在中小学校过去、现在和未来中的人工智能教育

摘要

随着新一轮技术革命的到来，“互联网+”、移动互联、云计算、大数据、物联网、虚拟现实、5G、区块链、数字孪生、人工智能等新一代信息技术飞速发展，人工智能被推上了风口浪尖。国家人工智能相关政策的出台，让人工智能进学校、编程教育进课堂已上升为国家战略。近20年来，人工智能技术已逐步进入了中小学校，其发展过程经历了启蒙探索期、快速发展期和蓬勃爆发期。文章结合笔者的亲身经历介绍了人工智能进入我国中小学校的过去、现在和将来的发展及应用情况。

作者简介

王同聚，广州市电化教育馆正高级教师，华南师范大学、广州大学、广东技术师范大学兼职教授和硕士生导师，广东省中小学新一轮“百千万人才培养工程”首批名教师培养对象优秀学员，广州市基础教育系统名教师，广州市名师工作室主持人，全国十佳科技教师，全国杰出、十佳机器人教练，全国教师创客联盟创客导师，中国教育技术协会创客教育专业委员会副秘书长，中国教育技术协会人工智能专业委员会常务理事，中国教育信息化产业技术创新战略联盟粤港澳大湾区STEM教育联盟常务理事，华人探究学习学会理事，中国发明协会中小学创造教育分会理事，广东省继续教育学会信息技术专委会副理事长，广东教育学会继续教育专业委员会常务理事，华南师范大学&中讯邮电咨询设计院“人工智能+教师能力发展联合实验室”专家委员会专家，广东省中小学教师发展中心信息技术教育委员会专家委员。“智创空间”创始人。

曾获得2014年和2018年基础教育国家级教学成果奖二等奖2项（排名第一、第二）、2017年广东省教育教学成果奖（基础教育）特等奖1项（排名第一）；在《电化教育研究》《中国电化教育》等核心期刊和知名学术期刊发表论文50多篇，其中中文核心期刊或CSSCI期刊16篇、被人大复印报刊资料《中小学教育》全文转载1篇；获得发明专利或著作权登记5项；编著出版人工智能与STEAM教育教材教程12部，其中担任全国普通高中信息技术教材（粤教版）选择性必修4《人工智能初步》核心作者；主持全国教育科学“十三五”规划2020年度教育部重点课题“面向中小学人工智能教育的教师培养与教学策略研究”和作为主要研究人员承担国家级、省级、市级课题研究13项。

关键词：人工智能；编程教育；计算思维；核心素养；人才培养

1956年夏，麦卡锡、明斯基等科学家在美国达特茅斯学院开会研讨“如何用机器模拟人的智能”，首次提出“人工智能（Artificial Intelligence，简称AI）”这一概念，标志着人工智能学科的诞生。人工智能发展历程经历了三次高峰，两次低谷[1]。人工智能作为一个研究领域j教练教案模板，它不仅是一门技术还是一门可以课程化的学科。人工智能课程可以界定为围绕人工智能的知识集合组织的学习内容和活动[2]。人工智能的知识集合有以下特点：第一，知识集合的跨学科性，即人工智能课程实际上涉及到多种学科的知识（STEM）。第二，知识集合的技术主体性，涉及多种学科，人工智能课程与信息技术的联系最为密切[3]。进入21世纪以来，以“互联网+”、移动互联、云计算、大数据、物联网、5G、区块链、数字孪生、人工智能等为代表新技术、新应用层出不穷，对社会的各个层面造成了深刻而广泛的影响。近20年来，人工智能技术已逐步进入了中小学校，其发展过程经历了启蒙探索期、快速发展期和蓬勃爆发期。笔者作为我国最早一批从事智能机器人教育的教师，同时也是我国人工智能进入中小学校的亲历者、见证者、观察者、记录者、思考者和推动者，现结合自己的亲身经历与大家一起分享我国人工智能进入中小学校的过去、现在和将来的发展及应用情况。

