特约文章丨生态视域下区域中小学人工智能教育的创新实践

文 / 李晓晓，谢忠新

摘 要：

本文立足联动、开放、共生、演化的生态视角，构筑区域中小学人工智能教育生态，提出中小学人工智能教育区域推进的六项重点任务，阐述了浦东新区中小学人工智能教育的具体实践，以期为其他区域整体推进人工智能教育提供系统性视角及创新路径参考。

关键词：

人工智能教育；人工智能素养；教育生态；区域推进

人工智能成为引领科技产业革命的战略性技术，培养公民与智能时代相匹配的能力素养，推动人工智能教育纵深发展，已然成为智能时代的重要课题。国家人工智能教育政策持续发力，连年列入教育信息化相关工作要点，写入义务教育和高中信息技术课程标准，积极推进各类人工智能教育试点及基地建设。各地纷纷展开人工智能教育进校园的探索，除了中小学校自主性探索人工智能教育校本化实施途径，在部分年级、部分学生中开展人工智能教育活动试点外，部分区域通过行政发文推出加强人工智能教育的政策意见，积极布局区域人工智能教育。在人工智能教育区域推进的实践层面，由于涉及不同类型的部门机构，且这些机构互不隶属，责任边界模糊，形成“多中心” 态势，缺乏区域统筹协作的管理机制，实际推进效果有限。上海市浦东新区 2020 年入选成为教育部“基于教学改革、融合信息技术的新型教与学模式”实验区，实验内容之一是“区域推进面向计算思维培养的人工智能与编程教育”。2022 年入选成为第一批“央馆人工智能课程”规模化应用试点区。浦东新区以此为契机，进一步提高站位、放眼全局，对区域推进中小学人工智能教育进行深入思考、顶层设计，立足学生素养培养，构筑区域人工智能教育生态，破解中小学人工智能教育实施困局。

1 中小学人工智能教育区域推进的优势

在国家政策的推动下，人工智能教育在我国发展迅速，全国各地多个城市相继设立实验校并建设了多种形式的校本课程，积极推进中小学人工智能教育。但在具体实施的过程中还存在着一些问题。《2022 人工智能教育蓝皮书》分析了人工智能课程教学的受限因素，认为技术支持、专业师资、学生基础缺乏、经费支持等因素影响了人工智能教育活动的开展。卢宇等认为人工智能教育实施中存在课程定位比较模糊、教学内容难度分化较为严重、教师缺乏专业知识储备，以及缺少相应教学策略等问题。浦东新区通过问卷调研、会议研讨、入校走访等方式调研摸排区域内中小学人工智能教育现状及需求，综合受访者反馈数据显示，教学平台、课程资源、教学工具、师资力量对人工智能教育活动组织实施至关重要，目前这四个方面因素的需求比较集中，成为制约中小学人工智能教育实施的短板。

人工智能课程研发、资源开发、平台建设、硬件采购这些往往都需要较大人力、财力投入，也需要协同人工智能企业、高校及研究院所等组织机构充分发挥各自的优势。从学校层面开展人工智能教育存在较大局限性，如缺乏协同机制、平台资源支撑力不足等，导致难以形成可持续发展地长效机制。区域推进可以实现资源的共享和优化配置，避免单校推进时可能出现的资源重复投入和浪费。通过教育行政机构牵头，加强跨部门协作的顶层设计，促进多元供给主体间的互动，更高效地统筹各类教育资源，如人工智能课程资源、优质教师、教学设备、科研成果等，从而提升区域人工智能教育实施质效。

2 浦东新区中小学人工智能教育生态的构筑

中小学人工智能教育区域推进是一项需要多部门协同治理、多元供给主体互动的复杂系统工程，影响因素非常多，因此迫切需要一个能够统筹诸多人工智能教育实施影响因素实现良好有序、共生发展的路径。生态学强调关注系统属性、组成要素，以及要素之间有序联动的观点，为这个问题的解决提供了新的研究视角。

2.1 理论依据

创新生态系统理论孕育于 20 世纪 90 年代，国内外学者们从不同角度提出对创新生态体系的理解，目前尚未形成统一界定。但是对于创新生态系统的特征，有一些共性的说法，认为创新生态系统具有联动、开放、共生、演化等生态特征，既关注系统的属性与构成要素，又强调各要素的相互依赖与有机互动，以最大程度发挥整体效能。区域推进人工智能教育涉及政府、学校、企业、教育主体、支撑要素、支持环境等多方要素，聚焦在学生人工智能素养提升的过程中形成开放、共享、协同、共生、不断演化的育人模式，其在组织结构和属性方面具有鲜明的创新生态系统特征。

