多维度透视美国K-12人工智能教育实践

随着人工智能 （Artificial Intelligence， AI）  技术的迅猛发展，全球教育领域对人工智能教育的关注持续升温。美国中小学进行了将人工智能技术与基础教育有机结合的教育实践。

在师资培养上，美国政府通过立法和资金支持推动教师的专业发展，设立了针对K-12阶段人工智能课程的多种培训项目和资助计划；在素养培养上，美国精心设计了课程体系，提供了针对K-12阶段学生的人工智能素养培养路径；在教育体系构建上，美国注重教育教学质量的提升，以政府倡议和校际合作等形式推动高质量的人工智能教育发展，强调将人工智能与其他学科进行跨学科融合，强化对学生跨学科学习能力的培养。

师资培养：打造中小学人工智能教育的核心力量

美国重视人工智能教育教学方面的师资队伍培养，通过实施系统化措施提高教师的教学质量。这些措施主要集中在促进教师专业发展的框架系统和教育模式上，为K-12阶段的教师提供了有针对性的、稳定的专业发展机会。

第一，美国政府积极投入资金，出台了一系列法案以支持教师专业发展。《每个学生都成功法案》和《国家行动计划：应对美国STEM教育体系的重大需求》要求增加STEM教师培养的资金投入；“面向全体学生的计算机科学计划”要求对计算机科学教师开展全过程培训，培训项目结合跨学科、综合性的实际教学和学习，不仅能让教师获得新的教学理念，还能为教师建立起理论与实践之间的联系。

第二，美国高校和相关机构通过实施多种职业发展项目和资助计划，全面支持教师在人工智能课程方面的职业成长。美国高校通常通过职业发展中心（Career Services）提供支持职前教师职业发展的服务，提升年轻学者的教学和科研能力。《美国人工智能计划：首个年度报告》囊括了国家科学基金会设置的教师早期职业发展计划（Faculty Early Career Development Program， CAREER）等15个类型多样的奖学金项目，资助有潜力成为研究和教育学术榜样的职业教师。美国教育考试服务中心（ETS）、国际教育技术协会（ISTE）联合Code.org等平台还推出了“教师人工智能101”（AI 101 for Teachers）等免费的专业学习课程，帮助K-12阶段教师提升人工智能专业素养。这些项目不仅关注教师的职业发展，还通过不同形式的措施激发教师教学和学习的活力，确保教师能够在人工智能教育领域持续成长。

此外，为支持人工智能教育发展，美国K-12人工智能教育行动（AI for K-12 Initiative）发布了人工智能教学资源目录（Al Resource Directory），内容涵盖了书籍报告、在线课程材料和示范软件等多种类型的丰富资源，对不同分类进行了具体阐释，标注了主题内容、适用学段和应用场景等。该目录为教师充分提供了优质软硬件资源，既有利于教师开展自学和教学设计，也有利于教师组织学生开展相关学习活动。

素养培养：构建中小学人工智能教育的路径体系

人工智能素养可以定义为了解和理解人工智能的基本功能，以及在日常生活中合乎道德地使用人工智能应用程序。美国通过构建课程体系和制定学习规划，推进K-12阶段学生的人工智能素养培养，为未来社会储备具有人工智能技术基础的创新人才。

美国各州开展K-12阶段人工智能教育的情况不尽相同，有些州将人工智能融入为计算机课程的组成模块，有些州则开设了专门的人工智能选修课程。为规范K-12阶段中不同年龄层次的中小学生需要掌握的特定知识和学习目标，美国发布了《CSTA K-12计算机科学课程标准（2017年修订版）》，对计算机科学教育的课程内容和体系进行了规范。而后，美国人工智能促进协会（AAAI）于2019年发布了《K-12人工智能教学指南》（K-12 Guidelines for Artificial Intelligence，以下简称“指南”），明确了在小学到高中阶段开展人工智能教学的目标与内容，为各州制定适切的人工智能课程体系与教学标准提供指导和范例。指南通过详细划分人工智能的五大核心主题（Five Big Ideas in AI），为各学段的学生设置了更明确的学习目标，构建了具体的课程内容框架。这五大主题分别是：感知、表示和推理、机器学习、人机交互、社会影响，通过细致划分算法和编程知识，在逐步递进的各个主题下设置具体的学习目标和知识点，辅助教师制定详细的教学计划，促进不同学段的学生循序渐进地掌握人工智能相关原理及应用（见下表）。

二年级之前，人工智能教育尚在初级阶段，主要通过简单有趣的活动激发学生的兴趣，例如学习开发具有简单序列和循环的程序以表达想法或解决问题，让学生初步理解人工智能，学会识别生活中的人工智能应用，提升他们创新实践、协作探究等基础技能。

三至五年级，人工智能教育逐渐成为培养学生批判性思维和技术素养的重要组成部分。许多学区开始引入人工智能基础课程，课程内容通常以生活中常见的智能工具来解释人工智能概念（如智能助手和聊天机器人），并让学生实际自主动手操作机器人和编程工具（如Lego Mindstorms或Dash机器人），理解机器学习和人工智能的基本原理。

六至八年级，越来越多的学校将人工智能的基本概念纳入课程体系。这一阶段的教学需要学生掌握基础的编程技能，以实践活动的形式锻炼学生解决实际问题的能力。课程内容涉及了人工智能的伦理问题和社会影响，引导学生基于隐私、安全、就业等方面的具体问题，探讨和分析人工智能决策及系统设计中不同目标的解决方式。

九至十二年级，许多州已将计算机科学课程纳入必修课程之一。2023年，美国有30个州要求所有高中提供计算机科学基础课程。在这一阶段，人工智能教学内容更加系统和深入，学生将接触机器学习、数据分析和人工智能应用等核心知识。许多学校还提供算法优化等高级课程，帮助对人工智能兴趣较浓厚、有意从事人工智能工程或研究的学生开展更深层次的学习。

体系建设：完善中小学人工智能教育的宏观框架

在推动人工智能教育方面，美国致力于在中小学阶段构建起一个完善的教育体系，为所有学生提供高品质的人工智能教育，其宏观目标不仅在于填补计算机科学领域的人才空缺，还为国家未来的科技发展提供支持。

美国为各州政府和学校提供先进的教学设备和资源，鼓励他们开发高质量的人工智能课程和项目。例如，AI4K12倡议（AI for K-12 Initiative）为学校提供标准化的人工智能课程框架，结合具体的教育资源，辅助学校设计并实施高质量的人工智能教育内容，推动了各学校将人工智能教育纳入课程体系。此外，Code.org与微软合作推出的人工智能与编程课程专门面向K-12阶段的学生，通过互动式学习平台解析机器学习、数据分析等核心人工智能概念，鼓励学生将这些技术应用到数学和科学课程中，确保学生能够系统、扎实地掌握人工智能知识，为未来继续深造和职业发展打下坚实基础。

在教学体系上，美国注重跨学科融合教学，重视将人工智能与科学、数学、语言艺术和社会科学等学科结合，以此创新构建教学框架，优化学生的学习体验，发展学生多领域的应用能力。例如，Project Lead The Way（PLTW）是一个面向K-12学生的STEM教育项目，融合了人工智能与数学、科学、工程等学科。在“计算机科学与人工智能”课程中，学生可以使用人工智能技术分析数据、解决工程问题，并应用数学模型和编程技能，持续开展项目化学习。