教育应该更加注重编程能力的培养。陈凯泉等人把人工智能教育目标定位于培养学生的编程能力与计算思维、让学生了解人工智能技术、能运用人工智能解决简单的实际问题[10]；艾伦同样认为中小学人工智能教育目标应该是培养学生在人工智能程序设计方面的技能[11]。在课程内容方面，国内很多学者都提议把人工智能课程分为小学、初中、高中三个层次，让学生接受系统的人工智能教育。
2.国外人工智能课程解析
日本自2016年就开始展开人工智能教育，目标是帮助儿童建立这个时代需要的“人工智能思维”，对于“人工智能思维”这个概念，斯坦福大学的蒋里博士认为它有三大核心，分别是让孩子了解、掌握人工智能的基本原理，让孩子拥有区分人的智能和人工智能的能力，以及培养孩子与人工智能协作的能力[12]。卡耐基梅隆大学的图雷茨基（Touretzky）教授曾提出学生必须知道的五个人工智能大概念：计算机利用传感器感知世界、智能体用模型进行推理、计算机能从数据中学习、让智能体与人类舒服地交互是一个大挑战、人工智能是一把双刃剑，根据这五大概念他开发了人工智能课程，该课程使用Cozmo机器人来培养学生的智能素养[13]。而在欧洲，芬兰、瑞典等国也在大学的支持下开展面向全民的人工智能教育项目，以此来培养学生和劳动者的智能素养。从以上内容不难看出，目前各国的人工智能教育均有一定的发展，对人工智能课程的目标和内容有不同的看法和理解，但总体来说，课程的内容都把培养人工智能态度和意识、发展人工智能知识和技能、培养相关的思维包括在内，这也为构建智能素养框架提供了思路。
二、智能素养的内涵与框架
（一）智能素养的内涵
从字面意思来看，智能素养和信息素养一样是对人提出的要求，而人已经具有了智能，因此有学者认为对人提出智能素养或人工智能素养是不准确的[14]。但是从内涵来看，智能素养并不仅仅是要求人具有智能，更重要的是拥有了解智能、应用智能、开发智能的能力。在人工智能时代，人们首先要具有使用人工智能的意识、知晓相关的伦理道德，之后才能进一步学习人工智能知识和技能，进而产生创新想法，所以在构建智能素养时要从多方面全面考虑。
（二）智能素养的框架
从某种程度上来说智能素养与数据素养是类似的，本文参考郝媛玲等人提出的数据素养基本要素[15]，结合人工智能时代人才培养的要求以及人工智能课程的内容，从智能意识、智能态度、智能伦理、智能知识、智能技能、智能思维、智能创新等七个维度构建了智能素养金字塔模型（如图1所示）。
第一层是意识态度层，包括智能意识、智能态度和智能伦理，这一层是智能素养的基础，也是人工智能教育的基本要求。在人工智能时代，拥有智能意识是学生形成正确人工智能观的前提，智能态度和智能伦理是学生正确使用人工智能的保证。
第二层是知识技能层，包括智能知识和智能技能，这一层是智能素养的重要部分，也是人工智能教育的主要内容。智能知识包括人工智能的概念、相关技术、基本原理、发展简史等，智能技能以利用人工智能解决实际问题、使用编程工具开发人工智能作品为主。
第三层是核心思维层，主要由以计算思维为主的多种思维构成，这一层是智能素养的核心，也是人工智能教育的核心。计算思维是应用计算工具来理解、推理自然系统和人工系统的过程，它包括逻辑思考能力、算法思考能力、递归思考能力以及抽象思考能力。人工智能的发展是建立在计算机科学的基础上的，开发实用的人工智能产品离不开良好的计算思维，所以培养学生的计算思维是发展智能素养的核心环节。
第四层是创新创意层，这一层是智能素养的最高表现形式，是人工智能教育的最终目标。人工智能强大的计算能力和重复劳动能力决定了未来重复劳动和依靠人力计算的岗位将会被人工智能取代，只有那些具有创造性的工作依然由人类掌握，因此培养学生的智能创新能力就显得至关重要。
