1. 引言
在2017年，国务院发布了《新一代人工智能发展规划》，明确指出中小学应设置人工智能相关课程[1]。这一决策旨在提升中学生的信息素养，普及全民智能教育，并培养出更多的创新型人才。为探求中小学人工智能教育的研究现状，本文将通过CiteSpace对近二十年间在中小学人工智能教育领域的有关论文进行可视化分析，总结并分析我国人工智能教育的研究热点和趋势，以期为我国中小学人工智能教育的理论和实践研究提供启示和借鉴。
2. 数据来源与研究方法
2.1. 数据来源
文献来源选自中国知网数据库。以“中小学人工智能教育”为主题，关键词为“人工智能教育”和“中小学”，筛选出2002年1月1日到2023年12月12日发表的相关论文，共560篇。为了保证数据的准确性和真实性，剔除了会议、报纸等与主题相关度不高的文献，最终检索得到266篇有效文献，将其按照软件所需参考文献格式导出并转码，获得与本研究相符的样本数据库。
2.2. 研究方法
本文首先运用中国知网自带的计量分析功能对文献进行可视化分析，得到总体发文量趋势图，再利用CiteSpace软件绘制可视化知识图谱，以探究当前中小学人工智能教育的现状及趋势。
3. 发文量趋势分析
运用中国知网自带的计量分析功能得到了2002年至2023年我国中小学人工智能教育的发文量趋势图。由图1可以，得知关于中小学人工智能教育的相关文献在整体上呈现不断上升的趋势。恽为民在中小学信息技术教育上发表的《以智能机器人为平台创新信息技术课程》是第一篇关于中小学人工智能教育的文献，他将人工智能与信息技术课程相结合，创新教育模式与应用，较早地提出了人工智能与教育相结合的思想。2002年到2016年期间，共有16篇文献发出，其中2012年和2013年的发文量为0，可见在这期间人工智能教育的发展尚未得到重视。而自从2017年国务院颁布《新一代人工智能发展规划》后，关于中小学人工智能教育的相关文献才不断增加，2023年发文量共146篇，达到最高值，这说明中小学人工智能教育的相关研究发展态势较好，越来越多学者开始关注这一方面的研究。
Figure 1. Trend chart of the number of papers published in the literature
图1. 文献发文量趋势图
4. 知识图谱分析
4.1. 研究作者分析
将所选期刊形成数据库导入到CiteSpace软件中，节点类型选择合作作者进行可视化分析。可以得到，作者发文量从高到低依次排列，其中，中小学人工智能教育发文量最多的作者是卢宇学者，总发文量共3篇，接下来是余胜泉、宋乃庆、郑智勇、罗雅婷、肖林和方旭学者，发文量均达2篇，其余发文量1篇的学者均有教育技术学科背景，如表1所示。可见我国学者关于中小学人工智能这一领域的发文量较少。
Table 1. List of authors with the number of published papers
表1. 发文量作者统计名单
序号 |
作者 |
单位 |
篇数 |
初次发文年份 |
1 |
卢宇 |
北京师范大学 |
3 |
2021 |
2 |
余胜泉 |
北京师范大学 |
2 |
2021 |
3 |
宋乃庆 |
西南大学 |
2 |
2023 |
4 |
郑智勇 |
西南大学 |
2 |
2023 |
5 |
罗雅婷 |
南通大学 |
2 |
2023 |
6 |
肖林 |
西安交通大学 |
2 |
2023 |
7 |
方旭 |
南通大学 |
2 |
2023 |
8 |
夏梦雨 |
北京师范大学 |
1 |
2021 |
9 |
李明蔚 |
北京师范大学 |
1 |
2018 |
10 |
牛冰冰 |
华中师范大学 |
1 |
2018 |
此外，借助CiteSpace对筛选出的数据选择节点类型为作者进行可视化图谱分析，在控制板中调节相应参数，描绘作者共现图谱，如图2所示。
Figure 2. The authors of the research on artificial intelligence education in primary and secondary schools co-appear the map
图2. 中小学人工智能教育研究作者共现图谱
从图中可以发现，整个图谱密度小，各结点的连接数小，连接数量代表结点间的关系，连接数量越多说明结点间关系越紧密，能够体现作者内部的协作关系。由此可知，在当前中小学人工智能教育研究领域中各作者的联合度不高，协作也较少，且大部分作者都是以自我独立科研为主要方法，研究者间缺少积极高效的交流协作，因此，各研究者的学术交流与协作水平尚有待进一步提高。
4.2. 研究机构分析
人工智能与中小学教育的结合已经成为许多教育机构的研究热点，为研究各机构之间的合作关系，在CiteSpace中节点类型选择机构并调节相应的参数，构建了研究机构共现图谱，如图3所示。