图1 2016年12月27日，北京中关村一小引入“中国智造”的人工智能机器人小胖，首次进行人工智能机器人课堂试验

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人工智能进入中小学校的过去历程

人工智能进入中小学校的过去、现在和未来

在我国，人工智能进入中小学校时间并不长，在中小学开展人工智能教育的重要载体应该是智能机器人教育，最初以竞赛的形式呈现。2001年，中国科学技术协会在广州市南沙科技馆举办了“第一届全国青少年机器人竞赛”，这一年应该是智能机器人进入我国中小学校的“元年”，也算是我国中小学开展人工智能启蒙教育的开端，该竞赛至2019年已连续举办了19届，已成为我国中小学开展和普及机器人教育的品牌竞赛项目；2004年，教育部和中央电化教育馆把“电脑机器人”作为竞赛项目列入到“全国中小学电脑作品制作活动”中，该活动的机器人竞赛项目至2019年也举办了16年，让众多中小学生通过参加机器人竞赛活动学习到智能机器人和人工智能的基本原理和相关知识。2003年4月，教育部正式颁发了《普通高中通用技术课程标准(实验)》和《普通高中信息技术课程标准(实验)》，分别把《简易机器人制作》和《人工智能初步》纳入到《通用技术》《信息技术》选修模块，部分省市试行将机器人教育作为高中选修课进入课堂，供学生学习，但在当时条件下，我国普通高中开设《人工智能初步》这门选修课程的学校寥寥无几。当时全国大部分中小学校只是以课外社团活动、兴趣活动小组和校本课程培训等形式开展智能机器人竞赛项目内容培训，组织成绩优秀的学生参加各种机器人竞赛，以赛促教，只是在部分学生中通过开展智能机器人竞赛活动来渗透人工智能启蒙教育。因此，2001-2015年应该是我国中小学人工智能教育的“启蒙探索期”。

笔者虽然现在从事中小学智能机器人和人工智能教育工作，但原来曾是一个“计算机盲”，大学本科读的是化学专业，既没有学过计算机也没见过机器人，人工智能更是天方夜谭的梦想。1990年大学毕业进入黄金国企从事贵金属的化工分析工作，直到大学毕业6年后（1996年）才开始自学计算机，2001年在中山大学读计算机软件与理论专业在职硕士研究生课程时学习了人工智能的相关课程，2002年在中山大学附属中学开始从事中小学智能机器人教育，从此便与智能机器人和人工智能结下了不解之缘，自学机器人相关知识，开始带领学生参加各类机器人竞赛活动，通过“玩中做、做中学、学中做、做中创”，2002-2008年期间，指导学生设计制作的“神兔一号探月机器人”“神兔二号月球育种机器人”“智保一号家庭服务机器人”“智能太阳能电池板”“智能停车机器人”“多功能智能垃圾桶”“多功能智能清洁器（扫地机器人）”“高空作业防跌落智能机器人”等一批具有智能化的创意机器人作品分别获得了全国赛一等奖、省赛一等奖和国家发明专利，笔者作为指导教师也被评为“全国十佳科技教师”和“全国杰出、十佳机器人教练”等，成为我国最早一批在中小学从事智能机器人教学的一线教师。

由于当时我国从事机器人和人工智能教育的学校很少，没有师资、没有教材，没有可以借鉴的教学模式，只能靠自己一边学习一边探索实践。2003年，笔者开始自编《智能机器人制作与程序设计》校本教材在学校开展智能机器人教学实验；2004年，参加了由广东省电化教育馆组织的基于《普通高中信息技术课程标准（实验）》（2003年版）编写的一套高中信息技术教材，2005年底，笔者作为主编完成了这套教材选修模块《人工智能初步》教材的编写，该教材虽然因各种原因未能正式出版发行，但在编写《人工智能初步》教材的过程中曾分别得到了浙江大学张剑平教授、南京师范大学李艺教授和华南师范大学李冠英教授及陈品德教授等多位专家的指导，同时也促使笔者多次到广州图书馆和中山大学图书馆借到了当时所能找到的人工智能图书，系统地自学了人工智能的相关知识，最后完成的《人工智能初步》教材在全国教育科学“十五”规划教育部重点课题《网络教育的资源整合研究:基础教育信息化资源开发和应用的有效性研究》（课题批准号:DCB030256）终期结题成果评审中获得二等奖，主持的该课题子课题《智能机器人科技教育校本教研实践与探索》在总课题组结题成果评审获得一等奖。

为进一步提升人工智能的知识水平，平时不放过任何一次外出进修学习的机会，2004年1月参加了广东省教育厅和广东省教师继续教育指导中心在华南师范大学计算机系举办的“广东省普通高中新课程信息技术骨干教师培训班”，培训的主要课程就是《人工智能技术导论》（廉师友编著），该课程由华南师范大学计算机系李冠英、陈卫东教授主讲，通过为期一周的系统学习j教练教案模板，更加巩固了人工智能相关知识，为编写人工智能教材和为后续开展中小学人工智能教育打下了坚实的基础。经过多年历练，让笔者从一个“计算机盲”逐步成为一名从事中小学人工智能教育的先行者、亲历者和实践者。

