一、引言
人工智慧（Artificial Intelligence，AI）是信息科學領域最前沿的學科之一，經歷60餘年的發展之後，AI對醫療、交通、商業、航天、農業等領域產生重大影響。根據麥肯錫國際諮詢公司的數據調查研究，基於當前人工智慧技術的發展水平，大約45%的職業的工作者會失業。智能機器的誕生，改變了傳統的工業和農業生產方式，代替人類做單調重複性工作，幫助人類節省時間和精力投入到創造性工作中去，極大地提高了生產和工作效率，這也必將影響到我國未來的人才培養和就業。因此，人工智慧的突破性進展是人類發展史上一個重大轉折，人類的思維方式和工作方式將發生重大轉變，將推動資訊時代進入人工智慧時代，信息社會向智能化社會轉型。
2015年5月，國務院發布《中國製造2025》，把實現世界製造強國作為總目標，並提出九項戰略任務和重點。該文件重點強調了人工智慧技術對於各行各業發展的重大應用價值，並闡明人工智慧技術能夠促進戰略任務的完成和實施。2016年5月，發改委和科技部聯合印發《「網際網路+」人工智慧三年行動實施方案》，再次把人工智慧技術作為實現知識經濟時代創新性強國的重要推動力。2017年11月14日，全球領先的移動網際網路第三方數據挖掘和分析權威機構iiMedia Research（艾媒諮詢）發布了《2017年中國人工智慧行業白皮書》，指出在信息技術快速普及的今天，連接人與信息的信息流，成為資訊時代的常態，而人工智慧技術是構建信息流的關鍵技術。尤其是2017年7月，國務院印發的《新一代人工智慧發展規劃》明確提出：實施全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智慧相關課程，逐步推廣編程教育，鼓勵社會力量參與寓教於樂的編程教學軟體、遊戲的開發和推廣。
可見，開展人工智慧教育（本文也簡稱AI教育）是面向人工智慧時代所賦予的使命。培養能夠發現問題，綜合運用多學科知識解決問題的創新人才是教育界面臨的重大挑戰，也是構建創新性國家的必備條件。當前，推進學生學習人工智慧技術、形成人工智慧學科的話語體系和思維方式非常緊迫。在學生發展個性化、社會發展智能化的今天，信息技術教育的培養目標、內容、方式和評價都需要順應AI時代之變遷，以符合國家人才戰略需求。而培養符合智能化社會需求的創新人才，需具備良好的計算思維、編程能力和對智能化社會的深度認知。
一、人工智慧時代信息素養內涵的轉型
（一）智能化社會的圖景
2016年9月，史丹福大學發布的《2030年人工智慧與生活》（Artificial Intelligence and Life in 2030）報告，詳細解讀了在交通、家庭服務、醫療保健、社區、公共安全、就業、娛樂、教育等八個方面人工智慧將產生的深遠影響及顛覆性變革。在交通領域，自動化交通很快會實現，自動駕駛汽車將比人類司機駕駛的汽車更安全。在家庭或服務機器人方面，更好的晶片、更低成本的3D傳感器、基於雲端的機器學習，以及語音識別技術的提升，將進一步強化未來的機器人服務及其與人類的互動。在醫療保健領域，通過外科手術機器人，智能醫生的診斷等造福人類。在社區建設方面，利用數據挖掘和機器學習，人工智慧已被用於創建各種預測模型，幫助政府機構解決如防止兒童鉛中毒，有效發放食物等。在公共安全領域，北美一些城市和政府機構到2030年將廣泛依賴人工智慧，包括攝像頭和無人機監控、識別金融欺詐的算法、制定預防性策略等。在就業領域，人工智慧可能會取代如汽車或卡車駕駛員等特定崗位上的勞動者。在娛樂領域，社交網絡和其他平臺已經利用自然語言處理、信息檢索、圖像處理、眾包和機器學習等技術，改變了人們共享和瀏覽博客、視頻和照片的方式。一些傳統的娛樂方式已開始用人工智慧來創作歌曲，營造舞臺效果，打造3D場景等。不久將來，人工智慧會讓娛樂變得更具互動性，更加個性化。
在教育領域同樣如此，國內「科大訊飛」和51talk等公司開發出的語音測評軟體，已能實現用戶跟讀，對發音的正確性做出評估。Siri作為蘋果手機上的一項典型應用，具備收發簡訊、尋找聯繫人、定位、搜索、翻譯等諸多功能，極大地提升了手機與人交互的流暢性，一定程度上實現了手機對用戶的自然語言理解。這些技術被引入教學系統後，教學系統與學習者間的交互便捷性顯著提升，自動批改作業、自動教學測評等應用相繼被開發成功。基於眼動數據跟蹤等技術，除了識別學習者的面部表情外，還可以從學習者的眼動數據跟蹤中，分析學習者的學習興趣、內容偏好等。
（二）智能化社會要求學生的信息素養內涵進行轉型與再造
1．計算思維是智能化社會公民的重要素養
