開好人工智能“第一課”

馬進亮 魏一靜

教材分析

本課針對的是2017年版普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)必修課程模塊1《數(shù)據(jù)與計算》和選擇性必修課程模塊4《人工智能初步》中的內(nèi)容，現(xiàn)就這兩個模塊的內(nèi)容要求和學(xué)業(yè)要求以及在“有新課標(biāo)無教材”背景下學(xué)什么和如何學(xué)這幾個方面進行梳理，具體如下。

內(nèi)容要求：描述人工智能的概念與基本特征；知道人工智能的發(fā)展歷程、典型應(yīng)用以及趨勢；熟悉智能技術(shù)應(yīng)用的基本過程和實現(xiàn)原理；引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注人工智能帶來的一系列道德、倫理、隱私、安全等問題。

學(xué)業(yè)要求：學(xué)生能描述人工智能的基本特征；了解人工智能的新進展、新應(yīng)用，并能適當(dāng)運用到學(xué)習(xí)和生活中；了解人工智能的發(fā)展歷程，能客觀認識智能技術(shù)對社會生活的影響。

學(xué)什么：教學(xué)內(nèi)容既要體現(xiàn)必修模塊的基礎(chǔ)性，又要為選修模塊的自然延伸和拓展做鋪墊，同時還要培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)，與學(xué)科大概念相關(guān)聯(lián)。所以筆者在查閱大量與人工智能有關(guān)的資料基礎(chǔ)上，去粗取精，去偽存真，選擇和新課標(biāo)內(nèi)容要求密切相關(guān)的內(nèi)容。

如何學(xué)：教學(xué)的組織要強調(diào)學(xué)生的體驗、感知和參與，以使學(xué)生能在親身實踐與切身感知過程中獲得知識和技能。所以本課通過實景觀察的方式來讓學(xué)生走近人工智能，體驗人工智能，在切身感知中建構(gòu)本節(jié)課的知識結(jié)構(gòu)。

學(xué)情分析

實施對象：高中一年級學(xué)生（第一學(xué)期）。

學(xué)生對人工智能的體驗與認知現(xiàn)狀：學(xué)生的先前知識經(jīng)驗主要通過大眾傳媒、實際生活體驗、學(xué)校組織的講座等途徑來獲得，如觀看影視作品或參觀科技展覽，使用地圖導(dǎo)航、掃地機器人等。

學(xué)生對人工智能的情感與態(tài)度現(xiàn)狀：從每學(xué)期《學(xué)生信息素養(yǎng)情況調(diào)查問卷》的調(diào)查情況來看，學(xué)生都是愿意學(xué)習(xí)與人工智能有關(guān)的課程的，也愿意在未來從事與人工智能相關(guān)的職業(yè)。學(xué)生參與學(xué)習(xí)人工智能的積極性比較高，有很強的求知欲。

通過分析可以看出，部分學(xué)生已經(jīng)有了人工智能應(yīng)用體驗以及學(xué)習(xí)人工智能的動力，但他們對人工智能的發(fā)展歷史以及背后的技術(shù)原理缺乏系統(tǒng)的、整體的認識，容易出現(xiàn)技術(shù)與應(yīng)用、理論與實踐相脫節(jié)的現(xiàn)象。所以教師需要引導(dǎo)學(xué)生從日常的情境中來體驗和觀察，并通過具體的案例剖析來整體認識人工智能。

教學(xué)目標(biāo)

1.通過對智能玩伴小天機器人的觀察和親身體驗以及教師的講解，能夠知道人工智能的概念以及基本特征（信息意識）。

2.通過智能玩伴小天機器人和智能家居百度小度機器人的分析對比，能夠了解人工智能的發(fā)展歷程，分析小度機器人的技術(shù)優(yōu)勢（自然語言理解和百度大腦），并理解人工智能應(yīng)用的基本過程和實現(xiàn)原理（計算思維和數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新）。

3.通過觀看視頻和小組討論，能夠探討人工智能帶來的一系列道德、倫理、隱私、安全等問題，理性地看待人工智能技術(shù)，擔(dān)負起信息社會責(zé)任（信息社會責(zé)任）。

