学科教学知识视野下师范生人工智能素养培养探析

未来已来。人工智能学科教育已经提升为国家战略，为适应信息时代、智能时代发展需要，高校开展人工智能学科建设和人工智能课程内容教学已经成为我国教育信息化2.0的重要内容之一。人工智能模块是小学科学课程“技术与工程”领域的重要分支，是科学教育专业师范生专业核心课程，师范生人工智能素养的培养已经成为当务之急。人工智能时代的大背景之下，我们国家传统的教育模式正在接受新的挑战，即使现在的课堂上已经应用到一些自媒体辅助教学，但这远远不够，它将会面临人工智能时代冲击，在智慧时代大背景下，师范生人工智能素养可以从以下三个方面进行优化培养：一是将人工智能素养教育融入科学教育专业教师常规课程培养体系，设计交叉共融的课程体系；二是营造人工智能学习氛围，促进教师自主学习，构建高素质复合师资队伍；三是制定相关教育协同政策，汇聚有关部门资源，推进产教深度融合。

人工智能（Artificial Intelligence），英文简写为AI，是指深入研究、发展，用以模仿、延续和拓展人的智慧的思想、方式、技能和运用系统的一种新兴的工程技术科学。人工智能可以对人的思想意识、信息过程、行为举止等进行模拟。虽然计算机无法直接取代人脑的智能，但是它可以像人那样去思考、洞察，甚至会超过人的智能。

最新修订的《义务教育科学课程标准（2022版）》（以下简称“科学课程标准”）指出，第一，在第三条修订原则“坚持创新导向”中指出科学课程应当坚持与时俱进，反映科学技术新成果，更新课程内容，体现课程时代性。由此可见，在人工智能时代，科学课程应当与人工智能相结合。第二，科学课程标准中科学课程的总目标是：培养学生的核心素养，将核心素养分为四个方面：科学观念、科学思维、探究实践、态度责任。细看核心素养的学段特征可以发现，学生的核心素养中有关科学、技术与工程方面的都能与人工智能素养相联系，例如了解科学、技术、社会、环境之间的相互影响以及科学研究和技术应用中需要考虑伦理与道德的价值取向；能辩证地看待科学技术成果的使用对人类造成的影响；懂得并认同科学研究与技术应用要遵循一定的伦理道德。由此可见，科学教师作为科学课程的具体教学实施者，应当具备更高水平的人工智能素养，才能成为一名合格的科学教师。

一、中小学新课标关于人工智能技术的要求分析

《新一代人工智能发展规划》指出，在未来人工智能这个领域将会变成全球争夺的新的焦点，所以需要逐渐地去进行全民智慧的教育项目来普及大众，在中小学阶段，先在新课标下去设置与人工智能有关的课程，慢慢普及一些编程教学项目，去逐渐建立人工智能课程，然后培养出具备创造力的复合型人才，从而去建立中国人工智能领域的人才高地。这就对我们目前中小学的信息技术教学提出了新的要求和改变，同时也给中小学普及人工智能技术和教学带来了新的契机。中小学新课标关于人工智能技术方面的课程其实比较难把握，因为人工智能相关的知识储备比较薄弱，其次教学资源也比较少，但是让中小学生了解及普及人工智能，并且让人工智能成为学科教学目标刻不容缓。

（一）小学关于人工智能的了解感知

对于小学生而言，心智尚未发育成熟，作为教育教学工作者，让其了解人工智能是首要前提。从贴近学生生活的人工智能技术出发，激发学生的学习兴趣，懂得人工智能的概念，并可以对人工智能产品或者信息有判断和辨别的能力。

（二）初中关于人工智能的体验教学

初中的人工智能教育教学就比较成熟了，会结合到新媒体及其传统自媒体等形式，让学生身临其境地去体验人工智能带给他们的惊喜。比如可以让学生以手机APP的形式现场体验，例如行色，这款APP是即时识别花草植物的一款软件，可以让学生在教学过程中自己体验识别，去增强学生对于人工智能的现场体验感，同时也可以将人工智能产品的工作原理分享给学生。