2017《美國國家教育技術計劃》對新時期學習目標的描述是：讓所有學習者都能參與並提升校內外學習體驗，使其成為全球網絡社會中積極並具有創造力、淵博知識和道德規範的參與者，將創造力放在學習目標的首要位置。該計劃首次提出「知覺學習模塊」（Perceptual Learning Modules），所謂知覺學習，就是學生能夠對外在環境做出快速判斷，在繁雜的信息中提取出關鍵信息的能力。這種能力的培養，有助於將學生的記憶力和臨場反應能力提高至較高水平。
我們認為，該計劃為信息素養注入了新的內涵，即對於學習者來說，面對網絡世界中繁雜的信息，學會把信息抽象和分解，以具備完成複雜任務的重要能力。這種抽象與分解，需要掌握並完成問題的界定、數據的組織與應用、分析，隨之實現問題的解決。這種能力與國際教育技術協會（International Society of Technology in Education，ISTE）和計算機科學技術教師協會（Computer Science Teachers Association，CSTA）所提出的計算思維（Computational Thinking）內涵基本一致。ISTE和CSTA對計算思維給出了操作性定義：問題解決過程，涉及到問題的闡述、數據的組織、分析和呈現，包含解決方案的制訂、識別、分析和實施以及問題解決過程的遷移。
2．編程能力是實現創造力培養的重要支撐
《2017地平線報告（基礎教育版）》指出，STEM教育能將計算機知識、解決問題和創造力結合起來，將成為增強國家經濟實力的重要方式。編程作為STEM教育中重要的一部分，在於幫助學生了解計算機運行規則，激發學生計算思維的興趣，培養編程素養，較好適應未來發展趨勢的需要。如今，越來越多的國家意識到計算思維的重要性，並將編程教育納入到基礎教育中。人工智慧相關理論與技術的快速發展，能夠促進跨學科學習環境搭建，逐漸消除不同學科之間的障礙。人工智慧技術對於教學環境的支持，將改善現有的學習方式，由被動轉向主動，課程內容與現實聯繫更加緊密，課程目標由獲取知識轉向創造知識及問題解決能力的培養，以幫忙學生藉助編程完成協作性問題解決和複雜性計算。
3.適應「人機協同」工作需要，掌握與學會與機器人協作的技能
劍橋大學風險評估研究中心的聯合創始人Lord Martin Rees表示，人工智慧引發的將不僅是藍領工作即將消失，學校、家長與社會更應關注未來就業市場的變化。但當前的學校課程，尤其是中學課程，並沒有反映出機器人技術和人工智慧技術帶來的變化。計算機編程課程需要更高一級的教學目標，才能提升學生的創造力。
人工智慧的快速發展，將給勞動力市場帶來重大變化，有些工作崗位會被機器人取代，同時也會有新的工作機會產生。正如倫敦大學教育學院的人工智慧教育專家Rose Luckin所言，未來社會的許多工作需要專業人士與機器人共同開展，即人與機器人協同工作將成為常態。因此，問題解決能力、協作能力和創造力變得越來越重要，學校應與時俱進更新課程體系，學生應花費更多時間和精力學會在合作中解決問題，並了解更多的人工智慧基礎知識及人工智慧對智能化社會的塑造。
總之，智慧機器人將改變勞動力市場，了解機器人能做的工作及掌握「人機協同」工作的本領，將是未來學生的必備素養，學校應幫助學生提前做好準備，以適應人工智慧時代的快速發展。
三、人工智慧教育的目標定位
伴隨著社會的信息化與智能化發展進程，信息技術課程在中小學課程體系中的定位及學習目標也在不斷變遷。從20世紀80年代至今，信息技術課程的教學目標，走過了從操作技能訓練向信息素養提升的轉型。當人工智慧技術取得突破性進展並推動社會向智能化社會轉型之時，AI相關內容在中小學課程體系中的定位，需要進一步凸顯與提升。
（一）中小學信息技術課程的變遷
1．教學目標的沿革
20世紀80年代，我國的信息技術教育被稱作「計算機教育課程」，專業化教育成分較重，分為計算機工作原理、程式語言、軟體和硬體結構、資料庫管理等幾個模塊。20世紀90年代，「計算機教育課程」由專業化向大眾化過渡，主要教學內容包括文字處理、表格處理、幻燈片製作、信息檢索、繪圖等，旨在培養學生檢索、收集、組織、創造和傳遞信息的能力，讓學生掌握日常生活和學習中基本的信息操作技能。進入21世紀後，信息技術發展更加迅速，繼提出「計算機操作水平」之後，2003年的信息技術課程標準進一步提出「信息素養」是21世紀公民的必備素養，信息技術課程成為中小學必修課程。其主要教學目標是要求學生掌握信息獲取、加工、管理的方法，讓學生學會在交流和表達過程中解決實際問題，引導學生探究和交流合作，使學生在實踐中掌握解決問題的信息技術方法和思想，意識到信息技術是解決問題的重要工具。2017年，浙江省更是針對信息技術課程做出高考變革嘗試，將包含編程的信息技術課程列為7選3考試中的一門，所佔比重與傳統分科課程相同。
