基础教育数字化发展研究｜杨炳会：新课标下人工智能教育的逻辑主线与落实
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杨炳会.新课标下人工智能教育的逻辑主线与落实[J].中国教育信息化,2023,29(7):106-112.DOI: 10.3969/j.issn.1673-8454.2023.07.013
基础教育数字化发展研究
新课标下人工智能教育的逻辑主线与落实
杨炳会
摘 要： 《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》遵循学生身心发展规律，力图构建提升数字素养，培育数字时代创新力、学习力和迁移力的完整信息科技教育体系。从人工智能教育视角，分析新课标下人工智能在中小学教学中的设计安排，能够促进人工智能的教育落实。新课标以人工智能教育为逻辑主线，人工智能课程的学习与实现从智能设备的体验开始，到认识、理解，再到尝试设计，最后进行创新设计。其中，入门、迁移、数据基础、实践创新的逻辑主线方式，贯穿整个人工智能课程中，在学习者的认知水平范围内，逐步提高，环环相扣，最终实现学生数字素养和技能的提升。基于此，从人工智能的工具性作用和教育落实方面提出，人工智能教育要打破常规，在教学组织形式、教学内容安排、交流分享等环节上，不断创新，以适应学生的发展需求，在新课标下稳步扎实做好人工智能知识的传授。
关键词： 信息科技；人工智能；核心素养；课程标准；人工智能教育中图分类号： G434文献标志码： A文章编号： 1673-8454（2023）07-0106-07作者简介： 杨炳会，宁夏吴忠市第五中学高级教师，省级骨干，省级名师网络工作室主持人（宁夏吴忠 751100）
一、引言
2022年4月，教育部正式发布《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称新课标）。新课标遵循学生身心发展规律，力图构建提升数字素养，培育数字时代创新力、学习力和迁移力的完整信息科技教育体系。信息科技课程主要研究以数字形式表达的信息及其应用中的科学原理、思维方法、处理过程和工程实现，旨在培养科学精神和科技伦理，提升自主可控意识，培育社会主义核心价值观，树立总体国家安全观，提升数字素养与技能。小学低年级注重生活体验，小学中高年级初步学习基本概念和基本原理，并体验其应用；初中阶段深化原理认识，探索利用信息科技手段解决问题的过程和方法。新课标突出人工智能作为逻辑主线的地位，这与《新一代人工智能发展规划》中指出的“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”一致，同时可作为高中阶段进一步深层次教育的基础，形成我国人工智能人才培养高地[1]。
二、人工智能教育在新课标中的逻辑主线
信息科技课程具有基础性、实践性和综合性，促进学习者身心发展、认知水平的不断螺旋上升，进而提升学生数字素养和技能。人工智能在义务教育阶段没有以单独的课程呈现，但在信息科技课程中，以提升数字素养和技能为目的，作为逻辑主线，在整个义务教育阶段从体验开始，逐步渗透。如图1所示，在信息科技课程中，以人工智能为主线的内容设计分四个阶段，每个阶段分为内容模块和跨学科主题两个部分，而每个阶段的最后一项为跨学科主题实践教学内容安排。
图1 信息科技课程人工智能主线内容设计
新课标中设计了跨学科主题，分别为数字设备体验、数据编码探秘、小型系统模拟、互联智能设计四个层次阶段，以螺旋上升、逐步提高的方式进行。这四个方面的跨学科主题重点突出人工智能教育，突显跨学科、综合性、实践性的特点，整体在课程中的陈述表达也分布于义务教育段的整个过程，其中将小学1至2年级划分为第一学段、3至4年级为第二学段、5至6年级为第三学段、7至9年级为第四学段，并以学生的身心发展和心智水平逐级安排不同的学习内容。在信息科技课程的内容模块安排中，也分为相同的四个学段，从信息的交流分享开始，到最终的人工智能与智慧社会，中间穿插在线学习、数据与编码、算法、过程与控制、物联网、互联网等关键内容。
