青少年人工智能素质教育课程体系设计

2022-01-07朱寅非陈社育张春兰

南京开放大学学报 2021年4期

朱寅非，陈社育，张春兰

（南京城市职业学院，江苏南京 211200）

随着信息通信技术的快速发展，互联网、大数据、云计算等信息技术产品和服务给人类社会带来了颠覆性的变化，也不可避免地对教育行业产生了深刻影响。特别是当前全球掀起了人工智能技术应用的热潮，例如2016年AlphaGo带来了人工智能应用的突破，人工智能已成为引领世界未来发展的战略性技术。全球主要发达国家纷纷把发展人工智能作为提升国家综合国力和未来竞争力最重要的动力源泉，试图在新一轮国际科技竞争中掌握主导权。[1]例如2016年初，美国前总统奥巴马在国情咨文中提出建立“面向所有人的计算机科学”新计划，并在同年发布了《K-12计算机科学框架》，建立了从小学到高中的计算机科学课程，并设置为必修课。英国教育科学部在2013年正式公布《计算课程学习计划》，其核心就是让中小学生在每个阶段都接受计算机基础知识和编程知识的学习，甚至将2014年定为“编程年”。不仅西方大国积极推进计算机类科学教育，微软、脸书等国外大型企业都积极参与到编程教育中。

目前，人工智能已经越来越广泛地运用在我们的日常生活中，如丰巢智能寄存取人脸识别系统、无人驾驶技术、智能扫地机器人、聊天软件中的语音自动翻译或转文字等。2019年，京东在北京市海淀区开启全球首次全场景常态化配送运营，送货机器人通过雷达加传感器进行全方位环境监测，可自动规避道路障碍、往来车辆和行人，并能自动识别红绿灯信号，进而做出相应的合理判断和行动。用户可通过人脸识别、输入取货码、点击手机APP链接等三种方式从送货机器人手中提取货物。这种模式彻底改变了快递送货“最后一公里”的瓶颈。今后，人工智能的持续快速发展，将会更加深刻地改变人们生活、学习和工作模式。

人工智能的发展是大势所趋，人工智能技术的应用将给所有行业带来升级与变革。未来，人工智能将和智能手机、互联网一样，成为一种基本的生活方式。青少年要学习的是如何与人工智能一起生活，而不只是关注技术本身和具体功能，这样他们才能明白这项技术正在重塑我们的生活。

一、面向青少年设置人工智能课程的必要性

（一）教育政策的趋势

2017年7月，国务院发布并实施《新一代人工智能发展规划》，明确指出人工智能成为国际竞争的新焦点，经济发展的新引擎，社会建设的新机遇。要广泛开展人工智能科普活动，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育，鼓励社会力量参与开发和推广寓教于乐的编程教学软件、游戏。2018年4月，教育部印发《高等学校人工智能创新行动计划》，推进高校人工智能领域学科建设、人才培养、理论创新、技术突破和应用示范全方位发展。2019年5月，教育部原部长陈宝生在国际人工智能与教育大会的主旨报告中指出：让孩子们为智能时代的到来做好生活、就业和能力的准备，是当今教育的重要命题，要在中小学设置人工智能相关课程，推进普及教育。2019年8月，教育部科技司司长雷朝滋在人工智能与教育大数据峰会中强调：建立人工智能多层次教育体系，普及人工智能教育，在中小学设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育。2020年12月，教育部原部长陈宝生再次指出：要把人工智能知识普及作为前提和基础，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。

（二）社会发展的需求

自上个世纪50年代人工智能的概念被提出到目前的短短70年时间，人工智能已经经历了三个发展阶段。第三代人工智能体系已基本形成，人工智能的技术和应用在各行各业落地，人工智能的成果和场景也层出不穷。2020年8月5日，中国标准化管理委员会、中央网信办、国家发展改革委员会、科技部、工业和信息化部联合印发《国家新一代人工智能标准体系建设指南》，规范了人工智能的应用体系，明确了其发展方向。

未来，人工智能将融入每个人的生活、学习和工作中，变得无孔不入、无处不在。未来我们的社会将从当前的电子时代进入人工智能时代。在人工智能时代中，社会中每个个体都需要具备人工智能素质[2]。而在迎接人工智能时代的当下，具备人工智能素质的青少年更是推动我国人工智能发展的重要基础。因此，在中小学设置人工智能课程，提前培养国民人工智能素质，是放眼未来把握国家发展新机遇的重要保障。

（三）青少年成长的期望

随着科学技术的快速发展，我国计算机类技术人才紧缺，计算机类专业成为学生、家长、单位、社会都热捧的专业，计算机类技术人才也成为高薪阶层的代名词。因此，学生家长越来越希望孩子更早地接触计算机基础知识，培养基本的计算机兴趣爱好，具备计算机专业基本素质，甚至掌握基本编程能力，以期未来在计算机专业领域获得更好的发展。