2．信息術課程體系中AI相關內容設置的演進
通過對不同時期信息技術課程標準的梳理與比較，我們能夠更為清晰地看出中小學信息技術課程教學目標的發展脈絡及AI相關內容設置的演變。我國中小學信息技術課程標準一般包括：課程目標、課程內容架構、課程開設建議、課程內容描述、教材編寫建議、教學建議、評價建議、教師發展建議八個部分。AI相關內容是信息技術課程的一部分，多屬於選修模塊，表1所示是2012版中小學各級信息技術課程標準對AI相關教學內容的安排。
對比表1中各學段人工智慧的內容總量和學習目標，我們可以看到AI教育在中小學信息技術課程中扮演的角色。除在高中學段把部分人工智慧知識作為所有學生的必修課之外，其他各學段與人工智慧相關的課程均以「個性塑造」為宗旨，將課程設置成拓展選修課，以滿足不同興趣偏好學生的需求，目的使每個學生在了解相關理論和技術的同時，選擇自己感興趣的領域進一步學習。
針對不同學段，課程內容在廣度和深度上均有增強：小學階段要求學生初步接觸機器人和程序設計，形成感性經驗；初中階段培養程序設計和機器人製作與應用技能，開始學習用人工智慧技術解決生活與學習中的問題；高中階段則在學生具備人工智慧基礎知識，了解程序設計思想和基本編程方法的基礎上，給學生以個性發展的空間，幫助感興趣的學生形成更高階的人工智慧信息文化能力。在機器人教育領域，小學階段只要求學生了解機器人及相關製作，在初中階段則強調機器人的設計與製作，在高中階段除要求學生自主開發簡單的機器人之外，還關注技術能力與人文素養的雙重構建。
（二）AI教育的目標定位
1.全面推進AI教育，應主要指向培養學生編程能力與計算思維
在教育信息化發展的初期，信息技術教育側重於培養學生單純的計算機操作技能，讓學生體會到計算機是一門實用的工具。但隨著信息技術的快速發展和一系列新型教育實踐的展開，信息技術教育更應關注學生的信息素養，旨在培養具有較高信息素養的新時代合格公民。2015年，教育部《關於「十三五」期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見》強調，基於情境、工程和項目的STEM教育、促進學科融合的創客教育，有助於培養學生解決問題的能力，幫助學生形成信息意識和創新意識，鼓勵中小學和各級教育單位開展創客教育和STEM教育。這些新型教育實踐的展開，為信息技術教育提供了更為廣闊的空間，學生應具備運用科學理論知識，使用新技術自覺分析、推斷和解決真實問題的能力。
我們認為，在人工智慧技術正在迅速普及的今天，計算思維及編程能力正在成為信息素養內涵的重要組成。如，在百度中搜索「兒童編程培訓」，會出現418萬條結果，包括兒童課程培訓、課程製作、企業編程課程介紹以及家長諮詢等多個方面。不難看出，編程培訓是企業創新發展的一大熱點，同時也是家長為孩子進行思維訓練和生涯規劃的重要方式。編程是將實際問題進行抽象、建模、求解的過程，是不斷完善解決問題的方法論過程。編寫程序的過程也是塑造大腦的過程，它能使人的大腦運轉更高效，也是目前培養學習者計算思維的必經之路。
2.中小學階段的AI教育內容，應側重於人工智慧技術及運用
2017版《義務教育小學科學課程標準》，將科學課程內容分為四個主題：「科學探究」，「生命科學」，「物質科學」、「地球和宇宙」，「技術與工程」。科學課的總目標是綜合不同學科的教育功能和思維培養功能，引導學生將書本知識與真實的生活經驗相結合，積極參與社會實踐活動，發現並解決真實的問題，以提高學生問題意識和解決問題的能力。該標準中強調了科學課對於技術層面的總目標，即教師引導學生認識到技術不僅是幫助人們解決問題的工具，還是人類思維和能力的延伸，更是推動人類社會變革、促進人類社會發展的關鍵力量。在「技術與工程」這一主題上，小學階段側重於培養學生對技術的作用產生感性認識，培養學生認識和使用技術的興趣，初中階段則側重於培養學生能運用簡單的技術解決實際問題。
