朱寅非，陳社育，張春蘭

（南京城市職業(yè)學(xué)院，江蘇 南京 211200）

隨著信息通信技術(shù)的快速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等信息技術(shù)產(chǎn)品和服務(wù)給人類社會帶來了顛覆性的變化，也不可避免地對教育行業(yè)產(chǎn)生了深刻影響。特別是當(dāng)前全球掀起了人工智能技術(shù)應(yīng)用的熱潮，例如2016年AlphaGo帶來了人工智能應(yīng)用的突破，人工智能已成為引領(lǐng)世界未來發(fā)展的戰(zhàn)略性技術(shù)。全球主要發(fā)達(dá)國家紛紛把發(fā)展人工智能作為提升國家綜合國力和未來競爭力最重要的動力源泉，試圖在新一輪國際科技競爭中掌握主導(dǎo)權(quán)。[1]例如2016年初，美國前總統(tǒng)奧巴馬在國情咨文中提出建立“面向所有人的計(jì)算機(jī)科學(xué)”新計(jì)劃，并在同年發(fā)布了《K-12計(jì)算機(jī)科學(xué)框架》，建立了從小學(xué)到高中的計(jì)算機(jī)科學(xué)課程，并設(shè)置為必修課。英國教育科學(xué)部在2013年正式公布《計(jì)算課程學(xué)習(xí)計(jì)劃》，其核心就是讓中小學(xué)生在每個階段都接受計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識和編程知識的學(xué)習(xí)，甚至將2014年定為“編程年”。不僅西方大國積極推進(jìn)計(jì)算機(jī)類科學(xué)教育，微軟、臉書等國外大型企業(yè)都積極參與到編程教育中。

目前，人工智能已經(jīng)越來越廣泛地運(yùn)用在我們的日常生活中，如豐巢智能寄存取人臉識別系統(tǒng)、無人駕駛技術(shù)、智能掃地機(jī)器人、聊天軟件中的語音自動翻譯或轉(zhuǎn)文字等。2019年，京東在北京市海淀區(qū)開啟全球首次全場景常態(tài)化配送運(yùn)營，送貨機(jī)器人通過雷達(dá)加傳感器進(jìn)行全方位環(huán)境監(jiān)測，可自動規(guī)避道路障礙、往來車輛和行人，并能自動識別紅綠燈信號，進(jìn)而做出相應(yīng)的合理判斷和行動。用戶可通過人臉識別、輸入取貨碼、點(diǎn)擊手機(jī)APP鏈接等三種方式從送貨機(jī)器人手中提取貨物。這種模式徹底改變了快遞送貨“最后一公里”的瓶頸。今后，人工智能的持續(xù)快速發(fā)展，將會更加深刻地改變?nèi)藗兩?、學(xué)習(xí)和工作模式。

人工智能的發(fā)展是大勢所趨，人工智能技術(shù)的應(yīng)用將給所有行業(yè)帶來升級與變革。未來，人工智能將和智能手機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)一樣，成為一種基本的生活方式。青少年要學(xué)習(xí)的是如何與人工智能一起生活，而不只是關(guān)注技術(shù)本身和具體功能，這樣他們才能明白這項(xiàng)技術(shù)正在重塑我們的生活。

一、面向青少年設(shè)置人工智能課程的必要性

（一）教育政策的趨勢

2017年7月，國務(wù)院發(fā)布并實(shí)施《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，明確指出人工智能成為國際競爭的新焦點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新引擎，社會建設(shè)的新機(jī)遇。要廣泛開展人工智能科普活動，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育，鼓勵社會力量參與開發(fā)和推廣寓教于樂的編程教學(xué)軟件、游戲。2018年4月，教育部印發(fā)《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計(jì)劃》，推進(jìn)高校人工智能領(lǐng)域?qū)W科建設(shè)、人才培養(yǎng)、理論創(chuàng)新、技術(shù)突破和應(yīng)用示范全方位發(fā)展。2019年5月，教育部原部長陳寶生在國際人工智能與教育大會的主旨報(bào)告中指出：讓孩子們?yōu)橹悄軙r代的到來做好生活、就業(yè)和能力的準(zhǔn)備，是當(dāng)今教育的重要命題，要在中小學(xué)設(shè)置人工智能相關(guān)課程，推進(jìn)普及教育。2019年8月，教育部科技司司長雷朝滋在人工智能與教育大數(shù)據(jù)峰會中強(qiáng)調(diào)：建立人工智能多層次教育體系，普及人工智能教育，在中小學(xué)設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育。2020年12月，教育部原部長陳寶生再次指出：要把人工智能知識普及作為前提和基礎(chǔ)，讓學(xué)生對人工智能有基本的意識、基本的概念、基本的素養(yǎng)、基本的興趣。