目前国内已有的人工智能课程对不同学段的学生有不同的要求，本文在参照这些课程目标的基础上摆脱了学段的限制，从易到难将智能素养分为初级、中级、高级三个不同的阶段（如图2所示）。
1.初级智能素养
初级智能素养包括智能意识、智能态度、智能伦理、智能知识和智能技能，在这一阶段学生不需要培养智能思维和智能创新，主要以感受、了解人工智能为主。具体要求如表1所示。
具备初级智能素养是学生适应人工智能时代的基本保证。人工智能的发展意味着未来会有越来越多的人工智能产品进入人们的生活，如果对人工智能持有怀疑或抵触的态度、无法熟练使用人工智能产品，将会难以适应迅速发展的人工智能时代。
2.中级智能素养
中级智能素养包括智能意识、智能态度、智能伦理、智能知识、智能技能、智能思维和智能创新。在这一阶段，学生要亲身体验人工智能，能利用人工智能解决生活中的简单问题。具体要求如表2所示。
与初级智能素养相比，中级智能素养的不同之处在于“主动”和“实践”。“主动”体现在学生要主动了解、体验新的人工智能产品，关注人工智能发展趋势和相关安全问题；“实践”体现在学生要能利用人工智能解决简单问题，能使用编程工具开发简单的人工智能作品，能结合人工智能提出创新想法和创新解决方案。
大部分人工智能产品都是各部分相互联系、相互制约的系统，人工智能的实现也离不开丰富、有意义的数据支持，因此中级智能素养要求学生了解数据对于人工智能的重要性，并且具备系统工程的意识和概念。智能技能的实现需要人工智能知识的支撑，学生在了解人工智能基本概念的基础上还要了解相关技术的基本原理才能更好地开发人工智能作品、解决学习和生活中的问题。
3.高级智能素养
在高级智能素养阶段学生进入到创新层面，要学会利用开放的人工智能API和SDK，通过编程开发实用的人工智能产品来解决学习和生活中的实际问题。具体要求如表3所示。
随着人工智能的不断进步，人机协同工作将会越来越普遍，学生必须形成人机协同的意识以应对将要发生的变化。尽管人工智能给人们生活带来很多便利，但任何事物都有两面性，学生需要批判性地看待、分析人工智能相关技术和产品，不能盲目崇拜或抵制人工智能。
思维是智能素养的核心，在高级智能素养阶段，学生首先要完成从数据意识、系统工程意识向数据思维、系统工程思维的转变，强化对数据和系统的认识。在知识方面，除了掌握人工智能相关技术的基本原理，学生还需要掌握机器学习的常用算法和应用场景。有了思维和知识作为基础，开发实用的人工智能产品、提出创新想法和创新解决方案就会更加得心应手。在中级智能素养阶段，学生提出解决方案时只要能实现预期功能即可，不需要过多地考虑实现难度、工作效率等问题，而到了高级智能素养阶段，学生要把自己看作是一名开发者，选择最合适最有效的技术来达到预期的功能。
三、中小学生智能素养培养机制的构建路径
我国人工智能教育起步并不晚，但是与欧美发达国家相比，编程教育和STEM教育的渗透率还远远不够[16]。由于缺少专门的基础教育人工智能课程标准，目前的课程基本由人工智能教育组织根据自己的理解独立开发，这也导致了部分人工智能课程的内容不适合基础教育，但是智能素养的培养不能仅靠企业以及学校教育，更需要国家、学校、企业三方相互配合，因此本文从这三个角度对中小学生智能素养的培养策略进行探讨。
（一）国家层面
在国家层面，教育部门要根据实际情况制定适合中小学生认知水平的人工智能课程标准，指导中小学开设相应的人工智能课程。我国在2017年公布了《普通高中信息技术课程标准（2017版）》，其中将“人工智能初步”列为选择性必修内容，制定了详细的教学内容标准，这仅仅是在高中阶段把人工智能的一部分内容以信息技术课程的形式呈现给学生，并不是一门独立的课程。在小学和初中阶段，学生主要通过课外培训机构接触编程或人工智能，但是目前人工智能教育培训机构良莠不齐，有些为了抢占市场在课程里加入很多本科生都难以理解的内容，没有遵循中小学生的认知发展规律，因此，国家教育部门有必要从我国国情以及基础教育的特点出发，制定中小学人工智能课程标准，规范人工智能教育培训市场。