图2 2017年9月9日，游客在南京参观满载人工智能技术与应用的“旅行者号”百度科普大巴“。作为全球第一个人工智能科普教育基地，此次百度AI科普大巴向南京观众集中展示了人工智能核心技术

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人工智能进入中小学校的现实情况

人工智能进入中小学校的过去、现在和未来

1.新一轮普通高中课程标准的发布助推了人工智能进入中小学的进程

2003年印发的普通高中课程方案和课程标准实验稿，指导了十余年的高中课程改革实践，在全面推进素质教育中发挥了重要作用，但面对社会经济、科技文化发生的巨大变化，对人才培养提出的更高要求，还有一些不相适应和亟待改进之处，需要进行修订完善。为此，2014年国务院印发《关于深化考试招生制度改革的实施意见》，要求对高中课程和高考改革进行统筹谋划，做好衔接。同年，教育部组织260多位专家对普通高中课程方案和语文等14门学科课程标准进行了修订，历时4年完成修订，经国家教材委员会审查通过，2018年1月16日教育部印发了《普通高中课程方案和语文等学科课程标准（2017年版）》[4]，在新课程试用的过程中专家组又对部分内容进行了修订，2020年6月3日教育部印发了《普通高中课程方案和语文等学科课程标准（2017年版2020年修订）》，在这一轮新课程标准中更加丰富了人工智能的内容，其中普通高中信息技术教材中必修1模块《数据与计算》加入了人工智能的内容，选择性必修4模块《人工智能初步》为单独一本教材。目前全国普通高中信息技术教材已有5套于2019年通过了国家教材委员会审查，笔者作为国家级教材的核心编者编写的“粤教版”普通高中信息技术教材选择性必修4模块《人工智能初步》[5]2019年12月由广东教育出版社出版，2020年9月供全国普通高中选用。同时笔者与其他专家合作依据新课标、基于物联网硬件编写了一套人工智能与STEM教育丛书《人工智能（初级版）》《人工智能（中级版）》《人工智能（高中版）》分别采用积木式图形化编程软件、App Inventor、Python语言进行编程，其中《人工智能（高中版）》[5]2019年3月由广东教育出版社出版，其余2本已提交出版社排版中。为开展人工智能教师培训和在中小学普及人工智能教育奠定了基础。

2.国内外人工智能技术的快速发展助推了人工智能进入中小学的进程

人工智能经过60多年发展经历了三起三落的寒暑交替，最后一次发展高潮是人机围棋大战：2016年3月谷歌人工智能AlphaGo以4：1战胜世界围棋冠军李世石；2017年5月以3：0完胜世界围棋冠军柯洁；2017年10月新一代的Alphabet Zero通过自学，训练3天后就以100：0击败了强大的AlphaGo[7]，人机围棋大战是人工智能进入第三次高潮的导火索，彻底引爆了全世界对人工智能的兴趣，让发展人工智能的热潮很快席卷全球，成为里程碑式事件。

图3 2016年3月15日，谷歌人工智能AlphaGo在韩国首尔与世界围棋冠军李世石进行第5场挑战赛，最终AlphaGo以总比分4:1战胜李世石

在我国，国家也高度重视人工智能，2016年5月18日，国家发改委、科技部、工信部、中央网信办联合发布《“互联网+”人工智能三年行动实施方案》提出：鼓励相关研究机构、高等院校和专家开展人工智能基础知识和应用培训。完善高校的人工智能相关专业、课程设置，注重人工智能与其他学科专业的交叉融合[8]。2017年3月，全国“两会”第一次将人工智能写入政府工作报告。2017年7月8日，国务院印发《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”[9]。2017年12月13日，工信部印发《促进新一代人工智能产业发展三年行动计划（2018-2020年）》明确提出：以多种方式吸引和培养人工智能高端人才和创新创业人才[10]。2018年1月20日，中共中央、国务院印发《关于全面深化新时代教师队伍建设改革的意见》提出：教师主动适应信息化、人工智能等新技术变革，积极有效开展教育教学[11]。2019年5月16日，习近平主席向国际人工智能与教育大会致贺信指出：把握全球人工智能发展态势，找准突破口和主攻方向，培养大批具有创新能力和合作精神的人工智能高端人才，积极推动人工智能和教育深度融合，促进教育变革创新[12]。教育部陈宝生部长在国际人工智能与教育大会主旨报告指出：根据大中小学生的不同认知特点，让人工智能新技术、新知识进学科、进专业、进课程、进教材、进课堂、进教案，进学生头脑[13]。从国务院、教育部文件的相继发布可以看出，人工智能进学校、编程教育进课堂已上升为国家战略。