（一）第一学段（1至2年级）
人工智能教育从此阶段的信息交流、分享、安全与隐私中开始，结合数字设备体验的表达与陈述，开启人工智能教育的入门阶段。信息无处不在，其依附于各种载体以多样化的形式不断进行呈现表达、交换传递。物理世界和数字世界都在不断地产生信息，获取、存储、处理、交流分享信息的方式各具特点，智能化时代数字信息显得尤为重要。图、文、动画、音视频等信息的数字化更利于交流传递。利用智能设备进行文字、图符、语音等多种输入方式的表达与交流，以及用恰当的数字化方式表达个人见闻和想法，乐于与他人分享信息，成为“智能”机器化时代的入门技能。智能时代要求学习者具有主动使用数字设备的兴趣与意识，体验数字信息的人与人、人与智能设备（系统）、机器与机器间的交流传递过程，了解信息的多种表示方式，用图符的方式进行表达，包括情感的数字化表达，如点赞、笑脸、五星好评等，并尝试使用数字设备及数字资源开展学习活动，在公共场合文明使用数字设备等。
在第一学段，安排学生进行数字设备的体验，以使其初步形成利用数字设备开展数字化学习与交流的意识。通过体验扫码点餐、刷脸进门、语音输入、智能手环、智能衣柜、智能纽扣等，结合生活中已经很普遍的智能应用，让学生学习体验智能化社会，感知智能的便利和价值，激发和形成数字意识。同时，还要强调安全负责地使用数字设备，使学生具有信息安全意识。在该学段，通过个人信息管理、网络礼仪等跨学科主题任务的实践学习，进一步为数字素养奠基，这是一、二年级学生学习的入门阶段。该阶段的学习与实现，注重“体验”，引领学生去认识和感知学习生活中的人工智能，以激发和形成数字意识为主。
（二）第二学段（3至4年级）
第二学段开始安排学生体验在线学习与生活、数据与编码、数据编码探秘三部分。通过网络聊天、网络购物来学习信息的获取与处理。合理选用数字化工具解决简单问题并分解，进行数字化描述。在教学过程中，用可视化方式呈现数据之间的关系，如数据图表、思维导图、用数据讲故事等。通过扫描支付、扫码下载等功能来认识自主可控技术的意义，逐步为今后的人工智能教育做准备。“用数据讲故事”则尝试用已获取的信息来进行表达，赋予智能机器人讲故事的思维，根据应用场景选择信息载体表示信息，用数字化工具收集、组织数据，并表达观点或预测结果。这是一个迁移的阶段，用图表、思维导图等形式，来收集、组织数据，以适应人工智能社会数据的获取、传递、交流、分享、处理与应用。跨学科主题安排了数据编码探秘，可以进一步体验、感知数据编码，为人工智能教育打好理论基础。“用数据表达”是人工智能的需要，数据表达是人类去设计自主可控智能设备与智能系统必经的过程和环节。
（三）第三学段（5至6年级）
在新课标中，该学段的人工智能教育由入门转到算法上来。人和智能设备（系统）需要主动获取、筛选、分析数据，寻找最优的算法解决问题。用自然语言处理、流程图等方式描述算法，表达问题的解决过程，通过基本控制结构简单描述问题解决的实施过程，并能用程序验证。有意识地将算法应用于数字化学习过程中，利用恰当的数字设备规划方案、描述创作步骤，也是一个用算法表达“智能”的过程。其中，重要的是了解并认识算法及自主可控技术，包括程序的三种基本控制结构统一规则下的不断应用。这种表达适合个体、团队、系统的解读，是通用的算法表达亮点优势所在。跨学科主题安排了小型系统的模拟，整合已有学习资源，拓展和提升对人工智能的进一步认识；学习体验小型化的人工智能系统，结合算法、过程与控制，实践中感悟理论，在将理论内化于实践中的应用，不断提升、积淀。
