多层次AI教育体系的构建及其实施路径

2021-03-25 10:30:57

摘要：智能教育是智能技术赋能下的教育新模式、新体系，而AI教育是体系中担负人工智能人才培养的重要子系统。文章基于智能教育的整体发展视角，对多层次AI教育体系的构建及其实施路径进行了探讨：首先，分析了AI教育与智能教育的关系、定位以及面向智能教育谋划AI教育发展的基本思路；随后，结合我国教育特色和AI教育实践，描述了“一个目标、四个层次、两类培养”的多层次AI教育体系；最后，以基础教育AI课程改革为例，提出了目标聚焦、内容重构、环境升级、模式创新、队伍提升的实施策略。文章的研究为中小学开展AI教育及其课程实施提供了参考路径。

关键词：AI教育；智能教育；AI课程；实施路径

为迎接人工智能的挑战，当今世界各国普遍加大对人工智能人才的培养力度。例如，2018年英国发布《英国发展人工智能的计划、意愿与能力》，鼓励学生尽早学习与人工智能相关的学科内容^[1]；欧盟发布《人工智能协调计划》，要求欧盟成员国在人工智能国家战略中体现人工智能相关的正规教育、职业培训、终身学习等内容，探索在中学和大学教育中增设人工智能相关课程^[2]；美国人工智能促进协会联合美国计算机科学教师协会和卡耐基梅隆大学计算机科学学院，启动美国K-12人工智能教育行动，制定了K-12人工智能教学指南^[3]。而我国也先后出台了有关人工智能的规划和行动文件，明确指出要“完善AI教育体系”^[4]、“完善人工智能领域人才培养体系”^[5]。此外，中央电化教育馆牵头编撰了一系列中小学人工智能教材，并成立了人工智能教育专家组^[6]；越来越多的人工智能教育企业基于国家新一代人工智能开放创新平台，发布并实施了面向中小学的人工智能教育项目。由此可见，培养人工智能人才已成为一项覆盖各教育阶段的系统性工程，其主阵地已不局限于高校。因此，采用顶层设计的观念和方法，构建并应用多层次AI教育体系，是推进AI教育深化发展的客观需要。

一基于智能教育整体发展视角的AI教育定位

1 AI教育的内涵及与智能教育的关系

早期人们对“智能教育”、“人工智能教育（AI教育）”概念往往混淆使用，如2002年我国召开的第一届全国人工智教育学术会议主题便是“信息时代的智能教育”^[7]。目前，教育技术研究者对上述两个概念的区别与联系已基本达成共识：从教育整体发展的视角看，智能教育（Intelligent Education，IE）是利用智能技术构造智能化学习环境，优化人工智能知识的教学内容，开发、创新适切性的教学方法，提高教学效率和教学水平，促进学习者全面而有个性的发展；而AI教育（Artificial Intelligence Education，AIE）担负着人工智能人才培养的任务，即以人工智能技术为教育内容，通过设置人工智能专业或课程，让学习者学习人工智能技术的相关知识、原理并加以应用，提升其人工智能素养，以培养多层次的专业人才。

作为智能时代教育发展的新形态，智能教育是人工智能技术支持下新的教育模式和体系^[8]；而AI教育是这个新的教育模式和体系中担负人工智能人才培养的子系统^[9]，是智能教育整体架构中不可或缺的重要组成部分。与AI教育相关的概念还有：①教育人工智能，是人工智能与教育科学、学习科学、教育技术学、教育神经科学等多学科相互交叉、有机结合而形成的新研究领域，其目的是促进学习改进；②智能教学系统，是利用人工智能构建智能化的教学系统，以支持教与学活动。智能教育体系中AI教育与相关概念的关系如图1所示，AI教育与教育人工智能、智能教学系统都是人工智能在教育中的某种应用，它们共同组成了智能教育体系。

