引入體驗(yàn)活動(dòng) 創(chuàng)新小學(xué)人工智能教學(xué)模式

徐欣彥

研究背景

習(xí)近平總書(shū)記在給2019年國(guó)際人工智能與教育大會(huì)賀信中指出：人工智能是引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要驅(qū)動(dòng)力，正深刻改變著人們的生產(chǎn)、生活、學(xué)習(xí)方式，推動(dòng)人類(lèi)社會(huì)迎來(lái)人機(jī)協(xié)同、跨界融合、共創(chuàng)分享的智能時(shí)代。把握全球人工智能發(fā)展態(tài)勢(shì)，找準(zhǔn)突破口和主攻方向，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。國(guó)務(wù)院《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中也提到，實(shí)施全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程。

我們的學(xué)生正生活在一個(gè)身邊處處有人工智能的新時(shí)代，他們熟練應(yīng)用基于人工智能技術(shù)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，體會(huì)到人工智能的發(fā)展和普及正在慢慢改變他們的生活方式。他們對(duì)此充滿(mǎn)好奇，迫切需要在課堂上和教師一起解開(kāi)人工智能的秘密，但他們本身年齡小，知識(shí)基礎(chǔ)薄弱，如果教師采用傳統(tǒng)教學(xué)模式，以問(wèn)答、講解為主，將會(huì)極大增加教學(xué)難度和削減學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

人工智能所涉及的知識(shí)理論，比之前我們?cè)谛W(xué)信息技術(shù)課上所教學(xué)的任何內(nèi)容都要難而復(fù)雜，落實(shí)到日常教學(xué)活動(dòng)中，需要我們針對(duì)學(xué)生特點(diǎn)以及人工智能教學(xué)的新要求，對(duì)現(xiàn)有教學(xué)模式進(jìn)行創(chuàng)新，讓學(xué)生通過(guò)活動(dòng)自然理解相關(guān)知識(shí)，把重點(diǎn)從對(duì)概念、技術(shù)的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)換到了解相關(guān)概念，體驗(yàn)人工智能技術(shù)應(yīng)用上。在教學(xué)過(guò)程中以拓展思維為核心，以活動(dòng)—體驗(yàn)—提煉—思考—實(shí)踐為新教學(xué)模式，讓學(xué)生在課堂上共享應(yīng)用人工智能、協(xié)作開(kāi)展學(xué)習(xí)交流的樂(lè)趣，在活動(dòng)結(jié)束時(shí)做到“有所知、有所得、有所感、有所悟、有所樂(lè)”。讓學(xué)生在輕松愉快的學(xué)習(xí)氛圍中學(xué)習(xí)大數(shù)據(jù)、知識(shí)表示、機(jī)器感知等概念，體會(huì)它們?cè)谌斯ぶ悄軕?yīng)用中的作用。

近期教學(xué)實(shí)踐表明，通過(guò)豐富有趣的體驗(yàn)活動(dòng)，能更好地幫助學(xué)生從多個(gè)角度和方式來(lái)理解計(jì)算機(jī)科學(xué)中的很多概念，這個(gè)經(jīng)驗(yàn)也可以遷移到小學(xué)人工智能的教學(xué)中。體驗(yàn)活動(dòng)只是一種引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與學(xué)習(xí)的手段與方法，本質(zhì)是承載著建立人工智能相關(guān)概念結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)科思維的任務(wù)，最終還是要通過(guò)體驗(yàn)活動(dòng)實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。在開(kāi)展體驗(yàn)活動(dòng)之前，必須要明確“誰(shuí)來(lái)體驗(yàn)”“為何體驗(yàn)”“體驗(yàn)什么”“怎樣體驗(yàn)”等一系列問(wèn)題。

結(jié)合課例，探討加入體驗(yàn)活動(dòng)后的教學(xué)實(shí)效

1.逆向體驗(yàn)活動(dòng)，了解大數(shù)據(jù)對(duì)于人工智能的作用

在人工智能起始課“走近人工智能”一課中，需要讓學(xué)生了解，現(xiàn)在的人工智能技術(shù)有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)。如何讓學(xué)生體會(huì)到這兩個(gè)概念的重要性，以及它們的作用呢？以往都是運(yùn)用已有的程序，學(xué)生通過(guò)操作進(jìn)行體驗(yàn)，本次課則設(shè)計(jì)了逆向體驗(yàn)活動(dòng)的環(huán)節(jié)——植物識(shí)別大挑戰(zhàn)。由學(xué)生模擬植物識(shí)別軟件，通過(guò)教師提供的各種植物照片、文字資料，與實(shí)體植物的多角度對(duì)比、推理等，得出實(shí)體植物的名稱(chēng)。