（二）学校层面
未来人工智能会进一步与生产生活融合，应用、调试、维护人工智能设备将成为学生必备的知识和技能。学校是开展人工智能教育的主要场所，学校在培养学生智能素养时不能仅仅只让学生了解人工智能相关的理论知识，更重要的是让学生通过动手操作亲身体验人工智能。对于中小学生来说，具有跨学科、趣味性、体验性、情境性、协作性、设计性、艺术性、实证性和技术增强性[17]的STEM教育是培养学生智能素养很好的选择。因此学校应该把人工智能的内容从信息技术课程中分离出来，以创客课程的形式呈现给学生，让学生通过具体的项目体验人工智能的魅力。
教师是普及人工智能教育的主要力量。人工智能课程可能会涉及计算机、数学、设计、机械、人文等多门学科的知识，对于绝大部分教师来说掌握大量跨学科的知识和技能并不简单，因此很多中小学都面临着STEM教育和人工智能教育师资不足的困境。此外，个别学校人工智能实践设备的相对不足和人工智能学习平台的相对缺乏也限制了人工智能教育在中小学的推进。为此，学校有必要加大在人工智能教育方面的投入，购买相关设备和学习资源，组织教师参加人工智能培训和STEM教育培训，邀请人工智能领域专家来校开展主题讲座。
（三）企业层面
据亿欧智库统计，截至2018年上半年,全球共有4998家人工智能技术企业，其中中国大陆有1040家，位居世界第二[18]。扎实的技术支持能为人工智能教育提供可靠的保障，人工智能企业应该充分发挥自己在技术方面的优势，与学校合作开发人工智能学习平台和人工智能教材，弥补在课程开发和教材编写方面的不足。目前，国内的商汤科技和科大讯飞分别与华东师范大学、西北师范大学合作编写了高中版、初中版人工智能教材，并开发了配套的人工智能学习平台；英伟达与美国的ECS（ExploringComputerScience）项目合作开发出高中人工智能拓展课程，同时开发了供学生建立、训练、测试人工智能系统的学习平台[19]。校企合作的方式能最大程度地提高智能素养培养的质量，有利于国家人工智能产业的发展。
四、结语
近年来，国家通过多个文件把发展人工智能提升到战略性的高度。目前学术界对于智能素养的概念尚未有统一的界定，大多数人工智能教育的课程仍处于探索阶段，智能素养评价标准框架尚需进一步完善，未来很多问题还有待进一步研究。
[3]汪明.基于核心素养的学生智能素养构建及其培育[J].当代教育科学，2018(2)：83-85.
[4]赵飞龙，钟锟，刘敏.人工智能科普教育探究：以初中“语音合成”课为例[J].现代教育技术，2018，28(5)：5-11.
[5]周邵锦，王帆.K-12人工智能教育的逻辑思考：学生智慧生成之路：兼论K-12人工智能教材[J].现代教育技术，2019，29(4)：12-18.
[7]LYONSA,KASS-HAMAJ,ZUCCHETTIA,etal.LeavingNoOneBehind:MeasuringtheMultidimensionalityofDigitalLiteracyintheAgeofAIandotherTransformativeTechnologies[R].Japan:ThinkJapan,2019.
[8]马涛，赵峰，王有学，等.海淀区中小学人工智能教育发展之路[J].中国电化教育，2019(5)：128-132.
[9]王本陆，千京龙，卢亿雷，等.简论中小学人工智能课程的建构[J].教育研究与实验，2018(4)：37-43.
