我国中小学人工智能教育课程体系现状及建议——来自日本中小学人工智能教育课程体系的启示

2017年7月，国务院印发的《新一代人工智能发展规划》提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]。2018年，教育部教育装备研究与发展中心联合五地教科院所，共同发起“中小学人工智能教育项目”，形成以人工智能应用软件、编程平台和智能机器人搭建三大模块为主的中小学人工智能教育装备体系[2]。同年4月，教育部印发的《高等学校人工智能创新行动计划》提出将在中小学阶段开展人工智能普及教育，构建人工智能多层次教育体系[3]。这两份文件促进了人工智能教育在中小学教育领域中的开展，使得2018年成为我国中小学人工智能教育启动的元年。2019年1月19日，教育部在北京召开《中小学人工智能教育》项目发布会，确定北京、广州、深圳、武汉和西安这五个城市作为第一批人工智能教育试点落地城市，3年级到8年级的学生已在2019年全面开展试点[4]。同年3月，教育部办公厅印发的《2019年教育信息化和网络安全工作要点》，将进一步推动中小学阶段设置人工智能相关课程，同时将编写印发《中国智能教育发展方案》，以推动人工智能技术在教育教学中的深入应用[5]。

（二）我国中小学人工智能教育课程标准

现阶段我国中小学实行的《基础教育信息技术课程标准（2012版）》和《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》在原课程标准的基础上也进行了大幅修改，人工智能相关内容在选修和必修模块中也都有所涉及。如在小学学段加入了算法与程序入门和机器人入门的拓展模块，让小学生体验程序设计过程、了解机器人的基本结构和应用等。在初中学段加入了算法与程序设计和机器人设计与制作的拓展模块，让初中生能够设计算法编程解决简单问题、了解机器人的结构功能部件、完成机器人设计、程序编写等任务。在高中学段加入了必修模块“人工智能初步”和选修模块“算法初步”，在学习方式上强调了对大数据、人工智能、“互联网+”等信息技术的利用，让高中生能够了解人工智能的发展历程、概念和典型算法，亲历设计与实现简单智能系统的过程，理解问题求解的思想、方法和过程，掌握算法设计的方法，编写程序实现算法[6]等等。

（三）我国中小学人工智能教育课程实施现状

据《2017年中国互联网学习白皮书之中国人工智能教育发展报告（基础教育）》中对全国中小学进行的问卷抽样调查发现，我国有93.49%的初中学校开设了人工智能教育相关课程，如编程课、机器人课等[7]。其中很多学校开设的人工智能课程主要是让学生们学习人工智能基础知识，体验人脸识别、语音识别等人工智能技术的应用。同年9月，教育部研制印发的《中小学综合实践活动课程指导纲要》，为3到9年级的人工智能学习系统设计了“智能大脑——走进单片机的世界”“趣味编程入门”“走进程序世界”等25个主题活动。

据不完全统计，截至2018年，我国各地区就已推出了十几种与中小学人工智能相关的课程、教程或教材[8]。浙江省从2017年开始将信息技术学科作为中小学阶段的选考科目。福建省从2018年开始要求各学校在义务教育阶段开展人工智能教育试点，如在小学低年级和高年级开展不同层次的人工智能知识科普教育，在初中开展编程教育[9]。南京市在多个中小学设立了人工智能选修课，从技术培训、专题论坛和竞赛三个方面推动人工智能教育的发展[10]。2019年12月19日，广州市教育研究院组织编写的《人工智能》教材（3—8年级）通过广东省教育厅关于地方课程教材的初审，是全国最先推出的面向中小学生的《人工智能》教材之一。我国中小学STE[**]M课程、创客课程中也含有人工智能相关内容[11]，如中国人民大学附属中学构建的金字塔形的中小学“STE[**]M+人工智能教育”课程体系[12]；温州中学创客空间实验室开发的“[**]rduino创意机器人”“树莓派和Python编程”创客教育校本课程等[13]。

这些课程的开发，并不是在统一的课程设计基础上进行的，而是各地区各学校以自己的教学资源和教学环境特点进行创设的课程。这些课程的对象、开发思路和内容都有所不同。按授课对象分，既有面向中小学全学段，也有专门针对初中或高中某一阶段；按课程开发思路分，既有注重和信息与科学技术课程标准的衔接，也有围绕技术路线突出的实践活动；按课程内容分，既有以大数据为核心内容的教材，也有侧重编程，或重点突出某一项或某几项人工智能技术的体验实践[14]。

