未来已来：人工智能课程教育的问题分析及破解之策
作者
周丹 腾讯研究院高级研究员
人工智能作为新一轮科技革命和产业革命的重要驱动力量，正在深刻改变人们的生活、工作和教育学习方式，而人工智能人才的培养是其中的关键环节。世界各国都在积极探索，普及青少年编程，加快发展人工智能教育[1]。美国从2010年开始逐步推广，并于2018年启动美国K12人工智能教育行动，目前已有一半以上的青少年接受了编程教育；英国在2013年将“计算科学”列为小学阶段必修课，学生从5岁开始接受编程教育；澳大利亚将编程融入“数字技术”并从5年级开始列为必修课；日本韩国也将人工智能融入中小学课程中，成为基础必修课。
我国非常重视中小学人工智能课程教育的开展，早在2017年，国务院就印发了《新一代人工智能发展规划》[2]，明确提出“人工智能成为国际竞争新焦点，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育”；2018年，《教育信息化2.0行动计划》中又提到“加强学生信息素养培育，完善课程方案和课程标准，充分适应信息时代、智能时代发展需要的人工智能和编程课程内容”。可见，中小学人工智能课程教育的深化研究与推广，是我国教育发展和智能人才培养的重要环节。
人工智能课程教育遇到的问题分析
目前，中小学人工智能课程教育仍处于起步和探索阶段。文章通过实地走访、座谈交流等方式，深入多地中小学校的实际教学梳理出目前我国中小学人工智能课程教学推广中存在的几个突出问题。
1.缺乏统一教材和教学指导
我国K12阶段尚未出台统一规范的课程标准，实际教学中缺乏统一的教材和指导。迄今为止，我国出版的中小学人工智能相关教材已超过45本[3]，表1列出了其中的一部分，尚不包括未出版的自编教材。资源较为庞杂，其中，有国家版本、也有地方版本，有企业联合开发版本、也有高校降维版本，这在一定程度上造成了地方教学选择的困惑。以湖北武汉为例，目前在同步实施开展试点教学的有4个版本之多，也算是在难以统一标准化背景下的一种尝试。同时，一些教材并未遵循教学规律，内容设计分层有待商榷，缺乏统一的教学指导。与教材相关的教师用书、辅导用书等配套教辅鲜有出版，使得一线教学难以标准化和系统化。
人工智能的课程定位模糊[4]，由于教育管理者和教师普遍缺乏对人工智能学科的清晰认识，教学方案大多沿袭传统创客教育、机器人、纯编程的方案，对什么是真正人工智能教学方案并没有形成规范性的认知和界定；与人工智能理论教学相关联的教具、实验室等注重实践的教学方案也尚未统一标准。
表1 部分正式出版的中小学人工智能教材2.部分教师授课能力欠缺
人工智能课程教育的核心问题之一是教授学生如何通过设计智能机器来代替人解决实际的问题。目前，各地中小学校尚不能保证有专职的人工智能课程教师投入，实际授课常由信息技术或数学等教师兼任。但这类教师在专业背景上大多是师范类院校计算机及其他专业，缺乏专业的人工智能知识培训和相关课程开发能力；教研活动形式也多局限于理论知识讲解和纯编程实践，对跨学科融合、教师发展、学生培养的策略关注偏少。另外，部分地区针对人工智能课程的授课教师缺乏系统性、持续性的能力提升培训，受各种教学管理机制和其他因素限制，导致教师的参培动力也明显不足，部分教师授课能力欠缺，影响实际教学工作的开展。
3.各地教育资源投入和政策支持力度不均衡
我国已进入教育先行的发展趋势，教育投资的增长速度超过了国民经济的增长速度，以2019年为例，全国GDP增速为6%，财政性教育经费的增长速度已达到8.7%；但各地教育资源和在人工智能教育方面的投入分配存在严重不均衡的现象。仍以2019年为例，黑龙江、辽宁、河北等16省的人均教育经费远低于全国平均值，而广东、浙江、上海、北京等地的该项支出则数倍于全国平均值，呈现出明显的地区差异。另外，各地对人工智能教育的政策支持力度不一，表2列出了该项支出较高的部分地区的政策出台情况。一般来说，人均教育经费支出越高，出台地方性支持政策就越早越频繁，普及推广效果也越好。
表2 部分地区已出台的中小学人工智能教育政策文件 人工智能课程教育的破解之策基于以上人工智能课程教育中的主要问题分析，文章从课程标准建立、教师能力发展、学生核心素养培养、教育资源均衡等方面寻求破解之策。