2.2 浦东新区中小学人工智能教育生态模型

区域中小学人工智能教育生态构筑以创新生态系统理论为依据，系统思考影响人工智能教育的诸多要素（如学生、教师、课程、资源、硬件设备、软件平台、教学活动组织等）之间如何良好、有序的运作，聚焦学生人工智能素养培养形成开放、共享、协同、共生的可持续发展的育人模式。

图 1 浦东新区中小学人工智能教育生态模型

如图 1 所示，浦东新区中小学人工智能教育生态包含宏观“区域系统协同层”、中观“学校群落互动层”、微观“课堂教学实践层”三个生态圈层。

在区域系统协同层，构建了由浦东教育局牵头、各实验学校主体实施、高校及研究院专业引领、AI企业技术支撑的“政 - 校 - 研 - 企多方协同机制，形成开放共享的区级场域。同时，研发区域人工智能课程体系，以及协同部署人工智能教学硬件、人工智能教育区域大平台、人工智能课程教与学资源等。

在学校群落互动层，根据同一学段学生基础不同设置了“基础课程校—进阶课程校—实验创新校” 分层培养的学校群落，部署了小学、初中跨学段衔接培养的学校群落，探索分层进阶群落的人工智能教育互动机制、推进策略等。

在课堂教学实践层，面向真实问题解决，实践素养导向和拔尖人才早期培养的人工智能教学新模式。转变传统教学方式，突出学生主体，注重启发式、互动式、探究式教学，面向真实问题解决实施“体验 -理解 - 实践”教学和“主题式研究性学习”。

3 浦东新区中小学人工智能教育的重点任务

浦东新区基于区域中小学人工智能教育生态的整体架构，聚焦区域系统协同层、学校群落互动层、课堂教学实践层三个生态圈层精准发力，打造适合学生人工智能素养培养的圈层环境，形成中小学人工智能教育区域推进的六项重点任务，如图 2 所示。整体而言，浦东新区推进中小学人工智能教育并非直接选用某个企业的人工智能产品课程，而是首先研究确定中小学生人工智能素养的目标和相应的学习内容，再基于学习内容选购多家企业合适的人工智能硬件产品、教学平台与编程平台，并汇聚多家企业的人工智能教与学资源。基于上述基础支撑要素，思考、探索与构建浦东新区中小学人工智能教育教学新模式，以及学生人工智能素养测评新方式。

图 2 浦东新区中小学人工智能教育推进的重点任务

3.1 研究确定中小学生人工智能素养内涵与要求

对于青少年而言，技能与工具的学习是短期的，但思维与素养的培养却能广泛应用于学习和生活，长期受益。整体提升区内中小学生的人工智能素养是浦东新区推进中小学人工智能教育的总目标，也是区域人工智能教育生态实现可持续发展的价值追求。新一代人工智能技术发展对中小学生人工智能素养提出了新要求。我们研究了国际、国内关于人工智能素养方面的相关成果内容，厘清了新一代人工智能背景下的中小学生人工智能素养的内涵，明确了中小学生人工智能素养包括人工智能意识、知识、能力、思维和态度伦理五大要素。其中，特别关注学生应用人工智能技术解决问题的能力，强调以计算思维为主的各种思维培养，并且进一步强化新一代人工智能技术背景下，对人工智能相关原理、技术的学习，培养学生形成合理、合规、合法、安全地使用人工智能的意识。

3.2 设计完善学段贯通的人工智能课程学习内容

浦东组建专家团队，开展课题研究，构建贯通小学、初中、高中的人工智能与编程教育课程体系，设计课程内容，按照“认知—理解—应用—实践—创新”的课程框架，课程内容的广度和深度从低年级到高年级逐层递进，小学阶段侧重于“感悟”，初中阶段侧重于“体验”，高中阶段侧重于“创新创造”，通过体系化的课程内容帮助学生奠定良好的人工智能知识、技能、伦理的基本功。小学、初中设置“基础课程—进阶课程—拓展课程”三类课程学习内容，小学涵盖“生活中的人工智能”“有趣的数据”“神奇的算法”“人机对话”等九大学习主题；初中涵盖“机器学习初探”“图像识别”“智能语音”等十大学习主题。通过系列课程组合的方式满足不同学校、不同学生的差异化需求，伴随新一代人工智能技术的发展，不断对各学段课程学习内容进行迭代优化。随着 ChatGPT 等大语言模型等出现，小学将进一步强化对话生存能力和语言理解能力的认识；初中将更加强调对生成式 AI 的理解，以及学习如何更好地使用生成式人工智能工具。

