人工智能全学段贯通式人才培养的作用与策略

刘峡壁 徐启发 冷晓莉 李毅 李海花 张毅

人工智能是当今人类科技发展的主战场，人类社会走向智能时代的趋势越来越明显，ChatGPT 的火热进一步印证了这一点。为了使人们能适应智能时代的生活与工作，并使人工智能技术的发展具有坚实的人才基础，人工智能教育需要尽快有效开展起来，因此得到国家的高度重视，小学、中学和大学人工智能教育正如火如荼地进行。

大学人工智能教学开展较早，相对成熟，但小学与中学阶段的人工智能教育应该做什么？怎么做？在理论与实践上还有不少需要探索的问题。基于大学人工智能教育体系，下探至中学再至小学阶段，构建小学—中学—大学全学段贯通式人才培养模式，不失为一种值得思考与实践的人工智能教育途径。这里所述的人工智能全学段贯通式人才培养模式，是指从对人工智能的根本认识出发，整体性地规划小学、初中、高中、本科、研究生各学段的教学内容、形式与方法，实现学生不同阶段学习的自然衔接，有序开展从普及到提高到拔尖创新的人工智能人才培养过程。

人工智能贯通式培养的作用

促进高等教育与基础教育融合

人工智能在中小学教育中目前仍属新鲜事物，缺少内容基础与教师基础，但人工智能在大学已讲授多年，具备较完整的教学内容与方法体系，因此大学教育经验可以为基础教育提供指导。基于大学教育中形成的对人工智能的正确认识，结合中小学生学习特点制订切实可行的中小学人工智能教学内容与方法是一条行之有效的捷径。

除了技术上的教学内容与方法外，高等教育在培养科技人才过程中发现的大学生与研究生科学素养的不足，如沟通能力、协作能力、创新能力、文化修养的欠缺等，对于在基础教育阶段通过开展人工智能教育培养学生的科学素养也具有引领作用。越早培养越有利于科学素养的形成，正如习近平总书记于2023 年2 月21 日在中共中央政治局第三次集体学习时指出的：“要在教育‘双减中做好科学教育加法，激发青少年好奇心、想象力、探求欲，培育具备科学家潜质、愿意献身科学研究事业的青少年群体。”[1] 基于在高等教育中发现的学生科学素养问题，利用人工智能学科特性，有利于构建培养学生好奇心、想象力、探求欲的中小学人工智能教育模式。

有利于從普及到拔尖创新的系统性教育

自2017 年国务院发布《新一代人工智能发展规划》以来，人工智能教育如雨后春笋般出现。但是小学、中学、大学各自开展人工智能教育，不能流畅地从一个学段衔接到下一个学段，势必造成学生学习上的种种障碍和困难。突出的表现是学习平台的内容与评价标准不一，学习者在小学阶段用某个平台学习，到中学阶段又换到其他平台学习，导致学生难以适应。尤为重要的是，下一学段提取不到上一学段的学习过程记录和相关评价，造成学生学习成效反复重新评定、学生已会的知识点重复学习，造成时间和精力上的浪费。

如果建立从小学到大学的人工智能整体贯通培养机制，使学生学习能像从火车的一节车厢走到另一节车厢一样方便，则能有效解决上述问题，形成良好的教学效果。一方面既能使人工智能普及教育得到有效开展，另一方面又可使得拔尖创新人才能够更好地脱颖而出并得到稳定、持续、深入的培养，从而为人工智能学科的发展提供源源不断的人才动力。

适应学校集团化趋势

目前，以优势学校为核心构建不同学段学校汇集的教育集团是一种普遍做法，这既是促进教育公平的举措，也体现了一体化贯通式培养的重要性。显然，集团化学校更希望人工智能培养是统一的、一贯制的，有利于集团校合理配置学生、教师、物资等各项资源，平衡布局，避免浪费。例如，如果一体化布局，教师既可以在中学任教，也可以去小学教学，有效避免了师资闲置。同时由于跨校、跨学段上课，教师参加不同学段的“大教研”，就能更加清晰地知道学生的需求，也就更能吃透课程标准，取得更理想的人工智能教学效果。

