中小学人工智能教育与教育人工智能化*

刘 刚

《北京市加快科技创新培育人工智能产业的指导意见》提出，到2020年，培育一批具有国际影响力的人工智能领军人才和创新团队，涌现一批特色创新型企业，创新生态体系基本建立，初步成为具有全球影响力的人工智能创新中心。这说明，人工智能对经济社会发展的支撑能力显著增强，成为北京市新的重要经济增长点。在信息技术日新月异的今天，教育信息技术领域的研究者已经认识到，人工智能教育要从青少年抓起，因此，人工智能教育及教育人工智能化在中小学学生的教育体系中地位也越来越重要。

一、人工智能 乐享生活

现在已经有很多人工智能应用到生活之中，但是从研究者的角度理解，这种人工智能应该被理解为是弱人工智能，因为其人工智能化还不够，生活中比较常见的有以下几种。

(1)智能导航。一个比较简单的人工智能应用。只需要输入出发地点和目的地，再加上如选择距离最近或经济实惠等对路线的限定条件，计算机可以通过算法推荐最适合的路线。

(2)翻译软件。现在的翻译软件已经做得很智能化，前几年翻译一篇文章，翻译软件是靠逐字翻译实现转换，得出的文意很模糊，有时甚至不知所云。但现在翻译软件将人工智能的大数据技术结合应用，可以实现对整段的翻译，因此，在翻译这一方面，人工智能应用后，用户的体验得到了很大的改善。

(3)支付或者人脸识别的系统。人脸识别其实在人工智能的应用方面应用比较成熟。无论是图像、人脸还是语音识别，这些技术很大程度上方便了人们的生活。

二、人工智能替代人类的假说

人工智能目前的研究内容主要有以下几方面：机器如何像人一样关注并获取世界上的信息；信息在计算机系统中如何进行存储和加工；机器如何自主思考、创新和解决问题。而人工智能的核心问题包括：建构能够与人类类似甚至超越人类的推理、知识、规划、学习、交流、感知、移物、使用工具和操控机械的能力等。人工智能将不仅涉及计算机科学、心理学、哲学和语言学等学科，还将涵盖自然科学和社会科学的所有学科，其范围已远远超出了传统的计算机科学的范畴。

人工智能的到来势必对人类的生产生活带来挑战与机遇，但最终人工智能是否能替代人类，或者是能替代人的什么工作，现在有很多人对此进行了预测。结果表明，关于计算类的、标准类的或者一些重复操作且不需要人情关怀的职业，肯定会被人工智能所代替。如精算师、年报分析师、理财师、司机、西装打版师傅、律师、车间工人、翻译、导游、打字员、门卫、验票员、巡逻员、便利店营业员等，这些职业的人员都可能被人工智能替代，而且有很多工作可以在短时间内让人们体会到人工智能的便利性。但归根结底，技术更新的最终目的是服务于人类。现在的人工智能虽然能力强大，可是从目前来看，人工智能至少在短时间内不能做到像人一样进行思考，具有感情或者情绪的变化，因为人工智能相对而言，是没有自己的思维，它是依照人类编写的程序进行活动，但它可以通过训练与学习来让自己变得更加强大。

三、有关人工智能发展的政策解读

首先，国家政策方面。从2015年开始，国务院先后印发了《中国制造2025》《国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》等关于智能制造的发展纲要。后续国家其他部委也颁发了很多关于智能制造等方面的政策与倡导。人工智能从国家层面已经成为一个趋势与潮流，但如何把人工智能引进教育领域，还有很多工作要做。表1是人工智能化国家政策方面的发展历程。

表1 国家关于人工智能的相关政策发布时间轴

表1 (续)

其次，教育政策方面。2017年10月，教育部考试中心发布了“关于全国计算机等级考试（NCRE）体系调整”的通知，决定自2018年3月起，在计算机二级考试中加入“Python语言程序设计”科目。2017年12月，浙江省信息技术课程改革方案明确规定：Python语言确定进入浙江省信息技术高考。且从2018年起，浙江省信息技术教材编程语言会从VB语言更换为改用简单、易懂的Python语言。2017年年底，Python进入山东省小学教材、浙江省的高考试卷。山东省最新出版的小学信息技术六年级教材已加入Python内容。2018年1月，人工智能进入全国高中新课程标准，2018秋季学期执行。教育部2018年1月发布《普通高中课程方案和语文等学科课程标准(2017年版)》，在此次新课标改革中，正式将人工智能、物联网、大数据处理正式划入新课标。2018秋季入学的高中生，将要学习人工智能的课程。2018年4月，教育部发布《高等学校人工智能创新行动计划》。首部人工智能基础教材在上海发布，全国的40所高中将开设人工智能课程。到2020年，建立50家人工智能学院、研究院或交叉研究中心，并引导高校通过增量支持和存量调整，加大人工智能领域人才培养力度。构建人工智能多层次教育体系。在中小学阶段引入人工智能普及教育；不断优化完善专业学科建设，构建集人工智能专业教育、职业教育和大学基础教育于一体的高校教育体系。截至2018年5月5日，中国科学院大学、西安电子科技大学、南京大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学、天津大学等名校均已设立人工智能学院。

