王同聚 丁美荣 | 人工智能进入学校的瓶颈与应对策略
2020年12月9日，教育部官网公布了《关于政协十三届全国委员会第三次会议第3172号（教育类297号）提案答复的函》（以下简称《答复函》，《答复函》全文浏览网址：http：//www.moe.gov.cn/jyb_xxgk/xxgk_jyta/jyta_jiaocaiju/202012/t20201209_504364.html），针对全国政协委员丁磊提出的《关于稳步推动编程教育纳入我国基础教学体系，着力培养数字化人才的提案》予以回应。
在《关于稳步推动编程教育纳入我国基础教学体系着力培养数字化人才的提案》中，丁磊建议：加快区域试点，形成从高中向小学、从东部向全国的推广格局；创新教学模式，形成中国特色的少儿编程课程体系；教企共建少儿编程学习资源库，提供实践平台；将少儿编程纳入学业水平考试，作为综合素质评价重要内容；加强少儿编程教师人才培养。
教育部给丁磊的《答复函》称，教育部高度重视学生信息素养提升，已制定相关专门文件推动和规范编程教育发展，培养培训能够实施编程教育相关师资。2017年新修订的《普通高中信息技术课程标准》在必修课程中有机融入了人工智能基础知识，在选择性必修课程中设置了模块4“人工智能初步”，要求通过模块学习，学生应该了解人工智能的发展历程及概念，能描述典型人工智能算法的实现过程，通过搭建简单的人工智能应用模块，亲历设计与实现简单智能系统的基本过程与方法，增强利用智能技术服务人类发展的责任感。《答复函》分别从“制定相关专门文件推动和规范编程教育发展”“将编程教育纳入中小学相关课程”“培养培训能够实施编程教育相关师资”三个方面介绍了教育部在相关领域已开展的工作。
本期转载王同聚、丁美荣撰写的论文《人工智能进入学校的瓶颈与应对策略》发表在《课程教学研究》2019年第9期，也是本期的封面推荐文章。这篇文章2019年所关注的“瓶颈”问题和提出的“应对策略”在教育部给全国政协委员丁磊的《答复函》中找到了部分答案。
随着《新一代人工智能发展规划》的实施，国家对高端人工智能人才的需求更加迫切，而未来人工智能人才的培养要把学校作为主战场，教育要秉承立德树人和智慧教育理念，在学校开设人工智能和编程教育课程，让学生掌握人工智能的基本知识和编程的基本技能，发展学生核心素养。文章主要分析了当前人工智能进入学校的主要“瓶颈”，并基于智能机器人开展创客教育和STEM教育的研究成果，提出了人工智能进学校、编程教育进课堂的具体应对策略。
随着“互联网 ”、云计算、大数据、虚拟现实、物联网、区块链、脑科学等新理论的快速发展和应用，人工智能（Artificial Intelligent，简称AI）已经成为目前研究的焦点。人工智能的研究主要包括知识表示、机器学习、模式识别、自然语言处理、智能机器人、专家系统等。人工智能被认为是未来推动经济社会发展的新一代技术引擎。作为人类到目前为止最具颠覆性的技术，人工智能给教育的方法和内容都带来了深刻的变革。中央绘制了中国特色社会主义发展的两个阶段的战略安排：明确了“2035年”和“2050年”的奋斗目标，对未来孩子的能力和素养提出了新的要求；《新一代人工智能发展规划》明确提出：到2030年人工智能理论、技术与应用总体达到世界领先水平，成为世界主要人工智能创新中心，形成一批全球领先的人工智能科技创新和人才培养基地，培育高水平人工智能创新人才和创新团队[1]。而现在在校的中小学生，到2035年和2050年将是国家所急需的高端人工智能人才的中坚力量，因此，人工智能能力与素养的培养要在中小学打好基础，实施个性化的培养模式，争取在大学阶段培养出更多的人工智能高端人才。
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人工智能的发展历程及现状
1956年在美国达特茅斯学院举行的研讨会上，约翰·麦卡锡等首次提出了“人工智能”这个概念，多年以后被认定为全球人工智能研究的起点。人工智能在20世纪50年代末和80年代初先后步入两次发展高峰，但因为技术瓶颈、应用成本等局限性而均落入低谷。2016年3月谷歌人工智能AlphaGo以4：1的成绩战胜世界围棋冠军李世石，AlphaGo彻底引爆了人们对人工智能的兴趣，让发展人工智能的热潮迅速席卷全球。当前，在新一代信息技术的引领下，人工智能发展环境发生了深刻变化，跨媒体智能、群体智能、自主智能系统、混合型智能成为新的发展方向，呈现出深度学习、跨界融合、人机协同、群智开放、自主操控等新特征，并正在引发链式突破，推动经济社会各领域从数字化、网络化向智能化加速跃升。人工智能第三次站在了科技发展的浪潮之巅。