教師提供給各組的資料有以下幾種情況：只有植物照片沒(méi)有文字說(shuō)明、全部都是其他植物的照片、文字說(shuō)明與照片不相符、照片模糊不清、多種近似外形植物照片混合、全部都是正確植物照片和說(shuō)明。最終進(jìn)行識(shí)別匯報(bào)時(shí)，有些組馬上說(shuō)出正確植物名稱(chēng)，有些組不能得出結(jié)論，有些組得出錯(cuò)誤結(jié)論。公布答案后，學(xué)生自己找出問(wèn)題所在，即自己手中的資料是這次識(shí)別活動(dòng)的關(guān)鍵，如果全班能共享所有資料，那所有人一定能很快得出正確結(jié)論。

從這個(gè)體驗(yàn)活動(dòng)中很容易就引出網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的大數(shù)據(jù)對(duì)于人工智能的作用。最后學(xué)生使用百度和花伴侶軟件對(duì)教師拿出來(lái)的植物進(jìn)行了識(shí)別操作，在操作過(guò)程中總結(jié)比對(duì)植物特征時(shí)要關(guān)注的點(diǎn)，比如葉子的形狀、顏色、花的形態(tài)、味道、手感等，以便于下次能更好地對(duì)植物進(jìn)行識(shí)別。同時(shí)也提出問(wèn)題：它們的大數(shù)據(jù)從哪里來(lái)的？怎么告訴程序這些數(shù)據(jù)？這時(shí)可以簡(jiǎn)單提及有監(jiān)督學(xué)習(xí)和無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)，為深度學(xué)習(xí)概念的引入埋下伏筆。

2.對(duì)比體驗(yàn)活動(dòng)，了解深度學(xué)習(xí)對(duì)于人工智能的重要性

深度學(xué)習(xí)概念涉及高深的數(shù)學(xué)、物理、腦科學(xué)等眾多領(lǐng)域，設(shè)計(jì)什么樣有趣的活動(dòng)給小學(xué)生進(jìn)行概念的滲透，讓他們了解到深度學(xué)習(xí)的重要性？教師從圖靈測(cè)試中，找到了教學(xué)的靈感。

在教學(xué)中將圖靈測(cè)試進(jìn)行簡(jiǎn)單的變化，設(shè)計(jì)出對(duì)比體驗(yàn)活動(dòng)——誰(shuí)是不存在的人。教師向?qū)W生出示不同的人臉照片，由學(xué)生區(qū)分哪張是真人照片，哪張是合成出來(lái)的不存在的人臉。在引發(fā)學(xué)生興趣之后，提出生成人臉的人工智能程序使用了深度學(xué)習(xí)，通過(guò)掃描幾百萬(wàn)張照片，機(jī)器自己找出了人臉各個(gè)部分的特征，然后自己進(jìn)行人臉生成，同時(shí)程序還使用了GAN（生成網(wǎng)絡(luò)對(duì)抗技術(shù)），讓另一個(gè)程序進(jìn)行人臉識(shí)別，并指出與人臉的相似度，同時(shí)對(duì)兩個(gè)程序進(jìn)行訓(xùn)練，達(dá)到以假亂真的程度。

只有一個(gè)體驗(yàn)活動(dòng)，還不足以說(shuō)明問(wèn)題，在對(duì)比圖像之后，還可以對(duì)文字進(jìn)行對(duì)比體驗(yàn)。讓學(xué)生閱讀兩首絕句，如下圖所示，找出哪首詩(shī)是人工智能程序?qū)懙?，哪首?shī)是人寫(xiě)的，并說(shuō)說(shuō)判斷依據(jù)。學(xué)生結(jié)合自己的語(yǔ)文知識(shí)進(jìn)行識(shí)別，課上引發(fā)了廣泛的討論，最后由教師總結(jié)，生成詩(shī)歌的人工智能系統(tǒng)，在“閱讀”了從唐代到清代幾千位詩(shī)人的近30萬(wàn)首古詩(shī)的基礎(chǔ)上，通過(guò)深度學(xué)習(xí)自己掌握了什么是押韻，并能根據(jù)這一成果創(chuàng)作出絕句、詞、藏頭詩(shī)等作品，同時(shí)也再次證明了大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)對(duì)于人工智能的重要作用。當(dāng)學(xué)生使用這一系統(tǒng)給自己寫(xiě)名字藏頭詩(shī)的時(shí)候，一定比什么都不了解的情況下，單純玩一玩要深入且感觸更多。