1.基于新课标统一认知，丰富硬件和实验室教学实践
2020年，教育部更新发布了《普通高中信息技术课程标准》[5]，如表3所示，明确将“人工智能”列为信息技术的“选择性必修课”，这其中传递了几点信息：（1）人工智能非常重要，是必修课而不是选修课；（2）人工智能全面融入信息技术课程，是信息技术课程下的一个分支模块；（3）人工智能短期内不会独立成为一门单独的学科。2021年，教育部将发布K9阶段的信息科技课程标准，建立完善整个K12阶段的包含人工智能在内的信息课标体系，使得广大中小学教师教学和教材编写“有据可依”。由此，各地可以结合新的统一的课程标准和当地实际水平，选择已通过审定教材或联合研发具有当地学校特色的教材。
表3 高中信息技术课程结构（2020版）由于人工智能教学具有较强的学科融合性和动手实践性，相关实验室的建设和硬件教具等的配套将变得日益重要，图1展示了人工智能教育相关的部分硬件教具示例。考虑到教育公平的普惠性和教学的多样性原则，建议可以吸引接纳更多的科技公司等社会力量参与，在课标体系的指导下分类别细化、分地区实施、分步骤推广。同时，人工智能教学还需建立起相应的学业要求和评价标准，打通教、学、考、评、管的闭环，有效解决目前业界认知不统一、缺乏有效指导的问题。
目前，在已开展人工智能课程教育的地区，不少学校还只有软件编程实践的环境，有一些学校具备了硬件及综合实践环境，但条件参差不一。这需要一方面在有条件的地区加强重视、继续专项投入，另一方面需要引入专家资源建立一定的筛选机制，确保硬件及综合实践的教学质量。
图1人工智能教育硬件教具示例
2.以跨学科为特色优化教师能力模型，政策扶持落实师资培训
人工智能的出现，得益于信息科学、生理、心理等多种学科之间的互相促进，因此人工智能人才的培养，也必将促进人工智能与其他学科的交叉融合，成为促进教与学发展的重要推动力。图2展示出人工智能与多学科的交叉融合。比如，人工智能与生物学科融合，可以让学生从医学成像的视角认知人体的生理结构；人工智能与语文学科融合，可以让学生理解机器是如何生成诗歌，体会机器的艺术性与人类的艺术性有何差异；人工智能与美术学科融合，通过生成式对抗网络，可以让莫奈、梵高等大师“重生”，现场创作出以学生为主体的画作。
图2 人工智能与其他学科的交叉融合
人工智能学科具有交叉性强、覆盖面广、更迭速度快等特点，因此，对教师的复合知识体系、重构教研能力、教学流程再造水平提出了更高的要求。人工智能教师的能力结构优化模型如图3所示，首先要满足包括学情分析、教学设计、学法指导和学业评价等指标在内的信息技术应用能力[6]基本要求；其次，基于不同学科背景教师的能力画像，鼓励教师发挥自身积极性和创造性，将不同学科间的知识以及知识与情境关联起来，开展跨学科教学课程设计、组织实施和多元评价，形成更多更好的教学实践案例，有效弥补单一学科的短板，丰富多元化多学科融合发展。
图3 人工智能学科教师能力结构优化模型
最后，在人工智能教师的培养制度上，建议多方力量参与，构建职前职中一体化的师资培训体系（图4）。比如在山东青岛，教育局通过将人工智能培训学习与教师的考核晋升等关联，鼓励教师积极参加培训并付诸实践，形成全员学习人工智能的氛围，提升全市教师的人工智能素养水平。
图4人工智能学科教师职前职后一体化培训
3.理论与综合实践相结合，注重培养学生人工智能核心素养
人工智能教育要注意理论与综合实践相结合，在《普通高中信息技术课程标准》中对学生的核心能力素养做了细化要求，便于对其进行全面的综合素质评价，主要包括：（1）计算思维，学生能描述人工智能基本认知，会利用应用框架搭建简单系统；（2）数字化学习与创新思维，了解人工智能新进展新应用，适当运用在学习生活中；（3）信息意识与信息社会责任，了解人工智能发展历程，客观认识对社会生活影响。
动手实践教学分为两个方面，一方面是人工智能软件编程实践，旨在培养提高学生的计算思维，比如能够学习认知常用的人工智能算法模型、顺利搭建并训练模型，完成人工智能核心知识点的动手实践。另一方面是人工智能硬件及综合实践，比如搭建智能快递分拣线（图5）、垃圾自动识别系统、老人防跌倒检测关爱系统等，旨在培养学生的创新思维和信息意识，能够基于特定场景、特定任务完成相应智能硬件的组装与连接，并与人工智能软件算法配合，重现理论过程或解决实际问题。