人工智能贯通式培养模型

通过贯通式培养，使学生的人工智能素养持续提升，从小学对人工智能的好奇式学习，到中学的科学原理探究式学习，再到大学的专业发展式学习，逐步加深对人工智能知识、技能与创新思维的掌握。为此建构的贯通式培养模型包括培养目标贯通、学习内容贯通、核心素养贯通、学习能力贯通、学习平台贯通5 个方面。如图1 所示，目标贯通、内容贯通、核心素养贯通为教学引领，犹如绽放的火焰，照亮学生学习人工智能的前行之路；能力贯通、平台贯通为教学基础，为学生的前行提供有力的支撑和保障。

教学引领

培养目标贯通 确定一贯制的培养总目标并分解到小学、初中、高中、本科、研究生各学段，从小学起点直到研究生终点，按照各学段特点，制订切实可行的培养目标。

学习内容贯通 确定系统全面的人工智能学习内容，将其拉长到从小学到研究生的长时间跨度进行规划，一方面使学生普遍具备全面的人工智能常识和应用能力，另一方面使有志于在人工智能领域发展的学生得到充分的、扎实的训练。

核心素养贯通 明确人工智能核心素养，从对核心素养的培养角度，建立从小学到中学到大学的核心素养体系与评测方法，从而为分阶段的培养与培养效果的评价提供明确依据。

教学基础

学习能力贯通 为学习人工智能，学生应具备线上线下泛在学习能力、项目式学习能力、科学探究能力、自主学习能力、创新思维能力等，随着贯通式培养的进行，适时提供相应能力的学习和锻炼。

学习平台贯通 构建小学—中学—大学一体化人工智能学习平台，以统一风格由浅入深支撑学生在各学段的学习需要，平台应能符合学生年龄特点和个性化学习需要，能支撑学生自适应学习。

人工智能贯通式培养方案

基于前述贯通式培养模型，笔者建立了人工智能贯通式培养方案，在北京市多所中小学实施，取得了较好效果。

培养目标与内容的确定

人工智能是认识人自身的学问。人类是已知世界里唯一具有高等智能的生物，因此人工智能是对人类智能的认识与模拟实现，以此作为贯通式培养的主线。相应地，贯通培养的总目标是使学生普遍形成认识自己的意识与兴趣，获得在认识自己基础上完善自己和利用人工智能技术完善自己的知识储备与能力，进而使在人工智能技术领域有天赋的拔尖创新人才得以脱颖而出。贯通式培养的内容则是以对人的认识与模拟实现为依托形成的六大技术途径：机器学习、神经网络、符号智能、行为智能、进化计算和群智能。图2 显示了这六大技术途径及其与人类智能的关系。

我们分别确定小学启蒙、初中萌芽、高中入门、本科专业、研究生精通的教学目标，进而将对这六大技术途径的由浅入深的认识贯穿到从小学到研究生的各个学段，形成各个学段的具体教学内容，再根据各个学段的学生学习特点形成各自不同的教学方法与形式，其中基础教育阶段以对智能软硬件系统的动手操作与项目式实践为主；本科教育阶段以对理论知识的深入建构与理解为主；研究生教育阶段以对前沿进展的把握与创新思考为主。基础教育阶段中，小学和中学又有所区别，小学主要是对人工智能技术的体验性认知，了解六大途径的直观思想与表现，不涉及抽象理论与方法，同时引导学生在已有软硬件系统基础上形成一定的独立思考与创新；初中增加对六大途径的综合运用能力，能形成创新应用成果；高中增加人工智能与各基础学科（数学、物理、化学、生物、语言、艺术等）的联系，夯实人工智能技术基础，同时从人工智能视角形成对基础学科的新认识与深入兴趣。