3.3 统一选购人工智能学习内容配套的硬件设施

浦东新区遴选确定百所人工智能教育实验校（小学、初中各 50 所学校），并从百所实验校中遴选确定了 30 所进阶校（小学、初中各 15 所学校），以及六类人工智能教育主题实验中心。在此基础上，区域统一选购了与人工智能课程学习内容相匹配的硬件设施，为小学基础课程校配备了人形机器人和教学 / 学习平板，能融合人工智能核心技术，让机器人完成指定的场景任务；为小学进阶课程校提供了拼搭模块、开发板等各类传感器，学生可利用语音合成、人脸识别等人工智能技术来开发一些简单的应用项目。同时，为初中基础课程校配备了象棋机器人、车型机器人等硬件；为初中进阶课程校配备了可用于开展各类人工智能应用实践的教育实验箱。

3.4 整合优化人工智能教育软件平台和数字资源

组织人工智能教育活动需要有相应的教学平台和人工智能编程平台，浦东新区统一选购、整合、优化形成了小学教学平台、初中教学平台和人工智能编程平台，用以支持教师开展人工智能课程内容的备授课，以及学生开展人工智能相关的体验、理解、实践和探索活动。通过人工智能基础支撑平台，实现对学生人工智能学习数据的汇聚、分析与评价。同时，小学生和初中生学习人工智能特别需要互动体验、动手实验与验证的软件类学习资源，浦东新区在区域人工智能教育平台上，为教师教学和学生学习提供了感知类资源、互动体验类资源、理解类资源和实验/验证类资源这四类资源，并且组织中心组教师与专家为学校教师深度打磨教学内容，提供教学设计、教学课件、学习任务单等。

3.5 分层次探索素养导向的人工智能教学新模式

在区域中小学人工智能教育生态中，区域系统协调层的多元供给主体优势联动，保障中小学校人工智能教育学习环境。基于人工智能课程内容、与课程内容匹配的教学硬件、软件平台，以及丰富多样的数字化资源，浦东新区进一步聚焦学校群落互动层与课堂教学实践层，分层次研究与探索构建素养导向的人工智能教学新模式。例如，在人工智能基础课程校教学中，研究构建了素养导向的人工智能“体验 - 理解 - 实践”教学模式。以小学计算机视觉学习单元中的“人脸识别”一课为例，在体验环节，教师利用教与学平台，以及体验类资源、“小飞” 机器人组织与指导学生体验“计算机视觉”的功能与作用；在理解环节，结合四类资源，通过学生体验、实验与教师讲解的方式，帮助学生理解计算机视觉的简单原理、技术思想、伦理道德等；在实践环节，基于人工智能编程平台、项目活动资料，以及人工智能硬件，开展计算机视觉相关的编程项目，组织学生开展项目任务分析、动手编程与调试、作品交流等。各实验校在人工智能教学实践中，可以基于初步构建的教学模式进行个性化的优化与调整。

3.6 探索多模态数据融合的人工智能素养新评价

将人工智能素养内涵细化形成具体的中小学生人工智能素养评价指标体系，依据具体评价指标进行数据“制证”，确定各项指标对应的数据（结构化数据和非结构化数据）证据，构建与评价指标形成对应关系的数据证据库。基于数据证据库中的数据需求从学生日常人工智能学习全过程中进行“取证”，通过设计各类数据埋点，记录并采集学生编程轨迹数据、真实情境测评数据、人工智能课堂参与数据等多模态数据，并通过多种方式进行数据处理、建模与可视化，进行数据“呈证”。基于数据分析结果进行“用证”，进一步反哺人工智能课程课堂教学的设计和实践，实现“以评促教”的教育目标。

4 浦东新区中小学人工智能教育的实践推进

浦东新区自 2020 年开始推进中小学人工智能教育，连续多年在教师队伍建设、课堂教学实施、学生素养评价、专项课题研究等方面持续发力。

在教师队伍建设方面，持续开展教师人工智能教学胜任力调查研究、教师培训等工作。自 2020 年推进人工智能教育进入中小学伊始就关注其教师队伍建设，研究中小学人工智能学科教师胜任力模型，开展教师胜任力调查。基于调查数据，分批次、分层次开展了系列人工智能教师培训。2021 年开展了第一轮教师培训，培训主题主要以人工智能本体性知识为主；2022 年开展第二轮教师培训，培训主题更多地关注人工智能课堂教学的实践性知识。通过组织大规模人工智能专题师资培训，破解人工智能教育教师自身能力储备瓶颈，帮助教师完善修正自身关于人工智能知识建构，掌握设计人工智能教学的理论与方法、知识与技能，更加从容地设计和开展人工智能课程教学。

