高中人工智能課程實驗教學資源建設探索

吳靖 殷常鴻

摘? 要 高中人工智能課程實驗教學資源建設探索是一個全新的研究領域。首先梳理當前國內外相關研究的進展情況及存在的問題，然后在分析高中信息技術新課標內容的基礎上，提煉出人工智能實驗類別和典型應用場景，最后提出高中人工智能實驗教學資源的建設方案。

關鍵詞 人工智能;高中人工智能課程;實驗教學資源;核心素養(yǎng);機器學習;計算思維;深度學習

中圖分類號：G632.3? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）23-0058-04

1 引言

近年來，隨著信息技術及互聯網技術的快速發(fā)展，人工智能已成為眾多國家的國家戰(zhàn)略，中國也不例外[1]。2016年10月，美國頒布《美國國家人工智能研究與發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃》;2018年5月，歐盟發(fā)布《歐盟人工智能》標準。目前，中國已成為全球人工智能投融資規(guī)模最大的國家。2019年5月在北京召開《國際人工智能與教育大會》;2019年8月，科技部印發(fā)《國家新一代人工智能創(chuàng)新發(fā)展試驗區(qū)建設工作指引》，可見人工智能的重要性。那么如何推進人工智能與教育的深度融合？除了在教育中推廣和普及人工智能技術和產品的應用，以此來推動教育現代化、均衡化、高效化發(fā)展之外，更為關鍵的是培養(yǎng)具有開發(fā)、設計以及應用人工智能技術和產品的人才。而要實現這個目標的根本，是要在中小學引入人工智能課程，逐步提升學生的相關素養(yǎng)，為向高校及科研機構輸送高質量的人工智能人才打下基礎。

2017年7月，國務院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》（國發(fā)〔2017〕35號）明確提出，在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育，建設和完善人工智能科普基礎設施[2]。這表明人工智能課程在中小學進入新的時代，不僅需要新理念、新內容，更需要新的教學環(huán)境。

2017年底，教育部頒布《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》（下文簡稱“新課標”），人工智能作為選擇性必修模塊位列其中。作為一門以體驗、實踐為特色的學科，人工智能課程有必要開設實驗課，讓學生通過親自體驗、操作深化對知識的認知，理解抽象概念和算法的運行與實現過程，同時提升實踐操作能力。為此，新課標也明確指出，要充分利用豐富的開源硬件和人工智能應用框架等資源，搭建面向實際生活的應用場景，即要配備數量合理、配置適當的實驗設備，建設適應教學需要的數字化教學資源[3]?？梢哉f，研究如何建設高中人工智能課程實驗設備和數字化教學資源是具有前瞻性的舉措，這正是本文的研究重點。

2 相關研究現狀

人工智能的內涵? 要在中小學校有效發(fā)展人工智能，必須清楚人工智能的內涵。人工智能是指研究開發(fā)能夠模擬、延伸和擴展人類智能的理論、方法、技術及應用系統(tǒng)的一門新的技術科學，研究目的是促使智能機器會聽（語音識別、機器翻譯等）、會看（圖像識別、文字識別等）、會說（語音合成、人機對話等）、會思考（人機對弈、定理證明等）、會學習（機器學習、知識表示等）、會行動（機器人、自動駕駛汽車等）[4]。

人工智能研究現狀? 縱觀國內外人工智能領域的研究，主要是進行基礎研究和開發(fā)，大致分為學院派和市場派，研究的領域各有側重，如表1所示。學院派側重于人工智能在認知、生物學、智能領域方面的研究;市場派側重于人工智能在生產生活領域應用的研究。根據教育部統(tǒng)計數據，國內有75所高校設置85個AI相關研究院或學院，共設立489個本科交叉學科點。2018年度，35所高校新增人工智能專業(yè)。為此，中小學尤其是高中必須開設人工智能基礎課程，為向高校以及科研機構輸送高質量的人工智能人才打下基礎。

高中人工智能課程定位? 新課標指出，通過學習，學生要了解人工智能的發(fā)展歷程及概念，能描述典型人工智能算法的實現過程，能搭建簡單的人工智能應用模塊（計算思維），親歷設計與實現簡單智能系統(tǒng)的基本過程與方法（數字化學習與創(chuàng)新），增強利用智能技術服務人類發(fā)展的責任感（信息意識、信息社會責任）。從以上表述可以看出，高中人工智能課程目標定位在信息技術核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，特別是提升學生計算思維、數字化學習與創(chuàng)新能力。