教學(xué)重難點

教學(xué)重點：理解人工智能應(yīng)用的基本過程和實現(xiàn)原理；理性看待人工智能。

教學(xué)難點：理解人工智能應(yīng)用的基本過程和實現(xiàn)原理。

教學(xué)過程

環(huán)節(jié)一：初識人工智能

師：今天老師帶來了一件東西。同學(xué)們猜一猜它是什么？它能夠做什么？它是一個智能語音設(shè)備——小天機器人。它是老師家二寶的智能玩伴，可以用來聊天、講故事、放音樂、接受爸爸媽媽的語音消息?，F(xiàn)在就讓小天機器人給大家露一手吧。（展示小天機器人，讓學(xué)生和其進行對話）

生：小天，今天的天氣怎么樣？美國現(xiàn)在的總統(tǒng)是誰？幫我設(shè)計一個寒假南京旅游攻略……

設(shè)計意圖：通過展示智能玩伴小天機器人，讓學(xué)生體驗并對其隨機提問（如圖1），激發(fā)學(xué)生的求知欲，引出主題，了解人工智能在日常生活、學(xué)習(xí)中的應(yīng)用領(lǐng)域，并為后面百度小度機器人的展示做好鋪墊。

環(huán)節(jié)二：了解人工智能

師：通過剛才對小天機器人的提問，同學(xué)們覺得小天機器人具有人工智能嗎？（學(xué)生發(fā)表自己對人工智能的看法和認識）

師：人工智能是指對人的意識、思維的過程的模擬。人工智能不是人的智能，但能像人那樣思考，也可能超過人的智能。那么如何判斷小天機器人是否具有人工智能呢？（展示圖靈測試中經(jīng)典的“人機對話”和“人人對話”案例，如圖2）請同學(xué)們思考，兩段對話的回答對象是人還是機器？（學(xué)生回答問題）

師：1950年，圖靈在其論文《機器會思考嗎？》中提出了一個測試方法：把測試者和被測試者（一個人和一臺機器）隔開，測試者通過一些裝置（如鍵盤）向被測試者隨意提問。經(jīng)過多輪測試后，如果有30%的測試者不能確定被測試者是人還是機器，那么這臺機器就通過了測試，被認為具有了人類人工智能。這就是著名的圖靈測試。

設(shè)計意圖：學(xué)生通過思考來表達對人工智能的看法，并了解人工智能的概念。通過參與圖靈測試，對比思考，引發(fā)學(xué)生對“人機差異”和“機器智能性”等問題的思考。

環(huán)節(jié)三：分析人工智能

師：小天機器人相較于老師家大寶以前的語音玩伴火火兔是進了一大步?；鸹鹜弥荒芡ㄟ^玩具身上的按鈕來實現(xiàn)講故事、放音樂等功能。但有些同學(xué)還是覺得小天機器人不夠智能，不夠聰明。你們覺得小天機器人不夠智能的原因是什么呢？

生：小天機器人需要反復(fù)喚醒，提問者音量要很大（聽不清）。問復(fù)雜的一些問題理解不了，只能問關(guān)鍵詞（聽不懂）。有些問題回答不了或者回答得不理想（不會思考）。

師：買了小天機器人，老師還欣喜了幾天。直到市面上出了這樣一個機器人——百度智能家居小度機器人。（展示小度機器人，讓學(xué)生和其進行對話）

生：今天重大的國內(nèi)新聞有哪些？播放今天火箭與湖人的NBA比賽……

師：是不是很高大上，是不是更智能？那么百度小度機器人更智能的原因是什么？（如圖3）

生：解決了小天機器人聽不清聽不懂的問題。和正常的人與人之間的對話差不多。

師：小度機器人解決了聽不清聽不懂的問題，其背后的技術(shù)原理是自然語言理解。自然語言理解是研究如何讓計算機讀懂人類語言的一門技術(shù)。關(guān)鍵的技術(shù)是語義分析。（舉例說明小度機器人自然語言理解技術(shù)優(yōu)勢，如圖4）人們現(xiàn)在外出都習(xí)慣用地圖導(dǎo)航，一般的地圖導(dǎo)航只能設(shè)置出發(fā)地和目的地，無法設(shè)置途徑地或者其他更多需求，并且手動輸入文字對行車也不安全。（舉例展示小度機器人設(shè)計出的幾條推薦路線，如從學(xué)校出發(fā)去無錫東站接個朋友然后再去無錫火車站，請規(guī)劃一條紅綠燈少的、不堵車的路線）

