人工智能在小學(xué)信息技術(shù)課堂教學(xué)中實(shí)施的思考

凌秋虹

人工智能正以超出人們預(yù)想的速度迅猛發(fā)展。2017年國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出了“實(shí)施全民智能教育項目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育，支持開展人工智能競賽，鼓勵進(jìn)行形式多樣的人工智能科普創(chuàng)作”。根據(jù)規(guī)劃，在小學(xué)課堂中普及推廣的人工智能相關(guān)教學(xué)，也必將是未來國家大力推動的主要教育形式，因此“人工智能”成為當(dāng)下教育的熱詞。而當(dāng)下，我們已迎來科技創(chuàng)新型社會，人工智能已經(jīng)融入社會各行業(yè)和百姓生活中，人工智能教育已經(jīng)迫在眉睫。人工智能教育要從青少年階段抓起，為國家培育人工智能創(chuàng)新人才，要提高全民族的科學(xué)教育素質(zhì)與生產(chǎn)創(chuàng)新意識。那么人工智能究竟要如何“去高端化”潛入小學(xué)信息技術(shù)課堂呢？筆者以自身對人工智能的理解與實(shí)踐為例，淺析在人工智能火熱的當(dāng)下，如何緩緩地在小學(xué)信息技術(shù)課堂中實(shí)施人工智能教育。

● 人工智能的定義

眾所周知，人工智能是一項多領(lǐng)域交叉學(xué)科，其主要涉及了哲學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、數(shù)學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)、心理學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、信息論、控制論、不定性論等。正是源自豐富的學(xué)科基礎(chǔ)，其關(guān)鍵技術(shù)主要包括知識圖譜、計算機(jī)視覺、人機(jī)交互、生物特征識別、機(jī)器學(xué)習(xí)、自然語言處理和VR/AR等。其中機(jī)器學(xué)習(xí)是人工智能的核心，是計算機(jī)具有智能的根本途徑，它專門研究計算機(jī)怎么模擬或?qū)崿F(xiàn)人類的學(xué)習(xí)行為，以獲取新的知識或技能，重新組織已有的知識結(jié)構(gòu)，使之不斷改善自身的性能。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)的逐步深入發(fā)展，延伸出深度學(xué)習(xí)這一新領(lǐng)域。那么，什么是深度學(xué)習(xí)呢？我們可以這樣通俗地概括：深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬了人腦的神經(jīng)結(jié)點(diǎn)，每個點(diǎn)實(shí)際上就是一個函數(shù)調(diào)節(jié)器，無數(shù)函數(shù)彼此交叉連接起來，就構(gòu)成了一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

深度學(xué)習(xí)的核心理念就是通過增加神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)來提高效率，將復(fù)雜的輸入數(shù)據(jù)逐層抽象和簡化，判定的層數(shù)越多，識別得也越準(zhǔn)確。深度學(xué)習(xí)概念的提出，將原有的傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)中需要告訴計算機(jī)判定條件，轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C(jī)根據(jù)大量的圖像對應(yīng)空間分布的數(shù)據(jù)，根據(jù)語音或自然語言對應(yīng)時間性分布數(shù)據(jù)，進(jìn)行自主習(xí)得，從中找出規(guī)律，再進(jìn)行精確識別。

大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)是人工智能的兩個標(biāo)志，數(shù)據(jù)越大，在深度學(xué)習(xí)算法的計算下，效果就越好，為此我們可以從機(jī)器學(xué)習(xí)、訓(xùn)練、深度學(xué)習(xí)的思維方式去理解人工智能。那么，到底什么是人工智能？人工智能是研究人類智能活動的規(guī)律，構(gòu)造具有一定智能的人工系統(tǒng)，研究如何讓計算機(jī)去完成以往需要人的智力才能勝任的工作，也就是研究如何應(yīng)用計算機(jī)的軟硬件來模擬人類某些智能行為的基本理論、方法和技術(shù)。概而言之，對人工智能的定義大多可劃分為四類，即機(jī)器“像人一樣思考”“像人一樣行動”“理性地思考”和“理性地行動”。既然人工智能的發(fā)展已經(jīng)到了前所未有的高度，并且人工智能毫無疑問已經(jīng)從我們生活的方方面面滲入我們的行為習(xí)慣，那么，面對飛速發(fā)展的人工智能，我們就應(yīng)該在學(xué)校教育中將人工智能課程真正落地，讓我們的孩子能在人工智能時代做好準(zhǔn)備。