（二）社會發(fā)展的需求

自上個世紀(jì)50年代人工智能的概念被提出到目前的短短70年時間，人工智能已經(jīng)經(jīng)歷了三個發(fā)展階段。第三代人工智能體系已基本形成，人工智能的技術(shù)和應(yīng)用在各行各業(yè)落地，人工智能的成果和場景也層出不窮。2020年8月5日，中國標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會、中央網(wǎng)信辦、國家發(fā)展改革委員會、科技部、工業(yè)和信息化部聯(lián)合印發(fā)《國家新一代人工智能標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》，規(guī)范了人工智能的應(yīng)用體系，明確了其發(fā)展方向。

未來，人工智能將融入每個人的生活、學(xué)習(xí)和工作中，變得無孔不入、無處不在。未來我們的社會將從當(dāng)前的電子時代進(jìn)入人工智能時代。在人工智能時代中，社會中每個個體都需要具備人工智能素質(zhì)[2]。而在迎接人工智能時代的當(dāng)下，具備人工智能素質(zhì)的青少年更是推動我國人工智能發(fā)展的重要基礎(chǔ)。因此，在中小學(xué)設(shè)置人工智能課程，提前培養(yǎng)國民人工智能素質(zhì)，是放眼未來把握國家發(fā)展新機(jī)遇的重要保障。

（三）青少年成長的期望

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，我國計(jì)算機(jī)類技術(shù)人才緊缺，計(jì)算機(jī)類專業(yè)成為學(xué)生、家長、單位、社會都熱捧的專業(yè)，計(jì)算機(jī)類技術(shù)人才也成為高薪階層的代名詞。因此，學(xué)生家長越來越希望孩子更早地接觸計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)知識，培養(yǎng)基本的計(jì)算機(jī)興趣愛好，具備計(jì)算機(jī)專業(yè)基本素質(zhì)，甚至掌握基本編程能力，以期未來在計(jì)算機(jī)專業(yè)領(lǐng)域獲得更好的發(fā)展。

對于孩子來說，他們在成長中越來越多地接觸計(jì)算機(jī)技術(shù)，甚至人工智能。在可以預(yù)見的未來，人工智能會改變孩子成長階段的學(xué)習(xí)模式,成年后走進(jìn)社會的生活和工作模式。因此，中小學(xué)生也會對計(jì)算機(jī)技術(shù)有更多的期待，希望揭開人工智能的神秘面紗，直觀了解人工智能基本原理。

二、課程體系模型構(gòu)建

（一）不同年齡段的青少年認(rèn)知思維分析

青少年在成長發(fā)育過程中，不同的年齡段在認(rèn)知及思維上也呈現(xiàn)出不同的特征。4-6歲的兒童，其思維已表現(xiàn)出符號性特點(diǎn)。他們能通過表象、言語及其他符號形式來表征內(nèi)心世界和外在世界，但其思維仍是直覺性而非邏輯性的，抽象程度很低，且具有明顯的自我中心特征。而對于7-12歲的孩子，此時其思維已具有明顯的符號性和邏輯性，能進(jìn)行簡單的邏輯推演。對于13-16歲的孩子，他們已能設(shè)定和檢驗(yàn)假設(shè)，能監(jiān)控和內(nèi)省自己的思維活動，在解決問題時更具邏輯性和系統(tǒng)性，其思維的抽象性有了很大提高。處于18-23歲之間的大學(xué)生，他們的心理發(fā)展階段處于從青春期過渡到成年早期。此階段學(xué)生不僅僅為了好奇求學(xué)而學(xué)習(xí)，更是利用所學(xué)來達(dá)到某種目的。他們的抽象邏輯思維處于一生中的頂峰，辯證邏輯思維逐漸趨向成熟與完善，創(chuàng)造性思維還在進(jìn)一步發(fā)展。他們的思維更具有獨(dú)立性和判斷性[3]。