对于孩子来说，他们在成长中越来越多地接触计算机技术，甚至人工智能。在可以预见的未来，人工智能会改变孩子成长阶段的学习模式,成年后走进社会的生活和工作模式。因此，中小学生也会对计算机技术有更多的期待，希望揭开人工智能的神秘面纱，直观了解人工智能基本原理。

二、课程体系模型构建

（一）不同年龄段的青少年认知思维分析

青少年在成长发育过程中，不同的年龄段在认知及思维上也呈现出不同的特征。4-6岁的儿童，其思维已表现出符号性特点。他们能通过表象、言语及其他符号形式来表征内心世界和外在世界，但其思维仍是直觉性而非逻辑性的，抽象程度很低，且具有明显的自我中心特征。而对于7-12岁的孩子，此时其思维已具有明显的符号性和逻辑性，能进行简单的逻辑推演。对于13-16岁的孩子，他们已能设定和检验假设，能监控和内省自己的思维活动，在解决问题时更具逻辑性和系统性，其思维的抽象性有了很大提高。处于18-23岁之间的大学生，他们的心理发展阶段处于从青春期过渡到成年早期。此阶段学生不仅仅为了好奇求学而学习，更是利用所学来达到某种目的。他们的抽象逻辑思维处于一生中的顶峰，辩证逻辑思维逐渐趋向成熟与完善，创造性思维还在进一步发展。他们的思维更具有独立性和判断性[3]。

另外，青少年正处于个体身心加速发展的第二高峰期，整个青少年学生时期都处于认知发展的迅速上升时期。初中阶段，青少年认知的主要特点是思维的抽象逻辑性占优势，但在很大程度上还需要经验的支持。到了高中阶段，他们的认知各要素迅速发展，认知结构不断完善，抽象逻辑思维进入成熟阶段，辩证逻辑思维和创造思维有了较明显的发展，认知的自觉性增强，认知结构中的因素基本趋于稳定状态，认知结构形成协同发展的新局面[4]。

（二）不同年龄段青少年能力分析

青少年在不同年龄段其能力也各不相同。启蒙阶段的孩子已经就读幼儿园，在语言方面表达更有逻辑。在与同学相处过程中能学会根据学习目的支配自己的活动，能学会自我控制，可以独立完成任务、整理书包和衣服。鉴于这些特征，这个年龄段的孩子要重点关注他们的拓展思维、空间思维和动手操作能力[5]。

小学1-3年级的学生，观察事物往往只注意整体，比较笼统，不够精确，思维主要凭借具体形象的材料进行，分析、推理等抽象逻辑思维初步发展。对于该年龄段的学生，要重点关注他们的逻辑思维能力、力学基础以及数感、符号意识和数字运算。小学高年级阶段的学生，随着年龄的增长，对具体形象的依赖性会越来越小，创造想象开始发展。同时，他们能够依靠表现一定数量关系的词语来进行概括，掌握概念中直观、外部特征的成分逐渐减少，而掌握抽象、本质特征的成分不断增多。高年级学生对抽象材料的理解力加强，可运用简单抽象的逻辑思维去推理、判断。故对于该年龄段的孩子需重点关注开发他们思维的创造性，拓展其空间想象能力。

而对于初中生而言，他们的接受和理解能力非常强，心智比较成熟，且逻辑思维已有一定基础。因此，对于这个年龄段的孩子，我们更应该关注其编程逻辑的运用。高中阶段的学生，综合素养高，智力发展已接近成熟，抽象逻辑思维正从“经验型”向“理论型”急剧转化，我们更应该关注他们的智能竞技及创新能力。学生高中毕业进入大学后，他们更追求自身思想独立，思维的独立性、批判性、创造性都有显著提高，我们要关注他们的逻辑性和编码能力[6-7]。

基于青少年不同阶段的身心发育特点，因每个年龄段的青少年关注的能力不同，我们分析建立了青少年人工智能素质教育课程体系（图1）。

图1 青少年人工智能素质教育课程体系模型

对于6个年龄段的孩子，开设的课程从Scratch.JR到Scratch编程，接着到Python编程，最后到C或者C++的编程。这种递进式课程体系，主要依据每个年龄段孩子的特点而设置。下面具体分析这几个编程语言的特点。

1.Scratch这款编程软件主要通过积木形状的模块来实现程序命令和参数的构成，用鼠标将模块拖动到程序编辑栏。该程序在这些图形中是模块化的，允许孩子制作动画、游戏等，已完成的动画可以导出来，以加强孩子兴趣的持久性。Scratch操作简单，易于使用，在游戏和动画制作方面具有明显优势，可帮助孩子更快地完成编程游戏设计。Scratch更像是满足青少年实现创作的工具。学习Scratch可以更好地培养青少年的逻辑思维能力，提高其学习主动性，激发他们的创造力。

2.Scratch.JR没有Scratch这么复杂，既可以在APP上使用，也可以在PC上独立使用。Scratch.JR重新设计操作接口及程序语言，让它更适合幼童，尤其专注将功能设计得更符合他们的认知以及个人与社会情感发展。