（三）高中关于人工智能的深度剖析

2018年1月，教育部公布《普通高中课程方案和语文等学科课程标准（2017年版）》，人工智能、物联网、大数据处理正式被纳入《普通高中通用技术课程标准（2017版）》新课标。2019年，教育部印发《关于“智慧教育示范区”建设项目推荐遴选工作的通知》，通知要求在2019年和2020年，分年度各遴选5个以上地区优先开展“智慧教育示范区”建设与实践探索，开设人工智能教育课程和实验项目，以应对教育科技的“零点革命”。所以在高中提升学生对于人工智能的敏感度就显得极为重要，要在学科教学知识视野下让学生逐步认识到人工智能技术的广泛性和巨大潜力，就目前而言也有不完善性。设置人工智能课程、创立设计出智能化的教学环境和创新学生主体的多元教学方式，培养学生信息创新能力的同时，也有利于人工智能知识的普及。

二、师范生人工智能素养现状调研

本研究结合科学教育专业教师的教学实践修订量表。从人工智能素养的内涵出发，从“人工智能知识”“人工智能能力”“人工智能意识”三个维度进行问卷问题设计。利用探索性因子分析、验证性因子分析和相关性分析进行问卷效度检验，运用描述统计得到调查对象的基本分布情况及科学教育专业教师的人工智能素养整体水平，然后使用独立样本t检验比较性别和执教年级对人工智能素养的影响，以及职前与职后教师的人工智能素养差异。

（一）研究对象基本情况

对样本进行统计分析，本次收到在线问卷202份，剔除无效问卷7份后，获得有效问卷195份，问卷有效率为96.5%。

受测对象基本情况：从学历分布来看，本次调研对象均是本科学历；从性别分布来看，本次调研对象大多集中在女性，男女比例约3：7；从年级分布来看，2020级、2019级、2018级人数较多，其余年级人数分布较少且分布较均匀；从执教学科来看，科学教育专业职后教师执教学科多为科学，占职后教师执教学科的近85%，其余学科分布较少且较均匀；从执教年级来看，贵阳学院科学教育专业职后教师所执教的学段绝大部分是小学学段，占比高达95.4%，其中执教四五年级的教师居多，初中学段占比约4%，高中学段则不足1%；从教龄分布情况来看，有近六成的调查对象没有教学经验，具有1-5年（含1年，不含5年）教学经验的教师大约有三成，拥有5年及以上教学经验的教师约为一成。具体分布情况如图1所示：

（二）整体素养水平分析

在测量表中，得分从低到高是1-5分，因此本研究以平均3分作为衡量标准的及格线。科学教育专业教师人工智能素养的平均得分为3.70分，总量表稍高于及格线标准，说明科学教育专业职前职后教师的人工智能素养水平处于中等偏上，整体状况一般。各维度的得分相差不大，均在3.7左右；其中表现最差的是人工智能应用技能维度，平均得分为3.56分，人工智能教学知识维度得分3.63分，表现较差，略高于人工智能应用技能。表现最好的是人工智能意识维度，平均得分为3.79分，人工智能常识维度平均得分为3.78分，与人工智能意识几乎相当。全量表得分中最大值与最小值之间得分相差3.6分，说明学生之间的人工智能素养水平差异较大。从表中的数据可以看出：相比之下科学教育专业教师应用人工智能的技能以及对人工智能教学知识的掌握较为欠缺，对人工智能常识的了解程度以及对人工智能的意识表现较强。可见，科学教育专业职前职后教师在日常学习、生活、教学工作中愿意使用人工智能，对应用人工智能持比较乐观的态度，也能较理性地看待人工智能。具体得分情况如表1所示：

（三）性别对人工智能素养的影响

为了研究不同性别的科学教育专业教师的人工智能素养水平是否存在显著性差异，对不同性别的科学教育专业教师人工智能素养进行了独立样本t检验，结果显示：T值和P值均显示性别在智能知识维度、智能能力维度、智能意识维度及人工智能素养水平上不具有显著性差异（p>0.05）。但从得分均值来看，总体上男性科学教育专业教师得分略高于女性科学教育专业教师，在各维度上也是如此；另外，我们分别将男性教师和女性教师的总量表平均分和各维度均值与全体教师的总量表平均分和各维度得分均值进行比较，发现无论是在总分，还是各维度平均得分上，男性教师均高于女性教师。由此看出，性别对人工智能素养存在一定的影响，男性教师的人工智能素养普遍高于女性教师。