關于課程內容，新課標確定為人工智能基礎、簡單智能系統(tǒng)開發(fā)、人工智能技術的發(fā)展與應用三部分。謝忠新博士在《中小學人工智能課程內容設計研究》中提出，高中人工智能課程內容定位在認識、體驗人工智能，理解人工智能（深入分析各種技術），創(chuàng)造創(chuàng)新（實現人工智能）三個方面。艾倫教授認為，內容應該定位為在人工智能技術中使機器會看、會聽、會說、會行動等方面的相關內容。

高中人工智能課程實驗教學資源建設現狀? 在顧明遠先生主編的《教育大詞典》中，教學資源是指“支持教學活動的各種資源。分為人力資源和非人力資源，非人力資源包括各種媒體和各種教學輔助設施”。本研究中的教學資源特指為開展人工智能實驗課程、優(yōu)化實驗過程、增強實驗效果而涉及的各種教學媒體，主要包含實驗設備、開發(fā)工具平臺和數字化資源。

從公開發(fā)表的論文來看，相關研究很少，大多集中在對高中人工智能課程的實施和教材編寫方面。美國基礎教育階段人工智能課程具有很強的靈活性，常常與高校合作開辦課程，如卡耐基·梅隆大學的暑期夏令營就曾為高中生提供智能機器人課程。該課程應用Tekkotsu這一開源的機器語言，為機器人提供程序框架。英國同樣采用與高校協(xié)作的方式開展人工智能教學，高校為中小學搭建人工智能教學網站，并以遠程培訓的方式參與師生的討論和答疑[5]。

日本為了貫徹人工智能發(fā)展的國家戰(zhàn)略，從基礎教育改革入手，強化與人工智能等相關的學科教育，提高全民族人工智能應用能力，以從容應對人工智能時代的挑戰(zhàn)。

中國教育科學出版社、中國地圖出版社等在2004—2006年間組織出版了我國第一批《人工智能初步》教材和配套資料。2018年，由華東師范大學慕課中心、商湯科技聯合上海市多所高中的優(yōu)秀教師共同編寫的《人工智能基礎（高中版）》教材發(fā)布，推出人工智能教學云平臺，開發(fā)了眾多資源包，目前在上海、青島、常州的學校進行試點。中國人民大學附屬中學2019年發(fā)起成立中國人工智能學會中小學工作委員會，提出的任務之一是構建課程資源共享平臺。烏魯木齊市第八十中學王玉老師嘗試精選體驗式資源、遴選專業(yè)化平臺、利用開源資源進行人工智能教學的資源選擇和使用。這些文獻資料和實踐為高中人工智能課程實驗教學資源的研究提供了基礎信息和研究依據。

3 對國內現狀的反思

人工智能課程實驗內容不明確? 雖然大多數文獻都提到人工智能是實踐性很強的課程，需要通過實驗課為學生提供體驗式學習環(huán)境，使學生在體驗中主動建構知識，提升對算法的理解，在實驗過程中自主、積極參與，實現深度學習，訓練技術思維，但罕有文獻對實驗課的內容進行研究和分析。新課標雖然要求學生“知道人工智能應用系統(tǒng)大開發(fā)工具和平臺……要搭建簡單的應用模塊，配置適當的環(huán)境、參數……進行智能系統(tǒng)的應用體驗”，但并沒有提出需要進行哪些實驗，更沒有對實驗內容進行梳理和分析。

人工智能課程實驗教學資源缺少研究? 開展實驗教學需要豐富的實驗教學資源。目前市場上有很多體現人工智能的設備，網絡上有豐富的人工智能開源平臺和框架，也有科研機構和公司提供免費的體驗平臺，但魚目混珠、真?zhèn)坞y辨。教學過程中常見的現狀是高校人工智能實驗資源不進行加工就在高中使用，資源起點高、難度大，學生難理解。如何在對高中人工智能新課標目標、內容和教學要求進行分析基礎上，梳理出實驗需求和實驗內容，同時結合高中生的認知特點和現有基礎，構建經濟實用、數量適當、形式多樣、方便使用、安全可靠、邏輯清晰的實驗教學資源內容，迫在眉睫。

4 高中人工智能課程實驗內容分析

華南師范大學鐘柏昌教授在《高中信息技術必修課實驗與實驗室建設探索》一文中，將信息技術實驗活動分為體驗感悟類、程序設計類、硬件搭建類和科學探究類四種實驗[6]。筆者通過對高中人工智能課程內容的分析，梳理出四類實驗內容。

體驗感悟類? 通過對基于場景的人工智能設備和手機APP的體驗和操作，了解人工智能在計算機視覺、語音技術、自然語言處理、機器學習等多方面的功能，在體驗過程中學會觀察分析各種技術的基本工作原理或流程，感受人工智能技術在學習、生活中的廣泛應用。

