中小学人工智能课程现状、困境与改进策略

人工智能已渗透至社会各领域，成为推动社会进步的核心驱动力。人工智能教育的重要性日益凸显，世界各国纷纷将人工智能课程纳入中小学教育体系。教育部要求2030年前在中小学普及人工智能教育。广州市率先推出中小学人工智能课程落地政策。2023年7月，广州市增加了人工智能课程作为地方课程。然而，由于人工智能课程尚处于探索阶段，其在实践过程中面临诸多挑战，影响和制约了人工智能教育的建设和发展。

调查对象包括广州市各区的教研员、信息科技（人工智能）课程的在职教师及实习教师，旨在全面了解和分析广州市中小学人工智能课程的开设状况、教学资源的应用、教学过程中遇到的难点与问题，分析教师群体对于人工智能教育的认知水平、接受程度以及个性化需求，深入了解中小学教师对于人工智能课程的认知、态度、需求及其建议。

问卷具体分为以下5个维度：课程开设情况，教材和教学资源的使用情况，教学难点和问题，教学改进和意见，教师对人工智能课程的认知、态度、需求和建议，共计16个问题。

访谈设计了4个开放性描述问题，旨在深入探讨被访谈者所在学校的人工智能教育开展细节、实际教学状况、政策实施的效果体会以及对人工智能课程的具体建议。本次访谈的对象包括来自广州市各区共计24名教研员和在职一线教师，访谈形式为线上访谈和线下访谈相结合。

对于“您认为应该在中小学推广人工智能课程吗？”的问题，超过80%的人表示“非常同意”或“同意”，特别是在高中和初中阶段，大多数教师对人工智能课程持较高的认同度和支持度；而在小学阶段尤其是低年级，教师对此的态度则相对较为保守。14.7%的人表示“一般”，说明部分教师对于人工智能课程的开设有一定的疑虑和保留，通过后续进一步的访谈发现可能是认为人工智能课程的内容难度、形式方法等方面还有待改进和完善；无人表示“不同意”或“非常不同意”。

当前广州市中小学人工智能课程的开设方式主要有4种：人工智能课程内容融于信息技术课程中；共享学时课程（占用信息技术课程学时）；独立课程；兴趣班、竞赛班、社团等方式。调查结果显示，课程以兴趣班等方式开设占比58.82%；人工智能作为独立课程开设占比41.18%。在后续进一步的访谈中发现许多学校极力呼吁设立人工智能课程的独立学时，以更好地满足人工智能课时量保证的需求；其次人工智能课程与信息技术课程共享学时的开展方式和将人工智能课程融入信息技术课程中的开展方式则依次递减，分别占35.29%和29.41%。按照后续访谈的内容进行关键词提取和分析后，主要分成3种主要的课程组织形式：按照课表规划正常上课、由社团开展、常规课程和社团两者相结合。不同的学校根据自己的实际情况和需求，选择不同的人工智能课程开设方式。

从问卷分析结果可知，统计学校中的人工智能课程已基本覆盖人工智能基础领域各个方面,但不同课程形式侧重的教学知识又有所不同。在“人工智能课程内容融于信息技术课程”和“共享学时”开展方式中，仍然以传统的信息技术课程内容为主体，人工智能课程内容仅是信息技术课程的延伸和拓展，占用学时较少。在独立课程以及专门针对兴趣班、竞赛班、社团的开展方式中，教学的侧重点则更加侧重于“编程课程”，同时也是各个教学内容覆盖程度最高的开展形式，这要求学习者不仅要掌握编程语言的基础语法，还须不断适应快速迭代的人工智能技术变化，学习高级算法、数据结构、机器学习等复杂概念^[1]。不同类型的课程根据各自的特点和目标，设置了相应的教学内容，既涵盖人工智能的基本理论知识，又注重实践操作和技术应用，有利于全方位培养学生的综合素质和创新能力。

广州市教育研究院编写了《人工智能》教材^[2]，广州市电化教育馆负责研发了中小学人工智能的学习平台^[3]，广州市教育局统一向学校发放了广州中小学人工智能教学平台的账号和统一出版的配套教材。调查结果显示超过半数受访教师群体对现行的人工智能课程教材都给予了积极评价，表明广州市中小学人工智能课程系列教材应用取得了一定成效，尤其在反映科技前沿、内容编排合理度、跨学科融合等方面得到了多数教师的认可。

