基于“三成四化”筑峰工程的中小学人工智能教育研究与实践

摘要：基于“三成四化”筑峰工程，该研究探讨了中小学人工智能教育的理论框架及其实践应用。研究首先通过文献综述构建人工智能教育理论框架，并结合湛江、茂名和海岛地区的实地调研数据，分析当前人工智能教育的现状、问题及需求。该研究设计并实施了教师培训，开发并推广了人工智能教育课程，并在实验学校开展试点教学，验证了课程有效性。研究结果表明，系统培训和课程优化有效提升了学生的人工智能素养。

关键词：人工智能教育；中小学教育；教师培训；课程开发；实践研究

中图分类号：G623 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2025）05-0162-04 开放科学（资源服务） 标识码（OSID） ：

0 引言

人工智能（AI）技术发展迅速，已成为推动社会发展的重要力量。人工智能技术正在改变传统教学模式，为培养学生的创新能力和未来适应力提供新途径。然而，当前中小学人工智能教育尚处于起步阶段，面临着课程设置不完善、师资力量薄弱、资源配置不足等问题。为应对挑战，提升学生的人工智能素养，须开展系统性理论研究和实践探索[1-3]。

“三成四化”筑峰工程提出了提升教育质量的新思路，即通过“成就学生、成就教师、成就学校”的三成目标和“信息化、个性化、国际化、社会化”的四化路径， 推动教育现代化发展。本研究基于这一工程，旨在探索中小学人工智能教育的有效途径和方法，构建系统的人工智能教育理论框架，开发适用的教学资源和课程体系，提升学生的综合素养。

本研究的主要目的是构建人工智能教育的理论框架，明确人工智能素养的定义、组成要素及其在基础教育中的地位和作用；开发系统性和连贯性的人工智能教育课程，涵盖从基础知识到高级应用的完整教学内容；设计并实施教师培训方案，提升教师的人工智能教育能力和教学水平；通过实地调研和实验教学， 验证课程设计和培训方案的有效性，收集实践反馈，优化教育策略。研究的意义在于填补人工智能教育理论研究的空白，构建系统的理论框架，为后续研究提供参考；开发的课程和培训方案将直接应用于中小学教学实践，提升学生的人工智能素养和教师的教学能力；研究结果将为教育主管部门制定相关政策提供依据，推动人工智能教育在中小学的普及和发展；通过提升学生的人工智能素养， 培养具有创新能力和未来适应力的人才，为社会的发展和进步作出贡献[4]。

本研究采用多种方法，确保研究过程的科学性和结果的可靠性。具体方法包括：系统梳理国内外关于人工智能教育的相关文献，了解当前研究现状、存在的问题及发展趋势，构建研究的理论基础；在湛江、茂名和海岛地区的中小学进行广泛的实地调研，通过问卷调查、访谈和课堂观察等方式，收集一手数据， 了解人工智能教育的现状和需求；对收集到的数据进行定量和定性分析，深入剖析研究区域内人工智能教育的现状和存在的问题，并提出针对性的改进建议； 基于理论研究和调研结果，开发系统性的人工智能教育课程，并设计教师培训方 案，通过实验教学，验证课程和培训的有效性，并根据反馈进行优化；在实验学 校开展人工智能教育的试点教学活动，观察和记录教学效果，收集实践反馈， 进一步完善课程设计和教育策略。

1 理论框架构建

1.1 人工智能素养的定义

人工智能素养（AI Literacy） 是指个体在理解、使用和创造人工智能技术过程中所具备的一系列知识、技能和态度。随着人工智能技术的快速发展，人工智能素养逐渐成为 21 世纪公民必须具备的重要素养之一。人工智能素养包括对人工智能基本概念和原理的理解，涵盖对人工智能的定义、历史发展、主要技术及其应用领域的基本认识。例如，个体应了解什么是机器学习、深度学习、自然语言处理等核心技术，以及它们在实际生活中的应用，如语音识别、图像识别和自动驾驶等。人工智能素养还包括基本的编程和算法知识，要求个体具备使用编程语言（如 Python） 和工具（如 TensorFlow、Keras） 来实现简单的人工智能模型的能力，不仅需要掌握基本的编程技能，还需了解基本的算法和数据结构，能够应用这些知识解决实际问题。理解和处理数据的能力也是人工智能素养的重要组成部分，个体需要具备收集、处理、分析和解释数据的能力，包括对数据来源、数据清洗、数据分析方法以及数据隐私和伦理问题的理解。批判性思维和问题解决能力在人工智能素养中也占据重要位置，个体应能够批判性地思考人工智能技术的应用和影响，评估其优缺点，并能够创造性地应用人工智能技术解决实际问题，这需要培养学生的创新思维，鼓励他们提出新颖的解决方案，并通过实践验证其可行性。此外，人工智能素养还涉及伦理和社会责任感，随着人工智能技术的广泛应用，个体需要认识到人工智能带来的伦理和社会问题，如隐私保护、就业影响、公平性和透明性等。在教育过程中，须引导学生认识到这些问题的重要性，并培养他们在使用和开发人工智能技术时的责任感和道德判断力。综上所述，人工智能素养是一个多维度的概念，涵盖了知识、技能、态度和伦理等多个方面，通过系统的人工智能教育，旨在培养学生理解、使用和创造人工智能技术的能力，使其能够在未来的学习、工作和生活中有效应对人工智能带来的机遇和挑战[5-6]。