另外，青少年正處于個體身心加速發(fā)展的第二高峰期，整個青少年學(xué)生時期都處于認(rèn)知發(fā)展的迅速上升時期。初中階段，青少年認(rèn)知的主要特點(diǎn)是思維的抽象邏輯性占優(yōu)勢，但在很大程度上還需要經(jīng)驗(yàn)的支持。到了高中階段，他們的認(rèn)知各要素迅速發(fā)展，認(rèn)知結(jié)構(gòu)不斷完善，抽象邏輯思維進(jìn)入成熟階段，辯證邏輯思維和創(chuàng)造思維有了較明顯的發(fā)展，認(rèn)知的自覺性增強(qiáng)，認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的因素基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)，認(rèn)知結(jié)構(gòu)形成協(xié)同發(fā)展的新局面[4]。

（二）不同年齡段青少年能力分析

青少年在不同年齡段其能力也各不相同。啟蒙階段的孩子已經(jīng)就讀幼兒園，在語言方面表達(dá)更有邏輯。在與同學(xué)相處過程中能學(xué)會根據(jù)學(xué)習(xí)目的支配自己的活動，能學(xué)會自我控制，可以獨(dú)立完成任務(wù)、整理書包和衣服。鑒于這些特征，這個年齡段的孩子要重點(diǎn)關(guān)注他們的拓展思維、空間思維和動手操作能力[5]。

小學(xué)1-3年級的學(xué)生，觀察事物往往只注意整體，比較籠統(tǒng)，不夠精確，思維主要憑借具體形象的材料進(jìn)行，分析、推理等抽象邏輯思維初步發(fā)展。對于該年齡段的學(xué)生，要重點(diǎn)關(guān)注他們的邏輯思維能力、力學(xué)基礎(chǔ)以及數(shù)感、符號意識和數(shù)字運(yùn)算。小學(xué)高年級階段的學(xué)生，隨著年齡的增長，對具體形象的依賴性會越來越小，創(chuàng)造想象開始發(fā)展。同時，他們能夠依靠表現(xiàn)一定數(shù)量關(guān)系的詞語來進(jìn)行概括，掌握概念中直觀、外部特征的成分逐漸減少，而掌握抽象、本質(zhì)特征的成分不斷增多。高年級學(xué)生對抽象材料的理解力加強(qiáng)，可運(yùn)用簡單抽象的邏輯思維去推理、判斷。故對于該年齡段的孩子需重點(diǎn)關(guān)注開發(fā)他們思維的創(chuàng)造性，拓展其空間想象能力。

而對于初中生而言，他們的接受和理解能力非常強(qiáng)，心智比較成熟，且邏輯思維已有一定基礎(chǔ)。因此，對于這個年齡段的孩子，我們更應(yīng)該關(guān)注其編程邏輯的運(yùn)用。高中階段的學(xué)生，綜合素養(yǎng)高，智力發(fā)展已接近成熟，抽象邏輯思維正從“經(jīng)驗(yàn)型”向“理論型”急劇轉(zhuǎn)化，我們更應(yīng)該關(guān)注他們的智能競技及創(chuàng)新能力。學(xué)生高中畢業(yè)進(jìn)入大學(xué)后，他們更追求自身思想獨(dú)立，思維的獨(dú)立性、批判性、創(chuàng)造性都有顯著提高，我們要關(guān)注他們的邏輯性和編碼能力[6-7]。

基于青少年不同階段的身心發(fā)育特點(diǎn)，因每個年齡段的青少年關(guān)注的能力不同，我們分析建立了青少年人工智能素質(zhì)教育課程體系（圖1）。

圖1 青少年人工智能素質(zhì)教育課程體系模型

對于6個年齡段的孩子，開設(shè)的課程從Scratch.JR到Scratch編程，接著到Python編程，最后到C或者C++的編程。這種遞進(jìn)式課程體系，主要依據(jù)每個年齡段孩子的特點(diǎn)而設(shè)置。下面具體分析這幾個編程語言的特點(diǎn)。