图1 智能教育体系中AI教育与相关概念的关系

2 AI教育推动智能教育发展

AI教育在智能教育体系中的价值意义包括：①培养人工智能人才，发挥人才保障作用。在智能教育体系中，AI教育作为一种特殊的学科、专业教育，旨在提高专业人才的人工智能素养。因此，AI教育应贯穿于各种类型、各个层次的教育中，如中小学的人工智能基础知识学习，职业教育的人工智能职业技能教育，高等学校的高层次人工智能人才培养，继续教育的人工智能在职培训等。②推动人工智能应用，发挥引领促进作用。AI教育的最终目的，是通过培养各类人工智能相关的专业人才，推动人工智能技术的应用与融合创新。这就要求培养人工智能专业教师并提升其人工智能素养和应用能力，使其在教育教学中能更好地使用人工智能技术、创新教学模式，从而推动AI在教育领域的应用，引领和推进智能教育的发展。

3 面向智能教育谋划AI教育发展

基于以上分析，本研究认为在实践中开展AI教育应从宏观和微观两个层面来谋划与实施：①在宏观层面上，要着眼于智能教育发展的整体目标，从人工智能时代的教育变革和人才培养需求入手，明确AI教育的定位和基本框架、厘清需要解决的问题、确立AI教育的发展目标，最终构建多层次AI教育体系；②在微观层面上，要针对各级各类教育的特点，探究AI教育的实践方式和路径，分析如何设计和实施AI教育教学工作，采取有效的策略和举措，通过可行的操作方法，确保AI教育真正落地。

二构建多层次的AI教育体系

1 多层次AI教育体系构成

根据我国教育特色和AI教育的实践特点，多层次AI教育体系可用“一个目标、四个层次、两类培养”来进行概括，如图2所示。其中，“一个目标”是指以培养适应智能时代的人工智能人才为目标，包括各行业未来发展所需掌握不同技能和能力的人工智能专业人才；“四个层次”是指基础教育、职业教育、高等教育、继续教育四个教育阶段对应的目标层次，而不同阶段开展AI教育的方式和目标均有所不同；“两类培养”则指开展AI教育离不开高素质的人工智能师资队伍，而人工智能教师可通过两类教育培训来培养：一类是通过在职培训等形式，提升在职教师的人工智能素养；另一类是通过师范生教育等方式，培养能够适应智能时代的职前教师，帮助他们成长为未来的人工智能教师。

图2 多层次AI教育体系

2 AI教育学科专业布局

从不同阶段AI教育的任务特点来看，在中小学开展人工智能基础素养普及教育的基础上，AI教育体系需要进一步学科化、专业化地推动职业教育、高等教育等阶段的AI教育。就高等学校目前已经开展的AI教育实践来看，在人工智能学院和学科建设方面，截至2020年10月，我国已有30所世界一流大学建设高校（含A类、B类）设立了人工智能学院或研究院（所），将智能科学与技术升级为一级学科已提上日程，其培养方案聚焦于人工智能技术，围绕机器学习、智能语音、计算机视觉、自然语言处理和计算机博弈等专业领域不断深入，以更好地与传统计算机学院及相关学科进行区分；而在专业设置方面，世界一流大学建设高校均有较高比例开设了智能技术相关本科专业，人工智能人才培养规模不断扩大，以适应人工智能新兴产业迅速发展所带来的对各层次人才的大量需求。

3 AI教育各层次的目标与任务

结合不同学习者的特点，在多层次AI教育体系中各层次AI教育的目标和主要任务各有所侧重、相互补充，保证了多类型、多层次人工智能人才培养的需要，如表1所示。总的来说，基础教育侧重基础训练，其目标是培养中小学生的人工智能基础素养，推动人工智能教育的普及；职业教育以职业训练为主，其重点是培养职业人才的人工智能素养与应用能力；高等教育重点开展专业教育，关注高层次人工智能专业人才培养；继续教育则主要开展在职培训，培养在职人员的人工智能应用能力。

表1 各层次AI教育的目标与主要任务

三推进多层次AI教育的实施路径

多层次AI教育体系的构建与实施是一项长期而复杂的任务，需要统筹规划、有序推进。本研究以基础教育AI课程改革为例，探讨中小学整体推进AI课程教学的实施方式与策略。具体来说，基础教育阶段AI课程教学的重点是基础训练，关键是培养中小学生的人工智能基础素养，按照“目标聚焦、内容重构、环境升级、模式创新、队伍提升”的路径推进AI课程改革。