我們認為，人工智慧相關理論與技術在作為信息技術課程重要組成的同時，顯然亦應納入科學課程中的「科學探究」、「技術與工程」主題中，教學內容的設置應與《義務教育小學科學課程標準》的要求相一致，要注重培養學生對人工智慧技術的感性認知與興趣，進入初中後要能運用AI解決實際問題。人工智慧涉及的知識範圍非常寬廣，其中涉及腦科學、神經科學、認知心理學等理論層面的內容，對中小學生來說要求過高，因此，人工智慧相關內容雖可成為科學類課程的組成部分，但更應定位於技術類課程，重在培養學生的編程能力、機器人操控能力等人工智慧技術或技能，這更符合基礎教育階段學生的年齡特徵與知識基礎。若按學段來劃分技能的培養目標，小學生應主要是體驗人工智慧技術產品，初中生可進行簡單編程和對智能設備實現控制，高中生則要在人工智慧技術上進行較高層次的設計。
四、國內外AI課程與教學實施的實踐探索
除信息技術課程中包含的人工智慧模塊之外，我國基礎教育階段的科學課、STEM教育和創客教育中，也包含內容豐富的人工智慧相關的教學內容。目前，國內外一些中小學對基於這些課程的AI教育做了積極有益的探索，美、英等國的AI教學則主要體現於計算機科學教育及計算課程當中。
（一）我國STEM教育與創客教育中的人工智慧教學實踐探索
1.STEM教育對人工智慧技術的引介
STEM教育在於鼓勵學生利用科學、工程、技術、數學之間的關聯性知識解決問題，鼓勵學生將不同學科中的思想、方法綜合起來，解決實際問題，它打破學科壁壘、促進學科融合。STEM教育中的科學是認識世界的工具，技術和工程是改造世界的工具，數學則是進行思考和統籌的工具。STEM教育中技術素養部分包括編程工具的使用和機器人的操作，工程本身具有迭代性和循環性，學生在進行工程設計過程中，可以真正體驗不斷發現、修復、優化、解決問題的學習樂趣，切身體會探究過程，學會探究方法，從而培養學生的探究能力。近年來，中小學一線教師在STEM教育中有機融入人工智慧內容方面，做了積極嘗試。
（1）北京市景山學校的吳俊傑老師在STEM教育上做了一系列理論和實踐研究，尤其是在Scratch程式語言方面。該校基於學生發展特點，開設了名為「數學科學家」的校本課程，探索了信息技術課程變革中的STEM教育模式，設計了一系列針對Ledong Scratch互動教學平臺的應用與研究案例。例如，將Scratch編程運用到物理學科中，幫助學生掌握物理學科基本概念和物理量之間的變化規律，將Scratch的傳感器功能用作觀察電阻和電流變化的規律，研究電阻值與傳感器數值之間的關係，該探索運用了數學中函數曲線等知識，並詳細解釋了其推導過程。吳俊傑老師還運用Scratch編程工具研究光敏電阻與照度關係，該研究採用了「標定實驗——科學上的應用——工程上的應用」這一教學思路，在總結出光強與距離成反比這一重要規律的基礎上，做了一個簡易照度計。
（2）溫州中學的謝作如老師同樣對程式語言教學進行了積極探索，他開發了一門名為「智慧機器人創意設計」的校本課程。謝作如老師將Scratch自帶的用於獲取外部環境變化信息的傳感器與「樂高機器人」相結合，以拖拽圖標的形式幫助學生學習編程，教兒童設計機器人。學生在學習完Scratch之後，該校又將Arduino語言作為後續的程序設計語言來學習。學生從製作出作品的過程中能夠感受到編程的樂趣，從而有效培養學生的創新精神和動手操作能力。除Scratch和Arduino程式語言之外，溫州中學還開設了Processing相關課程，Processing是以圖形和交互的形式創作繪畫作品，從而幫助學生建立用代碼繪畫的思想。
2.創客教育中人工智慧技術的應用
自2014年起，創客教育在全國中小學逐漸開展起來，並建立了大量的創客教育實驗室。創客教育和STEM教育一樣，都是基於學科融合的跨學科項目式教學模式，以期達成創新教育的目的。
我國創客教育的教研團隊大多以信息技術教師為主。信息技術教師對學校的軟硬體技術、編程技術、電子器件方面有著較強的掌握能力，能夠在技術層面給學生提供專業指導。但創客並不是各科課程的簡單疊加，而是一項從低階到高階、從簡單到複雜的創造性活動。初級課程以電子、機械、計算機基礎課程為主，中級課程側重訓練3D建模、電路、電子切割、高級編程等技能；高級課程則圍繞特定的現實項目，指導學生組成團隊，共同創造出新方案或者新產品。比如，溫州實驗中學創客教育團隊自主研發了「多媒體編程」、「電子製作」、「機器人」、「網頁編程」等一系列創客教育校本課程，並創建了創客空間實驗室，學生可以在教師指導下參與多學科綜合研究項目。北京景山學校還藉助第三方企業，如新車間、機器人戰隊，聯合研發麵向該學校的創客課程設計模式，參照原有的機器人課程，在融入新理念、新方法之後，開發出新的機器人校本課程。