3.Python是一种代表简单主义思想的编程语言，阅读一个良好的Python程序时就犹如在读英语一样。Python最大的优势就是伪代码的本质，开发时不在于搞明白语言的本身，应以解决问题为主要目的。

4.C 语言是一种通用的、面向过程式的计算机程序设计语言。这门语言具有很多优点：运算符多、数据结构丰富、比较灵活、程序执行效率高、可移植性好、绘图功能强大等。学习这门编程语言需要学习者具有成熟的心智、一定的理解力、较好的逻辑思维能力，并且需具有快速学习的能力等。C语言是一门非常锻炼逻辑思维能力的基础编程语言。

三、课程体系培养目标及知识内容分析

因为青少年在不同年龄段所具备的各种能力和知识都有所不同，所以人工智能素质教育课程体系中不同阶段的培养目标和知识内容也应有所不同。

（一）幼儿园阶段

该阶段的孩子对任何事情都充满好奇。他们从未接触过人工智能，相关认知几近空白。可以让他们先进行一些机械类的搭建，从杠杆、齿轮传动等方面入手，达到见识力学、探索知识的目标。这个阶段主要以培养孩子们的智能意识和态度为目标。

（二）小学阶段

培养智能知识和技能是该年龄段孩子人工智能素质课程的培养目标。这个年龄段的小学生往往对新生事物有强烈的好奇心与求知欲。如果对其稍加引导，让学生在年少时就产生学习兴趣，在未来深入学习中就可以事半功倍。

因此，该年龄段的孩子需要了解人工智能基础概念，知道目前人工智能的运用场景，体验人工智能在学习、生活中的作用。可以通过老师的演示、故事讲解、科普实验帮助其建立对人工智能的直观认知，感受人工智能给学习、生活带来的巨大变化，初步理解人工智能的一些基本知识和基本思路。可尝试运用简单的图文编程工具实践基本人工智能小项目，激发他们对人工智能的兴趣，为以后高级人工智能技术人才的培养奠定基础。目前，美国、英国、日本以及新加坡、韩国等国家，都已将编程教育列入小学必修课。自2014年起，“编程1小时”已经成为全球性活动，每年吸引数百万青少年参加。该活动运用趣味欢乐的形式，帮助小学生了解程序语言，学习编程知识。该阶段的知识主要包括硬件编程逻辑和图形化编程启蒙。

（三）初中阶段

本阶段主要以培养学生人工智能思维为目标。人工智能思维是指运用计算机领域及人工智能的思路方法，形成解决问题方案的思维方式。学生从小就锻炼人工智能思维，理解人工智能应用的思路，从计算机领域及人工智能的方式去界定问题、抽象特征、构建模型、组织数据，并进行分析、判断和综合，形成解决问题的方案，未来在高等教育阶段，他们就可以更加适应人工智能方面的深度研究和创新。即使未来他们不参与计算机领域的学习，不从事人工智能方面的工作，也能够更加适应人工智能时代的社会。

该阶段学生需要重点学习的知识首先包括全面了解人工智能的发展及其研究方向、体验人工智能技术及应用、对人工智能提出自己的见解，从而对人工智能形成正确的认识。其次，加深对人工智能领域的理解，探索算法、机器学习、神经网络的原理与应用，能初步编写与训练自己的人工智能程序。

（四）高中阶段

高中阶段的学生，以智能思维和智能创新为培养目标。我国高中阶段的学生已经具备较完整的独立人格与较强的自主学习、研究能力。在这个阶段，高中生应该已经具备人工智能思维，能够运用图文编程工具和简单的计算机语言进行编程。因此，他们的主要任务是掌握人工智能的基础知识、基本思路，掌握初级计算机编程语言，增强人工智能逻辑思维，能够根据项目要求，通过分解、抽象、概括、评估等多种方法设计较为复杂的实践方案，运用图像识别、语音识别等多种人工智能技术，自主完成人工智能相关项目，并尝试针对现实中的事项，设计、制作有创意、有价值、更为复杂的产品。这阶段主要学习的知识包括图像识别和语音识别[8]。

（五）大学阶段

本阶段主要以培养学生的智能创新为目标。创新是科技发展的第一动力。人工智能是计算机应用的一个新的领域,这方面的研究和应用正处于发展阶段。人工智能的发展离不开创新，创新也是青少年学习的重要动力源泉。通过在创新中的体验，青少年可以获得更大的学习动力，促进学习的快速进步。在教授人工智能课程的过程中，要不断带领学生感悟人工智能创新的乐趣，激励学生在基础课程内容的基础上进行自我创新，从而培养学生创新创造的能力，以便未来更好地学习或运用人工智能技术，推进人工智能的发展。该阶段主要学习的知识包括算法、模式识别、机器视觉、大数据与数据挖掘、机器学习、深度学习及机器人与智能系统等。这一阶段还可以更加深入地进行高级别的研究和创新。

基于对青少年不同年龄阶段的培养目标和课程内容分析，形成青少年人工智能素质教育课程体系（见表1）。