（四）我国中小学人工智能教育课程存在的问题

1.据关于中学人工智能课程设置调查数据的统计，18%的学生表示其所在学校开设了人工智能相关课程，25%的学生表示学校举办过人工智能教育相关讲座，40%的学生则反馈其所在学校从未开设过人工智能教育相关课程[15]。2019年教育部办公厅印发的《普通高中国家课程教学用书目录（根据2017年版课程标准修订）》中全国列出了5套《人工智能初步》教材，但是2020年才能选用，且是以公司开发的课程教材为主，还没有适合教师上课的教材[16]。

目前大多数学校还没有系统地进行人工智能教育，只有少数先进地区开设了相关课程，但课时少、内容少，尚未形成课程体系。各地区教育研究组织自行创设的教材五花八门，没有国家统一的人才培养引领方向，也未形成与国家未来发展战略相一致的全国统一教材大纲。

2.人工智能其实是一门由计算机、心理学、哲学等多学科交叉融合的新兴学科，涵盖的知识面极广。我国各地区组织大部分是将人工智能相关课程加入信息技术教育，或是单独开设一门“人工智能”课，编写一本单独的《人工智能》教材。但是，仅仅学习一门“人工智能”课，或者信息技术课，是不能完全深入了解、学习和在生活中熟悉运用人工智能技术的。

3.人工智能学习的知识基础不是一蹴而就的，需要日积月累的培养。学生从小学到初中、高中，其心智、知识基础与学习能力都在变化。我国现有地区组织开设的人工智能课程，无论是面向中小学全学段的，还是专门针对小学、初中或高中某一阶段的，都未将中小学的人工智能课程与大学的学习进行衔接，都未必能符合学生的年龄和认知能力，满足学生未来进行更深层次人工智能学习的知识基础需求。

我国如何形成统一的人工智能教育课程体系？如何将我国中小学人工智能教育与现有的课程、与学生的学习生活相融合？以及如何让人工智能教育课程更好地被中小学每个阶段的学生所接受，且能够对学生大学的学习有更好的帮助？都将是未来我们亟待破解的问题。

（一）日本小学编程教育课程体系设计

2019年3月26日，日本文部科学省公布了新版教科书的评估结果，要求日本所有小学自2020年起使用新版教科书，编程正式成为日本小学的必修内容。

1.日本小学编程教育的教学目标

在公布的小学教学大纲解说篇中提到，小学编程教育的目的有三点：

一是培养小学生的信息知识与技能。增加小学生接触并使用计算机的机会，同时让小学生利用计算机进行特定的活动。这些知识与技能，是学生在未来生活中能够更有效地使用计算机的基础。

二是思考力、判断力、表现力的培养。逻辑性的思考是小学生需要培养的重要能力。在新教学大纲中，使用信息的能力被定义为学习的基础能力之一，即在学习活动中根据需要，适当地使用计算机获得信息，并对其进行整理、比较、发送、传达、保存和共享的能力。除了信息技术等基本操作技能、编程思维外，亦可培养学生的信息道德与信息安全等意识。

三是利用编程使各学科的学习更加完善。让小学生在接触编程的同时，享受计算机的乐趣和完成目标的成就感，在学习的过程中进行编程体验，促进他们了解编程的优点，更好地利用计算机。

2.日本小学编程教育的课程设置

参考日本文部科学省2020年2月公布的《小学生程序设计教育指南（第三版）》[17]中的数据，日本小学阶段编程学习的课程实施可以分为四类，涉及的学科与实行示例，我们总结并绘制如表1所示。

新教学大纲中明确加入小学编程教育的学科课程有算术、理科和综合学习。而其它没有明确说明的非专业学科，在课程内容的学习过程中，也加入了编程体验与编程学习。独立课程是在日本教学大纲规定的学科课程外，不加重学生负担的前提下，为了培养学生的编程思维而进行的编程相关学习活动[18]。在加入了趣味编程教学的各学科课程开课之前，对学生开展相关编程基础的教学，或者设定与各学科相关联的编程课题，在新教学大纲规定的课程之外对学生进行额外的编程教育补充学习。

为了在教学大纲中举例说明的学科中进行编程教育，提前让学生们在其它学科课上体验编程，让他们熟悉编程语言和计算机操作等是非常有必要的。但是，小学阶段的编程教育，并不是以学生记住编程语言、学习编程技能为主要目标。

（二）日本中学信息教育课程体系设计

在2017至2018年公布的初高中教学大纲中，对学生的信息教育确立了更高的培养目标和更精确的培养方向。以小学培养的信息技术能力为基础，培养中学生从社会生活中发现与编程相关的问题并设定课题的能力，利用图表呈现处理问题的流程，并通过试行将解决方法具体化的能力等。