1 目标聚焦：着力培养学生人工智能学科素养

目前，面向中小学的人工智能学科素养框架还不完备，应作为构建AI课程目标和标准的基础予以探讨。中小学开展AI课程教学，关键是培养学生的人工智能学科素养，使其具备适应智能时代要求的基本素质。我国学者艾伦^[10]、汪明^[11]、郭绍青^[12]和奥地利学者Kandlhofer等^[13]都对中小学生的人工智能学科素养进行了专门研究，如郭绍青在国内率先提出人工智能技术与工程素养框架，为中小学人工智能教材编制和课程实施提供了参考。而在AI课程教学实践方面，我国教育部在2003年颁布的《普通高中技术课程标准（实验）》中首次提出在信息技术课程中设立“人工智能初步”选修模块，课程目标是提升信息素养；之后，又在《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》中将“人工智能初步”作为选择性必修课，旨在全面提升高中生的信息素养，并具体提出了信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任等核心素养要求。

2 内容重构：围绕人工智能关键技术构建课程体系

从AI教育在中小学的实践来看，目前国内外对于如何开设AI课程还未形成统一的标准。本研究认为，根据核心教学内容的不同，可将AI课程大致分为四种类型，如表2所示。这四种类型的AI课程各有侧重但内容有交叉，均涉及人工智能技术相关知识。其中，人工智能关键领域技术和关键通用技术可细分为自然语言处理、智能语音、计算机视觉、机器学习等方向^[14]。结合《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》对学科核心素养和“人工智能初步”模块的教学内容要求，基础教育阶段的AI课程应提炼机器学习核心思想，并将其融入智能语音、计算机视觉和自然语言处理等具体应用场景，充分运用机器人、编程等载体加深学生对人工智能技术原理的认识；各阶段AI课程的教学内容应注重衔接，围绕人工智能关键技术应用对机器人教学、编程教学和STEAM等教学内容优化重构，以推进AI课程的体系化建设。

表2 四类AI课程类型对比

3 环境升级：搭建AI教学平台和实验环境

建立专业化的AI教学环境是支撑AI课程教学的必要条件，具体包括：①对传统信息技术教室进行升级改造。②搭建AI教学平台，提供丰富且成体系的AI教学案例、微课视频，并提供趣味性强的交互性学习系统、线上编程或训练系统，使其成为教师的授课助手和学生自主学习的帮手。③建立教学型AI实验室，针对AI学科特点，整合利用现有教学场所或新建实验室的方式，构建满足AI学科教学需要、突出AI教育特色的人工智能实验环境；配置可编程教学套件（如可编程机器人、开源硬件、无人机等），集成多种人工智能技术，让学生自由发挥想象，通过编程控制适配的智能设备；配备编程电脑或平板，安装人工智能编程软件、人工智能原理可视化系统等，为学生提供方便的学习终端。

4 模式创新：多法并举实施AI课程教学

AI技术知识覆盖面广、内容抽象、概念繁多、实操性强，具有一定的学习门槛，亟需探索适应本学科特点的教学模式。为帮助学生理解课程内容，提升学习兴趣，教师需运用新的教学理念和方法授课，以确保AI课程教学的生动性、有效性。例如，教师可以利用计算机仿真、AR/VR等技术，创设虚拟逼真的教学情境，以满足多层次、多样性的教学需求；在中小学AI课程教学中，常用的教学模式有体验式教学、项目式教学、游戏化教学和直观教学等，如表3所示。