根据问卷调查数据，可以看出超过1/3的教师认为课时量少是最主要的困难（如图1所示）。对教师而言，须在有限时间内高效整合多种跨学科知识点，同时保证学生能有足够的动手实践机会，这对教师的教学设计和课堂管理提出了极高要求；而对学生来说，在课时量严重缺少的情况下快速跟进紧凑的课程进度、完成大量的理论学习和实操训练任务，极有可能导致他们感到较大压力，从而难以扎实地掌握人工智能的基础知识和技能。访谈中老师们也普遍反映由于学科本身的综合性与前沿性特点，当前的课时安排难以满足其教学需求。

学生的基础知识和基本操作技能薄弱是第二大困难（如图1所示）。在对广州某中学教师深入访谈的过程中发现人工智能课堂上，许多学生接触Python等编程语言时感到困难重重，缺乏对计算机编程的学习和实践，无法快速理解和掌握编程的基本逻辑与语法结构，直接影响学生下个阶段对机器学习、深度学习等前沿人工智能技术的掌握程度，以至于难以跟上整体人工智能课程的进度和难度，也难以体会人工智能课程的意义和价值。

在访谈的过程中，许多受访者都明确提出现有教学设施在支撑人工智能教学方面显现出明显不足，尤其在硬件资源方面尤为匮乏，同时表达了当前硬件环境对人工智能教学的限制以及对未来硬件设备改进的具体期望。虽然广州市中小学人工智能教学平台中的“虚拟实验室”模块为学生提供了模拟实验环境，在一定程度上降低了成本并实现了资源共享，但是在培养动手能力和积累实践经验上仍存在局限性，单纯依赖云计算机室及虚拟平台进行实验教学是无法替代真实物理环境下的实操体验的。

面对新兴的人工智能教育领域，由于人工智能涵盖机器学习、深度学习、自然语言处理等多个复杂且快速发展的子领域，教师的专业素养和教学能力显得尤为重要。在访谈过程中发现，部分学校中的科学教师或其他非计算机和人工智能学科背景的教师被要求承担起人工智能课程的教学任务，然而他们往往缺乏人工智能专业教育和培训经历，没有经过系统学习和实践的教师在教授这些内容时，难以深入浅出地讲解理论概念、技术原理和设计恰当的教学活动来确保学生掌握核心技能。

不同学段之间内容衔接不足，指的是未能形成一个从易到难、由浅入深的知识链。初中阶段学生需要重新适应新编程环境和复杂逻辑思维，这使得他们在实际操作时感到困扰，难以将先前所学与新知有效融合。部分学校在开设人工智能课程时，试图涵盖机器学习、数据处理、算法设计等多个领域的内容，具有一定的深度和难度，超出了学生当前的认知水平和理解能力范围。因此，针对不同学段的人工智能课程设置，学校应充分考虑学生的认知发展规律和学科内在逻辑，逐步完善课程内容的梯度设计，确保知识结构的连贯性和递进性，并积极探索跨学科融合的教学模式。

1）进一步优化顶层设计，构建中小学人工智能贯通式课程框架。

面向未来，围绕当前问题，进一步优化顶层设计，面向中小学人工智能教育制订科学、前瞻并具有可行性的行动计划与政策，从课程目标、课程内容、课程开发、课程实施、课程评价全面推进，不断完善人工智能教育和课程体系。目前，人工智能教育主要依赖于信息技术、STEM、创客、计算机科学等课程的融合来实施^[4]，但其课程目标仅作为这些主课程目标的补充部分。虽然人工智能在义务教育和普通高中信息技术（科技）课程标准中均占有一定的笔墨，但是其并未给出具体的课程目标和知识体系，导致知识碎片化现象严重^[5]。中小学人工智能课程设计需要充分考虑学生的认知发展阶段特性，从认知到理解，再到应用、实践直至创新，形成一套符合学生认知发展规律的递进式贯通式课程框架，以确保学生能接受到系统的人工智能教育，有效解决当前人工智能教学内容两极分化的问题^[6]，构建全面的人工智能教育良好运转的环境。

2）以大单元的方式推进人工智能教育，注重对思维能力的培养。

中小学人工智能教育要走出依赖资源、硬件拼搭、过于强调编程的技术漩涡，要以人工智能大概念为核心，以大单元的方式推进人工智能教育，注重对思维能力的培养，将“数据”“算法”“计算思维”“信息系统和社会”等关键概念和相关知识点组织成为有结构的知识体系，将结构化的知识体系嵌入真实的生活情境中，将真实情境与任务背后的“真实世界”直接作为课程的组成部分^[7]，让学生运用某种或多种人工智能知识完成真实的人工智能任务，实现课程与生活的关联，让学生在真实的情境中感受与理解人工智能解决问题的技术思路和理论方法^[8]，深入理解算法思维，经历从硬件到软件再到系统成品的完整过程。