目前，许多国家都高度重视人工智能的研究与开发，美国、德国、法国、日本、韩国和其他国家已经先后出台了人工智能相关的支持和产业政策。在2017年3月全国“两会”上，“人工智能”首次被写入中国政府工作报告；2017年7月8日国务院颁布《新一代人工智能发展规划》提出：“实施全民智能教育项目，在中小学设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育，鼓励社会力量参与寓教于乐的编程教学软件、游戏的开发和推广。支持开展人工智能竞赛，鼓励进行形式多样的人工智能科普创作。”[2]2017年12月13日工业和信息化部发布的《促进新一代人工智能产业发展三年行动计划（2018-2020）》要求“力争到2020年，一系列人工智能标志性产品取得重要突破，在若干重点领域形成国际竞争优势。”[3]将国务院《新一代人工智能发展规划》中2020年的各项发展目标进一步明确为各项技术指标，2030年一定要抢占人工智能全球制高点，为我国人工智能产业发展预测提供了有力依据。由此可见我国对发展人工智能技术的决心与魄力，我国已步入了人工智能快速发展时代。
2018年3月全国“两会”上“人工智能”再次写入政府工作报告，并提出要“加强新一代人工智能研发应用。”截止2019年1月，我国已有32所高校成立人工智能学院[4]。2019年5月16日教育部部长陈宝生在国际人工智能与教育大会上作主旨报告中提出：“计划到2020年建立50家人工智能学院、研究院或交叉研究中心，培育人工智能创新研究团队和专门高级人才；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，让学生对人工智能有基本的意识、基本的概念、基本的素养、基本的兴趣。”[5]因此，为在中小学全面普及人工智能和编程教育，必须把学校作为培养人工智能人才的主战场，增设人工智能课程和知识，进一步推进中小学人工智能教育，提升中小学生的人工智能素养，通过人工智能教育为国家培养大批具有创新能力和合作精神的人工智能高端人才。
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人工智能进入学校的主要瓶颈
人工智能是计算机科学的一个分支，是主要研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门综合性学科。人工智能技术是智能机器人的关键技术之一，其主要目标是模仿人脑所从事推理、证明和设计等思维活动，使机器能够完成一些需要专家才能完成的复杂工作。其内容涉及计算机科学、生物学、心理学、语言学和数学等学科的综合科学技术，是跨学科和多领域知识的汇聚和融合，人工智能学科覆盖面广，社会应用需求空间巨大，已成为国际上公认的最具发展前景的科学技术之一。人工智能时代的快速到来，让很多政府部门、学校和老师都猝不及防，对突如其来的人工智能教育还未做好迎战准备，存在很多亟待解决的难题。
（一）缺少成熟的教学理念
人工智能是近年来的热点研究领域，发展迅速、涉及面广、综合性强，教学上没有成功经验可循，教师缺乏教学经验，尚未形成成熟的教学理念。
（二）缺少合适的教学模式
人工智能所涉及很多内容都属于新领域、新技术、新知识，如果仍然套用传统的教学模式显然已不适应，大多数老师都是摸住石头过河，教学随意、主观性强、效率不高，缺少可复制、有效的教学模式。
（三）缺少实用的配套教材
人工智能教育在我国起步较晚，缺乏前期积累，与中小学各学段相匹配套的人工智能教材很少，而且教学内容参差不齐，尤其是适合中小学的人工智能教材严重短缺。
（四）缺少精干的师资队伍
人工智能涉及面广，对教师的综合素质、跨学科的能力要求较高，要求教师必须具备跨界与融合的特质。但大部分中小学教师接受教育时没接触过人工智能课程，而且多数信息技术教师在学校身兼多职（如教学、网管、电教等），学校人工智能师资严重匮乏。
（五）缺少可行的推进策略
人工智能来得过于迅猛，对教育主管部门、学校、教师和学生都是一个新的挑战，大家还没有做好思想准备，关于人工智能的前期研究较少，没有成功的经验以供借鉴，在推进人工智能教育的过程中会遇到很多困惑和难题，缺少切实可行的推进策略。
（六）缺少明确的指导意见
虽然2018年1月教育部发布《普通高中信息技术课程标准（2017版）》把“人工智能初步”纳入“信息技术”选择性必修模块[6]。但如何让学校能够正常开设人工智能课程，各级教育主管部门还没有明确的指导意见，这样可能又会重蹈2003年教育部发布的《普通高中信息技术课程标准（2003年）》旧版信息技术教材“人工智能初步”选修模块的覆辙，让课标和教材成了花瓶和摆设，全国开设人工智能的高中不足百分之五；同时在义务教育阶段还没有出台相应的人工智能课程标准和指导意见。由于目前缺少相关指导性文件出台，职责不明确，让学校、教师无从下手，难以操作。
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人工智能进入学校的应对策略