1.日本中学信息教育的教学目标

日本中学的信息教育主要培养学生信息知识与技能，对信息的思考力、判断力、表现力以及学习的能力、人性等三个方面，其具体分类如表2所示。

2.日本中学信息教育的课程设置

在日本新教学大纲中，理数和信息课程的修订已经明确。信息的积累与计算能力的提高已成为人工智能技术应用的前提。从狭义的角度来说，人工智能指的是“机器学习”。机器学习涉及概率论、统计学、凸分析、算法复杂度理论等多门学科。与之相关联的数学基础需要花费学生大量的课程和时间。

对于理数学科，高中教学大纲中提出，从学生学习理数的用处和对理数感兴趣的观点出发，通过进行有预见性的观察和实验等科学探究活动来充实理数教学并提高学习质量；通过收集、分析数据来解决课题，充实理数中的统计学教学；以培养能够进行知识创造的学术研究型人才为目标，开设“理数探究”和“理数探究基础”等学科。对于信息学科，通过重组课程、新开设必修课程“信息Ⅰ”，加入人工智能、物联网和数据库等技术的基础知识；同时在教材中充实数据科学相关内容，并利用计算机开展学习活动②。

除信息相关学科外，日本在中学其他课程的学习过程中也贯穿了信息教育。以日本北海道教育大学附属釧路中学校为例，如表3所示，详细记录了2018年该校信息教育的全学科计划示例。

（三）日本中小学人工智能教育课程体系特征

通过对日本小学编程教育和中学信息教育的教学目标和课程设置的梳理，我们可以总结出日本的中小学人工智能教育课程体系特点如下：

1.人工智能教育课程体系分多学科、多课程实施。核心的编程教育与信息教育分别设置进中小学特定的专业科目，加入非专业学科的课程，设立人工智能教育独立课程和俱乐部活动等，改变成与人工智能教育相关的学习模式，使信息技术和人工智能技术融入教材和课堂的教学。

2.教育课程体系整体目标清晰，分阶段层层递进。学生的人工智能相关能力随着年龄与学历的增长而不断提高，认知与能力更加专业。从小学到高中，在学生的信息知识与技能培养方面，从小学对生活和社会中信息技术的基础性理解，到初中对信息的表现、记录、计算和通信等的科学原理的理解和信息的数字化，处理的自动化、系统化，信息安全等相关基础技术的结构性理解，到高中对信息通信网络的构成和利用基本的信息结构制作程序，测量、控制系统的结构等能力的学习，逐步深入，成为大学学习人工智能相关专业的基石。

3.注重信息道德与安全教育。分阶段培养学生从小的信息素养、信息伦理与信息安全意识。如信息的可靠性、信息的公开、信息的保护以及发送信息时个人的责任、注意隐私权和著作权等。

4.课程体系随时代的变化更完善。为了弥补日本信息技术人才与人工智能技术人才的不足，提高人工智能产业与世界的竞争力，为了使新一代年轻人把握更好的就业机会，拥有随着科学技术发展的更好的人生，并在未来的智能时代社会建设中发挥主导作用，日本建立并逐步完善其中小学的人工智能教育体系。

（一）多职能部门协同和高科技企业参与人工智能教育课程体系的顶层设计

日本新教学大纲中关于人工智能教育的修订，不仅仅是文部科学省所管辖范畴之内的工作，而是日本面向未来的国家战略体系的重要组成部分，产业竞争力和人才培养等都是这个战略体系的组成部分。日本人工智能教育课程体系经历四年由文部科学省、经济产业省、日本中央教育审议会、产业竞争力会议等的研讨，在这四年间，日本政府的相关部门皆以专门议题提出研讨，在本部门工作所涉及领域和影响发展的范围内根据人工智能人才培养的关键问题进行研究，在各部门会议与产业会议上，各行各业的成员发言讨论，最终形成论点汇集在中央教育审议会的教育课程部会。

关于未来我国的人工智能教育体系设计，在制定教学大纲和课程标准时，应该在国务院、教育部等多政府职能部门的领导下，结合全国教育工作会议、党大会议、人大会议等中讨论的人工智能教育相关内容，再参考各高校教育专家组织、社会各行各业的企业会议等提出的人工智能人才培养相关内容，进行教学大纲和课程标准的制定与修改。其中，我国高新科技企业的参与尤为重要。科技企业参与教学大纲研讨的制定与修改，能让企业的未来人才需求带动高等、中小学的教育，明确未来的就业方向，让学生知道现在该学什么，怎么学，以后怎么用。