Figure 3. Co-occurrence map of research institutions
图3. 研究机构共现图谱
通过对研究机构共现图谱的分析后发现，研究机构主要有中小学教育集团等。从图中可以看出，当前各教育机构的分布相对零散且连线数少，联系度不明显，说明教育机构对中小学人工智能教育有一定的关注，但是机构的联系紧密度不高，存在合作关系的教育机构只占少数，且其合作关系较为微弱，大多数教育机构都以独立研究为主，这使得学者之间的学术交流性和资源共享度不强，中小学人工智能教育方面的研究缺乏一定的完整性和全面性。
4.3. 关键词共现分析
将所选取期刊文献的题录信息导入CiteSpace软件中，节点类型选择关键词，设置相应参数后生成关键词共现知识图谱，以图4的形式展现出来。
Figure 4. Keyword co-occurrence map
图4. 关键词共现图谱
从图4可以看出，该知识图谱联系较为紧密。关键词出现的频次可以反映研究领域的热点和趋势，而关键词中心性可以反映该关键词的重要程度。因此，通过整理CiteSpace中呈现出来的关键词词频和中心性得出，如表2所示，除了检索主题词“人工智能教育”、“中小学”等，关键词还有人工智能、机器人、信息素养、创客教育、教学策略、编程教育、校本课程、计算思维、教学方法、教学模式、智能素养、信息技术、创新能力、创客教师、教学工具、课程建设、实施对策、智能时代、AI思维、学习模型等，说明这些是我国中小学人工智能教育的研究中心和热点，也是今后主要关注的方向。
Table 2. List of authors with the number of published papers
表2. 发文量作者统计名单
序号 |
关键词 |
频次 |
中心性 |
1 |
人工智能 |
100 |
1.12 |
2 |
中小学 |
41 |
0.25 |
3 |
计算思维 |
13 |
0.06 |
4 |
机器人 |
12 |
0.16 |
5 |
教学模式 |
12 |
0.15 |
6 |
智能素养 |
7 |
0.02 |
7 |
编程教育 |
7 |
0.01 |
8 |
校本课程 |
7 |
0.01 |
9 |
创客教育 |
5 |
0.05 |
10 |
信息素养 |
5 |
0.06 |
4.4. 关键词聚类分析
在关键词共现图谱的基础上，通过CiteSpace工具栏中的“一步到位：聚类标签优化”得到关键词聚类图谱，以探索中小学人工智能教育研究的热门主题。如图5所示。在该聚类图中，Q值为0.5668、S值为0.9284，表明该聚类是真实可靠的。通过关键词聚类分析，得到了“人工智能”、“中小学”、“创客教育”、“教学模式”、“创新能力”、“中小学生”、“计算思维”、“教育”、“科技教师”和“初中”九个聚类，数据结果表明这九个类别是我国中小学人工智能教育研究领域的热点。
Figure 5. Keyword clustering map
图5. 关键词聚类图谱
通过对图5关键词聚类图谱的分析，可将当前我国中小学人工智能教育的研究内容划分为：
4.4.1. 以人工智能教学为核心的研究
该主题涵盖的关键词最多，有“创客教育”、“教学模式”、“教育”等。例如，刘璐学者探索人工智能教育的教学模式，提出建构以编程教育为核心课程，联动信息学竞赛活动、机器人科普活动、STEM创新活动、创客智造活动等科普活动的人工智能教育模式[2]。曹维娜将知识整合模型应用于人工智能课程，构建基于KI模型的中小学人工智能课程教学模式[3]。人工智能时代的到来促使广大人工智能教育工作者对人工智能教育进行研究，以促进学生智能素养的提升。王青纯将STEAM教育理念和人工智能教育相结合，构建了STEAM教育理念下指向智能素养的人工智能教学模式，并将其运用于实践[4]。这有助于为学生提供更加个性化的服务，进而帮助学生更好地学习、理解以及应用人工智能技术，提升人工智能时代的人才竞争力。
4.4.2. 以人工智能素养为核心的研究
该主题包含的关键词有“创新能力”、“计算思维”和“信息素养”等，如何培养教师和学生的人工智能素养是研究者们研究的方向。在教师人工智能素养方面，王同聚、胡小勇和丁美荣三位学者构建了中小学人工智能师资培训“AI-3S”教学模式，并分别从实体空间与虚拟空间融合、线上教学与线下教学融合、项目式学习与跨学科学习融合阐释了该模式的内涵[5]。丁世强也关注教师人工智能素养的培养，并基于教师专业素养和人工智能教师专业能力的相关研究，构建了涵盖AI教育意识、AI学科知识、AI实践技能3个一级维度和11个二级要素的中小学生人工智能教师专业素养框架[6]，这为我国中小学人工智能教师的专业化培养提供一定的指导意义。高宇学者从智能教育素养角度出发，提出了三维六层的教师智能教育素养层级金字塔模型[7]。而在学生人工智能素养方面，袁继平融合PBL六步教学法和计算思维培养模式，在以手势识别主题教学中切实提升了学生的计算思维[8]。综上，可见培育学生计算思维、智能素养、信息素养等已经成为人工智能时代下教师的必要任务。