師：解決了聽不清聽不懂的問題之后，接著要解決什么問題呢？也就是小度機器人更智能的另一個原因是什么？

生：腦子比較發(fā)達，會思考。

師：小度機器人背后有著強大的百度大腦，它和人腦很相似，不同部分有著不同的分工?？砂阉鼈儽茸鳌皠㈥P(guān)張三兄弟”（如圖5），缺一不可。劉備負責(zé)算法，關(guān)羽負責(zé)算力，張飛負責(zé)數(shù)據(jù)。劉備有謀略，運籌帷幄，要有一個好腦子。百度大腦模擬了人腦無數(shù)個神經(jīng)元構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)——人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，模擬了人腦方便理解和記憶的知識結(jié)構(gòu)圖——知識圖譜。關(guān)羽有著過五關(guān)、斬六將的戰(zhàn)斗力，負責(zé)計算能力。其背后靠的是百度自主研發(fā)的智能芯片——昆侖以及基于GPU的數(shù)十萬臺服務(wù)器。張飛負責(zé)招兵買馬，從物聯(lián)網(wǎng)、云平臺以及百度自有的搜索引擎來收集數(shù)據(jù)，形成“千軍萬馬”——大數(shù)據(jù)。

練習(xí)：呈現(xiàn)四個人工智能應(yīng)用案例（如上頁圖6），讓學(xué)生來回答“劉關(guān)張三兄弟”（算法、算力、數(shù)據(jù)）哪個兄弟出力最多？（學(xué)生回答問題）

設(shè)計意圖：通過提問小天機器人不夠智能的原因，引發(fā)學(xué)生進行思考。通過小天機器人和小度機器人的對比，引導(dǎo)學(xué)生分析小度機器人的技術(shù)優(yōu)勢（解決了小天機器人不夠智能的問題）。通過舉例和類比說明，學(xué)生能夠理解自然語言理解和百度大腦兩個重要技術(shù)原理，并熟悉人工智能應(yīng)用的基本過程和實現(xiàn)原理。通過即時練習(xí)的反饋，了解學(xué)生對人工智能應(yīng)用的基本過程和實現(xiàn)原理的掌握情況。

環(huán)節(jié)四：總結(jié)人工智能

師：通過對兩個機器人的分析，我們對人工智能有了初步的認識，現(xiàn)在用思維導(dǎo)圖（如圖7）一起梳理一下吧。（學(xué)生總結(jié)回顧）

設(shè)計意圖：從學(xué)生的體驗活動出發(fā)，以思維導(dǎo)圖形式，引導(dǎo)學(xué)生回顧本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容，了解人工智能的發(fā)展歷程及其對應(yīng)的技術(shù)支撐環(huán)境，并為后面反思人工智能環(huán)節(jié)做鋪墊。

環(huán)節(jié)五：反思人工智能

師：未來我們將進入強人工智能階段，比人更聰明的機器人會出現(xiàn)。那么同學(xué)們是悲觀的呢，還是樂觀的呢？該如何看待身邊的人工智能？看完由斯皮爾伯格導(dǎo)演的《人工智能》電影簡介之后，相信每位同學(xué)都會有不同的思考。（學(xué)生發(fā)表自己對未來人工智能的看法）

設(shè)計意圖：通過觀看視頻，引導(dǎo)學(xué)生探討人工智能帶來的一系列道德、倫理、隱私、安全等問題，理性地看待人工智能技術(shù)，擔(dān)負起信息社會責(zé)任。

教學(xué)反思

在新課標(biāo)中，模塊教學(xué)建議是“在一定的情境和任務(wù)中學(xué)習(xí)”，即設(shè)置真實的情境來讓學(xué)生體驗與參與，讓學(xué)生在具身性中產(chǎn)生生成性的知識，充分調(diào)動學(xué)生“腦”“手”“心”并用。新建構(gòu)主義認為，學(xué)習(xí)不僅僅是為了繼承前人知識，將知識應(yīng)用于實踐，更重要的是要建構(gòu)新的個人知識體系。學(xué)習(xí)應(yīng)以“我”為主，即根據(jù)自己的興趣和需要開展學(xué)習(xí)。在信息超載和知識碎片化的今天，教學(xué)應(yīng)該圍繞兩個中心來組織——個人意義建構(gòu)和問題解決，選擇那些對個人意義建構(gòu)和問題解決有幫助的信息與知識。在此基礎(chǔ)上，本課設(shè)計了兩個主線（明線和暗線），從學(xué)生的認知特征出發(fā)設(shè)置了明線：初識人工智能—了解人工智能—分析人工智能—總結(jié)人工智能—反思人工智能；從人工智能的發(fā)展歷程出發(fā)設(shè)置了暗線：弱人工智能階段—通用人工智能階段（AI生態(tài)）—強人工智能階段（如上頁圖7）。根據(jù)兩條線來搭建學(xué)生認知支架，明晰概念（人工智能AI、圖靈測試、自然語言理解、百度大腦等），側(cè)重應(yīng)用（智能家居百度小度機器人、百度AI開放平臺等），以“點”（自然語言理解、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、知識圖譜、算法、算力、數(shù)據(jù)等）深入，以“面”（AI生態(tài)：基礎(chǔ)層、技術(shù)層、應(yīng)用層）歸類，“點”“面”結(jié)合，引發(fā)學(xué)生意義建構(gòu)。

