信息科技教材中人工智能主線的設計與實施

丁婧

摘要：人工智能作為信息科技領域的重大戰略性技術，可通過信息科技教材實現課程獨特的時代育人價值。信息科技教材中由應用系統體驗遞進、機器計算與人工計算異同遞進、倫理與安全挑戰遞進構成了人工智能邏輯主線設計立體框架。在教材使用中，教師應實現課堂從技術向科技的轉變，理清“教材項目活動線—學科知識線—學生認知線”后形成自己的教學邏輯線，并運用工程理念開展人工智能項目學習。

關鍵詞：信息科技課程；人工智能；教材設計

中圖分類號：G43 文獻標志碼：A 文章編號：1673-9094（2024）03-0073-07

伴隨著數字技術的飛速發展，人工智能作為信息科技領域的核心驅動力，正深刻改變著人們的生產、生活、學習方式，推動人類社會邁向新的發展階段。生成式人工智能的橫空出世與快速迭代，更讓技術從執行走向創意，人機共智帶來了新機遇、新挑戰。中小學信息科技課程承擔著培育學生數字素養與技能的關鍵任務，人工智能教育是其中不可或缺的一環。2022年，教育部頒布的《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱《課標》）中明確指出，“人工智能”是義務教育階段信息科技學科的邏輯主線之一。這一定位凸顯了人工智能在課程中的核心地位，彰顯了它對學生個體發展、社會進步和國家競爭力提升的重要意義。這是對“為誰培養人，培養什么人，怎么培養人”的有力回應，體現出信息科技課程的獨特時代價值。教材作為課程實施的基礎和關鍵資源，其設計與實施的成效直接關系到教育目標的實現。因此，信息科技教材的編寫必須以科學的知識觀為基石，依托先進教育教學理論，緊密結合時代發展，重視人工智能主線的設計與實施。

一、人工智能在課程中的核心地位與內在邏輯

《課標》依據核心素養和學段目標、根據學生的認知特點，設置了六條邏輯主線、九個內容模塊，從而形成立體、豐富的課程內容體系。人工智能既是六條邏輯主線之一，也是內容模塊之一“人工智能與智慧社會”中的關鍵詞。作為模塊的人工智能主要體現于部分年級中，而作為邏輯主線的人工智能則貫穿整義務教育階段。

課程的六條邏輯主線不僅是課程內容的循序漸進和螺旋式上升的框架，各主線內也呈現出自身的遞進與螺旋式上升。人工智能邏輯主線的三個認知層級是：應用系統體驗—機器計算與人工計算的異同—倫理與安全挑戰[1]12。三個層次在認知遞進的同時涵蓋動作技能領域與情感領域。應用系統體驗的認知層次相對較低，以人工智能具象和抽象的辨識、初步了解為主，體驗的同時形成情感領域的接受、認可、贊同等正面感受。機器計算與人工計算的異同是信息科技核心科學原理，涵蓋多個認知層次。從課程學段目標可知，目標為理解原理與方法，應用技術創造性地進行問題解決。內化原理過程中的技能學習涵蓋動作技能領域的模仿、獨立操作、遷移等不同層次。倫理與安全挑戰要求學生在理性、深刻地認識人工智能的本質價值后作出有說服力的判斷，是認知層級中的最高級。同時兼具的情感領域目標與應用系統體驗的情感領域目標明顯形成層次差異，穩定這個價值觀念是本層次的教育目標，即能夠建立穩定的個人安全觀與國家安全觀，并對無定論的倫理問題有思辨能力。

二、教材中人工智能主線的設計

人工智能作為邏輯主線設計決定其在整個義務教育階段的貫穿設計。教材應通過三個認知層面間及各層次內的多次螺旋上升，形成符合學生認知發展特點的人工智能邏輯主線設計框架。