（四）职前与职后教师的人工智能素养差异

为了研究职前与职后科学教育专业教师人工智能素养差异，本研究根据教龄将调查对象分为职前教师（教龄=0） 和职后教师（教龄≥1），运用独立样本t检验对其进行差异性分析，检验数据显示：独立样本t检验中，人工智能常识、人工智能教学知识、人工智能应用技能及总量表得分的t值为-0.268～1.843之间，显著性指标在0.067～0.789之间，说明职前与职后教师的人工智能素养、人工智能常识、人工智能教学知识及人工智能应用技能不存在显著性差异。而人工智能意识维度t值为2.977，显著性指标为0.003，小于0.01，表现为极显著。说明职前与职后教师的人工智能素养在人工智能意识维度具有显著性差异。并通过比较均值发现：职后教师人工智能意识明显强于职前教师。

（五）执教年级对科学教育专业教师人工智能素养的影响

为了研究执教年级对科学教育专业教师人工智能素养的影响，本研究根据执教年级将执教小学阶段的教师分为低年级段教师（执教一、二、三年级）和高年级段教师（执教四、五、六年级），运用独立样本t检验对其进行差异性分析，数据显示：人工智能常识、人工智能应用技能、人工智能意识三个维度的t值为1.680～1.770之间，显著性指标在0.080～0.096之间，说明职前与职后教师的人工智能素养、人工智能常识、人工智能教学知识及人工智能应用技能不存在显著性差异。而人工智能教学知识维度和人工智能素养总得分的t值分别为2.552、2.271，显著性指标分别为0.012、0.025，显著性指标小于0.05，表现为显著。说明执教不同年级段的教师的人工智能素养存在显著性差异。并通过比较均值发现：执教小学高年级段的教师人工智能素养水平高于执教低年级段的教师。

三、学科教学知识视野下师范生人工智能素养构建

目前国家正在积极布局全学段贯通的人工智能教育，覆盖小学、中学、职业教育、高等教育。但目前相关人才培养方案多为单工具、单年级、单学段的课程，缺乏系统化培养体系。未来在我国课程教学视角下人工智能教学将步入高速发展时代，在培育大量的技术型和技能型人工智能人才方面将起到关键作用。由此可见，师范生人工智能素养的培养将是人才培育的重点。人工智能的发展促进了产业转型和经济结构转型，产生了新的产业和就业机会，但也对从业人员的知识、技能提出了更高的要求。专业学习的学生在毕业时面临广泛的行业，每个行业的专业职责都被精确划分。要找到工作必须有广泛而系统的知识体系和优秀技能。学科教学知识视野下对师范生人工智能素养的需求特点是智能化、融合化和终身化。

（一）智能化

计算机教师应可以随着该行业的科技发展和产业需要调整自身的教学知识结构和应用能力，使之具备实用性和专业化。另外，需要及时跟进新科技的发展趋势和对课程进行理论视野实际创新，了解未来人工智能领域发展需要的关键科学与技术，并将之导入课堂，培养学员在人工智能领域方面的职业技能。

（二）融合化

要充分调动老师在课堂中的积极性，把人工智能技术作为辅助手段深入课堂，让教师教育丰富多元化，学生学习个体化，有效提升质量与效益。因此，老师必须通过大数据分析人工智能系统追踪每位学生的学习状况，并针对学生个体差异调整教学与评价的方式。

（三）终身化

首先，在高度人工智能的背景下，相关知识的更新速率将大大提高。老师应该重视计算机科学技术在该学科领域的发展和最新运用，以增强学生掌握最新内容和方法的意识，在教育实践中创新教材内容和教育观念。其次，通过人工智能的参与，使课堂的教育方式和教学内容变得更加开放、多样化和丰富。教师应随时为新教法的变化做好准备。

总之，专业教师应该有机会终身学习，以满足专业大学教师智能发展和数据爆炸时代不断变化的需求。

人工智能时代的到来加速了教育教学和教师角色的转变。普及人工智能教育正逐渐成为我国的国家战略。人工智能学科在高校还没有建立一个完整的、标准化的教学培训体系。使用的教材陈旧，缺乏与最新的人工智能跟踪技术和学科教学知识的整合。另外，由于教学相对单一，且各个学科领域间的关联性较少，专业间的交叉融合度也较低，学生无法以“跨学科整合”的视角全面反思专业教学知识问题，从而限制了学生的创新性思考能力与跨学科问题处理能力。师范生人工智能素养培养，是培育双师型“教学工程师教师”，除了专业理论知识外，还具有教育和教学能力。