中小学开展人工智能教育的挑战、重点和策略

张珊珊 杜晓敏 张安然

摘要：开展人工智能教育是时代发展对于中小学教育提出的新要求。中小学人工智能教育的推进，首先需要厘清人工智能教育的概念和内涵，将人工智能的学习层面与应用层面予以区分。人工智能教育在顶层设计、课程设置、课程内容、教材开发、教学形态、实施路径等方面均面临着一系列挑战。中小学人工智能教育，可以将课程资源建设、教育生态圈建设、智能化校园、人工智能技术的价值引导等作为实施重点。基于创新扩散理论，对人工智能教育的认知、说服、决策、执行、确认五个阶段进行了梳理。

关键词：人工智能教育;挑战;创新扩散;策略

中图分类号：G434

文献标识码：A

时代的发展进步离不开科技创新和教育进步。新世纪以来，信息技术飞速发展，新技术、新知识正在以指数形态迅速膨胀、加速生成，信息化对于经济社会发展的重要支撑和引领作用日益凸显，人们的生产、生活和思维方式都发生了明显的变革。人工智能的发展已成为各个国家的重要战略，各国都亟需培养一批人工智能人才，在中小学实施人工智能教育已成为国际社会发展的共同趋势。发展人工智能教育已成为我国当前的重要战略任务。教育是面向未来的事业，承担着为党育人、为国育才的历史使命，在经济社会发展中具有全局性、战略性、基础性的作用，人工智能教育成为教育部门、学校亟需推进的一项重要工作。

一、中小学人工智能教育概念辨析

当前，人工智能教育有一系列相关概念，如人工智能教育、教育人工智能、人工智能+教育、智能教育、人工智能专题教育、人工智能学科教育、人工智能赋能教育、人工智能教育应用、人工智能化教育等。虽然这些概念在内涵和外延上有所异同，但是一般来说，按其内容指向性，主要有三种阐释：一是人工智能专项教育，是提升人的人工智能素养的泛学科性教育。主要指向人工智能学习层面， “培养学生人工智能的知识、原理，体验和实践人工智能的技术，并运用技术尝试创新性解决实际问题的一种课程”[1]。人工智能教育是指将人工智能作为教与学内容的教育型态，主要包括实施全民人工智能教育科普、在中小学设置人工智能相关课程，以及在高等教育开设人工智能专业培养高层次人才。培养大批具有创新能力和合作精神的人工智能人才，是其重要使命[2]。二是教育人工智能，又称为人工智能赋能教育、人工智能+教育等，这是对人工智能教育较为普适性的理解，是把人工智能技术作为改进学校管理、教师教学和学生学习的技术支持和核心方式，以提高管理效能、提高教学效率、实现个性化精准学习，主要指向于人工智能应用层面，如基于人工智能技术的自适应学习、英语口语评测、作业批改、小助教以及校园建设等。第三种对于人工智能教育的理解则是对上述两种阐释的统整，既包括专题教育，更涵盖人工智能技术在教育教学和管理中的应用，实现了学习和应用的统一性。此外，由于人工智能教育还处在起步阶段，许多中小学和社会机构虽然都在尝试开设不同的与人工智能相关的课程，但存在著不少误区，如简单地把人工智能课程定义为计算机技术课程;把创客教育、STEAM教育等内容完全移植到人工智能教育课程名下;把人工智能课程窄化为编程语言课程等等。

本文的研究重点为人工智能专项教育。在教育技术领域内，已经对人工智能教育有了一定的研究，这些研究主要探讨人工智能的内涵和外延、技术发展水平、教育应用热点、人工智能与STEAM课程的融合等。我国部分区域推进人工智能教育的探索实践方兴未艾，但是相关的推进模式、策略研究较少。本文将从中小学人工智能教育面临的挑战、实施重点等进行分析，并基于“创新扩散理论”模型，提出推进中小学人工智能教育的具体实施策略。

