人工智能在教育教學(xué)中的實踐與探索

馮軍 馬立

人工智能AI （Artificial Intelligence） 是用機器去實現(xiàn)借助人類智慧才能實現(xiàn)的任務(wù)。這項看似非常復(fù)雜的技術(shù)，已經(jīng)慢慢來到我們身邊，如網(wǎng)購App對不同的用戶推送不同的內(nèi)容、手機的智能助手、手機指紋識別、機器自動翻譯等，都是人工智能技術(shù)融入我們生活的例證。在教育界，人工智能也將發(fā)揮其無可替代的巨大作用。2019年5月16日，國際人工智能與教育大會召開，國家主席習(xí)近平致賀信。習(xí)近平指出，培養(yǎng)大批具有創(chuàng)新能力和合作精神的人工智能高端人才，是教育的重要使命。

中國的未來需要培養(yǎng)大批具有創(chuàng)新能力和合作精神的人工智能高端人才，基礎(chǔ)教育是未來人才打基礎(chǔ)的關(guān)鍵階段，讓學(xué)生接觸、理解、掌握人工智能技術(shù)就顯得非常重要。在2017年初，我們學(xué)校與企業(yè)開展合作，開始了人工智能課程的嘗試。但隨著各項教學(xué)活動的逐步開展，學(xué)生掌握的進度難以與企業(yè)推出的設(shè)備技術(shù)結(jié)合，在教學(xué)上出現(xiàn)對產(chǎn)品生搬硬套，甚至把一節(jié)課變成了一節(jié)說明書解讀課的情況。如何把人工智能教育融入常規(guī)課程與教學(xué)，我們開始了新的思考與探索。

實踐與探索：人工智能在教育教學(xué)中的應(yīng)用分享

在反復(fù)推敲與實踐的基礎(chǔ)上，我們認(rèn)識到，師資力量是人工智能教育變革與創(chuàng)新的根本與關(guān)鍵。為此，學(xué)校組織教師深入學(xué)習(xí)Scrach、App Inventor、開源硬件、大數(shù)據(jù)、圖像處理等各種相關(guān)知識，并以建設(shè)學(xué)生社團選修課，開展學(xué)生科技競賽以及課題研究為突破方向，努力讓人工智能教育的種子在我們學(xué)校生根發(fā)芽。

從2018年開始，我們學(xué)校將每周五中午、周日下午固定為人工智能教育選修課時間，開放科技創(chuàng)新實驗室和計算機教室，課余時間學(xué)生隨時可以到實驗室學(xué)習(xí)探討。他們以問題為導(dǎo)向，思考和解決問題的程序與結(jié)構(gòu)，在優(yōu)化程序和結(jié)構(gòu)過程中根據(jù)不同情況選擇不同的方法，形成多個解決問題的途徑，不斷模擬解決處理問題的過程與方法。如學(xué)生設(shè)計的掃地機器人，一開始都是通過碰撞傳感器來改變路線的，在反復(fù)碰撞過程不斷嘗試路線，所以智能化程度不高，掃地效率低下。通過教師引導(dǎo)和反復(fù)研究探索，加入了激光雷達測距、攝像頭傳感器繪制地形、地圖定位規(guī)劃路線等技術(shù)，讓學(xué)生將各種技術(shù)有效地進行搭配與組合，通過不斷的參數(shù)設(shè)置與組合搭配，掃地機器人終于可以感知地形、繪制家庭房屋結(jié)構(gòu)，并在行走過程對路線進行記錄，極大地提高了工作效率。掃地機器人的成功改進讓學(xué)生們愛上了創(chuàng)造。

中學(xué)的人工智能課程最容易被編程課和開源硬件課所取代，缺乏學(xué)生自主的思考、主觀能動性的發(fā)揮，只有讓人工智能教育貼近生活中的實際問題，才算真正有效開展人工智能教育。基于此，我們開始在全校規(guī)?；_設(shè)《Arduino智能硬件程序設(shè)計基礎(chǔ)》《機器人編程實踐》《人工智能編程入門》三門基礎(chǔ)選修課，教材全部自編，著眼于解決生活中的問題。同時，根據(jù)人工智能教育不斷發(fā)展的需要，我們學(xué)校建設(shè)了一間3D打印教室，讓學(xué)生自己設(shè)計模型，進行3D打印，讓設(shè)計快速變成成品，這極大地激發(fā)了學(xué)生的積極性。在后期的人工智能教學(xué)中，教師們也不再孤立于每個教學(xué)環(huán)節(jié)，而是通過與開源硬件實驗室、3D打印實驗室、編程教學(xué)相互融合，來開展人工智能課程教學(xué)。