我国应该根据政府部门发布的国家政策和未来人才培养发展战略目标，多职能部门协调配合，并利用高科技企业拥有的先进知识和经验，实现中小学人工智能教育课程体系的顶层设计，推进人工智能教育的方针实施和计划制定，并根据政策与时代行业产业的变化、就业形式和趋势的变化及时调整，让中小学人工智能人才培养紧跟时代发展的步伐，具有对未来的高度前瞻性。

（二）人工智能教育课程与现有课程的深度融合

在日本，中小学的人工智能教育，从小学的编程教育到中学的信息教育，都将人工智能教育课程与现有课程进行深度融合。将与人工智能技术相关的数理和信息科学基础知识加入数学、理科和信息技术学科教学中，将人工智能技术的学习和实践加入音乐、美术等非专业的学科课程中。日本将中小学人工智能教育课程体系融入到现有的所有学科教学中，让学生们在完成现有课程目标的同时，能够从不同的学科不同的角度，学习到人工智能各方面的基础知识。

根据日本中小学人工智能教育体系的课程设置，我国在未来的中小学人工智能教育课程体系的设计上，就不能只开设一门单独的叫做“人工智能”的学科或课程。人工智能本身具有深度融合、高度交叉、极度复杂的特点，同时又具有技术属性和社会属性的特点，这就决定了人工智能教育必须依靠跨学科的交叉整合[21]。我国应该将中小学人工智能教育体系与现有的整个教育课程体系进行融合，以现有课程为主体，将人工智能教育拆分成多课程，全方位融入现有的学科中。

我国当前的中小学人工智能教育主要在信息技术课程、STEM课程、创客课程中开展[22]。但是在未来，我国还应该把人工智能技术所需要的数学逻辑思维和计算能力、编程技术等计算机技能、控制论和自动化、生物学和仿生学、哲学、心理学、信息伦理和信息素养等知识，作为人工智能教育课程体系中的课程，加入现有的数学、计算机、物理、生物、心理、思想品德等主学科中。另外，还应该将人工智能技术的实践加入音乐、美术等辅助学科。目前，我国的中小学教学课堂上已开始运用人工智能教学产品，利用人工智能技术帮助教学的同时，也应该对学生进行应用的技术支撑教育。在完成该学科课程目标的前提下，利用学科课程进行人工智能技术实践，让学生能够将主课中所学的人工智能相关知识与能力运用在其他课堂上，在学与用的同时掌握并熟练运用知识与技能。

（三）建立符合学习者认知特点的人工智能教育分层课程实施步骤

日本中小学人工智能教育体系，根据学生的年龄、学习能力和信息技术能力，分为小学、初中、高中不同阶段。为了达到社会和高等学校对人工智能人才培养的基本能力要求，随着年级的提高，小学到高中，学生的数学、理科和信息技术的学习会越来越深入，越来越专业，数理和信息技术能力也会越高。而在其他非专业的学科中，学生运用信息技术发现、解决课程问题的能力会逐年增强，运用人工智能相关技术的能力也会逐年提高。

未来我国在中小学人工智能教育课程体系的实施方面，也应该对学生学习的人工智能相关知识、技术能力等，根据年龄与认知分为不同的阶段。通过中小学的人工智能教育，即将进入高校的学生将具备一定的信息技术基础，提高他们对计算机、自动控制等相关学科的兴趣，为他们今后在高校进一步研究人工智能技术，或在工作中应用人工智能技术，打下坚实的基础。

除学校开设的学科课程外，我国中小学校还应该开设课外活动课，让学生开展人工智能相关课题研究，进行课外实践。例如利用课外活动时间开设编程兴趣课、人工智能相关应用兴趣课，或学校组织的编程相关社团、人工智能社团等，让不同年龄的中小学生开展合作互助，在集体活动中学习实践，让中小学生能够在实际的操作应用中熟悉课堂上的内容，享受人工智能学习的乐趣。

同时，我国应该加强校企合作，让企业支援教师进行高质量的授课，支援并具体化学校实施的人工智能教育内容。我国企业应积极参与为社会贡献的教育计划，如组织学生前往人工智能相关企业参观学习，将人工智能产品加入教育投资，让企业的专业技术人员作为辅助教师参与到对学生的技术教学课堂中，等等。只有将融入中小学现有学科教学中的人工智能教育提炼出来，将每一个按年龄或年级分的阶段加在一起，所有阶段的课程和实践连贯结合，才能形成一个完整的中小学人工智能教育课程体系。

参考文献：