算法是计算思维的核心要素之一，也是人工智能得以普遍应用的三大支柱之一。这一阶段安排猜数字游戏、韩信点兵、最短路径等任务实践的学习体验，将数据、算法正式引入到学生的视线。该阶段学生学习了解过程与控制的特征及实现方式、特点和规律，知道反馈、环路、优化的方法。教师以生活中家用空调的磁控管、电机、控制电路、温度传感器等为例，介绍智能设备的工作情况；在教学中也可仿照空调的工作构件机理，拓展更多的创意设计。在跨学科主题任务中，安排小型系统模拟课程，如汉诺塔、开关系统、扩音系统等知识，由智能机器化的学习向智能设计转化过渡，这个阶段较重要，是数据基础阶段。
（四）第四学段（7至9年级）
人工智能离不开互联网和物联网，其从应用层促进并改变着信息社会的不断发展。“智能”的表现转移到数字设备的应用和数字设备（系统）的表达，这种表达代替人类的多种表达，如接人待物、对周围环境的实时反馈机制等。学习者在此阶段设计和搭建简单的物联系统原型，体验数据处理和应用的方法与过程，能通过软件与硬件相结合的项目活动采集、分析和呈现数据，通过案例分析理解人工智能。首先，选择恰当的数字设备支持学习、改变学习方式，并主动利用数字设备开展创新实践活动；其次，了解自主可控对国家安全，以及互联网和物联网未来发展的重要意义，并体验人工智能应用场景；最后，用智能设备或是开发的智能系统进行表达，如向世界介绍所在学校、无人机表演、在线数字气象站、人工智能预测出行等，通过这些系列的学习任务，实现用数字设备进一步表达对环境的了解。
第四学段是实践创新阶段，也是智能设计、智能机器人的实现阶段。学生可以利用互联网工具或平台，进行较精准的搜索、交流、协作，学习搜索引擎、社交媒体、短视频、协同写作等；设计并搭建简易物联系统，如实时定位、远程控制、分享众筹等；识别身边的人工智能应用，理解人工智能与现实社会的联系。这一阶段的学习，尽可能做到从认识模仿到拓展创新，达到学习后的自我设计与创造，在知识技能的拓展上不要固化学生的思维，发挥学生无限的想象力，不断创新、创造。
人工智能教育的学习与实现从体验开始，到认识、理解，再到尝试设计，最后到创新设计。入门、迁移、数据基础、实践创新的逻辑主线的方式，贯穿整个信息科技课程中，在学习者的认知水平范围内，逐步提高，环环相扣，最终实现学生数字素养和技能的提升。
三、人工智能的工具性作用和教育落实
（一）人工智能在中小学阶段的工具性作用
在“互联网+”时代的当下，“智能”开始机器化。人工智能教育的稳步开展，使人们不致于陷于高科技的恐惧。持续掌握高科技产品和技术领域运行机制、工作步骤、原理等，适应人工智能时代的人才需求，是非常必要且紧迫的。人工智能教育需要不断揭开高科技神秘的面纱，包括习得基于人类智慧事先优化的设计，以及指定的方案、运行步骤，如自主可控技术、高于人体生物性的传感器等。借助这些功能来实现深层次的育人目的，并激发育人的活动力与潜力。
1.育人的载体工具
教育需要培养出能够适应未来数字化发展的人才。人工智能教育在立德树人，渗透爱国、文化自信的同时，还要做好教学实践过程中的团队合作、交流与分享，以及共同进步和提高。在知识学习和技能习得过程中，提高学生适应社会的生存能力，并发挥其自我能力，实现社会价值。
2.数字素养的提升工具
教师以人机协同的方式，培养学生计算思维、问题解决和创新思维等能力[2]。人工智能是由人来控制和创意性设计的，如智慧搭建、创意编程等，它是“理解问题—找出路径”的思维过程，这不仅对学生思维能力的提升有很大帮助，而且对其学习能力的提升也有很大作用。更重要的是，可以让孩子在面对复杂的问题时，不再退缩，而是迎难而上，将复杂问题分解成各种小问题，找到每个问题之间的联系，并将问题逐一解决。在这一解决问题的过程中，思维的培训和素养的提升显得尤为重要，也是学生应对未来各种变革，能够从容不迫的必备技能。人工智能教育是一项技能，是自我思维培养提升的集合，是数字素养提升的工具。学生将人工智能作为工具，可以更有效地分析处理学习和生活中的问题。在实施人工智能教育过程中，需引导学生正确把握人工智能技术工具性的实质，将其作为一种学习、提升自我的工具，实现从“学”到“用”的转变。