現(xiàn)在，我們引入STEAM理念，從科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)等多個方面，形成不同側(cè)重點的興趣小組，平行開展分析、思考、創(chuàng)新活動，最終開展共享與合作，形成一個最優(yōu)化的方案及作品。例如，在人類面部表情的識別與應(yīng)用方面，我們通過高速相機采集畫面、通過坐標(biāo)進行關(guān)鍵點提取、通過圖像關(guān)鍵點判定對象心情、通過大數(shù)據(jù)比對提高判讀的準(zhǔn)確率、通過圖像處理夸大對象形象，最后通過3D打印或繪圖表現(xiàn)出最終效果，形成作品。在整個過程中科學(xué)小組負(fù)責(zé)可行性分析及統(tǒng)籌安排、技術(shù)小組負(fù)責(zé)算法分析及實現(xiàn)、工程小組負(fù)責(zé)設(shè)備組合及調(diào)試、藝術(shù)小組負(fù)責(zé)最終形象設(shè)計，如此，人工智能文化、人工智能未來發(fā)展等各種理念通過活動與討論，逐步滲透到每個學(xué)生的內(nèi)心。

課程內(nèi)容歷來被視為學(xué)生習(xí)得知識的主要來源，為此，我們開設(shè)了人工智能知識及Python（派森）編程語言的教學(xué)。Python 語言是人工智能的核心編程語言，學(xué)生學(xué)習(xí)了Python 語言就可以了解爬蟲編寫、機器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)庫編程、數(shù)據(jù)分析與處理等方面的實踐應(yīng)用。我們依據(jù)新課標(biāo)中對于信息技術(shù)人才培養(yǎng)的指導(dǎo)意見，設(shè)計課程，幫助學(xué)生提升計算思維、編程能力，培養(yǎng)他們的創(chuàng)新能力。同時，我們也把每年完成一個創(chuàng)意作品，或參加一項比賽作為評價學(xué)生的重要依據(jù)，以此激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)新知的積極性。

辛勤的耕耘與求索，換來了累累碩果。開展人工智能教育兩年以來，我們學(xué)校有超過100名學(xué)生在全國、省、市級各類科技競賽中獲獎。先后獲得全國第九屆“北斗杯”全國青少年科技創(chuàng)新大賽西北賽區(qū)一等獎、優(yōu)秀組織獎，陜西省第十九屆電腦制作活FLL工程挑戰(zhàn)賽VEXIQ初中組冠軍，全國第十六屆NOC機器人競賽二等獎，陜西省2018MakeX機器人挑戰(zhàn)賽中初中組季軍、最佳外觀設(shè)計獎，西安市第十九屆中小學(xué)機器人與創(chuàng)客大賽FLL工程挑戰(zhàn)賽初中組冠軍、創(chuàng)客競賽初中組季軍等榮譽。

變革與展望：人工智能技術(shù)改善教育生態(tài)

人工智能技術(shù)除了作為未來人才培養(yǎng)的主要內(nèi)容外，還是促進教育教學(xué)質(zhì)量提高、改善教與學(xué)生態(tài)的有效工具。在技術(shù)的支持下既可以實現(xiàn)班級規(guī)?；虒W(xué)基礎(chǔ)上學(xué)生的個性化培養(yǎng)，同時可以降低教師體力勞動、使教師能更加專注教育教學(xué)活動的系統(tǒng)性與創(chuàng)造性。

