美国K-12计算机与人工智能教育发展分析

引言

近日，美国白宫科技政策办公室（OSTP）发布了新一期联邦政府关于STEM教育的五年规划——《推进STEM教育和培养STEM人才的联邦战略计划》（Federal Strategic Plan For Advancing STEM Education and Cultivating STEM Talent），旨在实现联邦政府新时期关于STEM教育的目标：即“为所有人拓展机会，培养应对我们这个时代巨大挑战所需的STEM劳动力，从应对气候危机到实现人工智能（AI）的效益，并防控相关风险。”

随着技术的快速发展，计算机科学（CS）和人工智能（AI）已成为全球教育体系中不可或缺的一部分，CS和AI教育也成为STEM教育中的重要环节。美国作为科技强国，其K-12教育体系在这两方面的发展状况备受关注。

研究显示，30个州要求高中提供基础课程，但各州提供比例有差异。多数教师已使用ChatGPT，并认为对教育有积极影响。大型学校和郊区学区的学生更易接触计算机科学课程。

本文章围绕美国K-12教育中CS和AI教育的现状展开分析，探讨其课程设置、教学方法、资源分配以及面临的挑战等。

一、美国计算机

与人工智能的教育政策支持

来自斯坦福大学的“Human-Centered”人工智能研究所（Stanford HAI）发布的《2024年人工智能指数报告》（Artificial Intelligence Index Report 2024）显示，2023年，美国机构产生61个著名的人工智能模型，领先于中国、欧盟和英国，成为顶级人工智能模型的主要来源国，同时，也是人工智能投资的主要聚集地。作为计算机与人工智能第一梯队的大国，美国在教育领域积极布局，使其K-12计算机科学和人工智能教育处于快速发展和不断演变的状态。

图源：HAI《2024年人工智能指数报告》

自2015年《每位学生都成功》法案(ESSA)签署以来，美国启动了自上而下的计算机科学教育运动。随后，奥巴马政府推出了《面向所有学生的计算机科学》计划，进一步巩固了计算机科学教育的地位。这些政策导向不仅提升了计算机科学教育的重要性，也为各州提供了政策支持和资金援助。

2016年，为应对人工智能人才需求变化和重点领域发展，白宫科技政策办公室（OSTP）的国家科技委员会（NSTC）牵头起草，连续发布《为人工智能的未来做好准备》《国家人工智能研究与发展战略计划》和《人工智能、自动化与经济》三份报告。

2019年和2020年，美国发布多份人工智能战略文件，加大人工智能布局，加速人工智能发展，维持其在计算机与人工智能领域的领先地位。包括《维护美国在人工智能领域的领导地位》行政令、《美国人工智能倡议》、《国家人工智能研究发展战略计划》、《人工智能教育战略》，从研究投入、资源释放、人才队伍、国际合作等方面制定未来发展的战略布局。

2021年，美国正式颁布《2020年国家人工智能倡议法案》，将美国人工智能计划编入法典，保障增加研究投入、获取计算和数据资源、设置技术标准、建立劳动力系统及与盟友展开合作。

2024年7月，美国教育部教育技术办公室发布了《利用人工智能进行教育设计》指南，旨在通过教育技术创新改善全美教育系统。该指南强调了在教育领域安全、可靠和非歧视性地使用人工智能的重要性，并提出了建立信任的共同责任，以及如何协调创新与责任。

图源：Designing for Education with Artificial Intelligence: An Essential Guide for Developers

二、美国K-12计算机科学

和人工智能课程开设情况

美国各州开设情况

计算机科学与人工智能教育在美国K-12教育中的重要性正在不断提升，从2017年只有少数几个州支持高中计算机科学项目到美国大约三分之二的州要求高中必须教授计算机科学，截至2023年，美国已经有30个州要求所有高中提供计算机科学的基础课程。

图源：HAI《2024年人工智能指数报告》

得益于州政府的政策支持、资金投入、教师培训以及与教育组织和企业的合作，在美国30个州中，马里兰州、阿肯色州和内华达州的公立学校提供计算机科学课程的比例占据前三。根据HAI统计，其比例分别为99%、99%和96%，比例最低的三个州是明尼苏达州（28%）、蒙大拿州（34%）和路易斯安那州（35%）。

各州的教学理念和方法也各有特色。纽约州制定《计算机科学和数字流畅学习标准》，并在州内推广计算机科学教育。纽约市启动了“全民计算机科学”（CS4ALL）项目，投入巨资确保所有学生都能获得高质量的计算机科学教育。“亚马逊：未来工程师”计划等，为教师提供专业发展机会，丰富学生的学习体验。加利福尼亚州在计算机科学教育方面也表现出色，特别是在整合计算思维到不同学科的教学中。该州的课程标准强调了计算思维的重要性，并且在教师培训和课程资源方面进行了大量投资。

AP计算机考试次数

美国K-12计算机科学教育的状况同样可以体现在AP计算机科学考试的总次数上。北美的AP（Advanced Placement）课程体系是一套由美国大学理事会（College Board）提供的大学预科课程，AP课程涵盖各种学科，包括数学、科学、社会科学、语言和艺术等。据HAI统计，2022年，大约举行了201,000次考试，较2021年增长了11.1%。自2007年起，AP计算机科学考试的次数已经增加了超过十倍。这反映了学生对计算机科学课程的兴趣和参与度在增加。