根據皮亞杰的兒童發展階段理論，3～9年級的學生正處于具體運算階段和形式運算階段。3年級的學生處于具體運算階段，以感性體驗為主；4～5年級的學生處于由具體運算向形式運算過渡的階段，可以初步涉及人機異同的原理和安全倫理的感受；6～8年級學生的形式運算能力有所增強，可進行人工智能技術、原理、系統的進一步研究，對安全問題進行相對深入的探討；9年級的學生形式運算能力相對比較成熟，體驗層次應上升，對原理的理解可加深，倫理認知更加嚴謹深入。綜合《課標》要求和學生認知特點，教材可形成如圖1所示的人工智能邏輯主線設計框架：

（一）應用系統體驗的遞進設計

體驗是一種既包括理性反思又包括感性體驗的學習方式，人工智能應用系統的體驗既應包括學習目標、內容、過程有差異的認知體驗式、情感體驗式、行為體驗式三類體驗[2]12，也應涵蓋感官體驗、反思性體驗和高峰體驗[3]三個層級的體驗?？傮w而言，各類體驗的分布特點是1～3年級偏感官體驗、情感體驗，4～8年級三類三層體驗兼具，直至9年級回歸情感體驗的同時升華至高峰體驗。

1.人工智能應用情感體驗

基于學生認知發展，1～3年級可定位于讓學生站在用戶角度體驗與人工智能的交互，對人工智能場景、應用、系統進行經歷和嘗試，在感官體驗層面產生對人工智能應用效果的接受、認可與贊賞，產生積極感受。尤其是AIGC（生成式人工智能）技術產生后，教材可設計創意繪畫等活動，使學生產生強烈的正面感受。

2.人工智能技術行為體驗

在感官體驗基礎上，4年級起可設計反思性體驗，以《課標》強調的實驗形式開展人工智能技術行為體驗。在實際操作、結果反思、修正行為的循環中，人工智能的使用技能得到提升，以工程設計型實驗幫助學生實現從用戶身份向開發者身份的切換。在初中階段的行為體驗中，可進一步強化學生的開發者身份。在教材實驗設計中強化實驗的規范性、嚴謹性，作為實驗對象的系統的復雜性也可進一步增加，如從小學階段的智能臺燈系統上升到初中的智能路燈控制系統，學生通過體驗及反思，習得人工智能技術與具體技能。

3.人工智能原理認知體驗

人工智能原理認知體驗的設計可始于人工智能技術基礎上的“數據”“算法”。從計算機的數據編碼、數據處理、數據分析到AIGC的數據預測，從身邊的算法到計算機的算法，從算法的描述到算法的程序驗證，從算法的三種基本控制結構到機器學習算法，都是人工智能底層技術，教材可設計系列體驗性欄目形成遞進體驗。從初中階段開始，年級關鍵詞更為復雜與抽象，體驗設計應在前期感官體驗的基礎上向原理邁進。如低年級已體驗過的圖片搜索、智能推送等可用于分析其背后支撐的人工智能技術，使學生從感受走向反思，形成抽象概念并遷移到新情境中檢驗。至9年級時，在已打下客戶端交互體驗、核心技術基礎、硬件軟件基礎、方法論基礎的學情下，學生可進行復雜的人工智能系統性原理認知體驗，例如通過體驗中國研發的圍棋AI“絕藝”感受人工智能系統中的數據、算法、算力。

4.智慧社會情感體驗

情感體驗從1～3年級的應用情感體驗起步，貫穿整個義務教育階段，到義務教育結束時應讓學生在情感上升華至高峰體驗，即從自然科學領域的人工智能體驗轉向社會科學領域的智慧社會的情感體驗。在智慧社會高峰體驗中，自我實現的“我”應被分為“小我”和“大我”?！靶∥摇奔磳W生自己，大我即讓學生有強烈歸屬感的國家。此時的情感體驗設計要注重兩點：體驗情境要典型，要具有足夠的情緒、情感的沖擊力；要通過集體討論或寫感想等方式引導學生對情感經歷進行評價反思，促進情緒信息的編碼和記憶[2]13。

