前言

自AlphaGo分别战胜世界围棋冠军李世石及柯洁后，人工智能引发了新一轮的热潮。2017年3月，国务院总理李克强在《政府工作报告》中提到，“加快培育壮大新兴产业。全面实施战略性新兴产业发展规划。”其中包括人工智能产业，这是人工智能首次被列入《政府工作报告》。2017年7月，国务院发布的《新一代人工智能发展规划》明确指出：支持开展形式多样的人工智能科普活动，鼓励广大科技工作者投身人工智能的科普与推广，全面提高全社会对人工智能的整体认知和应用水平。实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育，鼓励社会力量参与寓教于乐的编程教学软件、游戏的开发和推广。自2017年下半年开始，国内不少大学纷纷成立人工智能学院，开设了系统的人工智能专业课程。

随着《新一代人工智能发展规划》《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》《教育信息化2.0行动计划》等人工智能相关政策文件的颁布，人工智能逐渐走进中小学教育领域。近几年来，市面上以编程、机器人为主题的人工智能培训异常火爆，中小学教师也在相关课程中利用人工智能技术赋能教育。与此同时，针对中小学生所编写的人工智能教材也层出不穷，甚至在很多以人工智能为主题的大会中也出现了专门针对中小学人工智能教育的研讨会，国内正在掀起一轮中小学人工智能教育热潮。

一方面，中小学人工智能发展得如火如荼；另一方面，发展过程中也暴露出一些深层次的问题，主要体现在以下几个方面。

（1）相关部门并未颁布关于人工智能的课程标准，因此在教材及教学内容上不同专家、教师各执一词，并未达成共识。

（2）目前市面上不少教材是由大学教师组织编写的，由于一些大学教师并不熟悉中小学的课程标准及教学实际，因此导致教材进入中小学后较难落地。

（3）人工智能是一门综合性的学科，对数学、计算机等课程的要求较为严格，目前国内大部分中小学相关教师的知识储备还未达到教授人工智能课程的要求。

（4）一些重点中小学的人工智能课程体系完备，如中国人民大学附属中学，师资力量雄厚，学生素质高，这些重点中小学的优质课程及教学经验如何能够通过适当的调整，普惠更多的教师及学生。

（5）一些教授编程、机器人的机构打着人工智能的旗号，实际仍在走原来教学的老路，让人们误解单纯的编程或机器人就是人工智能。

上述这些问题的出现，归根结底是因为人工智能课程相对中小学来说，还是一个新生事物，无论是从政策保障层面，还是从授课内容和方式层面、师资水平层面都具有一定的挑战。鉴于此，对中小学人工智能教育现状、课程体系设计及授课内容进行相应的梳理，就显得尤为必要和重要。

本书的主要写作目的之一就是让更多读者能够了解中小学人工智能教学的相关内容。例如以下内容。

● 为什么人工智能课程要在中小学阶段进行普及？

● 在中小学开设人工智能课程是否现实？

● 中小学人工智能课程应该教什么？

● 中小学人工智能课程是否就是编程课或机器人课程？

● 为了更好地学习人工智能相关知识与技能，中小学生应该具备哪些基础？

● 人工智能如何与中小学其他课程相结合，形成具有中小学特色的“人工智能+X”课程？

● 中小学人工智能教育是否会扩大地区间的数字鸿沟，应该如何应对？

● 为什么说教师应该毫不动摇、坚定决心地做好中小学人工智能教学工作？

相信读者看完本书，对以上内容会有一个大致的了解。

本书分为“势”“法”“器”“术”“道”五部分。“势”的部分包括第1～3章。在第1章中，以时代背景为主线，引入对开展中小学人工智能教育的可行性和重要性的探讨。第2章从战略的角度思考中国中小学人工智能教育问题，系统地论述了中小学人工智能的发展目标、教学现状及保障举措等重要议题。战略不清则方向不明，中国中小学人工智能教育需要从战略高度进行重新审视。在第3章中，首先，引入人工智能、智能等概念并进行探讨。尽管人工智能已经发展了数十年，但是学界对人工智能、智能等概念依然没有权威的统一定义。其次，对人工智能的主要流派进行介绍。例如，现在仍有一些中小学教师简单地将人工智能与深度学习画上等号，原因之一可能是不了解人工智能的流派所致。最后，对人工智能发展的历史做简要回顾。不了解人工智能的发展历史，如人工智能的三起两落，就很难对人工智能有一个正确的认识，容易产生过高的期待，又或者低估了人工智能的能力。

第4章和第5章为“法”的内容范畴。第4章对中小学人工智能课程体系建设展开相应的梳理与讨论，通过一些政策指导文件及相关学者和教师的探索经验，对中小学人工智能课程体系建设提出了重体系、分学段、划模块等一些见解。第5章着重介绍计算思维，它是一种分析和解决问题的思考模式。本章还讨论了计算思维与编程之间的关系，避免中小学生陷入计算思维就是编程的误区，中小学人工智能教学绝不是也不能培养码农，应该充分利用人工智能教学，培养中小学生的计算思维。另外，针对家长产生的长期面对计算机对视力不好的普遍担忧，也简要介绍了如何使用不插电教学进行计算思维培养的有关内容。培养计算思维，并不一定非要借助计算机，通过一些不插电的游戏或活动，一样可以达到目的。