[10]陈凯泉，何瑶，仲国强.人工智能视域下的信息素养内涵转型及AI教育目标定位：兼论基础教育阶段AI课程与教学实施路径[J].远程教育杂志，2018，36(1)：61-71.
[11]艾伦.中小学人工智能课程定位分析[J].中国现代教育装备，2017(20)：1-5.
[13]MARTINESJ.PennsylvaniaMiddleSchoolerstoStartAICurriculumThisFall[EB/OL].(2018-07-27)[2020-05-28].https://www.govtech.com/education/k-12/Pennsylvania-Middle-Schoolers-to-Start-AI-Curriculum-This-Fall.html.
[14]艾伦.做智能化社会的合格公民：探讨智能化时代人工智能教育的核心素养[J].中国现代教育装备，2018(8)：1-14.
[15]郝媛玲，沈婷婷.数据素养及其培养机制的构建与策略思考[J].情报理论与实践，2016，39(1)：58-63.
[17]余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究，2015，21(4)：13-22.
[18]亿欧智库.2019全球人工智能教育行业研究报告[DB/OL].(2019-10-03)[2020-05-28].https://www.iyiou.com/intelligence/download?id=645.
[19]ECS.ArtificialIntelligenceAlternateCurriculumUnit[DB/OL].(2019-10-03)[2020-05-28].http://www.exploringcs.org/wp-content/uploads/2019/09/AI-Unit-9-16-19.pdf.
侯贺中（1993—），男，山东滕州人，硕士研究生，研究方向为创客教育、信息技术教育；
王永固（1976—），男，山东日照人，博士，教授，硕士生导师，研究方向为学习科学与技术、互联网+教育教学创新。返回搜狐，查看更多
人工智能练习题
人工智能导论练习题（第二版-有答案）第三章图搜索与问题求解设有如图所示的一棵与或树，请指出解树；并分别按和代价及最大代价求解树代价；然后指出最优解树。
题解：
该与或树有两棵解树，其一由S0、A、D、t1、t2、t3组成；另一棵由S0、B、E、t4、t5组成。
解树2的和代价为18，最大代价为14；解树1的和代价为12，最大代价为10。所以，最优解树为解树2。
试用与或树描述下面不定积分的求解过程：
题解：
图3是五大城市间的交通示意图，边上的数字是两城市间的距离。用图搜索技术编写程序，求解以下问题：(1)任找一条西安到北京的旅行路线，并给出其距离。(2)找一条从西安到北京，必须途经上海的路径。(3)找一条从西安到北京，必须途经上海，但不能去昆明的路径。
题解：
提示：这是一个加权状态图搜索问题，可用分支界限法或者最近择优法求解。程序可参考3.2.2节例3-11中的通用程序，但这里open表中每个状态节点（城市）还需要有代价（距离）项，而且从open表中取第一个节点前先要对open表中的节点按代价排序。
有一农夫带一只狼、一只羊和一筐菜欲从河的左岸乘船到右岸，但受下列条件限制：(1)船太小，农夫每次只能带一样东西过河；(2)如果没有农夫看管，则狼要吃羊，羊要吃菜。设计一个过河方案，使得农夫、狼、羊、菜都能不受损失地过河。画出相应的状态变化图。提示：(1)用四元组(农夫、狼、羊、菜)表示状态，其中每个元素都可为0或1，用0表示在左岸，用1表示在右岸。(2)把每次过河的一种安排作为一个算符，每次过河都必须有农夫，因为只有他可以划船。
题解：
方案一：Step1农夫带羊过河；
Step2农夫返回带菜过河
Step3农夫带羊回去，然后带狼过河；
Step4农夫返回带羊过河；