隨著創客教育和STEM教育的開展，編程、機器人等已經進入廣大師生的視野，並激發了學生的創作熱情。部分一線教師已經將新的教育模式從理論轉化為實踐，並嘗試尋找編程、機器人等人工智慧技術在科學課程與綜合課程中的定位，試圖挖掘人工智慧技術帶給綜合課程更大的創造空間。
我們認為，人工智慧技術在綜合課程中應體現為三個方面的用途：（1）作為發現問題的途徑，比如，Scratch的傳感器功能，可以動態描述物理問題中的運動軌跡，引發新問題；（2）作為解決實際問題的工具，比如，編程語句可以解決複雜的數學問題；（3）作為把創意轉變為現實的工具，比如，利用Arduino自製傳感器。當前，人工智慧技術作為綜合教育活動中的一部分，客觀上能夠為創客教育和STEM教育提供良好的工具性支撐。但目前還缺乏明確的目標指引，更未凸現對人工智慧學科思維、計算思維能力的培養，需要進一步改進。
（二）國外基礎教育階段AI教育概況及案例分析
1.美國K-12 AI教育概況及案例分析
2016年，歐巴馬提出「面向所有人的計算機科學教育」（Computer Science for All）新計劃，以推進中小學課堂的計算機科學教育。但美國同樣沒有獨立的人工智慧課程，人工智慧相關教學內容只是計算機科學課程中的一部分，並將編程列為其中非常重要的一部分。編程課並不是教學生寫代碼，而是引導學生「組裝」（Assemble）編好的程序模塊。美國市場上有很多種類的機器人已經進入到中小學課程或課堂當中，學生可以通過編程控制機器人以完成簡單的動作，從而培養學生學習編程的樂趣。
（1）美國的信息技術課程框架。目前，美國沒有全國統一的信息技術課程標準，只提供了主要框架和培養目標。美國計算機科學技術教師協會（CSTA）把信息技術課程培養目標劃分成五個維度：計算機思維；合作；計算機體驗和編程；計算機和交流手段；團體、全球與倫理道德影響。針對這五個維度，又劃分成三個不同的水平，表2是美國2011年的計算機科學課程框架。
在表2基礎上，美國的計算機科學課程框架還針對每個水平給出了具體的目標要求，例如，對應水平1—3年級的學生，給出了五個目標：（1）證明計算機科學中0和1可以表示信息；（2）能夠識別和簡單操作計算機軟體；（3）理解計算機為什麼要用相應的順序配置信息；（4）運用計算機的文字編輯工具和繪圖工具敘述故事；（5）使用計算機解決簡單的問題。基於這些目標建議和指引，各州可以根據本州的發展需要，制定相應的計算機科學課程。
表2也顯示出美國信息技術教育遵循循序漸進的原則，教學內容之間相互銜接、難度依次提升，並充分尊重學生興趣，給各州靈活的選擇空間。水平一和水平二側重計算機基礎知識的普及，水平三具有更高的靈活性，在普及計算機知識的同時，還關注有志於將來從事計算機行業的學生，滿足學生的個性化需求。在實施過程中，各州可以視每個年級學生知識基礎的不同，選擇不同主題來編排教材。例如，馬裡蘭州計算機課程是按照信息收集、管理、創造、創建資料庫、網頁、學習管理系統等，把課程內容分為11個維度，每個維度又分為基本、中級和精通水平。其他各州也有自己的編排方式，但都包含信息素養、技術素養、文化與倫理這三項基本內容。
（2）美國信息技術課程中人工智慧相關內容的教學。由於美國基礎教育階段的計算機課程具有很強的靈活性，所以教學實施形式靈活多樣，與高校合作開辦課程便是其中的一種形式。例如，卡耐基·梅隆大學的暑期夏令營就開發了一個試點課程，該課程主要面向幾乎沒有編程經驗的學生。課程為期三周，每周三天，每天兩小時，學習內容包括兩個科學或工程項目，鼓勵學生參加論文寫作和數學複習課程，並參加一些標準化的模擬國家考試。該課程專注於Tekkotsu的可擴展狀態機器語言，Tekkotsu是一個開源的應用程式，它能夠為智能移動機器人提供程序框架，該程序最初是為本科計算機專業學生設計的，改進之後供高中生使用。Tekkotsu可以在多個層次上提供反饋和錯誤檢測，其附帶的可視化工具和結對編程（Pair Programming）技術，不僅能夠幫助教師搭建學習過程，為課堂教學提供了一種系統方法，還可以用實時反饋的方式，有效地解決學生關注的問題。Tekkotsu機器人帶有彩色的攝像機，能看到真實的外部世界，並為機器人提供了運轉、導航和語言生成。使用Tekkotsu應用程式，學生可以跳過如打開或關閉發動機之類低水平的機器人編程，而將重點放在問題感知和導航控制上。
美國計算機課程以提高學生綜合能力為目標，培養學生運用計算機解決真實問題的能力。例如，德克薩斯理工大學主持的「Computer Science 4」 （CS4）是一門為期四周的課程，每周五次課，每次課50分鐘，屬於TexPREP項目的一部分。TexPREP項目是為6至12年級學生設計的包含數學、科學的工程的課程，這些課程的授課教師通常由K-12教師、大學生和大學教師組成。在這之前，學生已經學習了包含編程基礎的CS2和CS3，學習內容包括條件、遞歸和循環。