计算思维和编程内容已经出现在高考试卷中，尽管人工智能教育尚未单独作为一个学科出题。从2018年开始，每年的高考数学都会出现一道程序选择题，以流程图或伪代码的形式出现，考查学生对循环语句和条件判断的掌握情况。例如，2019年北京高考理科数学的最后一道题，它虽然是一道序列题，但如果从程序或者动态规划的角度来看，它的思路和解题方式可以有不同的角度。

四、适合青少年人工智能教育的编程语言与课程

1.编程语言及工具

人工智能现在的实现方式是依靠程序。因此，人工智能教育其实和信息技术教育、编程教育是紧密联系在一起的。目前市场上，针对青少年编程教育的主流软件有4款，如图1所示，它们背后都有非常强大的学校与企业支撑。国内很多的编程语言都是直接使用或者在它的基础上进行改造优化，因为这些软件都是开源的，都可以进行二次开发。

图1

人工智能教育从宏观政策规划已经落实到具体教育实施任务要点，但目前国内智能教育还存在着不少挑战。不管是高校还是中小学，智能教育理论还没有形成成熟的体系；培养学生模式及教材还处于松散实践阶段，缺乏统一权威标准；作为教学核心力量的师资，教学水平参差不齐；教学装备及场地资源存在需求不足等问题，亟待解决。

中国科学院(以下简称“中科院”)计算技术研究所依托强大的技术和专业优势，自主研发的适合中国青少年使用的编程语言“木兰”，自主开发可视化智能解决方案“动手客”，从幼儿园到高中的全阶段，信息技术及人工智能体系化课程，加上自身中科院平台及区域资源优势，从发展目标上，与以往最大的区别是肩负习近平总书记和中科院关于实现人工智能国家战略目标及自主可控关键技术实现的深远任务。

(1)编程语言：“木兰”。这是专为人工智能教育而生的中国自主知识产权编程语言，由中科院计算所孵化企业中科智芯（北京）科技有限公司自主研发。语言设计上屏蔽了其他针对成人设计的编程语言的特性，如编程环境调试复杂等，让学生在编程语言学习之初不为细节所牵绊，具有更易理解、易于学习、易于阅读、易于维护等特性；且支持跨平台，对Android，UNIX，Windows都可以很好的兼容。中学阶段课程中，为了培养学生编程语言综合应用能力，本阶段人工智能课程，会在学习“木兰”语言的同时，学习和应用Python，C，C++语言，并应用这些不同的语言进行相对较大的人工智能和大数据项目实战。

(2)“动手客”移动端。主要包括：移动设备教学、可视化编程、无线蓝牙烧写程序，让编程教学变得更简便；语音识别、合成，通过程序设计自制智能聊天机器人；人脸、图像识别，让每个学生作品，不但会听、说，还会看、识，情绪控制，表情模拟，做个“有情有义”的人工智能“好朋友”；AR增强、VR虚拟现实，并非虚拟和现实的简单叠加，而是让学生对虚拟场景进行编程设计，让作品更丰富。

(3)“动手客”PC端。支持模拟连接、模拟仿真，在软件上验证程序和电路设计的正确性；解决以往嵌入式应用开发教学时，无法定位硬件错误还是软件错误问题；支持数十种传感器及外设设备，可以充分满足使用者的功能需求；教学软件采用图形化编程，不需要编写代码，避免了复杂语法的学习，降低了学习门槛；支持多事件、多任务并发执行，稳定性和功能多样性远超Arduino方案。

2.精品课程

除了软件之外，中国科学院还开发了一些课程，主要有以下几类。

(1)人工智能基础套装Alpha套装。支持语音识别、语音合成、图像识别、虚拟现实、增强现实等高端的人工智能应用，配套课程以故事的形式引入，以项目的方式教学，将机械结构、电子电路、软件编程、语音识别技术、情绪控制技术等人工智能领域的知识娓娓道来。丰富的金属结构套件，可搭建出学生充满想象力的造型。编程采用图形化编程，支持Android移动平台。

该课程可以根据学生熟悉的生活场景，让学生了解生活中语音识别、图像识别、人脸识别、自动驾驶等常见应用及未来的发展方向，为后续进一步学习相关内容打下坚实的基础。本课程可以激发学生学习的兴趣，引发学生关注生活中的人工智能，思考人工智能的发展，进而探索人工智能更广泛的应用和创造。