總結(jié)與反思

1.關(guān)注學(xué)生思維的成長(zhǎng)

將人工智能中復(fù)雜的原理和概念，用學(xué)生能夠接受并愿意參與的體驗(yàn)活動(dòng)完成感知，指導(dǎo)其完成抽象化過(guò)程，將成果正向遷移到后續(xù)的學(xué)習(xí)中，最后用多種形式的作品進(jìn)行呈現(xiàn)。這一過(guò)程，實(shí)際就是學(xué)生思維成長(zhǎng)的過(guò)程。

人工智能現(xiàn)在已經(jīng)成為信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)的新熱點(diǎn)，而當(dāng)前的教育理念更專(zhuān)注學(xué)生的終身學(xué)習(xí)，更重視課堂與社會(huì)、生活之間的聯(lián)系，強(qiáng)調(diào)在真實(shí)環(huán)境中開(kāi)展學(xué)習(xí)。新時(shí)代的人工智能教育更應(yīng)注重對(duì)思維的培養(yǎng)，以及主動(dòng)靈活地運(yùn)用所學(xué)發(fā)現(xiàn)、分析、解決實(shí)際問(wèn)題。體驗(yàn)實(shí)踐活動(dòng)可以幫助學(xué)生們拓展更寬廣的視野，掌握更好的解決問(wèn)題的方法和主動(dòng)獲取新知識(shí)的能力，強(qiáng)調(diào)思維的培養(yǎng)，而不是操作APP或電腦軟件。

2.提升學(xué)生學(xué)習(xí)以及交流的興趣

學(xué)習(xí)的本質(zhì)是交互，親身體驗(yàn)和交互活動(dòng)會(huì)使學(xué)生產(chǎn)生更多的興趣，但如果沒(méi)有更高層次的行為產(chǎn)生，興趣對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的作用就會(huì)有限，甚至可能是無(wú)效的。需要注意的是，體驗(yàn)活動(dòng)本身不是目的，引發(fā)學(xué)生的深層興趣，以及在活動(dòng)中推向根本性問(wèn)題才是重要的。學(xué)生的學(xué)習(xí)不僅在有意思的氛圍中進(jìn)行，更應(yīng)該是有意義的，學(xué)生的學(xué)習(xí)成果和學(xué)習(xí)體驗(yàn)可以在活動(dòng)中主動(dòng)地分享給更多的人，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣可以通過(guò)更多的方式得以保持和提升。

3.為學(xué)生創(chuàng)設(shè)有溫度的學(xué)習(xí)環(huán)境

隨著生活方式的變遷、技術(shù)的發(fā)展，“人工智能化的童年”是否會(huì)出現(xiàn)？人工智能教育應(yīng)提倡有溫度的教育，幫助學(xué)生成長(zhǎng)為一棵充滿(mǎn)活力的樹(shù)，而不是整齊劃一、毫無(wú)生命力的水泥電線桿，同時(shí)也要在教學(xué)過(guò)程中，強(qiáng)調(diào)秩序、倫理、道德、法律等方面的滲透。

體驗(yàn)實(shí)踐活動(dòng)與人工智能教學(xué)的有機(jī)融合，聚焦趣味性、多樣性教學(xué)方式的創(chuàng)設(shè)，學(xué)生通過(guò)親身體驗(yàn)不同類(lèi)型的課內(nèi)外學(xué)習(xí)活動(dòng)，達(dá)到培養(yǎng)思維、理解概念、體會(huì)過(guò)程、收獲成功的效果。我們還有很多想法和創(chuàng)意想要在教學(xué)實(shí)踐中嘗試和改進(jìn)，希望和人工智能教育實(shí)踐者一起，迎難而上，在更廣闊的小學(xué)人工智能教學(xué)天地中有所作為。

作者單位：北京市第一七一中學(xué)附屬青年湖小學(xué)