美國在K-12教育中雖然很少提及聲明性編程（Declarative Programming），但聲明性編程是計算機科學教學的一個可行範例，它在AI教育和幫助學生探索和理解問題上非常重要。所以，很多大學為當地高中生設計了為期四周的暑期編程學習內容。該課程的整體目標是教會學生運用聲明式語言（Declarative Language）解決問題，在課程結束之後，學生應該具備的能力包括：（1）識別解決問題需要的知識；（2）識別對象及其類別，理解對象與對象、對象與知識之間的關係；（3）編寫ASP程序來表示目標（2）中確定的對象、關係和定義。該課程主題包括：定義對象類別、聲明關係，用遞歸方式定義關係，用程序解決家庭成員關係、地圖著色和數獨（數學遊戲）。在課堂上，老師為學生講解主要概念、展示例子，演示程序；隨後，學生將執行相同的示例程序，進而解決更複雜的問題。該課程採用循序漸進的方式引導學生發現問題，了解計算機科學的思想，進而運用計算機技術解決問題。
2.英國AI教育概況及案例
英國的計算機科學教育起步較早，從20世紀80年代開始，英國就把信息與通訊技術（ICT）作為一門必修課在中小學開設，課程內容包括計算和信息系統兩部分，每部分又按照難度分為中級、高級、高級提升三個水平。AI作為選修課包含其中，主要內容有編程、專家系統、自然語言處理等。隨著信息技術的快速發展，英國教育部認為，ICT課程已經不能完全適應資訊時代對於人才的發展需求，到2013年就用計算（Computing）課程代替信息與通訊技術課程（ICT），教學目標由關注計算機操作技術向關注計算思維和人文價值傾斜。具體教學目標分為如表3所示的四個關鍵階段。
從英國的計算課程來看，教學內容更加關注計算機科學的應用價值和人文價值，教會學生運用計算機科學地解決實際問題，且在每個階段都關注學生的信息安全意識和倫理道德， 以提高學生的人文素養。與我國的信息技術課程相比，英國的計算課程內容更豐富，難度更高，其關鍵階段三和關鍵階段四的教學內容接近於我國高等教育中的計算機基礎教育課程。此外，英國中小學更加關注信息技術的應用價值，所以在教學評價中，採用理論與實踐相結合的評價方式，比單一紙筆考試測驗的方式更加人性化。評價過程分為理論和實踐部分，每部分又分為多個環節，如果學生未通過某一環節，學生下次學習時要從上次未通過的環節繼續開始。相較於中國，英國人工智慧教學的難度較高，內容較多，這給一線教師提出了很大的挑戰，為此，英國採用與高校協作的方式開展教學。中小學的人工智慧教育師資既包括校內教師，也包括高校實習教師。在課程資源方面，高校為中小學搭建人工智慧教學網站，並以遠程培訓的方式參與師生的討論和答疑，這些都加速了人工智慧課程體系的建設步伐。
近年來，人工智慧在與科學和工程有關的職業中變得越來越重要，英國的一所試點高中提出一個創新教育項目，該項目課程內容包含理論和實踐兩部分，涉及的主題有：問題解決、搜索、規劃、圖、數據結構、自動機、代理系統和機器學習等。該項目分為七個教學單元，每個教學單元兩小時，有9名9至11年級的學生參與（平均年齡是16.5歲，1名男同學，8名女同學），這9名學生之前均未參加過該領域的課程。學生參與該課程後進行的教學質量評估（機器人比賽和選修課考試）表明，參與該項目的學生已經熟悉相關概念和主題，達到了該課程的教學目標。該項目不僅能夠為其他學校將AI課程整合到教學中提供經驗與參考，同時也能為學生進入大學階段學習AI相關課程打下堅實基礎。
五、基礎教育階段AI課程與教學實施的策略與路徑
人工智慧時代信息素養的培養要以課程實施為基礎，基於前述AI教育的目標定位及國內外的實踐探索，我們可以看出：人工智慧相關的教學內容在不同的階段從內容、難度、深度等方面都要與相應學段學生的年齡特徵、知識基礎相匹配。小學階段重在培養學生對初級編程能力的認知，要認識到通過編程可以實現對機器的控制及人機互動，能體驗到這種交互過程中的樂趣。初中階段在一定程度上要增加程式語言的教學，而非僅僅是圖形化編程，要形成對數據與算法的初步認知。高中階段則應體現人工智慧複雜的算法基礎和在實用中的強大功能，為學生進入大學選擇專業時做好一定的心理準備。通過三個學段的學習，學生要能觸及並在一定程度上掌握自然語言理解、智能識別、機器人技術等業已廣泛應用的人工智慧技術的實現形式、基本原理。