1.Scratch這款編程軟件主要通過積木形狀的模塊來實(shí)現(xiàn)程序命令和參數(shù)的構(gòu)成，用鼠標(biāo)將模塊拖動到程序編輯欄。該程序在這些圖形中是模塊化的，允許孩子制作動畫、游戲等，已完成的動畫可以導(dǎo)出來，以加強(qiáng)孩子興趣的持久性。Scratch操作簡單，易于使用，在游戲和動畫制作方面具有明顯優(yōu)勢，可幫助孩子更快地完成編程游戲設(shè)計(jì)。Scratch更像是滿足青少年實(shí)現(xiàn)創(chuàng)作的工具。學(xué)習(xí)Scratch可以更好地培養(yǎng)青少年的邏輯思維能力，提高其學(xué)習(xí)主動性，激發(fā)他們的創(chuàng)造力。

2.Scratch.JR沒有Scratch這么復(fù)雜，既可以在APP上使用，也可以在PC上獨(dú)立使用。Scratch.JR重新設(shè)計(jì)操作接口及程序語言，讓它更適合幼童，尤其專注將功能設(shè)計(jì)得更符合他們的認(rèn)知以及個人與社會情感發(fā)展。

3.Python是一種代表簡單主義思想的編程語言，閱讀一個良好的Python程序時就猶如在讀英語一樣。Python最大的優(yōu)勢就是偽代碼的本質(zhì)，開發(fā)時不在于搞明白語言的本身，應(yīng)以解決問題為主要目的。

4.C 語言是一種通用的、面向過程式的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言。這門語言具有很多優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)算符多、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)豐富、比較靈活、程序執(zhí)行效率高、可移植性好、繪圖功能強(qiáng)大等。學(xué)習(xí)這門編程語言需要學(xué)習(xí)者具有成熟的心智、一定的理解力、較好的邏輯思維能力，并且需具有快速學(xué)習(xí)的能力等。C語言是一門非常鍛煉邏輯思維能力的基礎(chǔ)編程語言。

三、課程體系培養(yǎng)目標(biāo)及知識內(nèi)容分析

因?yàn)榍嗌倌暝诓煌挲g段所具備的各種能力和知識都有所不同，所以人工智能素質(zhì)教育課程體系中不同階段的培養(yǎng)目標(biāo)和知識內(nèi)容也應(yīng)有所不同。

（一）幼兒園階段

該階段的孩子對任何事情都充滿好奇。他們從未接觸過人工智能，相關(guān)認(rèn)知幾近空白?？梢宰屗麄兿冗M(jìn)行一些機(jī)械類的搭建，從杠桿、齒輪傳動等方面入手，達(dá)到見識力學(xué)、探索知識的目標(biāo)。這個階段主要以培養(yǎng)孩子們的智能意識和態(tài)度為目標(biāo)。

（二）小學(xué)階段

培養(yǎng)智能知識和技能是該年齡段孩子人工智能素質(zhì)課程的培養(yǎng)目標(biāo)。這個年齡段的小學(xué)生往往對新生事物有強(qiáng)烈的好奇心與求知欲。如果對其稍加引導(dǎo)，讓學(xué)生在年少時就產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣，在未來深入學(xué)習(xí)中就可以事半功倍。

因此，該年齡段的孩子需要了解人工智能基礎(chǔ)概念，知道目前人工智能的運(yùn)用場景，體驗(yàn)人工智能在學(xué)習(xí)、生活中的作用?？梢酝ㄟ^老師的演示、故事講解、科普實(shí)驗(yàn)幫助其建立對人工智能的直觀認(rèn)知，感受人工智能給學(xué)習(xí)、生活帶來的巨大變化，初步理解人工智能的一些基本知識和基本思路?？蓢L試運(yùn)用簡單的圖文編程工具實(shí)踐基本人工智能小項(xiàng)目，激發(fā)他們對人工智能的興趣，為以后高級人工智能技術(shù)人才的培養(yǎng)奠定基礎(chǔ)。目前，美國、英國、日本以及新加坡、韓國等國家，都已將編程教育列入小學(xué)必修課。自2014年起，“編程1小時”已經(jīng)成為全球性活動，每年吸引數(shù)百萬青少年參加。該活動運(yùn)用趣味歡樂的形式，幫助小學(xué)生了解程序語言，學(xué)習(xí)編程知識。該階段的知識主要包括硬件編程邏輯和圖形化編程啟蒙。