3.创新素养的提升工具
在人工智能教育的实施过程中，要不断唤醒、培养和提高学生的创新意识，在跨学科、综合性的人工智能范畴内，在人的智能范围内进行开发、创造，改善和优化人类生存环境，提高生活效率和质量[3]。从学校开设的人工智能教育课程内容来看，其综合性强，适合时代发展的要求，从编程、机器人到无人机、智慧搭建、创意设计等，是培养学生创新素养很好的媒介和工具。创新素养是用新思维、新能力，对过去旧事物所产生出一种改造升级的修习涵养的过程，也可以理解为是对未来社会提出的一种新的、更高的要求。因此，需要不断提升创新素养，以应对社会需求。
4.综合能力的培养工具
人工智能教育的跨学科、综合性，使其成为学生综合能力的培养工具[4]。基础学科也在慢慢融入更多实际问题的解决和应用，并加入更多的综合实践活动。人工智能教育是在实践过程中，慢慢掌握知识技能，体悟实践中的现象、原理、逻辑等。在活动过程中，学生可以相互分享借鉴、交流深思。团队中的个体可以发挥自己的专长来为小组服务，涉及组织能力与协调能力等；智能作品要赋予一定的寓意和内涵，作品介绍与宣传中的文创与立意、解读与他人认知也很重要。人工智能教育在多种科技实践活动中表现更为综合，同时沿袭人工智能技术的诸多优势，在实施教育实践活动的过程中，实现学生综合能力的培养。
5.数字化转型的必备工具
在万物都数字化转型的时代，普通生活都有了数字化生活的概念。事实上，数字化转型和科技创新是同一个理念——通过科技让人类的生活更美好。以往的发展都是以信息化为主导，其实信息化也有很多数据，只不过数据都分散在不同的系统里，没有打通，也没有真正发挥出价值。而数字化是真正把“数据”看作一种“资产”，这是曾经从未有过的“视角”[5]。伴随着时代的走向，数据不再是单纯的数据信息源，数据可以结合一些可视化界面作为载体，实时地展示反馈出这个世界的变化。人工智能教育中的编程课程，最直接地反映了对学生数字化意识和编程思维的培养。
（二）人工智能的教育落实
人工智能教育的跨学科性和实践性，衍生出以能力和思维为主的新学科，技术赋能时代下的新学习模式和教学内容将重组。基于互联网技术的“随时随地”学习，突破时间和空间的限制，使班级授课制不再是学校教育的单一形式[6]。另外，网络空间、名师空间、特色空间、网络通信群等应用更加拓宽了交流学习、学术专业研讨的渠道，虚拟学习使个性化学习和基于兴趣的深度学习成为常态学习形式。基于此，人工智能教育也要打破常规，在教学内容安排、教学组织形式、交流分享等环节，不断创新，以适应学生的发展需求。
在教学内容方面，教师需要传授基本的窗口操作、菜单理念、基本手势等，而不同的应用场景需要学生自己去探究和体悟。其中，更多的是动手实践，从中习得技能，内化知识。在教学组织形式方面，集中授课要注重整体知识与技能的内容安排，如项目式学习中的任务创建、协作分工、成果分享、相互激励、答疑解惑，以及知识资源库、学习网站的发布等。另外，还要注意学习过程的沟通与交流，分享学习的喜悦感、获得感、成功感，通过组织头脑风暴或深度交流，反思自我，寻找差距，激励前进。
四、结论与建议
总之，在新课标的引领下，人工智能教育能够普及普惠、深度融合，并提升全民科技素养、数字素养。未来社会必将是数字化社会[7]，要从娃娃抓起，从中小学开始，实实在在地推进人工智能教育。基于研究结论，本文提出如下建议。