图5智能快递分拣线
4.因地制宜因材施教，解决教育资源不均衡问题
《教育信息化2.0行动计划》[7]中提出，到2022年基本实现“三全两高一大”的发展目标，教学应用覆盖全体教师、学习应用覆盖全体适龄学生、数字校园建设覆盖全体学校，信息化应用水平和师生信息素养普遍提高，建成“互联网+教育”大平台。目前，教育资源在我国东西部的分布仍很不均衡，在东部发达地区早已率先完成该目标，一些重点中学甚至会配备十多名专职人工智能教师，开展多门人工智能细分领域课程（如表4）；而在中西部偏远地区，教育信息化硬件配备仍不齐全，当地学校大部分老师的信息化教学素养仍有欠缺，专职人工智能教师配备更是奢望之谈。
对于东部发达地区的人工智能课程教育，应该提供更多丰富的人工智能课程，为学生提供更多选择的机会，瞄准创新、引领的定位，为全国提供参考标杆，树立灯塔效应。对于中西部地区，政府应该吸引鼓励更多企业发挥社会责任担当，结合当地实际情况，组织基础师资培训，开展线上线下多种方式教学，尽可能的促进实现教育公平。比如在云南，沧源县教育局与腾讯教育联手，通过可持续教师培训、完善课程设置、开展编程竞赛、组织交流活动等（图6），加大力度普及推广编程教育。迄今为止，刚刚脱贫的沧源县，编程教育方面已经实现了“在全县普及中小学编程教育，从县城直属小到边境村小全覆盖”。这让偏远地区的孩子们也能及时接触和学习到高质量的编程课，有机会缩短与发达地区的差距。未来，腾讯将通过“可持续社会价值创新”的战略升级，支持更多的教育创新和乡村振兴，促进中西部的人工智能教育发展，实现教育公平。
表4东部某重点中学人工智能课程示例图6腾讯教育支持云南省沧源县中小学全面开展编程教育
总结
“谁掌握了人工智能，谁就把握住了未来！”我国中小学人工智能的课程教育目前仍处在探索阶段，短时间内不可能一蹴而就，需要我们遵循该学科课程教育的客观规律，依据相关课程标准，并鼓励在实践中不断探索完善，提升教师的授课能力和学生的核心素养，通过政府和企业等社会力量的广泛参与，解决教育资源不均衡的问题，为提升全民数字素养水平共同努力。
参考文献：
[1]孙丹等,国内外青少年编程教育的发展现状、研究热点及启示[J].远程教育杂志,19(3):47-60.
[2]国务院.国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知[OL].
[3]王东丽等,中小学人工智能教材综述—基于45本已出版教材的分析[J].现代教育技术,21(2):19-25.
[4]卢宇等，智能时代的中小学人工智能教育—总体定位与核心内容领域[J].中国远程教育,21(5):22-31.
[5]中华人民共和国教育部.《普通高中信息技术课程标准》.
[6]中华人民共和国教育部.2018-2019年教育信息化项目“面向中小学教师的信息技术应用能力发展测评指标研究”.
[7]中华人民共和国教育部.教育部关于印发《教育信息化2.0行动计划》的通知[OL].
人工智能教育如何进校园
不久前，苏州工业园区举行了第七届“吴文俊人工智能科学技术奖”颁奖盛典，当记者问主办方代表“当前人工智能冲击最大的是哪个行业”时，中国工程院院士、中国人工智能学会理事长李德毅毫不犹豫地说，是教育！
2017年7月8日，国务院出台《新一代人工智能发展规划》指出，推动人工智能在教学、管理、资源建设等全流程应用；构建包含智能学习、交互式学习的新型教育体系。由此，在这个新时代，人工智能进学校上升为国家战略。
人工智能正快速进入教育领域
回顾我国人工智能进学校的历程，不难发现，人工智能进学校重要载体应该是智能机器人的编程教育。2001年中国科学技术协会在广州南沙科技馆举办了第一届全国青少年机器人竞赛；2004年教育部和中央电化教育馆也把“电脑机器人”作为竞赛项目列入全国中小学电脑作品制作活动中；2003年起，教育部确定在部分省市试行将机器人教育作为高中选修课，如“通用技术”选修模块的简易机器人制作和“信息技术”选修模块的人工智能初步供学生学习。
但是，在2014年以前，大部分学校只是以课外活动、兴趣小组、培训班等形式开展活动，与全面普及机器人教育还有很大的距离。2015年，我国中小学迎来了“创客元年”，很多学校设立了创客空间，基于智能机器人开展创客教育和STEAM教育。随着2015—2017年世界机器人大会在北京的举办，我国迎来了机器人的春天。