程序設計類? 通過對人工智能應用系統(tǒng)開發(fā)工具、平臺的操作和實驗，了解人工智能核心算法的具體內容，如啟發(fā)式搜索、回歸算法、卷積神經網絡、K均值聚類算法等。并運用合理的算法形成解決問題的方案，熟悉人工智能技術應用的基本過程和實現原理，培養(yǎng)計算思維。運用人工智能應用框架進行人工智能應用場景的主題實驗。操作的內容是通過編寫作品實現其中1～2個場景，了解技術實現的一般過程。相關的主題有計算機視覺、語音技術、自然語言處理、機器學習等。

硬件搭建類? 利用機器人、智能小車等人工智能設備，搭建簡單的應用模塊，配置適當的環(huán)境、參數和自然交互方式進行硬件拆卸與組裝實驗等。

科學探究類? 通過人工智能科學探究類軟件，進行課程相關的視頻、圖片、文本和應用案例學習，了解人工智能技術的典型應用;或開展人工智能應用現狀和發(fā)展前景網絡問卷調研，了解人工智能所面臨的倫理及安全挑戰(zhàn)，增強安全防護意識和責任感。

5 實驗設備與資源建設方案

建設目標? 為高中人工智能課程實驗操作內容的實施提供實驗設備、開發(fā)工具平臺和數字化資源，共同達成課程教學目標，促進學生信息技術課程核心素養(yǎng)的提升。

建設原則? 由于人工智能技術迭代非?？欤婕暗募夹g繁多，因此，實驗設備需要盡可能展示人工智能多方面技術功能，增強學生對技能應用的真實體驗感。實驗設備配置應遵循的原則為：技術先進、擴展性強、操作簡單、安全可控、符合高中生認知特點。

現在的高中生都是在網絡時代成長的數字原住民，認知方式呈現的特征為：圖像及操作性技能優(yōu)先、關注表層信息、分散注意力同時處理信息、高速激發(fā)相近的概念[7]。為此，實驗資源建設要強調互動性和智能性，形式要以視頻、軟件和圖像為主，資源要多樣化、碎片化，應用平臺工具要基于網絡環(huán)境，體驗類軟件適合在平板電腦、智能手機上運行。

建設內容

一是體驗感悟類。

1）設備?？紤]到成本、效果、環(huán)境等因素，可在學校配置的設備有智能音箱、智能門禁系統(tǒng)、校園安防智能監(jiān)控系統(tǒng)等。此外，為運行人工智能APP或小程序，建議配置平板電腦或智能手機。

2）資源。手機APP的日?；褂脴O大降低了學生體驗人工智能的門檻，這些程序內容豐富、形式多樣、趣味性強、易于上手。百度AI體驗中心、騰訊AI體驗中心、訊飛開放平臺都提供機器學習、計算機視覺、語音識別等技術體

驗;美顏相機APP會自動標注出人像五官的關鍵點，精準定位需要美化的位置，處理方便、快捷、效果好;Siri是蘋果手機的典型應用，有尋找聯系人、定位、搜索、翻譯等諸多功能。

二是程序設計類。

1）設備。為學生學習人工智能理論基礎以及上機操作提供實踐環(huán)境，包括網絡環(huán)境和計算機終端。學生通過計算機終端安裝并登錄人工智能開發(fā)工具（平臺）和應用框架，進行構建、分解算法思維等編程實踐，分析各種技術的基本工作原理和流程，構造基于計算機的自動化方案。

2）資源。主要通過程序設計和調試，讓學生按照計算機求解問題的基本方式去考慮問題的求解，以便構建出相應的算法和基本程序等，以實現培養(yǎng)學生計算思維這一核心素養(yǎng)。

①Python。Python是一門計算機程序語言，操作簡單、易于使用，符合高中生認知水平，能與其他常用AI算法一起使用。

②人工智能應用工具和平臺。上文提及的百度AI體驗中心和訊飛開放平臺都免費提供語音識別、文字識別、圖像審核等技術學習和技術包下載。其中百度EasyDL是一款定制模型訓練和服務平臺，技術起點低，只需簡單的四步即可訓練深度學習模型。學生也可以利用平臺提供的開放技術和接口進行二次開發(fā)，創(chuàng)作新的人工智能作品。此外，商湯科技開發(fā)的教學實驗平臺SenseStudy包含25個實驗包，學生上機操作就可以全面了解人工智能科技常見的應用場景和技術原理。