在反思設計上，工程項目中方案論證、工程實現環節的交流討論都可以促進學生深入地評價與反思，案例分析類體驗中強調的集體討論與歸納，都是促進學生反思的有效設計。

在情境選擇上，對于“小我”，智慧校園系統、無人駕駛系統等對于初中學生而言有認知難度的系統，在教材精心搭建的支架下成功運行的沖擊力，可使學生達到精神上自我實現的滿足。在“大我”方面，我國在人工智能領域雖起步較晚，但近年來已逐步進入全球領先行列，在眾多領域的亮眼成果與創新值得學生敬畏和自豪。國產人工智能案例的選擇應落實于各年級教材之中。在設計活動時，選用國產人工智能開放平臺和人工智能設備、元器件，可以讓學生直觀感受到我國人工智能產品的強大功能。在案例分析中，全國一體化算力網、“東數西算”等材料的選擇使學生感知我國在國家層面對人工智能的宏觀戰略規劃，明白國家的人才需求；“絕藝”的亮眼成績、洋山港的高度智能化無人管理、農業無人機惠及全球、智慧雄安的建設，無一不令學生內心的自豪感油然而生，從而樹立今后投身報國的遠大理想。

（二）機器計算與人工計算異同的遞進設計

人機計算異同涉及信息科技中最本質的科學原理。人工智能是研究、開發用于模擬人腦的理論、方法技術的領域，這一點決定了對人工智能的研究起始于對人類意識、人腦智慧、人工計算的研究與遷移應用，邏輯運算是兩者之間最基礎的共同點。至于差異，除人腦計算與人工智能計算的差異之外，還可細分為人工計算到計算機計算的進階、傳統計算機計算到人工智能計算的進階、人工智能計算到AIGC計算的進階等多次跨越式發展中的計算差異。教材應將引發這些飛躍的底層科學技術元素進行拆分，按學生認知水平特點分布于各年級，并將機器計算與人工計算的相同之處貫穿其中。

1.用戶體驗的異同

1～3年級教材不應涉及技術原理，學生主要以用戶身份體驗人工智能帶來的交互體驗的差異。以信息搜索為例，人工計算時代的報紙資料摘抄、網絡時代的搜索引擎、人工智能時代的聽歌識曲、拍圖識物，效率效果形成明顯差異。

2.技術基礎的異同

4～5年級的關鍵詞“數據、算法”是人工智能的技術基礎，其技術發展相對清晰、具象，可外顯化。教材可梳理并清晰呈現這些技術本身的發展脈絡，比較不同階段的異同。

數據技術方面，從人工處理數據到計算機處理數據，從使用計算機表格數據統計到大數據顯示規律預測未來，從人工智能可以對文章形成詞云圖到AIGC成為運用學習用戶行為數據不斷改進功能的個人助手，技術智能化差異清晰，數據處理效果差異明顯。教材活動設計要讓學生認識到，無論使用哪種方式進行數據處理，都遵循大致相同的處理過程；只是大數據處理可能會新產生數據清洗、數據集成等細化環節；到了AIGC，機器學習模型不僅可以進行數據處理，還可以創建一個與訓練數據相似的輸出，從而實現創意創作。

算法技術方面，對算法兩類執行主體（人、計算機）的實例區分與共性探討，是對人工計算與機器計算的算法共性的揭示。如在交通控制系統中，無論行人的過街算法還是信號燈控制算法，共性是都由三種基本控制結構組成。傳統信息技術教材往往止步于三種基本結構以及學生能力可及的編程，這些算法與人工智能算法之間依然存在巨大鴻溝，讓學生無法在兩者之間產生直接關聯。信息科技教材需要將經典算法繼續向人工智能算法延伸，如搜索引擎中的排名算法、機器學習的算法等。人工智能的算法具有復雜性，需要教材降級設計的難度以適應學生的認知水平。如算法層面以游戲、紙筆演算等活動模擬抽象的排名算法分析與描述；程序層面以參數調整、程序運行替代程序編寫，以模塊、函數調用避免人工智能程序黑盒的分析等。

