中學(xué)人工智能教育的校本化教學(xué)實(shí)踐與思考

劉曉杰 張建彬 周思博

摘要：當(dāng)前人工智能教育的發(fā)展勢(shì)不可擋，將人工智能融入基礎(chǔ)教育，對(duì)于提升學(xué)生信息素養(yǎng)，培養(yǎng)智能時(shí)代的合格公民具有重要意義，也是國(guó)家和社會(huì)發(fā)展對(duì)新時(shí)代教育提出的重要要求。在此背景下，本文結(jié)合我校一年多的人工智能教育實(shí)踐，對(duì)中學(xué)階段人工智能課程的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、教學(xué)實(shí)施手段等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了思考和總結(jié)，以期為促進(jìn)中學(xué)人工智能教育、推動(dòng)教育變革和創(chuàng)新發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：人工智能;課程建設(shè);教學(xué)實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）17-0179-02

1 中學(xué)人工智能教育現(xiàn)狀及背景分析

近年來(lái)，人工智能技術(shù)正加速改變我們的生活。新一代人工智能快速崛起，引發(fā)了世界各國(guó)的高度關(guān)注，陸續(xù)出臺(tái)了人工智能相關(guān)政策和規(guī)劃。發(fā)展人工智能技術(shù)，人才培養(yǎng)是關(guān)鍵一環(huán)。很多國(guó)家都開始制定人工智能人才培養(yǎng)方案，并提出了中小學(xué)階段人工智能教育的要求和政策。相比美國(guó)、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)在人工智能課程安排等方面有很大的提升空間，同時(shí)人工智能高端技術(shù)人才的缺口也要求重視人工智能全民化教育和基礎(chǔ)教育。2017年7月，國(guó)務(wù)院《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》發(fā)布，明確指出“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，逐步推廣編程教育”，標(biāo)志著發(fā)展人工智能、推進(jìn)人工智能普及教育已上升為國(guó)家戰(zhàn)略。

在科技進(jìn)步與社會(huì)需求的共同促進(jìn)下，從小學(xué)課堂到高等學(xué)府，人工智能教育已遍地開花。人工智能教育經(jīng)歷了萌芽階段和探索階段，已經(jīng)進(jìn)入深入研究和實(shí)踐階段。但目前我國(guó)中學(xué)人工智能課程建設(shè)并不完善，符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的學(xué)習(xí)內(nèi)容未成體系;很多老師希望開展并實(shí)施好人工智能課程，但缺乏相關(guān)資源以及可供參考、借鑒的案例;而社會(huì)力量提供的各類資源良莠不齊，是否適用，如何合理運(yùn)用均有待考證。為普及人工智能教育，亟需加大課程建設(shè)力度，開發(fā)課程資源，并展開相應(yīng)的教學(xué)實(shí)踐。

2 校本化解讀

《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》倡導(dǎo)以“課程”形態(tài)推進(jìn)中小學(xué)人工智能教育，同時(shí)，在《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中，“人工智能初步”作為選擇性必修模塊進(jìn)入高中課程方案，這說(shuō)明中學(xué)人工智能普及教育要納入常規(guī)教學(xué)，讓每個(gè)學(xué)生對(duì)人工智能都有基本的意識(shí)、基本的概念、基本的素養(yǎng)和基本的興趣。有了普及，就有了豐厚的土壤，才有可能長(zhǎng)出參天大樹，進(jìn)而達(dá)到為國(guó)家人工智能發(fā)展培育種子力量的目的。