首先，坚持科创育人目的。人工智能教育研究的重点是培养人的思维和问题解决的策略，从模仿到熟悉再到创造，进行自我素养的提高。人工智能教育的重心回归到思维层次性的铺垫，结合学习者心智水平的发展规律，实施不同层次教育目标要求。在基础教育阶段开展过程中，不能在知识和技能的具体细节上走入误区，而应当把主要力量落实在目标所要求的本质核心上，让学生不论是刚开始接触还是提升阶段，都做到层层递进螺旋上升、循序渐进，并逐步接受、认识和提高。各学段依据学习者的认知水平，灵活处理学习内容，更多关注人的体验感和获得感，注重软素质培养，培养有正确价值观和道德品性的人。
其次，坚持唤醒创新意识，提升创新素养。在人工智能教育的实施过程中，坚持唤醒学生的创新意识，在问题的解决过程中，寻找最优化的算法和策略，并在模拟人类智慧的行为活动中，认识到人与智能机器的区别，利用机器人的传感器来创新或重组设计新兴机器生物体的新智能，创造出人类智慧下而高于人类生物体的力量，来为人类服务或提高工作效率，创造更为舒适的生存环境。随着社会的发展，创新成为人的一种基本技能和品质，这也是智能机器人永远不能替代人类的原因。创新素养使人的生物性外在表象在更高的层次上得以确证，使人自身的品质和素养得到升华和拓展。
再次，注重学生能动性的培养与习得。学生能动性的培养在于自我意识的唤醒，以及学习动力的激励和鞭策，形成自我良好的自身学习动力。在人工智能教育实施过程中，避免人云亦云或全程配合跟随他人，在激发兴趣上下功夫，促使自主探究并致力于深度学习与研究。在不同阶段开展人工智能教育，在兴趣的促使下，爆发出新时代学生的主观能动性，不再是被动地依照在校时间流程或活动环节浅层次地应付参与，而是激发学生的主动探究与学习。
最后，强化思维的培养与锻炼启迪。在人工智能教育实施过程中，学生思维的严谨性和逻辑性得到进一步培养和启迪，所涉及的不同编程语言在描述和解决问题过程中具有普遍通用性，或者是编程思维过程一样，只是呈现形式、代码或图形标示不同，从教学目的来看，这是教编程思维意识、过程和素养。例如，在智能设计的实践活动中，基于问题解决和情境预设，进行外观创意设计，进一步对功能的实施操作中，用程序命令来进行控制，或是基于网络、手机App控制；基于一个范例，对学生进行思维的培养和深度强化，对智能设计作品进行全过程、全方位的思维引导和拓展，不断启迪学生更多的思考，更有利于学生在实践过程中，去捕捉已有智能素养基础下的进一步探究和外延学习，感悟更加深度的思维推演，进而尝试深度学习。在这个过程中，智能教育承载更多的目标，不仅实现动手实践技能，还可延伸到程序设计、思维培养与提升，以及创新创造等。机器不能完全替代人类，人类在思维的过程中，通过量的积累，进行沉淀、思考、创新、顿悟。可见，在人工智能教育的过程中，要防止思维约束和思维固化，并能通过具体范例举一反三，外延拓展，以点带面，强化思维的培养与锻炼启迪。
参考文献：
[1]张琪.人工智能时代小学生信息素养教育研究[D].济南:山东师范大学,2020.
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[5]孙立会,王晓倩.人工智能之于教育的未来图景：机器行为学视角[J].中国电化教育,2022(4):48-55,70.
[6]何聚厚,李天宇,何秀青.中小学人工智能教育大单元设计的意蕴、困境和路径[J].中国电化教育,2022(2):30-37.
[7]卢宇,宋佳宸.中小学人工智能教育的现状、实施与发展[J].人工智能,2022(2):8-13.
（Wuzhong No. 5 Middle School, Wuzhong 751100, Ningxia）
编辑：王晓明 校对：李晓萍
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