（三）初中階段

本階段主要以培養(yǎng)學(xué)生人工智能思維為目標(biāo)。人工智能思維是指運(yùn)用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域及人工智能的思路方法，形成解決問題方案的思維方式。學(xué)生從小就鍛煉人工智能思維，理解人工智能應(yīng)用的思路，從計(jì)算機(jī)領(lǐng)域及人工智能的方式去界定問題、抽象特征、構(gòu)建模型、組織數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析、判斷和綜合，形成解決問題的方案，未來在高等教育階段，他們就可以更加適應(yīng)人工智能方面的深度研究和創(chuàng)新。即使未來他們不參與計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的學(xué)習(xí)，不從事人工智能方面的工作，也能夠更加適應(yīng)人工智能時代的社會。

該階段學(xué)生需要重點(diǎn)學(xué)習(xí)的知識首先包括全面了解人工智能的發(fā)展及其研究方向、體驗(yàn)人工智能技術(shù)及應(yīng)用、對人工智能提出自己的見解，從而對人工智能形成正確的認(rèn)識。其次，加深對人工智能領(lǐng)域的理解，探索算法、機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的原理與應(yīng)用，能初步編寫與訓(xùn)練自己的人工智能程序。

（四）高中階段

高中階段的學(xué)生，以智能思維和智能創(chuàng)新為培養(yǎng)目標(biāo)。我國高中階段的學(xué)生已經(jīng)具備較完整的獨(dú)立人格與較強(qiáng)的自主學(xué)習(xí)、研究能力。在這個階段，高中生應(yīng)該已經(jīng)具備人工智能思維，能夠運(yùn)用圖文編程工具和簡單的計(jì)算機(jī)語言進(jìn)行編程。因此，他們的主要任務(wù)是掌握人工智能的基礎(chǔ)知識、基本思路，掌握初級計(jì)算機(jī)編程語言，增強(qiáng)人工智能邏輯思維，能夠根據(jù)項(xiàng)目要求，通過分解、抽象、概括、評估等多種方法設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的實(shí)踐方案，運(yùn)用圖像識別、語音識別等多種人工智能技術(shù)，自主完成人工智能相關(guān)項(xiàng)目，并嘗試針對現(xiàn)實(shí)中的事項(xiàng)，設(shè)計(jì)、制作有創(chuàng)意、有價(jià)值、更為復(fù)雜的產(chǎn)品。這階段主要學(xué)習(xí)的知識包括圖像識別和語音識別[8]。

（五）大學(xué)階段

本階段主要以培養(yǎng)學(xué)生的智能創(chuàng)新為目標(biāo)。創(chuàng)新是科技發(fā)展的第一動力。人工智能是計(jì)算機(jī)應(yīng)用的一個新的領(lǐng)域,這方面的研究和應(yīng)用正處于發(fā)展階段。人工智能的發(fā)展離不開創(chuàng)新，創(chuàng)新也是青少年學(xué)習(xí)的重要動力源泉。通過在創(chuàng)新中的體驗(yàn)，青少年可以獲得更大的學(xué)習(xí)動力，促進(jìn)學(xué)習(xí)的快速進(jìn)步。在教授人工智能課程的過程中，要不斷帶領(lǐng)學(xué)生感悟人工智能創(chuàng)新的樂趣，激勵學(xué)生在基礎(chǔ)課程內(nèi)容的基礎(chǔ)上進(jìn)行自我創(chuàng)新，從而培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造的能力，以便未來更好地學(xué)習(xí)或運(yùn)用人工智能技術(shù)，推進(jìn)人工智能的發(fā)展。該階段主要學(xué)習(xí)的知識包括算法、模式識別、機(jī)器視覺、大數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)及機(jī)器人與智能系統(tǒng)等。這一階段還可以更加深入地進(jìn)行高級別的研究和創(chuàng)新。

基于對青少年不同年齡階段的培養(yǎng)目標(biāo)和課程內(nèi)容分析，形成青少年人工智能素質(zhì)教育課程體系（見表1）。

表1 青少年人工智能素質(zhì)教育課程體系

構(gòu)建與完善青少年人工智能課程體系是一項(xiàng)長期的、動態(tài)的、發(fā)展的系統(tǒng)工程，在人工智能課程的師資培養(yǎng)、教學(xué)資源開發(fā)、技術(shù)力量、制度保障等方面要進(jìn)一步推進(jìn)建設(shè)。這還需要社會、政府、人工智能領(lǐng)域?qū)＜壹皩W(xué)校廣大師生等多方面共同探討和努力實(shí)踐。