中小学人工智能课程评价体系构建与研究

摘要：本研究是从目前中小学人工智能评价遇到的问题入手，创造性地提出多模态等级评价体系的方法。本研究采用观察法、调查法、分析法等研究方法，详细描述北京市第八中学怡海分校（以下简称“我校”）如何构建人工智能评价体系，提升人工智能学科学习效果，在我校人工智能学科起到的巨大作用，有效解决当前人工智能学科测评遇到的问题。

关键词：人工智能;评价体系;应用研究

2017年国务院颁布的《新一代人工智能发展规划的通知》明确指出， “实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育” [1]。中小学生开展人工智能学习已经提升，达到国家战略的高度，因此，非常有必要对人工智能的教学、评价、应用等进行全面深入的研究。在基于人工智能素养教学改革背景下，对中小学生人工智能素养的学习过程中，需要科学化的、专门化的中小学生人工智能测评体系。2020年教育部关于印发《教育信息化2.0 行动计划》的通知也指出，“制定相应评价指标体系，开展规模化测评，实施有针对性的培养和培训” [2]。所以人工智能测评体系的构建有重大的理论意义和实践意义。我校从2003年开始讲授《人工智能》课程，并且大规模开展人工智能班教学，取得良好的教学效果，对人工智能素养测评有一定的积累。

一、评价体系的理论基础

（一）人工智能素养定义

在国家的大力提倡和支持下，人工智能素养问题也引起了国内外研究者的关注，并围绕人工智能素养的概念与内涵开展了一系列研究。具体内容如下：2017版《普通高中信息技术课程标准》对人工智能定义进行了明确的界定，即“人工智能是通过智能机器延伸、增强人类改造自然和治理社会能力的新兴技术” [3]。对于人工智能素养，学界目前没有统一的定义，从信息素养和人工智能素养的关联性来看，我们可以看到。信息技术核心素养有四个维度，即计算思维、信息意识、数字化学习与创新和信息社会责任。参照信息素养的测评方法，我们制定了人工智能的测评体系。人工智能素养比信息素养多一个维度，把“学习与创新”维度拆分成“知识”与“技能”，即人工智能思维、人工智能意识、人工智能伦理与责任、人工智能技能、人工智能知识五个维度。

1.人工智能思维

人工智能思维是指在人工智能时代背景下，用人工智能的思维方式来发现问题、分析问题和解决问题一系列思维方式。人工智能思维的核心是认知和应用。例如，我在讲人工智能《智能传感器》这一章节时，教材提到根据雨滴传感器和智能伸缩晾衣竿的结合，可以有效避免正在晾干衣服被淋湿。学习完本课的拓展环节，有同学突发奇想，想制作一个能够检测汽车轮胎压力并能显示和超限报警的模拟装置，他解释说利用该装置的及时提醒，可以有效避免一些因车速过快、急转弯或者路面不平造成的爆胎类交通事故。

2.人工智能意识

人工智能意识是指对人工智能的态度和观点，以及潜在的使用人工智能解决问题的方法。包含：

（1）人工智能方法及应用意识：当遇到问题时，想到使用人工智能来解决以及使用人工智能合理构建解决问题的方法。

（2）人工智能影响意识：要意识到人工智能是把双刃剑，既能够给人类带来极大的促进，产生正面的影响，也可能由于过度开发或者过度依赖人工智能产生负面的影响。

（3）人工智能忧患意识：当人工智能出现极大发展后，有很多人担忧人工智能会部分的取代人类，对人工智能的发展产生一些抵触情绪。我们既不能过度担忧人工智能发展会给人类带来忧患，也要保持对人工智能的适度警惕。

3.人工智能伦理与责任

人工智能涉及的伦理问题，比如著名的电车问题，讲述的就是失控的电车是碾压5人还是碾压1人的抉择，人工智能该如何判断并作出决策。在感受到人工智能伦理问题的同时，又该如何承担起人工智能责任？不制造破坏人类生活的人工智能产品。

4.人工智能技能

人工智能技能是制作人工智能产品的能力，即能否从人工智能产品创想到产品实物，制作出真实能用的人工智能产品，通常包括智能交通产品、智能农業产品、智能家居产品、智能交通产品等等。人工智能技能根据复杂程度可以分为以下几种：（1）制作单传感器人工智能产品。能够开发只利用一个传感器的产品，例如发光二极管实验，按钮按压实验，超声波实验等等。（2）多传感器人工智能产品。能够开发两个以上传感器的产品，例如跑马灯、交通灯、按钮和声音传感器组成的点歌系统等等。（3）与环境做交互的复杂人工智能产品。能够开发多个传感器产品，并且可以与环境进行复杂的交互，完成比较复杂的功能，例如智能农业系统，智能家居系统，智能交通系统。