第6章和第7章为“器”，“器”是使用的工具，而编程和机器人正是实现人工智能的两大工具。第6章着重针对当前国内中小学编程教育中两类火热的编程课程展开叙述。一类是以可视化为代表的Scratch程序设计；另一类则是以代码式为代表的Python程序设计。在一些高中里，有教师在教授人工智能课程时，要求学生利用TensorFlow和PyTorch这样的人工智能平台完成练习，因此第6章也会对这些平台进行简单介绍。第7章主要讲述与智能机器相关的内容。在高中课程标准中，机器人课程与人工智能课程不同，前者是通用技术课的范畴，后者则是信息技术课的内容。智能硬件是学习机器人的基础，这些课程不但要求学生要具备一定的编程基础、计算思维等，还对学生的手脑结合、团队协作等能力提出了一定的要求。机器人与人工智能虽然并不完全相同，但它们密不可分，人工智能有时需要以机器人为载体，而机器人也离不开人工智能技术，因此，有必要在人工智能的学习过程中，包含一些机器人相关的内容。

现在不少中小学相关的人工智能教材，几乎全是机器学习、深度学习的内容，如分类、聚类、图像识别等，让不少刚接触人工智能的中小学生以为人工智能就是机器学习和深度学习。其实，人工智能不只有机器学习和深度学习，还有规则和知识。不能因为连接主义大行其道就忽略了人工智能的其他内容。这与十几年前在一些中小学人工智能教材中完全找不到神经网络相关内容的情况如出一辙。这种情况的发生有其历史渊源的因素，但是在人工智能的教学中，尤其是在教材中出现的内容不能偏向任何一方。

第8～12章是人工智能“术”的部分，主要涉及知识工程、搜索算法、机器学习和深度学习及“人工智能+X”等内容。尽管受到人工智能教学内容及难易程度的限制，无法追求大而全，但是在“术”中也尽量给读者呈现一个尽可能全面的中小学人工智能教学体系。第8～11章为人工智能教学内容核心部分，内容来源参考了过去及现在的一些中小学人工智能相关书籍，即这些内容均是中小学人工智能教学中值得关注的。第12章的“人工智能+X”为人工智能课程的进阶部分。“人工智能+X”是《新一代人工智能发展规划》中提到的重要内容，它是培养复合型人才的重要保障。一些师资雄厚的高中，已经开始探索将人工智能课程与其他高中课程结合，打造“人工智能+X”的课程体系，强化学生综合运用知识解决问题的能力。笔者梳理了中学“人工智能+X”的一些结合点，为感兴趣的读者提供一些借鉴。

第13～15章的内容属于“道”的部分。在第13章中，主要探讨了教育重塑、职业转变及人机协作等内容。人工智能时代的到来，对传统教育方式带来了较大的挑战，不仅体现在教的层面，还体现在学的层面，因此无论是教师还是学生都应该积极利用人工智能为自身赋能。人工智能对未来职业的替代已经引起了中小学家长的普遍关注和担忧，第13章还针对这一焦点展开了论述，告诉人们不要担心人工智能的负面影响，而应该看到人类自身的优势，从而与人工智能强强联合、取长补短。第14章是关于对中小学人工智能教学的一些思考。首先，提出中小学人工智能教学的“135”教学理念，即“一观、三意、五心”；其次，发挥公益活动在开展中小学人工智能教育中的作用，让偏远地区的中小学生也能有条件学习人工智能的相关知识与技能，避免数字鸿沟进一步扩大；最后，一些大学和有条件的公司，也可利用其在人工智能方面的科研及应用优势，为中小学人工智能教育提供体验式学习的机会。第15章是对中小学人工智能教育的一个展望。该章内容主要聚焦在3个方面，一是要为中小学生营造一个良好的人工智能学习氛围。中小学人工智能教育当下是一个非常热门的话题，政策关怀、家长关心、老师关切、机构关注。但是纵观历史，往往正是这种新概念的事物，却很难做到健康长久，原因之一就是社会各方均或多或少表现出非理性的一面。因此，中小学人工智能教育需要吸取前车之鉴，理性对待。二是中小学人工智能学习，不能忘“本”（基础）。人工智能是一门交叉性很强的学科，学好人工智能需要非常扎实的基础，而这些基础恰恰是要在中小学阶段奠定的。因此，要引导中小学生，借学人工智能之机，激探索求知之欲，行打好基础之实。三是人工智能并不像一些人所担忧的那么智能，强人工智能的时代很快到来的可能性太小，而人工智能再次遭遇寒冬的概率却不低，这注定了今后人工智能发展及教育还会面临不少问题。因此，人们一方面要摒弃担忧的情绪，另一方面也不能过分夸大人工智能的作用，要客观地看待人工智能的发展和教育。

希望本书可以为关注中小学人工智能教育的读者提供一个更为全面的视角，能帮助他们重新审视人工智能的发展及中小学人工智能教育等相关问题，通过对人工智能的“势”“法”“器”“术”“道”的了解，更加理性、客观地认识到中小学人工智能教育的发展趋势，在此也呼吁更多的社会力量参与到中小学人工智能教育中来，共同推进中国中小学人工智能教育的发展。

本书在写作的过程中，得到来自清华大学、北京大学、中国科学院大学、中国人民大学、北京理工大学、中国人民大学附属中学、清华大学附属中学、北京市第十二中学、北京市十一学校、北京大学附属小学、微软亚洲研究院等大学、中小学以及科研机构的多位老师及研究人员的鼎力相助，对此表示诚挚的谢意。感谢电子工业出版社参与策划、审校的各位老师，她们为本书付出了宝贵的心血。最后，还要特别鸣谢一位远在加拿大温哥华正在上中学的小朋友Lord Byng（笔名），她为本书贡献了精致的插图。

由于才疏学浅及能力有限，加之人工智能的发展迅猛不断迭代，书中难免有所不足之处，还望各位读者多多海涵与批评指正。