教育部高中信息技术课程标准修订组联席组长、北京师范大学教授黄荣怀指出，关于中小学开设人工智能课程的问题，自从《新一代人工智能发展规划》发布以后，已在《高中信息技术课程标准》的必修模块中增加了人工智能基础知识的内容，并修订了人工智能初步模块。他提出两点建议：一是在中小学，特别是义务教育阶段的机器人教育、创客教育、综合实践及相关比赛中与高中阶段进行调整和对接；二是整合企业和其他社会资源对中小学人工智能教师开展针对性培训。
“人工智能正快速进入教育领域，既是教育改革新工具，也是课程教学新内容。”教育部教育信息化专家组秘书长、华东师范大学教授任友群认为，人工智能对部分现有工种的取代和对新职位的创造将带来人才培养类型、培养内容以及供需等方面的巨大变化，并对深化教育体制改革产生深远影响。
任友群认为，应把人工智能列入必修内容，目标是素养培育，抓手是编程实践。这里要注意几点，一是要从人工智能基础知识教学入手，了解前沿领域发展情况，进行人工智能启蒙教育；二是要让每个学生学会与智能工具打交道，体验日常生活中的人工智能产品；三是要分学段实施不同层次的编程教学，学习用编程解决实际问题，培养计算思维、创新思维等信息时代的基本素养。
人工智能教育要重视伦理价值
中国基础教育质量监测协同创新中心网络平台部主任张生认为，人工智能教育要重视伦理价值取向的设计。人们对人工智能发展的热切关注，很大程度上基于对人类自身的关注。人类是否会被机器人取代？人类会不会成为人工智能的奴隶？其实质是人脑智能与人工智能，或者说人与机器人如何和谐共处的问题。教育不仅承载着改变思维方式的任务，还承载着塑造世界观、价值观的重大任务。人工智能伦理问题应在课程设计与实施中得到充分重视。诸如“自动驾驶车辆在马上要发生事故时，是优先保护路人还是乘客”“如何增加人工智能给人类带来的幸福，同时减少忧虑”此类的问题，将使学生在学科相关的真实问题情境中发展批判性思维，并学会从科学主义和人本主义结合的角度思考和解决问题。
中国教育科学研究院齐媛博士认为，人工智能课程应以儿童计算思维的发展为核心。近年来，“计算思维”已成为教育中的热点词汇，更有组织倡导计算思维是与读写算并列的第四种基本技能。编程语言是计算思维的物质外壳，是理解科技世界的一把钥匙，其实质是一种思考和理解方式。只有掌握这种语言才能与人工智能这种工具更好地沟通。随着技术的发展，编程语言的可接受年龄不断降低，这为人工智能进校园奠定了很好的基础。
记者这几年持续关注广州市教育信息中心“智创空间”创始人王同聚。作为我国最早一批从事智能机器人教育的教师，王同聚是我国人工智能进学校的亲历者。他说：“基于智能机器人开展创客教育和STEAM教育，在各自学校利用信息技术课和校本选修课等形式在学校开设智能机器人编程课程、组建课余活动兴趣小组，在部分年级开展基于智能机器人编程的人工智能普及课程，让人工智能课程进入了中小学生课堂，这是一条值得尝试、能改变传统教育模式的创新之路。”
人工智能对未来学校、教师和学生影响巨大
人工智能是对人的意识、思维的信息过程的模拟。基于人工智能的虚拟现实技术应用，可以让学生沉浸在历史和虚构的世界中，或者探索现实世界中难以融入的环境和科学对象。数字智慧阅读设备也会变得更加智能，将通过人工智能系统提供自动连接到补充信息库以及安置了不同语言的自动翻译系统，帮助学习新知识。
近年来，随着人工智能的崛起，越来越多的高校开设了人工智能专业，培养从事智能科学研究人才。人工智能涉及多个学科交叉领域，除带动本专业的发展外，还影响相关专业的快速发展，如脑科学研究、大数据技术、物联网、虚拟现实技术应用等。未来人工智能的发展不但会取代或变革现有的工作，还会创造很多新型的工作。因此，学校教育必须紧跟时代发展步伐，不断调整学科专业方向与人才培养目标，才能为社会培养更多的创新型人才。
也许到那个人工智能与传统教育的优势紧密结合之时，就是我们新时代教育创新发展“花开满枝”之日。（本报记者黄蔚）
开展中小学人工智能教育，很有必要！