核心素养的界定与评测

《义务教育信息科技课程标准（2022 年版）》表明，“信息科技课程要培养的核心素养，主要包括信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任”[2]。这与2017 年版《普通高中信息技术课程标准》核心素养契合，但义务教育阶段注重“数字素养与技能的提升”[2]，高中阶段则注重“信息素养的提升”[3]。大学对“具有独立的科学研究能力和自主学习能力”[4] 等能力素养的描述，在包含中小学核心素养基础上提出更高要求。由以上可以看出，小学、中学、大学核心素养一脉相承，融会贯通。

参照上述课程标准，人工智能核心素养可确定为：智算思维、智通思维、智能意识、智社责任和智数学习。智算思维是指利用人工智能的基本概念与方式方法等组成的知识体系，进行问题求解、系统设计，以及人类行为理解等涵盖人工智能科学广度的一系列思维活动。智通思维是指学生具备将所学人工智能知识融会贯通的能力，将知识节点链接在一起，有效探索上位知识点和下位知识点，形成利用人工智能思维解决问题的方式和方法。智能意识是指要具备对人工智能信息与人工智能价值的判断力，存在主动考虑用人工智能方法解决现实问题的意识。智社责任要明确人工智能是用来服务于人类，因此研究和应用人工智能需要符合道德规范和法律法规的约束。智数学习是利用人工智能与数字化资源相融合的方法完成学习和探究，实现更高效的学习。

在形式上，人工智能核心素养测评有表现性评价、过程性评价和发展性评价3 种，这3种评价形式紧密结合，相得益彰，能夠真实、动态评定学生在学习中所呈现出的核心素养水平。在结果上，横向采用智算思维、智通思维、智能意识、智社责任和智数学习为测评要素，纵向采用测评内容、测评目标、测评项目、测评指标为测评框架，综合测评学生在核心素养标准评价体系下的得分情况，判断其所处的核心素养等级，从而较好地找到人工智能教学实际效果与学习期望之间的差距并优化教学。

学习平台与能力的构建

动手实践在人工智能学习中扮演重要角色。目前人工智能算法主要以编程方式实现，对于大学阶段已确立人工智能专业方向的学生来说，用编程方式动手实践是没问题的，但在基础教育阶段，大多数学生尚不具备学习高级编程的认知水平或者没有学习编程的兴趣，则不宜采用编程方式学习，而且过多强调编程的作用也会使得学生对人工智能的认知发生偏差，混淆了这一实现工具与人工智能知识的根本区别。因此在学习人工智能的前期适宜采用非编程的积木化方式学习，即通过理解人工智能系统的基础构件并将基础构件组合起来形成智能系统的方式学习，这样既可使学生理解人工智能核心知识，又使得系统搭建符合学生的认知水平，使人工智能的普及学习成为可能。同时在积木构成与程序之间建立对应关系，可以使学生看到积木构成对应的程序，也可以通过修改程序改变对应的积木构成，这样在一体化贯通式培养过程中，随着学生人工智能知识与认知水平的增长逐渐增加程序内容，或者适应小部分具有编程天赋的学生的学习需要，从而使普及、提高、拔尖自然衔接起来。

AixLab 学习平台（www.aixlab.cn）即是上述思想的产物。依托该平台，学生学习能力的贯通式培养也由浅入深相继展开。首先培养线上线下泛在学习能力，有效利用线上平台和线下课堂学习人工智能技术；然后培养项目式学习能力，学习利用该平台及配套硬件完成课程中布置的智能系统项目，提高动手能力，加深对所学知识的理解；进而培养科学探究能力、自主学习能力和创新思维，获得应用创新直至理论创新能力。

结论

通过对小学—中学—大学人工智能全学段贯通式人才培养的思考，以及在北京理工大学和北京市多所中小学的教学实践，我们认识到贯通式培养是推动人工智能教育走向普及与深入的有效途径，以培养目标贯通、学习内容贯通、核心素养贯通为引领，以学习能力贯通、学习平台贯通为基础的人工智能贯通式培养模型对于人工智能教育在基础教育阶段的扎根落地，对于人工智能知识的普及与人工智能拔尖创新人才的脱颖而出均具有现实意义。