● 如何讓人工智能在小學(xué)信息技術(shù)課堂中“走起”

其實(shí)人工智能涵蓋的概念、理論高深、抽象，顯然超出了小學(xué)生的接受能力，如何讓人工智能教育和學(xué)習(xí)變得直觀易懂呢？筆者曾帶領(lǐng)團(tuán)隊撰寫了適合小學(xué)生學(xué)習(xí)的人工智能低、中、高科普教材，該教材為小學(xué)生提供了人工智能知識體系，通俗易懂的人工智能科普小知識、小故事，讓學(xué)生了解什么是人工智能，并通過經(jīng)典的數(shù)學(xué)問題感知人工智能算法的魅力，通過動手搭建有趣的弱人工智能項目體驗人工智能的趣味。總之，該教材讓學(xué)生借助生活情境，學(xué)習(xí)人工智能相關(guān)知識，通過動手實(shí)踐培養(yǎng)學(xué)生的計算思維、創(chuàng)新思維和動手實(shí)踐能力?；诖耍P者認(rèn)為，人工智能在小學(xué)信息技術(shù)課堂中真正落實(shí)，可從以下四個方面入手。

1.了解人工智能應(yīng)用場景，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

人工智能看著高大上，但實(shí)際上離我們的生活并不是那么遙遠(yuǎn)。在課程實(shí)施時，可帶著學(xué)生用生活中最為常見的人工智能應(yīng)用案例，挖掘?qū)W生在生活中不經(jīng)意間就享受到人工智能的便捷，以此來了解人工智能中的圖像識別、語言識別的應(yīng)用場景，從而激發(fā)學(xué)生對人工智能的興趣與求知欲。例如，飛速而起的智能手機(jī)，從原來的按鍵到如今的智能手機(jī)，從原來的密碼解鎖到現(xiàn)在的指紋解鎖、刷臉解鎖，從原來的貨幣購買方式到現(xiàn)在的連街邊的小攤販都支持的二維碼付款，在實(shí)際應(yīng)用場景中讓學(xué)生感知人工智能圖像識別的原理和快捷。又如，為什么“淘寶”每次推送的產(chǎn)品都是你想買的？為什么你看到的“美團(tuán)”里面每道菜都是你想吃的？“滴滴”為什么能派一個距離你最近的司機(jī)？在教學(xué)中帶領(lǐng)學(xué)生在生活應(yīng)用中分析其原理，理解人工智能深度學(xué)習(xí)的魅力?？傊ㄟ^身邊人工智能應(yīng)用實(shí)例讓學(xué)生了解人工智能基本原理，從中感知機(jī)器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統(tǒng)等人工智能的基本概念，對人工智能有個粗淺認(rèn)知與理解。

2.注重創(chuàng)客教育實(shí)施，作為人工智能啟蒙教育

創(chuàng)客教育是創(chuàng)客文化與教育的結(jié)合，是基于學(xué)生興趣，以項目學(xué)習(xí)的方式，使用數(shù)字化工具，倡導(dǎo)造物，鼓勵分享，培養(yǎng)跨學(xué)科解決問題能力、團(tuán)隊協(xié)作能力和創(chuàng)新能力的一種素質(zhì)教育。人工智能和創(chuàng)客教育最大的特征是“創(chuàng)新”，從教育本身來講，創(chuàng)客與人工智能教育都是多學(xué)科融合的領(lǐng)域，由于綜合了數(shù)學(xué)、物理、機(jī)械原理、電子傳感器、計算機(jī)軟硬件及人工智能等眾多前沿技術(shù)，通過這方面的學(xué)習(xí)有助于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)。另外，分析能力、創(chuàng)造能力、實(shí)踐能力這三力的均衡發(fā)展對學(xué)生的發(fā)展起著重要的作用，而創(chuàng)客與人工智能教育的學(xué)習(xí)恰好是培養(yǎng)這三力的理想平臺。而處在小學(xué)階段的學(xué)生，由于其知識儲備與認(rèn)知能力不足，對人工智能深奧的算法、抽象的建模還不能理解，可將創(chuàng)客教育作為人工智能的啟蒙教育，通過創(chuàng)客教育讓學(xué)生創(chuàng)造出弱人工智能項目，從中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與批判性思維，提升學(xué)生分析問題和解決問題能力。

