中小學如何構建人工智能課程

　　編者按

　　中小學開展人工智能教育，課程是關鍵要素之一，人工智能課程既要符合國家人才培養戰略，又要尊重人工智能技術發展規律。人工智能課程如何與實際相結合？如何在有限的時空內達到更好的教育效果，使學生理解AI、提升AI應用能力？圍繞以上問題，本期專刊邀請專家、學者和一線教師進行探討。

　　近年來，人工智能技術進步迅速，應用廣泛，引起社會各界廣泛關注。同時，社會各界對在中小學要不要開展人工智能教育已經形成了廣泛共識，特別是隨著多項文件的出臺，各地各校積極增設人工智能課程，但對于中小學究竟要開展什么樣的人工智能課程則是很多學校和教師面臨的首要問題。

　　1 人工智能教育內在地 具有跨學科性質

　　人工智能表面上看起來是工程和技術，但其實在工程和技術的背后起基礎支撐作用的是數學與科學。那中小學開展人工智能教育究竟應該教什么？是以教工程和技術為主，還是要下沉到數學和科學？

　　筆者認為，鑒于基礎教育的基礎性，人工智能教育需要在教工程和技術的基礎上能夠下沉到數學和科學。所謂基礎教育的基礎性，是指無論學生長大后從事什么職業都需要用到的知識與能力，這是在基礎教育階段需要教給他們的。對于中小學的人工智能教育來說，也應該貫徹這個基本原則。尤其是現在的人工智能在工程和技術層面迭代速度持續加快，很多內容還沒有來得及轉化到課程就已經過時。而相應地，在人工智能領域內，科學和數學層面的內容卻具有相對的穩定性，而且也具有更強的基礎性。

　　因此，中小學人工智能教育需要從工程實踐和技術應用開始，逐漸下沉到數學與科學的底層基礎。這在國家高度重視基礎研究，日益重視科學教育的情況下，顯得更加有必要。

　　如果在中小學人工智能教育中需要從工程和技術開始，下沉到數學與科學，就需要把握好這四個不同學科之間的層次關系，實現真正意義上的跨學科教學。

　　要想做到真正意義上的跨學科教學，首先需要弄清楚學科與學科之間的聯系，即澄清科學、技術、工程與數學四者之間究竟是什么關系。

　　仔細思考會發現，工程的背后是技術，技術的背后是科學，科學的背后是數學。所謂工程，就是利用工具來改造世界，這叫工程實踐。任何工具都是技術的物化體現。而技術之所以有效，是由科學原理來保證的。科學原理之所以科學，又離不開數學證明。例如，用吊機蓋一棟大樓叫工程，吊機這種工具本質上是一個桿杠，杠桿就是技術，保證杠桿有效的杠桿原理就是科學。而杠桿原理是靠數學“算”（即證明）出來的。

　　2 中小學人工智能課程宜分為體驗、通識和拓展三類

　　搞清楚人工智能背后的跨學科實質，中小學人工智能課程究竟應該如何構建就清楚了。課程構建是教育研究的一個基本范疇，它系統性地回答了教什么、怎么教和用什么教的問題，對于教育實踐具有基礎性的價值。在這三問中，第一問最重要。因為教什么決定了怎么教，怎么教決定了用什么教。因此，我們可以把中小學的人工智能課程劃分為三種基本類型。

　　第一類可以被稱為體驗課，定位是讓學生對人工智能形成初步感知。要讓學生對人工智能形成初步感知，離不開各種人工智能技術產品，因此這一類課程是基于人工智能技術產品的。目前這一類課程也是最常見的。但是中小學的人工智能課程不能僅僅只是停留在感知的淺層次上。拿小學來說，一共有6年的時間，一次感知、兩次感知，學生會覺得新奇，但時間長了，學生不會覺得新奇，甚至還會心生厭煩。這時就需要第二類課程，即人工智能通識課。

　　人工智能通識課是在體驗課的基礎上，讓學生能夠進一步理解他初步感知到的東西背后的道理。這不能限于體驗各種人工智能的技術產品，而要立足人工智能這個學科。從這一意義上來說，在中小學之所以能有一門叫作人工智能通識課，首先是因為在學科之林中有一門叫人工智能的學科。不同于體驗課，人工智能通識課應該是學科本位的，需要向學生全面呈現這個學科最基本的概念、公設、原理，以及思想方法，如此等等。

　　在人工智能通識課的基礎上，還需要有第三種類型的課程，即人工智能拓展課。這類課程的目的是在感知和理解的基礎上展開深化遷移、整合應用。它是立足真實問題、面向現實世界的。這時候，各種人工智能的技術工具，就又變得不可或缺。但其目的已經不是簡單的感知和體驗了，而是超越了感知和體驗，在理解和認知基礎之上的創新應用。

　　3 以跨學科滲透構建中小學人工智能課程

　　如何在實踐中具體構建并實施一門跨學科的中小學人工智能課程呢？

　　在這里，我們可以打一個比方。中小學人工智能跨學科課程的構建就像做一個“洋蔥”。要做一個“洋蔥”，首先得有一個“洋蔥芯”。課程開發人員需要在這個“洋蔥芯”外面裹上一層，再裹上一層。這樣一層一層地裹上去，就做出來了一個“洋蔥”。在這個過程中，把與人工智能這個學科有關的數學、科學、技術、工程等方面的內容以及更為深層的世界觀和方法論依次滲透進去。這就是以跨學科滲透建構人工智能課程。“洋蔥”做出來后，在教學中，讓學生“剝洋蔥”。學生剝了一層，發現還有一層，這樣一層一層剝下去，一直剝到“洋蔥芯”為止。這就是教學實施，同時也是學生學習的過程。

　　學生要想剝到“洋蔥芯”，不僅要動手，還要動腦。只動手不動腦，或只動腦不動手，都做不到。如果說這是一個從現實生活的經驗世界出發，先后經歷垂直應用（工程）、關鍵技術（技術）、基本原理和基礎概念（科學）等幾個階段，最后到達抽象的數學世界（數學）的過程，那么課程建構遵循的則是一個相反的邏輯進程。

　　杜威曾說：教育即經驗，教育即經驗持續不斷的改組與改造。前半句話里的“經驗”其實是個動詞。這個動詞的“經驗”的意思就是后半句話中作為名詞的“經驗”的持續不斷的改組與改造。現實生活、垂直應用、關鍵技術、基本原理、基礎概念、抽象世界這一層層的“洋蔥”提供的都是經驗，但這些經驗的層次不同，是漸次上升的，即從具體到抽象。這就是杜威所謂的“經驗”的“持續不斷的改組與改造”。

　　只有經驗，沒有經驗的持續不斷的改組與改造，不是教育。不管這些經驗是具體的，還是抽象的。回想我們是如何學會一加一等于二的呢？它一共包括三步：第一步是在家里完成的，即一個蘋果加一個蘋果等于兩個蘋果；第二步是一根棒棒加一根棒棒等于兩根棒棒；第三步是一加一等于二。后兩步是在學校中完成的。直接告訴學生一加一等于二不是教育，一直數一個蘋果加一個蘋果等于兩個蘋果也不是教育。因為這里只有經驗，但沒有經驗的持續不斷的改組與改造。只有從“一個蘋果加一個蘋果等于兩個蘋果”到“一根棒棒加一根棒棒等于兩根棒棒”，最后到“一加一等于二”才是教育。

　　可見，遵循這樣的邏輯，學生才能建立對人工智能的真正理解并掌握。之所以人工智能課程既要有體驗課，也要有通識課，還要有拓展課，就是這個道理。

　　（作者系華中師范大學教授）