在课堂教学实施方面，全面推进百所中小学实验校的人工智能教育教学实践。浦东新区加强区域跨部门协同治理、多元供给主体互动，形成开放共享的区级场域，完成了区域人工智能课程体系及学习内容研发、各学段各类型实验学校人工智能教学硬件的统一选购、区域人工智能教育平台的整合及优化、人工智能课程四类数字化教与学资源的打磨，全方位保障了人工智能教学实施的基础支撑要素，在百所中小学校全面推进人工智能教育教学实践，依托数据驾驶舱跟踪记录区域中小学人工智能教育推进整体情况，如图 3 所示。此外，建立常态化的课堂教学实施有效推进机制，定期召开推进会议、建立磨课制度、组织入校服务、开展现场巡课、组织公开教研等，凝练集体智慧提升课程设计质量，全程跟踪与优化入校服务质效。

图 3 浦东新区中小学人工智能教育数据驾驶舱

在学生素养测评方面，开展学生人工智能素养测评设计与素养水平前测。学生人工智能素养测评题目的设计，关注基于真实情境的问题分析与解决。创建一定的真实问题情境，通过学生分析解决真实情境问题时的人工智能意识、知识、能力、思维、态度与伦理等方面的表现来评估学生的人工智能素养水平。从前测数据中也能发现学生具备一定的人工智能基础知识，但对于应用人工智能来解决问题的能力还有待提高，且仅 15.11% 学生有人工智能数据安全意识，在计算思维方面还有较大提升空间。

在专项课题研究方面，持续开展人工智能教育相关的课题研究。课题研究是使用科学的研究方法探索教育的客观规律过程，人工智能在中小学教育中是比较新颖的内容，因此需要以课题研究的牵引提升。从 2020 年至今已开展了三个市级课题研究，研究主题分别为“面向计算思维的初中人工智能教育的实践研究”“区域中小学人工智能教育生态构建研究”“基于多模态数据融合的中小学生人工智能素养评价研究”。课题聚焦人工智能教育实施涉及的课程内容、软硬件设备、数字资源、教学模式、师资培养等要素，以及要素间的生态协同展开研究，探索如何根据学生的特点和需求，设计和实施更有效的教学策略和方法，从理论层面指导区域中小学人工智能教育推进。

5 中小学人工智能教育的一些思考

我国中小学人工智能教育正在逐步进入快速发时期。构筑区域人工智能教育生态，整体推进中小学人工智能教育有助于统筹教育资源配置，协同多元供给主体实现人工智能教育基础支撑要素的共建共享，形成集合效应。当然，开放共生、动态演进是生态的显著特征，人工智能教育的各影响因素在发展中也需要升级迭代，生态各个圈层内部，以及圈层相互之间的有机互动也是在实践中不断磨合的，反思、完善、优化应贯穿人工智能教育始终。

其一，以 ChatGPT 为代表的大语言模型已经展现出强大的程序代码编写能力，那么大语言模型背景下的中小学编程教育应走向何处？我们认为，尽管人工智能工具可以帮助人们编写代码，但它无法代替人们的思考过程和解决问题的能力。在这样的背景下，人工智能教育的学习内容需要顺势而变，不应该过多地关注人工智能编程技巧，而是应该更加关注学生的计算思维，以及用人工智能技术来解决问题的能力。

其二，拔尖创新人才必备的许多重要素质是在基础教育中培养和发展起来的，浦东新区打造智能语音、计算机视觉、VR/AR、机甲大师、机器人联盟等六类人工智能实验中心，为那些对人工智能更感兴趣的、基础较好的学生提供进一步体验、理解和探究人工智能的学习环境。在区域全面铺开推进中小学人工智能普及教育的同时，如何识别、发现少部分具有人工智能学习潜质的学生，并基于各类实验中心为其提供与学习需求匹配的学习供给，促进学生在人工智能特长领域的充分发展，尚需要进一步的思考与探索。

（参考文献略）

李晓晓

上海市浦东教育发展研究院中级教师。主要研究方向为教育信息化和信息科技课程教学。

谢忠新

上海市浦东教育发展研究院教育信息技术部主任，正高级教师、特级教师。主要研究方向为教育信息化和信息科技课程教学。

选自《中国人工智能学会通讯》

2024年第14卷第3期

人工智能与智慧课堂专题

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