表3 AI课程常用教学方法

5 队伍提升：培养、引进和建设AI师资力量

随着AI教育的深入开展，师资能力欠缺和专业教师数量不足的问题愈发突出。对此，各国纷纷采取措施解决这一问题，如美国通过总统奖表彰等措施加大对教师的资助吸引力度，以控制AI教师流失；英国政府将在4年内投入专项经费来培育8000名计算机科学教师，以保证每所中学都拥有一名合格的计算机科学教师^[15]。目前，国内多数师范院校已开始尝试在教育技术学专业的培养方案中增设人工智能相关课程，但受限于教材、课时和师资等，这些课程一直以选修课的形式存在。因此，师范高校应大幅提高人工智能在教育技术学专业人才培养方案中的比重，以实现教育技术学专业的“智能化”改造升级，重构“智能教育”新专业。例如，北京师范大学、东北师范大学、西北师范大学、南京师范大学等高校已将人工智能相关课程作为专业主干（方向）课；西北师范大学已开设全国首个“智能教育”博士点，并与科大讯飞联合培养教育信息化治理和智能教育方向的博士研究生，通过校企合作培养高层次智能教育专业人才。

四结语

AI教育既是培养多层次人工智能人才的必要之举，也是促进人工智能应用、推进智能教育发展的必经之路。随着国家人工智能教材建设的推进，高中教材已逐步应用，小学和初中教材建设已提上日程，大学教材日益增多，课程、教材、实验室、教学方法等逐步完善，多层次AI教育体系将逐步形成和落地。长期以来，各级各类学校积极开展创新教育，项目式学习、STEAM教育和创客教育逐步融入更多的人工智能要素，AI教育将成为智能时代创新教育的升级方向。AI教育在不同教育阶段的目标层次和任务各有侧重，结合学习者特点和教育实际情况，因地制宜开展AI教育是推进智能教育发展的必然选择。随着理论研究和实践探索的逐步深入，AI教育将随着智能时代教育的整体变革而发展，推进中国特色智能教育体系不断完善。

参考文献

[1]The House of Lords Select Committee on Artificial Intelligence. AI in the UK: Ready, willing and able?[R]. UK: The Authority of the House of Lords, 2018:77-80.

[2]European Economicand Social Committee. Coordinated plan on the development of artificial intelligence in Europe[OL].<https://www.eesc.europa.eu/en/our-work/opinions-information-reports/opinions/coordinated-plan-develop

ment-artificial-intelligence-europe#>

[3]方圆媛,黄旭光.中小学人工智能教育:学什么、怎么教——来自“美国K-12人工智能教育行动”的启示[J].中国电化教育,2020,(10):32-39.

[4]国务院.国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知[OL].

<http://www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm>

[5]教育部.教育部关于印发《高等学校人工智能创新行动计划》的通知[OL].

<http://www.moe.gov.cn/srcsite/A16/s7062/201804/t20180410_332722.html>

[6]中央电化教育馆.中央电化教育馆关于成立人工智能教育专家组及工作组的通知[OL].

<https://www.ncet.edu.cn/zhuzhan/tztgao1/20191226/5302.html>

[7]杨洵.浅谈国内人工智能教育的发展现状[J].信息技术与信息化,2018,(7):148-151.

[8]刘邦奇,王亚飞.智能教育:体系框架、核心技术平台构建与实施策略[J].中国电化教育,2019,(10):23-31.

[9]刘邦奇,吴晓如.中国智能教育发展报告[M].北京:人民教育出版社,2019:28-34.

[10]艾伦.做智能化社会的合格公民——探讨智能化时代人工智能教育的核心素养[J].中国现代教育装备,2018,(8):1-14.

[11]汪明.基于核心素养的学生智能素养构建及其培育[J].当代教育科学,2018,(2):83-85.

[12]郭绍青,杨鸿武.中小学人工智能技术与工程素养教育——走进智能社会的“底气”[N].中国教育报,2018-7-7(3).

[13]Kandlhofer M, Steinbauer G, Hirschmugl-Gaisch S, et al. Artificial intelligence and computer science in education: From kindergarten to university[A]. 2016 IEEE Conference on Frontiers in Education (FIE)[C]. Piscataway: IEEE, 2016:1-9.

[14]国家标准化管理委员会.国家新一代人工智能标准体系建设指南[OL].

<https://www.miit.gov.cn/n1146285/n1146352/n3054355/n3057497/n3057502/c8048365/part/8048381.pdf>

[15] 刘进,钟小琴.全球人工智能人才培养政策比较研究:以中美英加4国为例[OL].

<http://kns.cnki.net/kcms/detail/50.1028.g4.20200513.0859.002.html>