二、中小学人工智能教育面临的挑战

我国中小学人工智能教育政策始于2017年，国务院发布《新一代人工智能发展规划》，明确“人工智能成为国际竞争的新焦点，应逐步开展全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程、逐步推广编程教育、建设人工智能学科，以培养复合型人才，形成我国人工智能人才高地”。2018年4月，教育部印发的《高等学校人工智能创新行动计划》中提出，在中小学阶段引入人工智能普及教育[3]。我国部分省市、中小学校已经开始实施人工智能教育。2018年，是我国人工智能教育元年。2019年，教育部确定北京、广州、深圳、武汉和西安五个区域为全国第一批人工智能教育试点落地城市。2020年，中小学人工智能教育呈现出蓬勃发展之势。但是，由于人工智能教育属于新生事物，任何事物的发展都是曲折性和前进性的统一，需要经历萌芽、发生、发展、成熟等发展阶段。在人工智能教育发展的当前阶段，其规范性、统一性、完整性的缺失是一种客观存在，需要理性认识当前人工智能教育所面临的一系列挑战。

（一）顶层设计需要具体化

国家层面已经对中小学人工智能教育提出了明确要求。《新一代人工智能发展规划》《教育信息化2.0行动计划》等文件提出了要在中小学开设人工智能课程等要求。2019年5月16日，陈宝生部长要求“及时将人工智能的新技术、新知识、新变化提炼概括为新的话语体系，根据大中小学生的不同认知特点，让人工智能新技术、新知识进学科、进专业、进课程、进教材、进课堂、进教案，进学生头脑，让学生对人工智能有基本的意识、基本的概念、基本的素养、基本的兴趣”[4]。

部分区域已经制定了在中小学开展人工智能教育的相应政策，但是仍需国家层面制定引领性、规范性的政策。在宏观层面，人工智能教育尚未真正纳入国家、省、市、县、校五级教育发展规划，开展人工智能教育所需的经费、设施设备、师资等缺乏，在一定程度上制约了人工智能教育的普及;在微观层面，虽然福建厦门、山东潍坊、山东青岛、湖北武汉等地陆续出台了人工智能教育政策，但是中小学人工智能教育的目的、内容、实施路径以及师资、设施、经费、评价等制度尚无规范性设计，人工智能教育的具体实施依然缺少政策性依据。

（二）课程设置缺少统一规定性

一方面，就国家层面而言，人工智能作为国家发展战略，虽然在综合实践活动、高中信息技术等课程中有所涉及，但是尚未作为独立设置的国家课程，并且也缺少专门的人工智能课程标准，其课程地位仍然薄弱。另一方面，就区域层面而言，到2017年，我国开设机器人课程、创客、编程等人工智能教育相关课程的初中学校已经达到了93.49%[5]。部分地区对于人工智能教育已经制定了区域性政策，如山东省潍坊市从2020年秋季学期起，在小学三年级和初高中起始年级开设人工智能常识课程;2020年覆盖20%的学校，202 1年达到50%，2022年实现全面普及。义务教育阶段3-8年级学生每学期学习时间不少于5课时[6]。从2020年下半年开始，山东省青岛市在小学一至三年级每月开设1课时的人工智能视频启蒙课程;除初三和高三年级外，其他年级每月开设2课时的人工智能常规课[7]。但是区域推进中小学人工智能教育所涉及的开设年级、课时数、课程内容等只是基于区域实际而制定，仍需从国家或省级层面做出统一要求。

（三）课程内容和教材建设亟需加强

国家层面已经对中小学人工智能教育内容做出了相应的要求。在2017年的普通高中信息技术学科的课程标准中，无论是必修还是选择性必修模块中，均涉及了人工智能教育的相关内容，如小学阶段的算法与程序入门和机器人人门，初中阶段的算法与程序设计和机器人设计与制作，高中阶段的人工智能、物联网、大数据、开源硬件、三维设计等内容。《中小学综合实践活动课程指导纲要》的“设计制作活动（信息技术）”中，为3-9年级学生设计了“开源机器人初体验”“走进程序世界”等主题类内容。到2018年，我国已开发出十余种与中小学人工智能有关的课程、教程或教材[8]。总体来看，全国范围内的人工智能教育教材和教育内容逐步走向科学化、合理化和本土化。但是，依然存在着一系列问题，如教材版本泛滥，教材质量良莠不齐;教材编写人员水平参差不齐，既有科研机构、高校、中小学教师，也有企业人员;教材缺少合法性审查，大多数人工智能教材并未经省级及以上教育行政部门审定;教材内容单一，主要是专家系统、模式识别、机器学习、计算智能、自然语言处理、分布式人工智能等人工智能技术;教育资源匮乏，虽然有的区域开发了多种人工智能教育资源，但是多为人工智能技术类内容等，在学生培养方面导致智能素养培育有余，人文精神培育不足;教材内容难度过大，部分教材是由企业开发，与学生认知水平存在较大差距。