（一）需要构建“智慧教育”教学理念
人工智能进入学校对教师的教和学生的学都会引发时代的变革，国务院颁布的《新一代人工智能发展规划》明确提出人机协同的混合增强智能理念、智能教育发展方向以及实施全民智能教育的目标。发展人工智能时代的智慧教育，让人工智能进入中小学校，以智慧教育理念引导智能教育实践，让人工智能与教育进行深度融合[7]。随着教育信息化2.0和人工智能时代的到来，需要构建“智慧教育”教学理念，以智慧教育项目推动“教育现代化2035”的进程，培养人工智能时代的智慧型人才。
（二）构建推动人工智能教育的教学模式
笔者根据从事17年智能机器人教育的经历，为破解中小学智能机器人教学和普及活动中存在的突出问题，通过行动研究、探索实验、归纳总结、创新设计、理论建构等过程，创建了智能机器人“学·做·创”教学模式，如图1所示。该研究成果已获得2018年基础教育国家级教学成果奖“二等奖”[8]和2017年广东省教育教学成果奖（基础教育）“特等奖”[9]。成果经大面积验证取得了较好的教学效果，有助于提升学生的核心素养，培养学生的动手设计、实践创新、工程思维、编程思维、计算思维和交流合作等多种综合能力。而智能机器人是人工智能技术应用的重要载体，该模式同样适用于人工智能教学，因此可以借鉴智能机器人“学·做·创”教学模式，将该成果应用于中小学校人工智能教育的开展，并向全国普及推广，更好地发挥该成果的引领、示范和辐射作用。近两年，在华南师范大学软件工程专业进行了该教学模式的实施与应用，同时融入了以赛促教、校企协同育人模式，学生收获各类创新成果数量明显增加。
（三）开发配套实用的人工智能教材
2018年4月华东师范大学出版社与商务印书馆联合出版了我国第一套人工智能中学教材《人工智能基础（高中版）》，并拟投用于全国40所学校，标志着人工智能教育正式进人基础教育阶段[10]；2018年7月科大讯飞股份有限公司与西北师范大学、北京师范大学出版社共同发布了全球首本初中版人工智能教材《人工智能（初中版）》[11]；2019年5月教育部印发了《2019年中小学教学用书目录的通知》，其中5套高中版信息技术教材选择性必修4《人工智能初步》供全国高中选用，笔者作为核心作者参与了粤教版高中信息技术教材选择性必修4《人工智能初步》的编写工作。同时笔者与其他专家合著的基于物联网硬件开发的《人工智能》（高中版）[12]于2019年3月由广东教育出版社出版。这些教材的出版发行有望解决缺少人工智能教材的难题。希望有更多初中版和小学版的《人工智能》科普读本也能尽快面市，从而解决中小学各学段缺少人工智能教材的问题，使人工智能的教学和科普工作能从娃娃抓起。
（四）培训技术过硬的人工智能师资
为解决学校缺少人工智能课程教师的难题，由教育行政主管部门主导，联合教研院、电教馆、师培中心、高校和人工智能企业，多管齐下，通过教师继续教育、专项培训、高校研修、企业实习等各种形式培养一批具有过硬理论知识、实践操作技能、胜任人工智能教学的骨干教师，从而解决学校缺少人工智能课程教师的难题。
（五）构建人工智能教育的推进策略
笔者基于智能机器人在开展创客教育、STEAM教育进行了多年探索实践，通过线下与线上空间联动，构建了适用于创客教育、STEAM教育的“六个面向”推进策略：面向中小学校组建创客联盟；面向社会大众开放创客科普基地；面向教师开设继续教育课程；面向学生开设创客体验活动课程；面向家长开设创客亲子互动课程；面向偏远地区开展创客普及活动。[13]应用这种推进策略在全国各地通过专题讲座形式培训教师、家长和家长11460人次，接待来自国内外专家、学者5560人次，取得了很好的社会效益。随着人工智能时代的到来，对创客教育推进策略进行改造升级，构建了人工智能教育推进策略，如图2所示。参照创客教育的成功案例，希望该策略也能成功地应用于人工智能教育的推广普及。
（六）及时出台操作性强的指导意见
教育行政主管部门应该及时出台针对中小学校的可操作性强的人工智能教育详细指导意见，明确教育主管部门、教育支撑机构、高校、企业、中小学校和教师的职责，分工合作，协同创新，开创性地贯彻国务院颁布的《新一代人工智能发展规划》战略，通过课堂教学、活动竞赛、以赛促教、校企协同等多种形式，培养和提升学生的人工智能技术和素养，具备人工智能产品开发的基本技能，帮助学生建立起对人工智能的鉴赏力、理解力、应用力和创新力。为国家培养一批掌握人工智能技术的智慧型、复合型的创新人才。
基金项目：本文系广东省高等教育教学改革项目“基于MOOC的软件工程专业课程评价体系研究”（粤教高函[2018]1号）、华南师范大学校级“质量工程”建设项目“基于深度学习的教件工程专业课程翻转课堂教学模式研究”（教学[2017]60号）研究成果。
排版、插图来自公众号：MOOC（微信号：openonline）