3.構(gòu)建小學(xué)生編程教育體系，注重學(xué)生編程思維培養(yǎng)

芬蘭教育部長說過：“在未來，如果你的孩子懂編程，他就是未來世界的創(chuàng)造者;如果他不懂，他只是使用者?！彪S著人工智能發(fā)展越來越深入，AI將與我們?nèi)粘Ｉ畹乃蟹矫娑冀豢椩谝黄?，編程將成為人類與計算機(jī)溝通的工具，也將變得越來越重要。在可見的未來，“編程”將如今天的數(shù)學(xué)、英語一樣，成為每個受過教育的人都必須具備的基本素質(zhì)，它是未來人工智能時代的基礎(chǔ)。就人工智能目前應(yīng)用領(lǐng)域來說，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和機(jī)器學(xué)習(xí)算法占據(jù)了主流地位，正是因為這些算法，人工智能才能變得如此“聰明”，所以算法對于人工智能的發(fā)展至關(guān)重要，而算法是編程學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容。

基于以上思考，根據(jù)小學(xué)生各個發(fā)展階段的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，筆者梳理了一套編程教育體系，該體系從Level 1到Level 5一共有五個階段。

（1）第一階段以游戲化情境為主，作為兒童編程入門語言學(xué)習(xí)，這種圖形化編程方式適合零基礎(chǔ)的兒童學(xué)習(xí)。主要是在具體的情境下，以游戲化、圖形化的表現(xiàn)和拖拽方式完成編程的核心邏輯，主要針對一、二年級學(xué)生學(xué)習(xí)。

（2）第二階段著重于Scratch圖形化編程的使用，初步掌握Scratch 中的基本模塊，認(rèn)識程序設(shè)計的基本構(gòu)結(jié)，用編程的方法去解決一些問題，主要針對三年級學(xué)生學(xué)習(xí)。

（3）第三階段以項目學(xué)習(xí)為主，在具體任務(wù)中提出問題、需求分析、整體架構(gòu)，搭建與糾錯，測試與評估，從而掌握重復(fù)、判斷、變量等相關(guān)知識，主要針對四年級學(xué)生學(xué)習(xí)。

（4）第四階段為算法學(xué)習(xí)，涉及循環(huán)、列表、分治、遞歸、冒泡等相關(guān)知識，可以把一些經(jīng)典的數(shù)學(xué)奧數(shù)問題，如植樹問題、農(nóng)夫過河問題、雞兔同籠，以及畫出科赫雪花、二叉樹、謝爾賓斯基三角形等圖形，將遞歸、分治、冒泡思想融入其中，掌握各種算法的應(yīng)用場合，主要針對五年級學(xué)生學(xué)習(xí)。

（5）第五階段為編程機(jī)器人學(xué)習(xí)，通過各類編程圖形化語言編寫指令，與各類開源硬件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)意性編程機(jī)器人的組合動作來實(shí)現(xiàn)各種創(chuàng)意，主要針對六年級學(xué)生學(xué)習(xí)。