當(dāng)然本節(jié)課還有一些不足和需要改進的地方：沒有學(xué)生具體的動手實踐，學(xué)生動了“腦”和“心”，沒有動“手”；小組合作討論的時候，沒有明確的分工以及討論的規(guī)則，沒有為以后的“小組項目學(xué)習(xí)”做鋪墊；等等。

本節(jié)課是筆者基于學(xué)科核心素養(yǎng)、學(xué)科大概念所設(shè)計的課例。主題《走近人工智能》中的“近”字有兩層含義：一是拉近與學(xué)生的距離，讓學(xué)生切身感受所處的時代人工智能的浪潮已撲面而來，從宏觀上對人工智能有整體的認識，并為后面的項目學(xué)習(xí)做鋪墊；二是拉近國家課程與學(xué)校課程的距離，通過調(diào)適國家課程，創(chuàng)生出新的教育經(jīng)驗。通過本課例的呈現(xiàn)，筆者“拋磚引玉”，以期引發(fā)更多的討論和思考。

點 評

本次賽課的主題是“人工智能”，針對的是2017年新課標(biāo)必修模塊1《數(shù)據(jù)與計算》和選擇性必修模塊4《人工智能初步》的內(nèi)容要求。由于新教材尚未出版，所以沒有可參照的依據(jù)。課題的開放性比較大，也為各位參賽的老師留下了發(fā)揮的空間。馬老師的《走近人工智能》一課比較突出，可圈可點。一是設(shè)計思路清晰，以人工智能應(yīng)用為主線，基本上詮釋了人工智能概念、圖靈測試、發(fā)展歷程、技術(shù)原理、倫理道德等知識點。本節(jié)課涉及人工智能的方方面面，體現(xiàn)了教師在專業(yè)知識方面的廣度和深度，反映了他不斷學(xué)習(xí)、與時俱進的專業(yè)素養(yǎng)。二是課堂活動豐富，以學(xué)生日常的情境為核心，通過對比智能玩伴小天機器人和智能家居小度機器人，來感受人工智能在自然語言理解和算法、算力、數(shù)據(jù)方面的進步，在人工智能應(yīng)用情境中熟悉智能技術(shù)應(yīng)用的基本過程和實現(xiàn)原理。從學(xué)生角度來看，本節(jié)課非常引人入勝，學(xué)生參與度很高。應(yīng)該說，本節(jié)課真正做到了讓學(xué)生“在體驗人工智能應(yīng)用中，思考人工智能對人們?nèi)粘Ｉ畹挠绊憽薄Ｈ羌夹g(shù)手段新穎，簡單實用且價格親民的兩個機器人、手機投屏、百度AI開放平臺等技術(shù)應(yīng)用，為教學(xué)活動起到了良好的支撐作用，也體現(xiàn)了教師靈活運用教育技術(shù)開展教學(xué)的強大實力。

從學(xué)科核心素養(yǎng)和學(xué)科大概念角度來觀察這節(jié)課，信息意識（數(shù)據(jù)）、計算思維（實現(xiàn)原理）、信息社會責(zé)任（思考人工智能影響）都有所體現(xiàn)。如果在教學(xué)環(huán)節(jié)中加入學(xué)生動手實踐，體現(xiàn)出數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新素養(yǎng)，這節(jié)課就會上得更完美了，當(dāng)然數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新素養(yǎng)會在后面的項目學(xué)習(xí)中有所偏重。總結(jié)匯成一句話：上好人工智能模塊的第一課非常不容易。

（點評人：黑龍江省哈爾濱市第三中學(xué)信息技術(shù)學(xué)科教研組長 孫然 海南中學(xué)信息技術(shù)學(xué)科教研組長 周廣蕓）