3）强化执行力度，完善督评机制。

在访谈过程中，许多一线教师表示，虽然广州市教育局已经下发正式的文件明确将人工智能课程纳入全市中小学校的地方必修课程体系并设定相应的课时要求和教学目标，但是实际上学校内部并未完全按照标准执行。因此，相关部门需要强化执行力来敦促各学校积极调整教学计划、改善资源配置。同时，还须构建一套完善的网络监督和指标体系^[9]，包括设立广州市中小学人工智能教学管理与监督平台，确保信息收集与反馈的时效性与真实性，构建一个涵盖教师、学生、家长、教育管理部门、第三方人工智能专业机构等多方参与的评价与监督体系，共同探索和设计符合地区特点的人工智能教育体系。

4）建立科学的教与学评价体系。

当前中小学人工智能课程实践中的学习评价标准、评价内容、评价工具等，均缺乏一定的科学性、全面性与可推广性^[10]。根据人工智能课程的特点，培养学生具备人工智能思维、人工智能意识、人工智能知识、人工智能技能、人工智能伦理与责任，完成人工智能作品并能良好地呈现和表达，应尤为注重评价目标、评价方法、评价主体、评价内容的多元化，切实落实发展性评价、过程性评价和表现性评价的实施，建立完善的适合中小学人工智能课程教与学的多元评价体系。

5）加大配置软硬件资源。

调查结果显示普遍存在硬件设施不足、软件资源不完善的问题，这无疑极大地制约了人工智能教育在实际课堂上的有效开展。硬件设施是支撑人工智能课程的基础，包括高性能计算机、智能机器人、传感器等实验设备以及稳定的网络环境^[11]。在硬件设施层面，学校应当根据实际教学需求，结合学科特点与学生学习阶段，科学合理地采购并配备先进的人工智能教学硬件设备，确保每个学生都能有机会亲自动手操作实践，直观感受和理解人工智能技术的应用原理和场景。在软件资源层面，教育管理者应注重整合优质的在线教育资源，搭建完善的教学平台，提供丰富的课程资源库，涵盖各类编程工具、仿真模拟软件、开源项目案例等^[12]，满足不同层次和兴趣点的学生自主学习和探究性学习的需求。通过软硬件设备资源的科学配置，不仅能够有效解决当前中小学人工智能课程中硬件设备落后、软件资源单一的问题，更能构建一个支持多维度、多层次学习的综合教学环境，切实提高人工智能教育的教学质量和效果。

6）加强专职师资队伍的培育。

师资队伍建设是破解课程实施困境的核心环节。调查发现部分学校对教师如何进行人工智能的培训和培育仍然有限，考虑到课程的强度和教师备课的难度，他们没有足够的时间和精力使用计算机去实操和进行模拟练习，这在一定程度上严重阻碍了中小学人工智能课程的实质性开展^[13]。为有效提升教学质量和课程发展，首先应当从系统培训和专业提升着手，通过组织各类人工智能教育专题研修班、工作坊，联合高校、科研机构开展师资培训项目，确保教师掌握最新的人工智能知识体系和应用能力；其次，建立完善的师资激励机制，激发教师投身人工智能教育的热情与积极性；第三，优化师资资源配置，积极引入外部专家资源，邀请人工智能领域的学者专家或行业精英担任兼职教师或指导顾问，共同组建人工智能课程或项目的研发团队，分享实践经验，提供专业指导和技术支持；最后，搭建区域性的师资交流平台，定期举办教学研讨会，促进教师之间的信息共享和经验交流，构建一个共同学习、相互促进的良性生态，加强专职师资队伍的培育对于推进中小学人工智能教育具有深远意义^[14]。

人工智能教育已成为培养未来创新人才的重要基础和方向，广州市作为教育改革的先行者，在推进中小学人工智能教育方面取得了显著的成效，同时也面临着诸多挑战。结合广州市中小学人工智能教育现状的深入调查与分析，提出的一系列具体的改进策略：进一步优化顶层设计，构建中小学人工智能贯通式课程框架；以大单元的方式推进人工智能教育，注重对思维能力的培养；强化执行力度，完善督评机制；建立科学的教与学评价体系；加大配置软硬件资源；加强专职师资队伍的培育。为了迎接未来智能社会的新机遇与新挑战，需要学校及社会层面的多方参与，积极推动中小学人工智能教育的普及与发展，为我国未来科技创新和社会发展夯实基础。