（四）教与学形态较为单一

人工智能作为一种新兴的信息技术学科，其内容具有复杂性和繁琐性，如何改进教与学的形态来引导学生增强学习自觉性是关乎学习效果的重要问题。人工智能教育的教与学可以具有多元化形态，如依据人工智能教育活动的制度化建设水平和组织行为水平，可以开展正式学习和非正式学习;依据人工智能教育系统的运行场所和空间标准，可以开展学校教育、家庭教育和社会教育。虽然部分学校已经探索了项目式学习、STEAM等多元化的教与学模式，但是由于人工智能教育所具有的新生性和特殊性，教师的教与学生的学如何有机融为一体，如何提高教与学的有效性，如何有效利用智能平台或教具提高课堂教学效率，如何实现线上线下混合式教学等一系列问题，依然有待于深入研究。

（五）实施路径亟待多元化

当前，中小学人工智能教育的实施主渠道是课堂。不同于其它学科教育，人工智能教育是基于时代最前沿技术的教育，这挑战着信息技术等学科教师的终身学习能力，同时对于学生的学习也是一种挑战。中小学人工智能教育在实施路径方面，应当实现认知、体验与实践的有机结合。但是，目前的人工智能教育实施路径较为单一，以课堂教学为主，认知的内容比较多，体验和实践的机会较少。

三、中小学人工智能教育的实施重点

（一）加强课程资源建设

课程资源是开展人工智能教育的主要载体，课程建设既要符合国家创新人才培养的战略需求，又要尊重人工智能技术发展规律。目前，我国还没有全国适用的中小学人工智能课程标准和学业质量标准，经审定的高质量教材也比较缺乏，给学校开设人工智能课程造成了制约。因此，要加强国家和地方对人工智能课程的顶层制度设计，健全和完善人工智能課程标准、学业质量标准和课程体系。既要加快组织开发专门的人工智能教育课程，也要将人工智能教育与现行的中小学课程相结合，在语文、科学、物理、信息技术等课程中增加人工智能相关内容，让人工智能新理念、新技术、新文化、新素养进入中小学课程、教材、课堂和学生头脑，让学生逐步了解、掌握人工智能的相关知识和技能，激发学习兴趣，培养科学精神，提升信息素养，成为人工智能时代的合格公民。课程资源的内容，可以在“人工智能”大概念的基础上进行建构，涵盖人工智能发展历程、人工智能技术及其在各个领域和行业中的应用、人工智能基本原理和算法、人工智能故事、人工智能游戏、人工智能伦理等。人工智能教育课程的开发与实施要把握三个重点：一是融合性，人工智能是综合信息技术、生物技术、哲学、认知科学、纳米技术等多学科的交叉学科，中小学人工智能教育需要与数学、科学、生物、思想政治、信息技术、通用技术、美术等多学科实现融合;二是实践性，人工智能的学习需要综合运用实践、体验等多元化的学习方式，引导学生多动手、勤动脑、多考察等;三是时代性，不同于教育的线性发展，人工智能具有指数性发展的特征，人工智能教育应与人工智能技术实现同步发展。此外，进行人工智能教育实践需要专业硬件的支撑，造价较高，需要综合协调学校、企业、政府、科研机构等共同参与，建设多方协同参与的优质教育资源共建共享开放系统，为教育资源的配置提供坚实的制度支撑和稳定的资金支持，为人工智能教育落地实施提供现实条件。

（二）构建人工智能教育生态圈

2015年5月22日，习近平在致国际教育信息化大会的贺信中提到， “构建网络化、数字化、个性化、终身化的教育体系，建设‘人人皆学、处处能学、时时可学的学习型社会”[9]。中小学人工智能教育的开展，可基于教育生态圈的理念，通过资源汇聚、市场化运作等多种模式，采取建设区域性人工智能学习平台、学习体验公共中心、青少年科学院、实验室、研学中心、学习空间等方式，构建起网络化、数字化和个性化的人工智能教育生态体系，实现人工智能教育资源的共建共享，实现学生在学校、家庭和社会中处处能学、时时可学，实现认知、学习、体验的有机统一。