我們從學(xué)生的興趣愛(ài)好、知識(shí)儲(chǔ)備、認(rèn)知特點(diǎn)和思維水平等方面進(jìn)行了學(xué)情分析，依據(jù)分析結(jié)果，認(rèn)為應(yīng)當(dāng)以人工智能教育資源建設(shè)為起點(diǎn)，整合適配中學(xué)學(xué)段的人工智能知識(shí)體系，在有限的課時(shí)內(nèi)，盡可能涵蓋生活中常見(jiàn)的人工智能應(yīng)用場(chǎng)景。人工智能課程的教學(xué)內(nèi)容主要包括：基礎(chǔ)知識(shí)、機(jī)器學(xué)習(xí)、語(yǔ)音技術(shù)（語(yǔ)音識(shí)別和語(yǔ)音合成）、自然語(yǔ)言處理、機(jī)器視覺(jué)（人臉識(shí)別、文字識(shí)別等模式識(shí)別）等人工智能技術(shù)的學(xué)習(xí)。期間也會(huì)觸及云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)應(yīng)用。此外，人工智能技術(shù)的強(qiáng)大遠(yuǎn)不止改變我們的生活那么簡(jiǎn)單，事實(shí)上，在為人們帶來(lái)空前便利的同時(shí)，也帶來(lái)了前所未有的棘手問(wèn)題，因而倫理與社會(huì)問(wèn)題的討論是課程中必不可少的一部分內(nèi)容。豐富的課程設(shè)置，能夠讓學(xué)生在體驗(yàn)中掌握現(xiàn)有技術(shù)的應(yīng)用，同時(shí)理解技術(shù)背后的相關(guān)原理，并能合理運(yùn)用人工智能技術(shù)解決真實(shí)問(wèn)題，以促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)造力和思維方式的發(fā)展與轉(zhuǎn)變。

3 教學(xué)實(shí)踐與思考

課程實(shí)施不僅要有先進(jìn)的理念，更要能落地，能進(jìn)入課堂，能幫助學(xué)生更好地適應(yīng)人工智能時(shí)代的發(fā)展需要。教學(xué)實(shí)踐中，我們?cè)谝韵聨讉€(gè)方面進(jìn)行了嘗試和突破。

3.1 以情境式教學(xué)感知人工智能

在真實(shí)情境下的體驗(yàn)感知是學(xué)習(xí)人工智能的第一個(gè)環(huán)節(jié)。隨著技術(shù)的飛速發(fā)展和智能化的普及，智能產(chǎn)品層出不窮。動(dòng)手體驗(yàn)各種智能工具，不僅可以讓學(xué)生直觀感受人工智能技術(shù)給社會(huì)生活帶來(lái)的影響，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，還可以讓學(xué)生掌握常見(jiàn)智能工具的使用方法，來(lái)服務(wù)生活。

教學(xué)過(guò)程中，建議使用真實(shí)的智能產(chǎn)品，以便學(xué)生親身體驗(yàn)和實(shí)際操作。例如，在學(xué)習(xí)語(yǔ)音技術(shù)時(shí)，可以將智能故事機(jī)帶入課堂，只需5分鐘，就足以訓(xùn)練它“以假亂真”替老師開口說(shuō)話。在知道了故事機(jī)的功能并學(xué)會(huì)使用后，組織學(xué)生討論、交流其中包含了哪些技術(shù)應(yīng)用，還可以有哪些應(yīng)用場(chǎng)景。例如，運(yùn)用智能聲音模仿技術(shù)可以幫助遠(yuǎn)在異地的父母，用自己的聲音為孩子講海量睡前故事等。在充分感受應(yīng)用價(jià)值后，再組織學(xué)生討論語(yǔ)音技術(shù)可能存在的問(wèn)題和風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)深入的思考和交流，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題的能力，增強(qiáng)學(xué)生的信息道德與信息安全意識(shí)。

3.2 以探究式教學(xué)實(shí)踐人工智能

在體驗(yàn)感知的基礎(chǔ)上，探尋人工智能技術(shù)背后的原理和方法是學(xué)習(xí)的第二個(gè)環(huán)節(jié)。一般來(lái)說(shuō)，學(xué)生對(duì)理論學(xué)習(xí)缺乏興趣，主動(dòng)思考的動(dòng)力不足，一方面是因?yàn)槔碚搶W(xué)習(xí)相對(duì)枯燥，另一方面也是因?yàn)橛行┘夹g(shù)思想，對(duì)于中學(xué)生而言理解起來(lái)確實(shí)有一定的難度。為此我們嘗試用簡(jiǎn)化的模型來(lái)替代原本復(fù)雜的問(wèn)題，然后讓學(xué)生通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐，來(lái)親歷技術(shù)系統(tǒng)的基本邏輯流程，幫助學(xué)生在自主探究的過(guò)程中習(xí)得學(xué)習(xí)內(nèi)容。