（一）AI相關教學內容的設置建議
當前，人工智慧涉及到的原理、技術主要包含以下九方面內容：（1）人工智慧基礎：概念、發展歷程、主要流派、研究領域、最新發展等；（2）程序設計語言和工具；（3）數據和知識的表示方法：認識狀態空間法、理解問題歸納法、認識謂詞邏輯法、認識語義網絡法、一階謂詞邏輯表示法；（4）搜索原理與推理技術：推理的基本概念、推理的邏輯基礎、自然演繹推理、歸納演繹推理、基於規則的演繹推理、盲目搜索、啟發式搜索、遺傳算法；（5）機器學習：定義、研究意義與發展歷史、主要策略與基本結構、基於解釋經驗的學習、基於事例的學習、基於概念的學習、基於類比的學習、基於神經網絡的學習；（6）專家系統：基本概念、基本結構、新進展、專家系統的開發及應用實例；（7）自然語言理解（NLU）：NLU系統應用舉例、語音識別、句子自動理解、語言的自動生成和文本的自動翻譯；（8）智能控制：智能控制概述、智能控制的研究領域；（9）理解規劃的作用和任務、基於謂詞邏輯的規劃等。
我們基於中小學各學段學生的年齡特徵及知識背景，並根據知識的邏輯體系和難度階梯式增加的原則，提出AI教學內容的設置框架。表4所示是對以上九方面內容做出難度等級降低及內容篩選後的設置建議。在教學實踐中，各學校可依據自身師資、相關資源及人工智慧最新發展等情況，對內容再進一步做出細化安排與調整。
（二）AI教學實施的策略與路徑
1.深度融入科學、信息技術、綜合實踐活動等課程
2017年2月，教育部印發的《義務教育小學科學標準》明確指出：科學素養是指了解必要的科學技術知識及其對社會和個人的影響。很顯然，AI課程應屬於「必要的科學技術知識」，且人工智慧對社會與個人的影響很容易被學生體驗到。所以，小學段科學課程將成為支撐人工智慧相關內容教學的重要載體。初中及高中學段現已設置技術類課程，初中的信息技術課程業已包含了人工智慧模塊。高中學段的技術類課程包含有信息技術、通用技術兩大類，信息技術課程亦包含人工智慧初步模塊，通用技術中則明確規定了關於機器人的相關教學內容。
此外，2017年9月，教育部《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》指出，綜合實踐活動是從學生的真實生活和發展需要出發，從生活情境中發現問題，轉化為活動主題，通過探究、服務、製作、體驗等方式，培養學生綜合素質的跨學科實踐性課程。綜合實踐活動是國家義務教育和普通高中課程方案規定的必修課程，與學科課程並列設置，是基礎教育課程體系的重要組成部分。具體內容以學校開發為主，自小學一年級至高中三年級全面實施。該《指導綱要》規定綜合實踐活動課程的目標主要分為四部分：價值體認、責任擔當、問題解決、創意物化（這個目標指向應用信息技術開展設計、製作、解決學習與生活問題之匯總）。不僅是對綜合實踐活動課程方向的深度闡釋，還從學時上做出了規定：小學1-2年級，平均每周不少於1課時；小學3-6年級和初中，平均每周不少於2課時；高中執行課程方案相關要求，完成規定學分。這就為人工智慧相關教學開展，提供了充分的課時保證和政策保障。
我們認為，科學、信息技術及綜合實踐活動等課程，是人工智慧教學開展的基礎依託課程，但人工智慧相關內容的教學支撐不僅於此，傳統學科課程同樣擁有融合人工智慧教學的條件與空間。比如在數學課程中，可以展示AI算法的巨大作用；物理課程在有關力、點、光等內容教學中，可以應用機器人作為這些基礎知識的集中體現。其中，應用機器學習方面的探索已經起步。可見，學校在打造特色課程過程中，需要有機融合STEM及創客教育的課程建設，使得AI的相關內容更能吸引學生的興趣。
2.探究式教學是AI教學的主要策略
人工智慧相關內容具有極強的跨學科性，是對數學、物理、工程等學科相關知識的集成與交叉。在學習者還未完成基礎教育的情況之下，人工智慧的知識與技術必須以中小學生能夠理解的形式呈現，所以在表4中，小學段人工智慧教學內容設置時就已降低了教學內容的難度。同時，人工智慧的實踐應用如此豐富，與學生的日常學習生活密不可分，所以應用任務驅動式、基於問題或融入遊戲化機制的探究式教學，更能使學生體驗到人工智慧技術的巨大效用。學生通過這些探究活動，能實現對智能化社會現狀的認知及對未來社會的暢想。教育部印發的《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》在附件《設計製作活動（信息技術）推薦主題及其說明》中，已經為人工智慧的探究式教學提供了主題推薦。如：在3-6年級的「12.趣味編程入門」，7-9年級的「7.走進程序世界」及「10.開源機器人初體驗」等。