引入智能教學(xué)專家系統(tǒng)。專家系統(tǒng)是人工智能的一個重要分支。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，其應(yīng)用也越來越廣泛。專家系統(tǒng)就是模仿專家的功能，將專家的知識和經(jīng)驗總結(jié)成規(guī)則，以適應(yīng)的方式存入計算機系統(tǒng)，建立知識庫，然后對輸入的原始數(shù)據(jù)選用適用的規(guī)則進行推理，做出決策和判斷，使它具有專家的知識，能解決只有專家能解決的問題。現(xiàn)在，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)系統(tǒng)能夠較好地實現(xiàn)網(wǎng)上教育信息資源，教師資源的共享，但是還存在許多問題，譬如，無法因材施教，對不同層次的學(xué)生采取一樣的教學(xué)策略，學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)迷航等問題，不能從根本上促進學(xué)習(xí)者的反思和自我表現(xiàn)。上述問題的出現(xiàn)，除了教師主觀的認(rèn)識不足與對待不夠認(rèn)真外，還與缺乏結(jié)構(gòu)化的知識梳理有關(guān)。目前，我們系統(tǒng)梳理了結(jié)構(gòu)化教學(xué)資源，并根據(jù)學(xué)生點擊情況來建議教師的教學(xué)進度、內(nèi)容等，使之具備智能化能力，使教育達到個性化、智能化的目的。

引入基于人工智能的課堂教學(xué)反饋系統(tǒng)與大數(shù)據(jù)分析平臺。我們學(xué)校建設(shè)了兩間智慧教室，通過行為分析和及時反饋，對教師的教育教學(xué)效果進行細(xì)致的分析與個性化的數(shù)據(jù)報告。行為分析系統(tǒng)采用語義分析技術(shù)與人工智能技術(shù)相結(jié)合，自動形成課堂教學(xué)行為和教學(xué)內(nèi)容的分析數(shù)據(jù)，對教師板書、教師演示、學(xué)生回答問題等100余種教學(xué)行為進行自動分析，生成教師和學(xué)生的多維成長檔案。同時，為提高反饋的準(zhǔn)確度，我們通過反饋應(yīng)答器，收集每個學(xué)生知識掌握的情況，形成行為加反饋的兩個維度的數(shù)據(jù)依據(jù)，教師依據(jù)系統(tǒng)生成的成長檔案進行教學(xué)反思，并依據(jù)與名師課堂教學(xué)行為數(shù)據(jù)的對比，改進教學(xué)方法，提升教學(xué)技能。此外，利用大數(shù)據(jù)分析平臺可以智能分析判斷學(xué)生的作業(yè)及試卷數(shù)據(jù)，形成基于學(xué)生個人知識點的認(rèn)知圖譜，形成學(xué)習(xí)準(zhǔn)確預(yù)判，使學(xué)生更加清晰明了地認(rèn)識自己的優(yōu)缺點。教師也從繁雜的體力勞動中解放出來，從而集中精力處理知識性的問題，進行創(chuàng)新性的思考，有效指導(dǎo)教師教學(xué)，提高教育教學(xué)成績，享受科技給教育教學(xué)帶來的優(yōu)勢與成果。

更新觀念，適應(yīng)教育教學(xué)的改革與學(xué)校的可持續(xù)發(fā)展。在理念建設(shè)方面，我們學(xué)校繼續(xù)加強教師的學(xué)習(xí)進修，以案例應(yīng)用分享帶動教師學(xué)習(xí)人工智能知識的熱情，加速師生理念的更新，促進人工智能文化在我們學(xué)校的培植與發(fā)展。環(huán)境建設(shè)方面，打造基于不同主題的人工智能實驗室，提高學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能、運用人工智能的能力，為學(xué)生的終身發(fā)展打下良好基礎(chǔ)。同時繼續(xù)加大人工智能技術(shù)對教育教學(xué)的支持，讓每個教師都能增加一個智能助手，使日常教育教學(xué)更加有針對性，使教師能更加專注未來人才的培養(yǎng)。

人工智能技術(shù)在教育教學(xué)中的日益發(fā)展，將帶來整個教育生態(tài)、教育文化的創(chuàng)新與變革。唯有這樣，我國的教育才能不斷革新，煥發(fā)新的活力，未來中國才能不斷迸發(fā)出強大的發(fā)展?jié)摿?，才能持續(xù)書寫新時代新的詩篇。