（三）建设人工智能教师队伍

人工智能时代，教师角色将由学习资源的传播者变为学生成长的引导者、学习过程的组织者和帮助者，需要精心设计内容引导学生主动思考、自主学习并指导学生解决问题，这就要求教师必须具有AI教学平台操作、问题解决策略、学生个别化指导、跨学科知识储备和教学技能等能力。人工智能教育教师，还需要具备较高水平的人工智能专业素养。《教育部教师工作司2018年工作要点》提到，“启动‘人工智能+教师队伍建设行动计划，应对新技术变革，探索信息技术、人工智能等支持教师决策、教师教育、教育教学、精准扶贫的新路径”。按照这个要求，第一，在师范院校等相关高校开设人工智能教育专业或课程，培养可承担中小学人工智能教育的学科教师。第二，加强在职研修，依托教育部组织开展的教师信息技术应用能力提升工程2.0等，通过线上与线下相结合的混合式研修、校本研修等多元化模式，尽快提升人工智能教育教师专业化水平。第三，推动人工智能技术与教师专业发展有机融合，构建以校为本、基于课堂、应用驱动的教师信息素养培育新机制，促进人工智能教师智能化教学水平提升。教师应该主动适应新技术的三层境界为主动适应的意愿、主动适应的实践和主动适应的洞察力[10]。

（四）建设智能化校园

《中国教育现代化2035》指出，要“建设智能化校园，统筹建设一体化智能化教学、管理与服务平台，利用现代技术加快推动人才培养模式改革”[11]。学校是开展人工智能教育的主阵地，智能化校园能够为人工智能教育开展提供更加现实的场景体验和环境支持。融合人工智能教育的智能化校园在建设过程中要充分考虑以下几个方面：第一，校园智能文化建设，可通过隐性文化和显性文化来实现人工智能理念、知识和技术等对学生的沉浸式教育。第二，校园基础设施建设，如摄录像机、指纹虹膜识别、语音识别等智能设备选择时，要充分考虑学生人工智能学习、体验实践的需求，实现校内处处皆人工智能教育场景和课程资源;第三，智能设备的使用，加强对学生使用智能化设备的引导，发挥人工智能对中小学生成长的引导和促进功能。有自主研发设计能力的学校，可以创设新的人工智能产品，为学生的个性化发展服务。

（五）重视人工智能技术的价值引导

人工智能成为国际竞争的主要因素和社会经济发展的聚焦点，为社会建设带来了新的机遇，同时人工智能发展的不确定性也为我们提供了一些潜在的新挑战。

第一，学生核心素养的培育。人工智能时代，教育应该重点培养学生提出问题的能力、创新思维、与智能机器人交互的能力、情绪情感体验能力、人文关怀和文化传承能力[12]。人工智能教育，通过对人工智能发展的历史、现状和未来方向以及人工智能基础知识、基本技能和基本方法等内容的认知、体验与实践，能够引导学生既关注技术理性，又关注人本价值。人工智能能够推动学生的思维方式趋向思辨化、系统化、合成化。学生在了解、掌握和运用信息技术、智能技术的同时，能够增强对于未来社会发展及人才需求现状的了解，体会人工智能与人类、社会和环境的关系，从而有助于学生社会责任感、创新思维、合作能力、职业能力、终身学习、解决实际问题等能力的养成，激发学生形成适应新时代的正确价值观、必备品格和关键能力的内在动力，为适应新时代新挑战做好准备。阿联酋商业领袖贾法尔（Badr Jafar）认为， “我们是利用技术的力量真正改善了世界、人类和我们人居环境的状况，还是仅仅放大了我们人类自身的缺陷，时间会揭晓答案”[13]。

第二，网络和信息安全教育。人工智能的发展，在快速提高效率、推动变革的同时，也模糊了人类物理空间和信息空间的界限，会产生一些安全问题，如网络暴力问题的滋生、网络欺诈行为以及信息泄露等;而且不法分子威胁和侵犯教育数据的攻击性大、隐蔽性强，因此在收集和应用教育数据的过程中要注意安全，防止泄露、滥用和误用。开展人工智能教育过程中，要对学生进行数据和信息安全、网络安全、规则意识等方面的教育，引导学生正确使用信息化和人工智能产品，确保人工智能能够在中小学安全、可靠地发展。