1.2 人工智能教育的组成要素

人工智能素养教育涵盖多方面内容，旨在全面提升学生对人工智能的理解和应用能力。首先，基础知识是人工智能教育的核心，学生需要掌握人工智能的基本概念、历史发展、关键技术和主要应用场景。这为学生进一步学习和应用人工智能技术打下坚实的理论基础。其次，编程与算法是人工智能教育的重要组成部分，学生需要具备基本的编程能力和理解常用算法的原理与应用，例如学习 Python 编程语言和掌握机器学习、深度学习的基本算法与模型。数据处理与分析能力也是人工智能教育的关键内容，因为人工智能技术依赖于大量数据的收集、处理和分析，学生需要学会如何清洗、分析数据，并从数据中提取有价值的信息。批判性思维与问题解决能力是培养学生在实际应用中能够独立思考、分析问题和提出解决方案的重要能力，人工智能教育应注重培养学生的创新思维，鼓励他们提出新颖的解决方案并通过实践进行验证。此外，人工智能教育还需强调伦理和社会责任，学生应认识到人工智能技术带来的社会影响和伦理问题，如数据隐私、算法偏见和就业替代等，培养他们在使用和开发人工智能技术时的责任感和道德判断力。通过综合这些组成要素，人工智能教育不仅提升了学生的知识和技能，也培养了他们的批判性思维和社会责任感，使其能够在未来的学习、工作和生活中有效应对人工智能技术带来的机遇和挑战。

1.3 人工智能教育在基础教育中的地位和作用

人工智能教育在基础教育中具有重要的地位和作用。随着人工智能技术的快速发展，其应用已融入社会生活的各个方面。人工智能正在成为推动经济和社会发展的重要力量。在基础教育阶段开展人工智能教育，旨在培养学生对人工智能技术的基本认识和理解，提升他们的科学素养和技术应用能力。这不仅是应对未来科技发展的需要，也是培养创新型人才的关键途径。人工智能教育能够激发学生的学习兴趣和探索精神，通过学习人工智能相关知识和技 能，学生能够掌握解决复杂问题的方法，提升逻辑思维和创造力。此外，人工智能教育还强调跨学科的融合，将数学、计算机科学、数据科学等多个学科的知识结合在一起，促进学生综合能力的发展。通过项目式学习和实际操 作，学生在解决实际问题的过程中不断实践和创新，培养团队合作和沟通能力。人工智能教育还关注社会责任感的培养，引导学生认识和思考人工智能技术可能带来的伦理和社会问题，如隐私保护、数据安全、就业影响等，培养他们的社会责任感和道德判断力。在基础教育中推进人工智能教育，不仅为学生未来的学习和职业发展打下坚实的基础，还为社会培养具备科学素 养、创新能力和社会责任感的未来公民。因此，人工智能教育在基础教育中占据重要地位，发挥着培养创新型人才和推动社会进步的重要作用。

2 实地调研

2.1 调研区域及对象

本研究的实地调研主要在广东省的湛江、茂名和海岛地区的中小学进行。这些区域选择的依据是它们在教育资源配置、师资力量和学生基础等方面具有一定的代表性和多样性。湛江和茂名作为广东省的沿海城市，教育资源相对丰富，但在人工智能教育方面仍存在不足和挑战；而海岛地区由于地理位置和经济条件的限制，在教育资源和教学水平上与城市有较大差距。通过对这些区域的调研，可以全面了解不同教育背景下人工智能教育的现状和需求。调研对象包括各中小学的校长、信息技术教师、学科教师及部分学生。校长和教师作为教育的主要实施者，能够提供关于学校人工智能教育资源配置、课程设置和教学实践的详细信息；作为教育的直接受益者，学生的接受程度和反馈能为课程设计和教学方法提供重要参考。研究团队采用问卷调查和深度访谈的方式，收集各方意见和建议，为后续的教师培训、课程开发和教学实践提供科学依据。通过对湛江、茂名和海岛地区中小学的实地调研，掌握了当前人工智能教育的实施情况，并发现了主要问题和改进方向，为构建适应不同区域特点的人工智能教育模式奠定了基础。