3.控制方法的異同

各種人工智能應用的本質是系統，這是教材“過程與控制”部分需要首先解決的概念問題，而對系統進行控制的方式的變化，本質是從人工控制到智能化控制的進步。例如從樹木的自然生長、人工修剪果樹防治蟲害，到現代農場中的自動種植、自動采摘系列實例，共性皆為對系統的過程與控制，差異在于體現出了幾種雖無法明確邊界但效果差異明顯的控制方式：自然控制、人為控制，以及人工控制中的人工控制、自動控制、智能控制。這些系統具有同樣的“輸入—計算—輸出”三環節，遵循著同樣的控制、反饋原理，但隨著智能程度的提升，控制力度的增強，對世界改造能力的增強，展示出智能控制對人類發展的積極作用。

4.運行基礎環境的異同

不同的計算方式對于運行環境的需求差異巨大?；ヂ摼W與物聯網兩個關鍵詞，都是人工智能得以實現的環境支撐，也是人工智能發揮作用的場域。從飛鴿傳書到互聯網的出現使人工計算變成計算機計算，這一過程顯而易見?；ヂ摼W的普及和升級帶來的分布式計算可能性使算力極大提升，眾多人工智能應用才得以成為現實，教材可設計國家天文科學數據中心星系的迷宮全民科學項目等實例供學生體驗。從人人相連的互聯網到萬物互聯的物聯網，數據規模得以爆發式增長，人工智能系統的遠程控制與反饋也有了穩定的實現環境，教材可設計基于物聯網及人工智能開放平臺的實驗和工程項目。

5.人工智能迭代中的異同

人工智能技術并非一帆風順，自身發展經歷數次浪潮，每次浪潮帶來了哪些新的技術？尤其是全球正在經歷的AIGC這一變革，目前在一線教學中的引入大多限于應用層面，但教材設計應揭示其背后數據、算力、算法等底層技術要素的變化。尤其在初中高年級系統性的人工智能內容中，應主動彌補《課標》出臺時AIGC尚未展現鋒芒而產生的文件無明確要求的情況，使教材體現人工智能最新進展背后的技術演進。

（三）倫理與安全挑戰的遞進設計

倫理與安全的問題伴生于信息社會的所有行為中，并因信息科技原理、技術的發展與創新而不斷有新問題涌現。教材正視其存在是第一步，認識其產生原因是第二步，最終落實于個人應該如何應對，站在智慧社會的角度又該如何看待與規范。

1.感受人工智能倫理與安全要求

低年級在讓學生體驗在線學習與生活更便捷、更高效的同時，必須讓學生對數字身份的信用價值有感性認識。教材可設計讓學生在密碼設置實踐、二維碼可信度討論、安全Wi-Fi信號選擇等活動中學會簡單地保護自己信息安全的方法，在網絡社交與現實社交的對照中形成網絡社交禮儀規范的意識。感性的感受應隨著原理、技術的展開在多個年級教材中圍繞不同關鍵詞展開，并進行強化和補充，如對數據安全的感受、算法偏見下的用戶界面差異等。

2.理解人工智能倫理安全規范背后的技術

人工智能倫理與安全問題的出現，與大數據、算力、算法、硬件等密切相關。數據安全得不到保障、算法存在缺陷、算力無法滿足必需的大數據處理時，都會導致安全問題的產生。但同時，它們又是保護人工智能環境安全、幫助維護人工智能環境中正確倫理觀的有力工具。數據活動的各個環節，都有可能產生數據安全問題，但加密算法讓數據的安全得到了保障。算法在受知識產權保護的同時，反過來又成為保護知識產權的有力武器。無人駕駛不僅存在安全風險，更有類似電車難題的倫理困境需要直面。這類不斷造成認知沖突的活動體驗在不同年級教材中出現、回顧與上升，可以將技術與倫理安全這一對看似無關的概念關聯在一起并建立起緊密的內在聯系。