4.4.3. 以人工智能应用为核心的研究
该主题的关键词有“人工智能”、“机器人”等，在人工智能应用上很多学者运用人工智能技术来构建教育平台。例如，蒋佳龙提出了一套集教、学、练为一体的人工智能教学平台总体建设方案，将先进的技术融入教育教学平台[9]。而李建伟、武佳惠等提出一种从课程、学习任务两个维度进行学习路径推荐的个性化学习路径推荐模型[10]。
4.4.4. 以人工智能课程为核心的研究
该主题的关键词有“校本课程”、“课程建设”等，关于如何建设中小学人工智能课程，王晓强提出从课程目标、课程内容、课程评价来推进人工智能课程的建设[11]。而华亦琳从项目式学习出发，提出将项目式学习与人工智能教材的开发设计相结合，探索突出核心素养、协同区域资源、合理应用编程的教材设计策略[12]。
4.4.5. 关键词时间线图谱分析
在关键词共现图谱的基础上，选择工具栏中的“Timeline View”得到关键词时间线图谱。如图6所示，聚类号#0人工智能从2004年至今一直备受研究者们的关注，其中2015年达到顶峰，随后呈下降趋势。聚类号#01中小学是2004年到2023年的热点话题，在2010年达到顶峰，研究内容主要是人工智能在中小学的应用。聚类号#02创客教育自2012年达到顶峰后呈现下降趋势，先进的人工智能技术为创客教育带来生机，研究重点是创客教育的课程设计。聚类号#03教学模式自2016年达到顶峰，其主要研究内容是人工智能教学模式的创新与实践。聚类号#04创新能力自2010年开始受到研究者的关注，自2016年呈现下降趋势。聚类号#05中小学生表明自2017年以来研究者开始重视中小学生的人工智能素养培养。聚类号#06计算思维，通过编程教育培养学生计算思维得到越来越多的关注。聚类号#07教育从2004年至2017年受到关注，2010年达到顶峰后逐渐下降。聚类号#08科技教师自2020年开始受到重视，而聚类号#09初中，说明初中教育融入人工智能技术在2021年才开始受到关注。
Figure 6. Keyword timeline map
图6. 关键词时间线图谱
5. 对策与建议
通过CiteSpace对我国中小学人工智能教育的现状进行了分析，针对我国中小学人工智能教育现状存在的相关问题，提出以下几点措施。
5.1. 国内各机构和学者之间应该加强合作
通过整理分析数据得出，各机构和学者之间的联系紧密度不高，合作关系微弱。因此，加强合作对于推动中小学人工智能教育的发展至关重要。首先，国内各机构和学者之间应该共同组建科研团队和合作平台，通过平台共享教育资源、研究成果和最佳实践案例，以增强学术交流与合作创新，提高科研质量。其次，高校可以协助中小学开展人工智能课程，包括教材编写、课程设计等，通过合作平台，实现课程和资源的共享。最后，各方可以共同组织人工智能相关的实践项目和竞赛，如编程竞赛、机器人竞赛、智能家居设计等，为学生提供实践操作的机会和平台。培养学生创新思维和解决问题的能力。
5.2. 重视评价体系的建设
重视评价体系的建设对于提升教学质量、促进学生全面发展具有重要意义。首先，应明确评价目标与原则。中小学人工智能教育的评价目标应涵盖学生对人工智能基础知识的掌握程度、思维与创新能力的发展情况以及伦理与社会责任意识等方面。而原则必须遵循科学性、客观性、全面性和发展性。同时，应结合中学生的身体和心理发展特点逐步完善评价制度，并制定相应的评价指标，采用多种评价方式全面评估学生的人工智能素养。
5.3. 促进人工智能技术与教育的融合
通过分析得知，自2017年后相关文献发文量才开始增加，说明人工智能与教育相结合的时间较晚。而促进人工智能技术与教育的融合是提升教育质量、培养学生创新能力的重要途径。因此，需要不断促进人工智能技术与教育的融合。优化课程体系，树立多学科融合的视角，将人工智能课程与多个学科相结合，培养学生的综合能力和创新思维；采用先进的教学方法，如开发智能辅导机器人或在线平台，为学生提供在线答疑、学习指导等服务；扩大研究领域，发现不同的问题，并从多个方面推动人工智能技术与中小学教育的结合。
6. 总结与展望
本文首先运用中国知网的计量分析功能对发文量趋势进行分析，再通过CiteSpace对中小学人工智能的教育现状进行相关研究作者、研究机构、关键词共现分析、聚类分析和时间线图谱分析，发现人工智能教学模式、人工智能素养、人工智能应用以及人工智能课程这四个方面受到学者的普遍关注，然而自2017年后相关文献发文量才开始增加，说明人工智能与教育相结合的时间较晚，且各学者、机构之间的联系度不高。因此，针对我国中小学人工智能教育的现状，提出了三点措施：国内各机构和学者之间应该加强合作；重视评价体系的建设；促进人工智能技术与教育的融合。通过以上措施，以期进一步推动人工智能与教育的融合创新，为我国中小学人工智能教育的理论和实践研究提供有益的启示和参考价值。