5.人工智能知识

关于人工智能知识，参照信息技术2017版课程标准，我们对人工智能素养知识维度做了限定：（1）了解人工智能定义、基本特征，能够说出人工智能发展的三个阶段及著名学派、简单的人工智能应用以及发展趋势。（2）了解人工智能的基本术语，比如监督学习、无监督学习、强化学习等。（3）了解人工智能的基本算法，例如KNN算法，学习基本编程语言（例如变量、三大基本结构等）。（4）结合一定案例，深入了解人工智能核心算法，例如启发式搜索、决策树、遗传算法等等。（5）了解目前人工智能主流趋势，深入了解深度学习、机器学习、神经网络等。（6）综合应用人工智能知识，合理编制程序和算法，结合开源硬件，能够搭建能与环境做复杂交互的人工智能作品。

（二）评价方法

教学评价分为表现性评价、过程性评价和发展性评价。正因为表现性评价具有上述超越于传统学业成就测验的优势，它在当代教育评价领域占有了一席之地;也正因为表现性评价体现了重视过程性评价、和质性评价，表现性评价和发展性评价更多地需要关注学生的学习过程和产品制作过程，更多的是整体评价。而整体评价是建立在过程性评价基础，本研究重点阐述过程性评价中测验体系的构建。

二、表现性评价体系的建立

对学生进行人工智能评价需要结合平时的表现进行综合评定，主要的评价要点有：1.能够现场完成课上人工智能制作作品任务并能清晰地表达出来;2.具备良好的人工智能意识，应用到学习和生活中并制作相应的作品， 提交相应的照片或视频材料。3.在人工智能课上或学校科技节上，能够有人工智能作品展示;4.在各级各类大赛中，获得人工智能方面的奖项。

三、发展性评价体系的建立

对学生进行发展性评价有多个维度，主要有以下几个维度：1.评价目标多元化，促进学生个性发展;2.评价主体多元化，促进学生主动发展;3.评价内容多元化，促进学生全面发展;4.评价方式多元化，促进学生健康发展。

四、过程性评价体系的建立——测验的编制

过程性评价主要依靠测验来完成。测验的编制尽量做到公平、公正，能够客观地反映学生的人工智能素养。测样是由“维度、层次、等级”三个指标进行评估。整个过程性评价测验可以分为五个维度。

（一）划分维度

人工智能素养可划分为5个维度，即人工智能思维、人工智能意识、人工智能伦理与责任、人工智能知识和人工智能技能。这五个维度相辅相成，互相补充，构成了人工智能素养评定的五个支柱。

（二）划分层次

参考布鲁姆教育目标分类法，对每个维度又划分若干层次，不同维度有不同层次，

1.人工智能思维

（1）能够对人工智能事务进行剖析;（2）能够综合使用人工智能解决问题;（3）能够对人工智能事务做出恰当的评价。

2.人工智能意识

（1）能够了解现实生活中哪些事务应用了人工智能;（2）能够了解人工智能的作用;（3）能够应用人工智能解决问题。

3.人工智能伦理与责任

（1）能够了解人工智能伦理问题，例如电车问题;（2）能够剖析人工智能伦理问题;（3）能够合理避免人工智能伦理问题，发表自己的观点;（4）能够在剖析人工智能伦理问题上提出初步解决方案（文字）;（5）能够在剖析人工智能伦理问题上提出初步解决方案（程序）;（6）能够完美解决人工智能伦理问题并承担相应责任。

4.人工智能技能

（1）能够利用单一传感器制作简单人工智能作品（单一传感器级）时序灯（单一传感器、无环境交互）;（2）能够利用多种传感器制作简单交互的人工智能作品（两种及以上传感器）（两种及以上传感器+无环境交互）按钮+时序灯;（3）能够利用多种传感器制作复杂交互的人工智能作品（两种及以上传感器）（两种及以上传感器+环境交互）;（4）能够完成网上例程和人工智能硬件结合（图像识别、语音识别等）;（5）能够实现简单程序和人工智能硬件结合（图像识别、语音识别等）;（6）能够编制主流人工智能程序，并和硬件搭配实现强大的功能。

5.人工智能知识

（1）能够了解人工智能的历史（发展阶段）、学派、人工智能定义;（2）能够了解人工智能的基本术语，例如有监督学习和无监督学习、强化学习;（3）能够了解语音识别、图像识别和专家系统;（4）能够了解人工智能的基础算法，例如KNN算法;（5）能够了解人工智能的核心算法，例如遗传算法等;（6）能够深入了解深度学习模型、机器学习。

（三）划分等级

根據维度和层次的不同组合，可以生成学生对应的等级。等级基本上可以对应相应年龄学生的学习程度。每个等级是依次递进且衔接的，这样便于学生逐级学习。按照中小学四个阶段（幼儿园、小学、初中、高中）、十个等级（幼儿园1级，小学2-4级，初中5-7级，高中8-10级）、每级若干考点，同一个考点可分四个层次（例如有监督学习和无监督学习幼儿园考查1层，小学考查2层，初中3层，高中第4层）。例如1-4级的考核标准如下：