图源：HAI《2024年人工智能指数报告》

人工智能在课程设计中的落实情况

人工智能如何具体落实课程设计方面？美国人工智能协会（the Association for the Advancement of Artificial Intelligence，AAAI）和计算机科学教师协会（Computer Science Teachers Association，CSTA）于2018年共同发起成立了AI4K12工作组，旨在制定针对K-12阶段人工智能课程的国家性标准文件。《K12计算机科学标准》对K-12各学段进行分级：幼儿园～2年级（K-2）、3年级～5年级（Grade 3-5）、6年级～8年级（Grade 6-8）、9年级～12年级（Grade 9-12），

以人工智能“表征与推理”课例为例。在K-2阶段，学生的教学活动多以体验AI应用为主，如语音对话、人机交互等，既满足低龄儿童的好奇与探索欲望，又能够较早体验和适应智能化时代的生活方式。

Grade3-5阶段则在K-2阶段的教学目标设定基础上，发挥能动性，根据学生的认知水平层层递进设计活动，通过提升复杂度、动手建决策树、进行知识迁移解决真实生活中的问题等，将教学落实到制定决策和解决问题方面。

与K-2和Grade3-5阶段的课例相比，Grade6-8阶段的课例设计呈现多主题融合的特征，从应用体验到手动模拟，再到计算机测试分类模型，难度不断上升，以此实现认知的多次强化。

Grade9-12的课程亮点在于多主题融合设计和学生自主权的充分实现，教师在此过程中的职责主要在于观察和适时的指导。

三、教师和学生

人工智能使用情况

对于K-12教育者来说，两个迫切的问题是，计算机和人工智能工具将在多大程度上改变教学，以及它们是否会改善学习。

Code.org的数据表明，学校的规模和位置等因素显著影响计算机科学教育的可获取性。按学校规模，大型学校（学生人数超过1,200人）提供计算机科学课程的可能性比中型学校（500–1,200名学生）高出15个百分点，与小型学校（少于500名学生）相比，这一差距进一步扩大。按地区分布，郊区学区的学生比城市和农村地区的学生更容易接触到计算机科学课程。

图源：HAI《2024年人工智能指数报告》

在教育领域的潜在应用上，人工智能正在影响教师的教学方式。2024年，由沃尔顿家族基金会资助的Impact Research进行了一系列关于美国教师和教育工作者对ChatGPT的看法和使用情况的调查。调查显示，美国的多数K-12教师已经在使用ChatGPT，使用率在一年中有所增加：2023年3月，有51%的教师报告至少使用过一次ChatGPT，到了2023年7月，这一数字已经上升到63%。在报告使用ChatGPT的教师中，30%用它来进行课程计划，另外30%用来生成新的创意课堂想法，27%用于增强他们的背景知识。

在此之前，为了更直观地了解人工智能如何影响K-12公立学校教学和学习的方式，美国兰德公司对1020名教师、231个学区进行了样本调查，发现：截至2023年秋季，18%的美国K-12教师报告使用AI进行教学，另有15%的教师至少尝试过一次AI；教师使用人工智能工具的最常见方式是调整教学内容以适应学生的水平并生成教材；初中和高中教师以及教授英语语言艺术或社会研究的教师更有可能成为人工智能用户；到2023-2024学年结束时，60%的学区计划对教师进行人工智能使用方面的培训。城市学区提供此类培训的可能性最小。

在使用ChatGPT的观念上，美国教师和学生表现出普遍积极的态度。根据斯坦福大学HAI在2023年3月的调查，88%的教师认为ChatGPT对教育有积极影响，这一观点也得到了79%被调查学生的认同。此外，76%的教师和65%的学生认为将ChatGPT纳入教育过程中是重要的。这些最新数据表明，像ChatGPT这样的工具在可预见的未来有望成为美国教育领域的常态。

结语

随着技术的不断进步，计算机科学和人工智能在美国K-12教育体系中的地位愈发重要。尽管存在地区和学校规模的差异，但整体上，美国在推动计算机科学和人工智能教育方面取得了显著进展。教师和学生对AI工具的积极态度和日益增长的使用率，预示着这些技术将在未来的教育实践中发挥更加关键的作用。

未来，随着人工智能技术的不断成熟和教育实践的不断深入，我们期待看到一个更加个性化、高效和包容的教育环境。在这个环境中，计算机科学和人工智能不仅是学生学习的对象，更是他们探索世界、解决问题和创造未来的强大工具。

参考文献：

[1]欧阳嘉煜,王宇,汪琼.美国K-12阶段人工智能课程大概念与课例设计解读[J].现代教育技术,2022,32(12):13-22.

[2]于雪,孟召坤,靳淑梅.美国K-12人工智能教育的现状及启示——以K-12人工智能倡议为例[J].中阿科技论坛(中英文),2024,(06):131-136.

[3]https://aiindex.stanford.edu/wp-content/uploads/2024/04/HAI_AI-Index-Report-2024.pdf

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