设A农夫，B羊，C狼，D菜，初始状态为（A0,B0,C0,D0）（未过河），最终状态为（A1,B1,C1,D1）(已过河）。则相应的状态变化图如下：
方案2：Step1：农夫带羊过河；
Step2：农夫返回带狼过河；
Step3：农夫带羊返回去，然后把菜带过河；
Step4：农夫回去带羊过河；则相应的状态变化图为：
设有三只琴键开关一字排开，初始状态为“关、开、关”，问连按三次后是否会出现“开、开、开”或“关、关、关”的状态？要求每次必须按下一个开关，而且只能按一个开关。另外，画出这个琴键开关的状态空间图。注：琴键开关有这样的特点，若第一次按下时它为“开”，则第二次按下时它就变成了“关”。
题解：
第四章基于遗传算法的随机优化搜索举例说明遗传算法中的三种遗传操作。
题解：
画出基本遗传算法的流程图
题解：
第五章基于一阶谓词的机器推理将下列句子用一阶谓词形式表示。(1)雪是白的。(2)数a和数b之和大于数c。(3)201班的学生每人都有一台笔记本电脑。(4)如果明天天气晴朗且我们有时间，则我们去郊游。(5)一个三角形是等腰三角形，当且仅当其有两个角相等。
题解：
求下列谓词公式的子句集。
题解：
试判断下列子句集中哪些是不可满足的。
题解：
对下列各题分别证明，G是否可肯定是F，F1，F2，…的逻辑结论。
题解：
设已知：
(1)凡是清洁的东西就有人喜欢；(2)人们都不喜欢苍蝇。试用谓词公式表示这两个命题，并用归结原理证明：苍蝇是不清洁的。
题解：
某公司招聘工作人员，有A,B,C三人应聘，经面试后，公司表示如下想法：(1)三人中至少录取一人；(2)如果录取A而不录取B，则一定录取C；(3)如果录取B，则一定录取C。试用谓词公式表示这三个命题，并用归结原理求证：公司一定录取C。
题解：
张某被盗，公安局派出五个侦察员去调查。研究案情时，侦察员A说“赵与钱中至少有一人作案”；侦察员B说“钱与孙中至少有一人作案”；侦察员C说“孙与李中至少有一人作案”；侦察员D说“赵与孙中至少有一人与此案无关”；侦察员E说“钱与李中至少有一人与此案无关”。假设这五个侦察员的话都是可信的，用谓词公式表示这五句话，并用归结原理推出谁是盗窃犯。
题解：
试画出例5-28的（线性）归结演绎树。
题解：
第六章基于产生式规则的机器推理试将本章给出的正向推理和反向推理算法用PROLOG语言或其他语言编程，实现一个推理机。
第七章几种结构化知识表示及其推理用三元组表示下列命题。(1)雪是白的。(2)小张身高1.80米。
题解：
(1)（雪，颜色，白）
(2)（小张，身高，1.80）
试写出“学生框架”的描述，并用PROLOG语言实现
题解：
请把下列命题表示的事实用一个语义网络表示出来，并用PROLOG语言实现。(1)树和草都是植物；(2)树和草都是有根有叶的；(3)水草是草，且长在水中；(4)果树是树，且会结果；(5)樱桃树是一种果树，它结樱桃。
题解：
第八章不确定和不确切性知识的表示与推理举一个不确定性产生式规则实例，并用附有信度的规则形式表示，进而PROLOG语言表示。
题解：
举一个不确切性产生式规则实例，并用程度化规则形式表示，进而PROLOG语言表示。
题解:
写一个程度化框架和一个程度化语义网络，并用PROLOG语言表示。
题解：
试写出天气“热”、“温和”、“冷”这三个软语言值的相容函数。
题解：
设有如下一组规则：r1:IfE1ThenE2(0.6)
r2:IfE2andE3ThenE4(0.8)r3:IfE4ThenH(0.7)r4:IfE5ThenH(0.9)且已知CF(E1)＝0.5，CF(E3)＝0.6，CF(E5)＝0.4用确定性理论求CF(H)。题解：
写出例8-11中软语言值“低”和“高”的相容函数。
题解：
第九章机器学习：符号学习与交互学习通过计算条件熵，完成9.3.3节例子中根节点以下节点的选择，并验证原所得决策树是否最简。
题解：
完成9.4.2节中图9-19中其余动作Q’值的更新，并给出一个最优策略*。
题解：
在此感谢老王的辛勤付出，为我们摘录了题目！©老王