第三，人工智能伦理教育。 “学生是有血有肉的人，教育的目的是为了激发和引导他们的自我发展之路”[14]。在不同价值观、社会制度、思想意识形态和文化、法律等许多因素交互影响下，人工智能伦理问题引发了社会的广泛关注。人工智能倫理问题应作为人工智能素养内容纳入中小学人工智能教育范畴，引导学生形成科学、正确的人工智能教育伦理观，对人工智能技术的非理性应用可能带来的负面效应形成一定的认知，发展促进人工智能健康发展的使命感，在技术价值与伦理价值中寻找平衡。

四、基于创新扩散理论的人工智能教育实施策略

1962年，美国创新及传播学专家埃弗雷特·罗杰斯（E.M.Rogers）提出了“创新扩散理论。埃弗雷特·罗杰斯认为，当一个观点、方法或物体被某个人或团体认为是“新的”的时候，它就是一项创新[15]。人工智能教育是一项综合性的教育创新，属于教育创新的范畴，将产生一种新的教育形态。人工智能教育的实施过程是人工智能教育创新的扩散过程，即人工智能教育被个体或者组织认识、接受和改进的过程。创新的内容包括人工智能教育制度建设、课程资源开发、师资培养等。

创新扩散模型是对创新采用的各类人群进行研究归类的一种模型，它的理论指导思想是在创新面前，部分人会比另一部分人思想更开放，更愿意采纳创新。这一模型将创新扩散分为五个阶段，即：认知、说服、决策、执行、确认[16]。这五个阶段也可视为人工智能教育的教育结构。当然，这五个阶段并不是每个阶段都会出现;五个阶段不是相对独立的，而是相互衔接的，没有明确的边界;阶段顺序不是一成不变的，如第二个阶段和第三个阶段，是可以调整顺序的。

（一）认知阶段

海辛格（Hassinger，1959年）曾提出人们对于创新存在一种“选择性认知”现象，即个人在对某项创新有需求时，才会主动去接触创新的信息。需求是指当一个人的期待高于现实状况时，产生的失败或者不满足的状态。只有当一个人知道一项创新的存在，并对这项创新有了认知和了解后，才可能会产生创新需求。创新的知识可以分为知晓性知识、原理性知识和如何使用的知识，即回答“是什么”“为什么”“怎么办”三个根本性问题。知晓性知识是基础，可以激励个体去寻求原理性知识和如何使用的知识。基于此，在人工智能教育的初步推广阶段，应强化对于人工智能教育的认知，可以通过专家讲座、交流分享、参观考察等形式，培树校长、教师、学生和家长对人工智能教育形成清晰的知晓性认知。

（二）说服阶段

说服是指信息接收者在对于创新的知晓性知识的认知的基础上，个人态度的形成或改变;而说服不一定带来与信息接受者所持态度一致的行为上的明显改变。人工智能教育作为一项教育创新，其认知属性中的三个方面在这个阶段显得尤为重要。一是相对优势，即人工智能教育被认为具有优于其它教育的优势;二是兼容性，即人工智能教育和校长、教师、学生和家长的教育价值观、教育经验、教育需求相一致的程度;三是复杂度，即人工智能教育被理解或开展的程度。这三个认知属性将直接影响校长、教师、学生和家长对于人工智能教育的接受程度，以及是否能自觉开展人工智能教育的教与学活动。因此，说服的方式与策略要基于对于人工智能教育创新的三个认知属性的研判，可采取同伴说服的方式。在这个阶段，同伴对于人工智能教育创新的认知和接受是最能起到说服作用的，以破解态度与行为之间不一致所形成的认知、态度和实践的差距。

（三）决策阶段

这个阶段，是人工智能教育被接纳或被否决的阶段。接纳，则顺利实施;拒绝，则难以推进。针对被接纳或被否决的不确定性，最好的解决方略是进行试点。在根据实际情况进行试点后，只要证明了人工智能教育所具备的相对优势，大部分区域、学校及教育者或受教育者就易于选择接受。开展人工智能教育试点工作，是促进人工智能教育快速普及的方法之一。