2.2 调研方法

本研究采用多种调研方法，以确保数据的全面性和可靠性。首先，基于文献综述和专家咨询，制订了详细的调研计划，明确了调研的目标、内容和步骤。随后，研究团队在湛江、茂名和海岛地区的中小学展开了实地调研，具体方法包括问卷调查、深度访谈和课堂观察。问卷调查主要面向校长、信息技术教师、学科教师和学生，内容涵盖学校的人工智能教育资源配置、课程设置、教学实践、教师培训需求和学生对人工智能课程的兴趣与反馈。问卷设计注重问题的科学性和实用性，确保获取有价值的信息。深度访谈选取部分学校的校长和教师，通过面对面交流，深入了解学校开展人工智能教育过程中遇到的困难和挑战，以及他们对课程和教学方法的建议。课堂观察通过直接参与和观察实际教学过程，记录和分析教师的教学方法和学生的学习反应，为课程开发和教学改进提供第一手资料。此外，还与当地教育部门和学校管理层进行了座谈，了解当地教育政策和支持措施，确保调研结果具有全面性和代表性。通过多种方法的综合运用，本研究获取了大量翔实的数据和信息，为人工智能教育的理论构建和实践应用提供了坚实的基础。

2.3 调研结果分析

通过对湛江市区、徐闻、雷州、廉江、茂名市区、电白等地中小学的实地调研，收集了大量数据。调研对象包括这些地区的中小学共150余名教师，以下是调研结果的详细分析。

2.3.1 人工智能教育资源配置情况

调研发现，不同区域在人工智能教育资源配置上存在显著差异。城市学校的资源相对丰富，而农村和海岛地区的学校在硬件设备和软件资源上存在较大缺口。

2.3.2 教师对人工智能教育的接受度和培训需求

教师对人工智能教育的接受度和培训需求普遍较高，但在不同区域间存在显著差异。城市地区的教师普遍对人工智能教育有较高的接受度，并且享有更多的培训机会；相比之下，农村和海岛地区的教师在接受度和培训资源方面相对较为不足，亟须更多的培训和支持来提升其在人工智能教育方面的能力和知识水平。

2.3.3 学生对人工智能课程的兴趣和反馈

学生对人工智能课程总体表现出较高的兴趣，但在不同区域间存在差异。城市地区的学生对人工智能课程的兴趣普遍较高，这可能得益于更好的教育资源和较强的科技氛围；而农村和海岛地区的学生，由于接触人工智能的机会较少，他们对人工智能的认知和兴趣相对较低，需要通过更多的教育引导和资源投入来激发他们的学习兴趣。

2.3.4 学校在人工智能教育中遇到的主要困难

调研结果显示，学校在推动人工智能教育过程中普遍面临以下几个主要困难：教育资源的匮乏，尤其是在硬件设备和教学软件方面的不足；师资力量薄弱，教师缺乏系统的人工智能教育培训，难以胜任相关课程的教学；课程设计不完善，现有的课程体系缺乏系统性和连贯性，难以全面提升学生的人工智能素养；部分学生对人工智能课程的接受度较低，对课程的兴趣和参与度有待提高。

通过上述分析可以看出，湛江、茂名和海岛地区在人工智能教育的资源配置、教师培训、学生兴趣和遇到的困难方面存在显著差异。这些调研结果为制定有针对性的改进措施提供了重要参考。

3 改进建议

针对在人工智能教育中发现的问题，可以采取以下综合改进措施：首先，增加教育资源投入。政府和学校应加大对人工智能教育的资金投入，确保配备必要的硬件设备和软件资源，尤其关注农村和海岛地区，缩小城乡教育差距。其次，加强教师培训。定期组织人工智能教育专题培训，提高教师的专业知识和教学能力。可采用线上线下相结合的培训方式，方便更多教师参与，并提供实地观摩和教学实习机会，使教师能将所学知识应用到实际教学中。与此同时，开发系统性和连贯性的人工智能教育课程，注重理论与实践相结合，增加实践操作和项目式学习的内容，帮助学生在动手实践中巩固知识，并通过丰富多彩的教学活动，如人工智能竞赛、机器人编程比赛等，激发学生的学习兴趣和积极性。此外，教育主管部门应制定和完善相关政策，提供明确的指导和保障，支持学校开展人工智能教育，并通过政策引导和激励措施，鼓励更多学校和教师参与人工智能教育的推广与实施。同时，加强区域间的交流与合作，通过教育资源共享和教师交流活动，促进不同区域学校之间的经验分享与合作，尤其要推动城市学校与农村和海岛地区学校之间的合作，帮助提升这些地区的教育质量。通过以上措施，可以有效提升中小学人工智能教育的质量，促进人工智能教育的普及与发展，为培养创新型人才提供坚实的支持。