(2)人脸识别与机器学习。采用自主研发的机器视觉算法，运行效率高、消耗资源低。采用非配合式，自动进行人脸检测与识别。学习者能够深入了解人脸识别的基本原理，并也能够自主开发简单的应用。采用图形化编程，编程软件支持Android平台。

通过本课程的学习，学生可以掌握机器学习和机器视觉相关基础知识，开阔学生视野、使学生了解人工智能的发展前沿，培养学生一定的科学研究方法与技能，为有潜力成为研究型人才的学生打下一定基础。

(3)人工智能决策与博弈。通过学生喜闻乐见的、高对抗性的娱乐载体五子棋为研究对象，以理论与实际系统构建相结合为原则，让学生完整应用计算思维解决问题。通过简单的机器视觉与机械臂控制系统的联动，将博弈系统的最终决策在现实世界中进行执行，最终实现真实的人机对弈。图形化编程软件支持Windows平台，支持代码编程。

课程中学生学会和应用，排序、贪心和动态规划等算法，通过问题解构、模式识别、模式归纳、算法设计让学生能够独立设计和实现棋类博弈系统程中的棋局表示、走法生成、搜索引擎以及局面评估4个部分；针对人工智能教育专门自主研发的博弈算法，专为K12人工智能教育而生，极大降低了人工智能教学门槛。

(4)自动驾驶与智慧交通。实现从图形化编程到代码式编程的无缝衔接，难度从入门到高阶。结构由车模组装件、摄像头、传感器、控制板等组成。搭配搭载人工智能模块的软硬件，可让学生充分理解自动驾驶应用技术，并制作出仿真车结构的自动驾驶车，培养和锻炼了学生创新能力和人工智能技术实践能力。图形化编程软件支持Windows平台，支持代码编程。

该课程从培养学生系统思维作为出发点，让学生设计自动驾驶系统。从识别、检测和图像处理的硬件组装，到车道识别的算法设计、优化，再到识别的软件开发，让学生能够自主设计系统，通过项目方式实现系统，训练学生科学研究的方法与技能。

五、人工智能教育化可采用的模式和对策

人工智能教育与如何把将人工智能应用到教育上是两个重要的目标。针对两者的发展，可以从学校、教师和学生3个方面采取不同的模式和对策，如图2所示。

图2

(1)学校方面。倾向于信息化建设和智慧校园、人工智能学科建设。随着人工智能技术的刚需发展，对其内容的学习、研究、应用、普及也逐渐加入学校学科建设日程，包含了人工智能编程教育课程设立、教材研发、人工智能实验室建设等。

(2)教师方面。有很多应用服务于教学、方便教师优化教学质量和教学方式。教师由传统知识传授者转变为学生建构知识体系的协助者、教学活动组织者，同时具备数字化能力。目前，有以下几类系统正在应用。

①智能教学系统。智能教学系统依靠主体技术来进行构建，通过建立教师主体、学生主体、教学管理主体等，可以根据不同学生的特点制订和实施相应的教学策略，为学生提供个性化的教学服务。基于网络的分布式智能教学系统是目前智能教学系统的最新发展方向，它可以使原本相隔在不同地区的学生在虚拟的环境之中共同学习，充分利用网络资源，发挥学习者的主动性，带来更好的教学效果。

②智能网络组卷阅卷系统。无纸化考试，使用计算机建立与管理题库、选题组卷、考试与阅卷等多个环节。

③智能决策支持系统(如图3所示)。智能决策支持系统(主要由数据库、模型库、方法库、人机接口以及智能部件组成)，能够更充分地应用人类知识，通过逻辑推理来帮助解决复杂的决策问题。目前，其在网络教育领域的应用方面显示出了极强的发展潜力和美好前景。

图3

④智能仿真教学系统。在远程教育教学中，智能仿真技术是人工智能与仿真技术的高度集成，它力求克服以往传统仿真的模型及建模方法的局限性，以及建模困难、界面单调和结果费解等方面的问题。

(3)学生方面。同样有很多地方应用了人工智能以便学习和交流，如技术学习环境、内容、陪伴方面。学生在学习方式、学习思维、学习内容、学习场景都发生了变化，不仅体现在校内的学习，校外的学习也偏向其自主性，如图4所示。

图4

六、结语

研究表明，人工智能方面人才的建设，要从中小学的阶段就着手培养。人工智能的实现方式主要是依靠程序，因此，本文研究了适合青少年人工智能教育的编程语言与课程，并对人工智能教育与教育人工智能化可采取的模式和对策进行总结，期望能为中小学学生教育信息化教学提供参考，促进人工智能更深远的发展。