3.建立正確的人工智能倫理與安全觀念

安全觀的價值判斷取向較為明顯，此類討論可從低年級起一直伴隨著教材對各個技術點的逐一展開而逐漸豐富，最終在9年級形成相對全面的人工智能安全觀。

在人工智能時代，不僅個人層面的安全觀念需要樹立，意義更為重大的是自主可控技術帶來的國家層面的安全。自主可控技術包括知識產權、技術能力、自主發展、國產化四個方面，國產操作系統、國產衛星系統、天網系統、高鐵系統等，對這些自主可控案例的分析是有助于形成維護國家層面安全觀念的有效情感體驗類設計。學生從低年級討論單技術維度的自主可控上升至初中討論自主可控生態體系，可對自主可控形成較為全面的感受和理解。

倫理觀念的形成需要有更理性、更高階的思維，因此人工智能倫理的內容可主要設置在9年級。從經典的阿西莫夫機器人三定律的幾無爭議，到現在類似電車難題的無人駕駛算法已開始出現倫理沖擊；從當下網絡中的算法偏見，到今后AIGC普及后機器創作的作品是否具有版權等新問題，在社會尚未形成普遍共識的情況下，學生在開放性討論中經歷反思，是在為未來擔任智慧社會的角色打好價值觀基礎。

4.形成和諧的人工智能倫理關系

智慧社會已經到來，學生需要認真思考在與人工智能全面共存的社會中，如何和諧生活，以人機和諧達到智慧社會的高效運轉和人類的持續發展。尤其在AIGC普遍應用后，智慧社會中的人機將以全新的方式合理協作。從人機協同再到人機共智，如何發揮各自優勢形成和諧人機關系，目前暫無定論，但這是作為未來智慧社會建設者的學生們必然面對的倫理問題，在教材中應為其開放性討論提供空間。

三、應用教材的若干建議

教材是將課程標準落實于課堂教學的中間橋梁與輔助資源，教師的合理實施是教材設計理念在課堂的顯性呈現。但信息科技教師群體如何將教材中的人工智能主線理想呈現，可能暫時還面臨認知與實踐方面的困惑或困境，包括：學科性質上從技術向科技的理念轉變，專業知識上人工智能專業知識的學習需求，教學方式上從單課時活動式、任務式為主向大單元教學設計的轉變等。因此，在教材使用中應抓住以下三個要點。

（一）實現課堂從技術向科技的轉變

貫徹《課標》精神的信息科技教材會遵循“從信息科技實踐應用出發，注重幫助學生理解基本概念和基本原理”[1]2的理念，教師應緊抓課標這一要求，在課堂上實現從技術向科技的轉變。

教材以實踐應用為顯性項目承載，體現“科”的基本概念和基本原理的同時，必然伴隨著“技”的推進，三者的關系是：以項目為載體，以技術為手段和過程性目標，以概念原理掌握為終結性目標。但慣性沿襲下的教師容易出現關注教材中技術點而對原理概念脈絡無意識忽略的傾向。教師應首先主動學習課程中“科”的學科專業知識，并在教材理解、教材實施中重視揭示技術背后的科學概念、科學原理。例如教材中智能跟隨機器人系統設計的項目，承載有反饋、干擾、優化等概念，硬件搭建、軟件編程等技術內容。在教材使用前，教師應有意識地學習系統論、控制論中有關反饋、干擾、優化等專業知識；在教學中，教師要擺脫以機器人技術實現為目的的傳統信息技術學習目標指向，轉向引導學生看透和理解自動跟隨技術的背后是負反饋的作用，跟隨效果不理想的原因是內部外部干擾因素的存在，并借助系統優化思想迭代形成更穩定的智能跟隨方案。