③深度學習框架。常見的人工智能開源框架有Google開發(fā)的TensorFlow，Facebook人工智能研究院提供的開源PyTorch，還有用于快速構建深度學習原型的高層神經網絡庫Keras。這些資源適合對人工智能有濃厚興趣、數學基礎好、編程能力強的高中生學習研究。

三是硬件搭建類。此類設備是學生進行拆卸、組裝、調試和展示的設備。學生通過硬件模塊化編程，配置適當的環(huán)境、參數及自然交互方式等，搭建簡單AI應用。有條件的學?？梢耘渲脽o人駕駛小車，通過學生對小車的拼裝搭建和數據采集訓練，使得小車可以完成自動巡航、避障等功能。此類資源建設內容參考程序設計類。

四是科學探究類，以資源建設為主。

1）提供豐富的學習資源，包括高中人工智能課程的教學媒體素材、文獻資料、視頻課程，還包括調查、統(tǒng)計等學習工具。

2）提供個性化的學習資源。依托學習者風格、學習偏好測量量表的結果，對學習者行為進行分析并進行精準畫像，推送個性化資源，實現智慧學習和因材施教。

這類軟件可以依托MOOC等已有的網絡學習平臺，也可以針對學習需求進行定制開發(fā)。

建設途徑

1）政府采購。人工智能實驗教學資源需要根據學生人數和課程實驗需求，經過需求分析、市場調研、專家論證等環(huán)節(jié)，提出明確的硬件設備名稱、功能需求、參數要求、數量和預算。根據各級財政的相關政策，使用財政性資金購買國有資產需要經過政府采購;達到公開招標數額標準的采購項目，應采用公開招標方式。為提高采購績效，確保購買到好產品和服務，建議采用綜合評分法進行評標。

2）學校自籌。體驗感悟類軟件、程序設計類的Python軟件、深度學習框架等資源大多可以在網絡上免費獲取和使用。教師可以根據課程和實驗教學的需要，多角度創(chuàng)新使用以服務教學。

3）公益資助。一些人工智能企業(yè)為展示企業(yè)技術和拓展業(yè)務，常搭建一些人工智能實景應用場館，還有企業(yè)希望開展公益活動反哺教育。有條件的學?？梢耘c人工智能設備相關企業(yè)合作，讓學生有機會免費實地體驗、實踐，或接受企業(yè)資助。

6 結語

作為一項全新的研究課題，高中階段進行人工智能實驗課程資源建設如同新課程實施一樣，需要經過多年實踐和改進。本文是筆者多年一線工作經驗的提煉和總結，具有一定的代表性和實踐意義。針對資源建設的研究道路還很長，有關實驗資源的建設策略、標準規(guī)范、使用培訓等方面均需要進一步思考和嘗試。相信隨著人工智能技術的發(fā)展，會給研究帶來新的發(fā)展機遇，同時會有更多的研究機構、企業(yè)、學校參與到實踐中，共同提升高中人工智能實驗教學資源建設的廣度和深度。

參考文獻

[1]王慧媞.發(fā)展人工智能已成全球之勢[J].人民論壇，

2018（2）：20-21.

[2]國務院關于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知[EB/OL].[2017-07-20].http：//www.gov.cn/zhengce/content/

2017-07/20/content_5211996.htm.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中信息技術課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[4]譚鐵牛.人工智能的歷史、現狀和未來[J].網信軍民融合，2019（2）：10-15.

[5]陳凱泉，何瑤，仲國強.人工智能視域下的信息素養(yǎng)內涵轉型及AI教育目標定位：兼論基礎教育階段AI課程與教學實施路徑[J].遠程教育雜志，2018（1）：61-71.

[6]鐘柏昌.高中信息技術必修課實驗與實驗室建設探索[J].中國電化教育，2019（3）：16-21.

[7]楊現民，趙鑫碩，陳世超.“互聯網+”時代數字教育資源的建設與發(fā)展[J].中國電化教育，2017（10）：51-59.

基金項目：本文為江蘇省高校哲學社會科學研究課題“基于云的教育裝備績效評價研究”（項目編號：2016SJB880148）以及中國教育裝備研究院2017年度課題“大數據背景下教育裝備綜合績效統(tǒng)計評價的理論方法及應用研究”（項目編號：CEFR16005R02）

的階段性研究成果。

作者：吳靖，常州市虹景中學副校長，中學高級教師，研究方向為教育裝備建設、應用;殷常鴻，江蘇理工學院，副教授，南京師范大學在讀博士，研究方向為學習科學、教育裝備理論與應用（213000）。