（四）执行阶段

这个阶段，是学校、教师在接受了人工智能教育创新，执行人工智能教育政策和开发教学活动的过程;在这个过程中，执行者将实现从心理接受到行动改变的过程。相对于教师个人以班级为单位开展人工智能教育试点而言，教育部门和学校在开展人工智能教育的过程中，会遇到更多的困难。因为作为团体组织的教育部门和学校，教育行政人员、专家、校长、教师、家长等都将参与人工智能教育的政策制定、课程标准的研制、教材的开发、教学模式的研究、教学评价等过程，而执行者和决策者不可能是同一群人。组织结构会为一个组织的稳定和持续运营提供保障，但也可能成为一项创新在实施中的阻碍力量[17]。教育部门、学校需要协调有关人员形成人工智能教育认知和执行的一致性，达成教育共识。创新在传播过程中会实现“再发明”，“在创新的接受和实施过程中，使用者改变和改良这项创新的程度”[18]，不断得到改进和演化。

开展人工智能教育的过程中，在教育政策、课程标准、评价规范等予以统一规范后，按照学校自主办学的要求，应賦予教育部门、学校、教师甚至是高校、科研机构、企业对人工智能教育进行再发明的权力;人工智能教育所涉及的各个要素均具有进行再发明的可能。人们会突破思维定势，重新审视人工智能教育再发明，更积极地参与人工智能教育的接受和推广过程;当人工智能教育创新应用于相关人员实际所在的环境中时，个性化的思想会融人并孵化人工智能教育创新。

（五）确认阶段

人工智能教育在前期试点的基础上，可能会因试点反映良好而继续实施;也可以会因安全、伦理等问题而予以终止。罗尔斯认为，创新的终止分为两种类型：（1）取代，是为了接受更好的想法而拒绝另一种想法的决策;（2）醒悟，是对先前接受的创新表现不满意，从而做出拒绝的决定[19]。人工智能教育的终止意味着这一教育创新的相对优势不明显，与校长、教师、学生和家长的理念、认知基础不兼容，没有被接纳、认可，更没有转化为常规教育教学的一部分。为保障人工智能教育不被终止，需要将人工智能教育确定为正规教育，提高人工智能教育地位，加强政策制定者与执行者的沟通等多种策略。

五、结语

在中小学开展人工智能教育是时代发展的应然要求，是教育现代化的必然要求，更是学生个性化成长的实然要求。本文对人工智能教育概念进行了辨析，从专项教育的视角，对中小学人工智能教育进行了界定，以帮助学校和教育工作者形成对于人工智能教育更为清晰的认知。尽管当前中小学人工智能教育的实施面临着一系列的困境，但是在区域、学校范围内可以通过一系列措施来破解困境。如省、市教育部门可以出台实施人工智能教育的地方性政策，对人工智能教育实施做好顶层设计，营造政策性环境;加强人工智能教育课程建设，整合高校、科研院所、企业、中小学校等专家资源，联合开发基于教育发展需求和学生认知需求的人工智能课程;加强对人工智能课程教与学的模式研究，推出一批行之有效的教与学模式，大力宣传推介;构建人工智能教育生态圈，从“学校一社会一家庭”和“认知一体验一实践”等不同视角、不同维度创设不同的学习内容、学习空间、学习环境和学习载体;强化人工智能教育激励评价，通过政策、职称、奖励等激励性手段激发人工智能研究与教学的活力;为人工智能教育提供经费、师资、设施设备等基础性保障。在人工智能教育实施过程中，要循序渐进、由点及面、先试后推，并注重做好形势研判、科学推进。通过本研究，期待各级教育部门、学校能够进一步提高对开展人工智能教育的价值意蕴的重视程度，强化理论和实践研究，构建起以发展为目标、以实际为基础、以特色为导向的中小学人工智能教育之路。

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作者简介：

张珊珊：博士，处长，主任，研究方向为教育大数据研究运用、考试评价改革（zhangshanshan@ncct.gov.cn）。

杜晓敏：博士，院长，研究方向为教育信息化政策、人工智能教育（wfjcjydxm@163.co m）。

张安然：硕士，助理研究员，研究方向为教育管理（zhangar@ouchn.edu.cn）.①杜晓敏为本文通讯作者。