（二）理清“教材項目活動線－學科知識線－學生認知線”交織設計中的教學邏輯線

項目式大單元理念下設計的教材，單純學科知識主線的設計方式已被項目活動推進明線的呈現形式取代。但教材以科學的知識觀作為內容依據的原則不會變化，單元項目由學科大概念統領的設計原則決定了教材依然有科學、系統的知識結構，只是成為與活動明線同步推進的暗線。而項目活動的推進與學科知識的遞進，背后是教材編者研究學生發展與認知規律發展特點而設置的學生學習邏輯線，即以上三條邏輯線共同螺旋推進構成教材內容框架。因此教師在借助教材實施教學中，應做到：梳理項目設計中的學科大概念統領下的概念體系，理清作為暗線的學科知識線，在教材基于學生共性認知邏輯設計的基礎上，根據學情設計教學邏輯線。例如花盆澆水系統設計制作的單元中，明線是澆水系統通過不斷功能升級能滿足客戶不斷提出的新要求，暗線則是圍繞系統中的量展開的開關量、連續量、閾值、邏輯運算的學科知識線遞進。6年級學生對項目需求遞進的可共情性和從開關量到連續量，再到兩者轉換的從簡至繁的認知邏輯，是單元設計的基礎。學情較好時，教師可適當弱化開關量的內容，在情境中就簡單邏輯運算展開更深入的任務設計。

在學科大概念固定、教學邏輯確認的前提下，教師應從教教材走向用教材教，單元項目活動推進邏輯可借鑒但具體情境可調整，學科大概念需強調但具象概念、知識可依項目需求酌情增減。如將上述花盆澆水系統改為智能農植園、自動風扇等，情境有所改變但三條邏輯線主體不變。另外，人工智能的技術發展日新月異，應用案例層出不窮，因此教師應在認真學習人工智能科技專業知識的基礎上將適應學情的最新案例設計到教學中，根據學生認知特點適當剖析應用背后的技術與科學原理，展示我國人工智能科技最新成果，彌補教材先天時效性的不足。

（三）以工程教育理念開展人工智能項目學習

《課標》在課程性質中明確指出，課程主要研究的是信息及應用中的“科學原理、思維方法、處理過程和工程實現”[1]1。工程實現是在科學發現、技術實現的基礎上綜合社會、藝術等眾多因素向真實世界的靠攏。人工智能系統作為與人類互動、共存的人造系統借由工程得以形成，因此在江蘇等省的教材設計中，人工智能項目的體例設計中已經融入工程教育理念。在教材實施中，教師需要運用工程教育理念進行人工智能項目教學，以體現和彰顯教材設計意圖，讓信息科技人才培養服務于國家智能制造戰略。

基于工程教育理念的項目式教學，始于工程決策、歷經工程設計和工程實施，終于工程評價，其間貫穿著眾多非技術性的比較權衡、折中妥協等社會化處理，需要在教學實施中系統設計與強化引導。比如設計實現一款老人使用的定時系統，其需求分析需要從技術領域的“定時器”轉移到作為具體用戶即那位老人對定時器的特定需求，而這個需求基于該位老人具體的生活習慣、審美偏好等。老人的高功能需求與“工程師”——初中生的開發能力之間存在差距，如何在時間有限、專業能力有限、物資有限的情況下權衡選取可實現的最關鍵功能，如何兼具硬件的實用與外形的美觀等，都是異于傳統技術型項目的考慮范疇。工程理念指導下的項目設計實現了讓學生真正像人工智能工程師那樣進行思考。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務教育信息科技課程標準（2022年版）[M].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2]龐維國.論體驗式學習[J].全球教育展望，2011（6）.

[3]易虹.體驗式教學及其在小學的運用[D].武漢：華中師范大學，2014：11.

責任編輯：趙赟