《教育信息化2.0行动计划》提出“完善课程方案和课程标准，充实适应信息时代、智能时代发展需要的人工智能和编程课程内容”，表明从国家层面对人工智能进入中小学教育有了明确的要求。
目前经济发达地区已经开展人工智能教育，一些人工智能企业积极参与了人工智能技术与工程素养教育活动，它们在开发与推广人工智能实验室，设计相应的实验方案。
人工智能技术与工程素养教育内容涉及脑科学、神经生理学、数学、心理学、艺术设计学、工程、计算机科学、电子技术等多学科知识与技能，其内容涵盖了当前中小学正在开展的创客教育、STEAM教育、机器人等课程的内容与理念。
随着人工智能技术与工程素养教育的成熟与发展，它将整合而成完整体系化的基础教育核心课程。
人工智能教育从娃娃抓起，
推助国民科学创新素质
信息数字化社会中，人工智能无处不在，融入到教育、交通、金融等改革发展的万花筒中。两会时间里，人工智能被写进2018年政府工作报告，引起社会各界尤其是教育领域的高度关注。
“人工智能时代刚刚来临，人工智能发展方面人才缺口大，同时国内中小学校的STEAM科学教育课程也亟待加强，这是促进素质教育的有力突破口。”中国教育科学研究院副研究员郁波说。
教育部发布的《关于“十三五”期间全面深入推进教育信息化工作的指导意见》提出，鼓励中小学探索STEAM教育、创客教育等新教育模式，使学生具有较强的信息意识与创新意识，养成数字化学习习惯。
我国第一本面向中学生的人工智能教材——《人工智能基础（高中版）》正式发布，人工智能相关课程即将进入高中课堂。
鼓励高校在原有基础上拓宽人工智能专业教育内容，形成“人工智能+X”复合专业培养新模式，重视人工智能与数学、计算机科学、物理学、生物学、心理学、社会学、法学等学科专业教育的交叉融合。加强产学研合作，鼓励高校、科研院所与企业等机构合作开展人工智能学科建设。
除了高等学科建设外，还要在国内中小学大力拓展智能教育，利用智能技术加快推动人才培养模式、教学方法改革，构建包含智能学习、交互式学习的新型教育体系。开展智能校园建设，推动人工智能在教学、管理、资源建设等全流程应用。开发立体综合教学场、基于大数据智能的在线学习教育平台。开发智能教育助理，建立智能、快速、全面的教育分析系统。建立以学习者为中心的教育环境，提供精准推送的教育服务，实现日常教育和终身教育定制化。
“人工智能是改变人类未来生活方式的重要手段，是未来颠覆人类发展生活的大方向。”丁凤良表示，对国内中小学教育，人工智能和教育相结合势在必行，“让人工智能融入中小学课堂，推助国民科学创新素质，为国家的人工智能发展培育种子力量，这是我们每一位教育工作者应担起的社会责任。”
人工智能教育的基础——编程
人工智能时代的步伐已经势不可挡，据统计，未来10-20年，英美50%人类的工作，将会被人工智能所取代。在未来4-5年内，不但技术含量低的工人、司机、仓库管理人员会大量失业。甚至连像医生、律师、基金经理等技术含量高的金领也有可能会被人工智能所取代。
我们无法预测未来将会是怎样的，但是这些数据可以看出，未来必定是人工智能时代，机器人势必会取代人类的部分工作，那么，与其我们恐惧未来，还不如学会应对未来的能力——编程。
不免有家长会陷入这样的误区：编程不就是未来要当程序员吗？但是我家孩子未来并不想当程序员，所以学习编程还有必要吗？
学编程≠当程序员。那么学编程，究竟是学什么呢？
苹果创始人乔布斯曾说过：“这个国家的每个人都应该学习编程,因为它教你如何思考。计算机启蒙最大的好处是可以对人的思维方式进行训练，他是一个对思维完整性和逻辑性进行训练的过程，而在这个过程中我们可以培养一种新的看待问题和处理问题的方式。”
简而言之，学习编程就是学习编程思维。
“编程思维”并不是编写程序的技巧，而是一种高效解决问题的思维方式。“编程思维”就是“理解问题——找出路径”的思维过程。
因此，编程并不是培养孩子成为程序员，而是要让孩子学会编程思维。不仅对孩子综合能力的提升有很大的帮助，而且对孩子的学习课程也有很大的提升作用。
更重要的是，编程思维可以让孩子在面对复杂的问题时，不再退缩，而是迎难而上，将复杂问题分解成各种小问题，找到每个问题之间的联系，将问题逐一解决，在这一解决问题的过程中，编程思维显得尤为重要，这才是少儿编程教给孩子最重要的能力，也是孩子应对未来各种变革，能够从容不迫的必备技能。返回搜狐，查看更多