在STEM教育和創客教育過程中，探究式教學業已成為普遍採用的教學策略。我們需引起重視是，在這些課程教學中，應引導對人工智慧興趣度高的學生參加相關競賽，以此激發學生探究的深廣度。如，全國信息學奧林匹克競賽（NOI）、全國青少年創意編程比賽、中國青少年機器人競賽、國際機器人奧林匹克競賽、世界教育機器人大賽（WER）等，這些競賽有的是設置了人工智慧相關內容的競賽單元，有的完全就是人工智慧領域的賽事。
探究式教學的價值在於促進學生把對人工智慧的學習，遷移到真實的生活情境中以解決問題，使之成為資訊時代問題的提出者和解決者。探究活動的過程，自然成為了教師評測學生人工智慧學習狀況的觀測過程，又可以為人工智慧課程的教學目標細化提供可具體操作的要點，教師可以制定相應的表現性指標。同時，需要研究建立一套清晰明確、操作性強的AI教學評價標準，這樣不僅能夠給師生直接提供導向，還有助於教師教學的規範化。
六、AI課程教學實施的資源保障
在當今和未來社會，最重要的是人的智能，以及人與機器共同組成的、互動和互補的「協同智能」，即有機智能和無機智能的組合。雖然我國在過去十多年已經對人工智慧教育進行了初步的探索，但是人工智慧課程體系還不夠完善，人工智慧教育的師資和教學資源還比較匱乏，人工智慧教學體現在基礎教育中理論和應用還不夠充分。所以，促進人工智慧教育變革，培養學生的創新思維能力和計算思維能力，需要各級教育機構間的密切配合，更需要一線教師圍繞人工智慧教育的環境、工具、課程、活動等領域，開展紮實有效的研究與科學實踐。
（一）專任教師培訓與課程體系建設
AI教育需要大批具備綜合素質的專業教師。目前，我國中小學人工智慧相關內容的教學工作以信息技術教師承擔為主，信息技術教師對計算機和其他先進設備具有較強的應用能力，能夠在編程、電子器件方面給學生基本的指導，但很多老師的知識理論儲備和計算機操作技能距離專業水平還有一定的差距，專業的人工智慧教師則比較匱乏。因此我們認為，AI教育是一項複雜且綜合性要求很高的活動，學生在學習過程中需要學科知識、技術工具、靈感啟發等方面的專業指導和及時反饋。由於不同地區發展不平衡，各個學校的軟硬體設施和師資力量也不均衡，除部分發達地區之外，多數地區還沒有與教學相適配的實驗室，且國內機器人製作與競技還未普及。對於一些條件不具備的學校，AI教育中的部分內容，可以採用網上仿真編程等方式進行。
2016年，國家出臺了「信息技術學科高中核心素養框架」，框架中強調信息意識、計算思維、數位化實踐能力、信息社會責任四個方面。我們認為，要培養學生的計算思維，人工智慧課程是關鍵所在。比如，英國的人工智慧課程中要求小學生按照程序搭積木，並不要求學生學會寫代碼，而到了初中要求學生學會基本的程式語言，高中要求學生學會搭建項目的系統方法。這一課程設計，充分體現了英國在計算思維教學中由易到難、從微觀到宏觀的循序漸進原則。我國AI教學的全面推開，同樣需要按照循序漸進的原則進行系統化建設，逐步形成適應不同目標、不同層次學生的人工智慧課程體系。
（二）通過對接高校及與社會培訓機構合作，將AI相關課程引入基礎教育
在人工智慧課程資源建設方面，我們可以借鑑英美等國的做法，與高等教育機構合作。相較於中小學，高校有較好的人工智慧課程建設經驗，高校對於人工智慧課程建設和實踐教學的經驗，可以轉化或遷移應用於中小學。對接高校的做法，不僅能加快師資教學力量的建設，加快中小學AI課程框架的搭建。同時，高校人工智慧相關專業的學生，可以在網上參與中小學師生的討論答疑工作，高校教師也可以為中小學提供教學資源建設和實踐教學方面的理論指導，幫助一線教師實現人工智慧產品的開發。
當前，社會培訓機構在人工智慧教學資源建設方面業已形成較為豐厚的積累，如，兒童科技企業「葡萄教育」的小學編程方案、編程教室，還有「編程貓」編程課程，已經在一些中小學甚至高校落地。其中「編程貓」為兒童設計了九級編程課程體系，涵蓋圖形化遊戲編程、算法與數據結構、Python程式語言、概率論基礎及弱人工智慧產品開發等。經過這九個級別的逐步深入學習，學生能夠在每一級學習結束之後製作出相應的作品。由於基礎教育階段講授人工智慧課程的教師沒有經過系統的培訓，在開發課程、教學方法、指導學生方面都有很大提升空間，因此，學校可以結合高校及社會培訓機構已有的課程內容，開發一些校本人工智慧課程。
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