1.一级（幼儿园级）考核范围

人工智能意识：能够了解现实生活中哪些事务应用了人工智能。

人工智能思维：无要求。

人工智能伦理与道德：能够了解人工智能对人类既可能极大促进，也可能带来危害。

人工智能知识：（1）了解人工智能的实例（刷脸门禁、手机指纹解锁、面部识别转账等）;（2）了解声音识别的实例，能够做简单声音训练并识别（芝麻开门）;（3）了解简单的图像识别实例，能够进行简单的手写识别或面部识别解锁平板电脑。

人工智能技能：了解简单LED灯亮灭的实例，并能进行搭建。

2.二级（小学四年级及以下）考核范围

人工智能意识：能够了解现实生活中哪些事务应用了人工智能。

人工智能思维：无要求。

人工智能伦理与道德：初步了解人工智能带来的伦理问题及如何应对。

人工智能知识：（1）了解计算机硬件知识，冯诺依曼结构等;（2）了解计算机软件知识，软件分类等;（3）了解计算机数值问题，二进制、八进制、十六进制;（4）了解编程语言的发展及分类;（5）初步了解人工智能算法;（6）了解人工智能历史，知道各个人工智能标志性事件和发展阶段;（7）了解人工智能评定的方法，对图文测试和中文屋子有一定了解;（8）能够辨析身边的人工智能实例;（9）初步了解人工智能概念和外延;（10）初步了解机器人学习感念和相关事例。

人工智能技能：了解简单跑马灯亮灭的实例，并能进行搭建。

3.三级（小学5年级）考核范围

人工智能意识：（1）能够了解现实生活中哪些事务应用了人工智能;（2）能够了解人工智能的作用。

人工智能思维：无要求。

人工智能伦理与道德：了解人工智能伦理问题。

人工智能知识：（1）了解网络搜索分类，能够利用网络查找需要的信息资源;（2）学会利用网络获取所需信息;（3）了解信息、数据和知识之间的关系;（4）了解文件分类的方法，知道常见的文件扩展名;（5）了解人工智能历史，知道各个人工智能阶段标志性事件和重要任务;（6）了解人工智能的发展趋势;（7）了解声音识别的基本步骤;（8）了解图像识别的主要步骤; （9）了解人工智能编程的三大结构特点;（10）了解变量的定义和类型;（11）能编写求圆面积、计算周长等不少于10行简单程序;（12）初步了解人工智能算法。

人工智能技能：了解简单LED灯亮灭的实例，并能进行搭建跑马灯、灯带等复杂灯光人工智能作品。

4.四级（小学6年级）考核范围

人工智能意识：（1）具有良好的信息安全意识，具备良好的信息道德与伦理;（2）了解我国信息与信息技术法律。

人工智能思维：能够对人工智能事务进行剖析

人工智能伦理与道德：能够了解人工智能伦理问题，例如电车问题。

人工智能知识：（1）具备常见的计算机硬件知识，例如冯诺依曼五大部件（2）了解计算机软件知识，例如文件类型及对应软件的使用方法（3）了解计算机进制换算（4）了解程序在内存中运行的过程（5）了解图灵测试;（6）了解人工智能的分类（7）了解神经网络及应用（8）了解语音识别、机器学习的基本原理（9）了解自然语言处理（10）了解专家系统以及应用（11）初步了解计算机算法，对程序编制有一定基础，例如数据结构。

人工智能技能：人工智能素养评价是对人工智能学习的非常好的总结和测量，可以有效地检测人工智能学习，是在充分理解教育教学规律基础上实现对教学过程、教育评价和教育管理的支持[4]，提升人工智能素养。希望能够在以后的人工智能教育教学中以及人工智能课题研究中，更加完善对中小学人工智能素养的评价，更大程度的提升中小学生人工智能素養。

参  考  文  献

[1] 国务院 . 国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知 [Z]. 国发（2017）35号，2017-07-08.

[2] 教育部 . 教育部关于印发《教育信息化 2.0 行动计划》的通知 [Z]. 教技（2018）6号， 2018-04-18.

[3]中华人民共和国教育部制定.普通高中信息技术课程标准[M].北京：人民教育出版社，2018.15-18

[4] 黄荣怀 . 信息化环境下的课堂教学变革 [J]. 开放教育研究，2019，25（5）：11-22.

作者单位：徐启发    北京市第八中学怡海分校

课题项目：本文系北京市教育科学“十三五”规划2020年度一般课题“基于网络学习空间混合式学习的应用研究”课题的研究成果，课题批准号：CHDB2020404。

徐启发（1978.06-），男，汉族，河北保定，硕士研究生，中学高级，研究方向：现代教育技术。