4.尋找適合的學(xué)習(xí)載體，讓創(chuàng)編人工智能實(shí)例成為可能

很多創(chuàng)客器材廠商對現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行了升級改造，將人工智能元素融入到產(chǎn)品中，如mDesigner3、小貓科技、思泰姆的奇樂方和創(chuàng)造栗無人駕駛等，學(xué)生利用它們可以創(chuàng)作出很多弱人工智能項目。同時，它們各自已開設(shè)了較為完整的課程體系、智能編程平臺、智能硬件等，讓學(xué)生通過循序漸進(jìn)的人工智能課程學(xué)習(xí)，體驗圖像識別技術(shù)、語音識別技術(shù)、大數(shù)據(jù)應(yīng)用，以及人工智能算法、建模的過程。例如，在小貓科技中，基于時下火爆的Scratch3.0圖形化框架軟件平臺，Kittenblock打通并支持Arduino、Micro：bit等開源硬件的編程運(yùn)行，在軟硬結(jié)合的初衷上，不斷地將人工智能等黑科技打通呈現(xiàn)直觀的、易用的學(xué)習(xí)環(huán)境。其中它用到了TensorFlow算法，TensorFlow是由Google開發(fā)的一個基于深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的通用化機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)，它是世界上最受歡迎的開源機(jī)器學(xué)習(xí)框架，它具有快速、靈活并適合產(chǎn)品級大規(guī)模應(yīng)用等特點(diǎn)，讓每個開發(fā)者和研究者都能方便地使用人工智能來解決多樣化的挑戰(zhàn)。同樣對小學(xué)生而言，也可以創(chuàng)作基于人工智能算法的游戲，如“石頭、剪刀、布”游戲，一旦系統(tǒng)成功地建立好模型，系統(tǒng)進(jìn)行模型訓(xùn)練后，你無論如何機(jī)智，玩“石頭、剪刀、布”游戲不可能勝過電腦。在該游戲制作過程中，學(xué)生將自然地感知深度學(xué)習(xí)的含義，真切地了解算法與建模在游戲創(chuàng)作中的作用。又如，美科AI模塊也可以做很多IA的案例，如學(xué)生喜歡的人臉識別游戲，以攝像頭為媒介獲取人像進(jìn)行識別，通過自己的動手創(chuàng)作，在瞬間能判斷出自己性別、年齡、膚色和表情，深感圖像識別與大數(shù)據(jù)分析的原理。

為此，人工智能進(jìn)入課堂，我們必須構(gòu)建深入淺出的知識體系，其特點(diǎn)是融科學(xué)性、先進(jìn)性及趣味性于一體，讓學(xué)生在快樂、充滿好奇的環(huán)境中學(xué)習(xí)人工智能的基本知識與概念，通過解決實(shí)際問題的過程學(xué)習(xí)編程，學(xué)會算法，在造智項目中培養(yǎng)他們的創(chuàng)新思維與動手實(shí)踐能力，為學(xué)生了解掌握國際最前沿人工智能科技打下堅實(shí)基礎(chǔ)。

● 如何破解人工智能師資難題

讓人工智能融入中小學(xué)課堂，助推國民科學(xué)創(chuàng)新素質(zhì)，為國家的人工智能發(fā)展培育種子力量，是我們每一位教育工作者應(yīng)擔(dān)起的社會責(zé)任。作為創(chuàng)新人才培養(yǎng)質(zhì)量的保障，人工智能師資培養(yǎng)是關(guān)鍵。但現(xiàn)實(shí)情況是，中小學(xué)校的人工智能專業(yè)教師緊缺。為此，加強(qiáng)AI師資培育，致力于打造體系化的人工智能教師培訓(xùn)課程，構(gòu)建覆蓋全面的人工智能教師隊伍，引領(lǐng)人工智能課程教學(xué)模式革新，實(shí)施從基礎(chǔ)教育開始的未來AI人才培養(yǎng)計劃，培養(yǎng)多維度、多梯次的人工智能復(fù)合型人才是教育行政部門須著力推進(jìn)的工作。

總之，人工智能成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)，同時它也成為改變?nèi)祟愇磥砩畹闹匾绞?，人工智能在未來的競爭將集中體現(xiàn)在人才競爭上。要在人工智能大時代中占有一席之地，必須要培養(yǎng)人工智能高新人才。學(xué)在少年，贏在未來，人工智能教育工作任重而道遠(yuǎn)。