例如在學(xué)習(xí)人臉識(shí)別技術(shù)時(shí)，學(xué)生首先通過(guò)拍攝或上傳照片建立人臉數(shù)據(jù)庫(kù)、訓(xùn)練特征模型，接下來(lái)對(duì)待檢測(cè)的目標(biāo)進(jìn)行圖像采集和特征提取，最后將總結(jié)出來(lái)的特征和已經(jīng)掌握的特征庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)辨別。在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，學(xué)生不僅享受到動(dòng)手實(shí)踐的樂(lè)趣，而且深入到工作流程的每一個(gè)環(huán)節(jié)，經(jīng)過(guò)一系列的實(shí)踐與思考最終認(rèn)識(shí)了人臉識(shí)別系統(tǒng)的主要功能模塊，總結(jié)出了人臉識(shí)別的關(guān)鍵步驟。

我們不是要把每個(gè)學(xué)生都培養(yǎng)成人工智能專家或者計(jì)算機(jī)專家，那么教學(xué)中為什么要引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷探究與發(fā)現(xiàn)的過(guò)程呢？原因很簡(jiǎn)單，因?yàn)樵诶斫饧夹g(shù)原理之外，還有更重要的目標(biāo)要去實(shí)現(xiàn)，那就是發(fā)展學(xué)生的計(jì)算思維能力。計(jì)算思維是區(qū)別于以數(shù)學(xué)為代表的邏輯思維，和以物理為代表的實(shí)證思維之外的第三種思維模式。思維方式的發(fā)展與轉(zhuǎn)變，在某種意義上更依賴于探究活動(dòng)的參與，以及在活動(dòng)中累計(jì)、提升出來(lái)的直接經(jīng)驗(yàn)。

3.3 以項(xiàng)目式教學(xué)應(yīng)用人工智能

程序驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化工具已經(jīng)深入到人們?nèi)粘Ｉ畹拿恳粋€(gè)方面，學(xué)生不僅要具備運(yùn)用這些工具的意識(shí)和能力，知道這些工具的運(yùn)行機(jī)制，及其背后的邏輯與結(jié)構(gòu)，還可以嘗試重構(gòu)程序，運(yùn)用技術(shù)創(chuàng)新性形成新的問(wèn)題解決方案。因此，在學(xué)習(xí)的第三個(gè)環(huán)節(jié)，學(xué)生要自主設(shè)計(jì)程序作品以加深對(duì)知識(shí)、技能的理解和掌握，學(xué)習(xí)獨(dú)立思考、解決有一定難度的實(shí)際問(wèn)題。

學(xué)生先通過(guò)編程來(lái)模仿生活中的智能應(yīng)用場(chǎng)景或某個(gè)產(chǎn)品的功能，例如模擬停車場(chǎng)在識(shí)別車牌號(hào)后顯示繳費(fèi)信息的場(chǎng)景、編寫程序?qū)崿F(xiàn)智能音箱的功能等。先模仿再創(chuàng)作，是一個(gè)必經(jīng)的學(xué)習(xí)過(guò)程。在理清人工智能產(chǎn)品的開發(fā)思路后，學(xué)生便可以著手創(chuàng)作開放性程序作品，從問(wèn)題提出、項(xiàng)目分析，到項(xiàng)目解決、項(xiàng)目總結(jié)，再到項(xiàng)目評(píng)價(jià)，每個(gè)步驟都不能少。例如應(yīng)用了語(yǔ)音技術(shù)的學(xué)生程序作品《校園導(dǎo)覽》對(duì)于我校師生來(lái)說(shuō)會(huì)覺(jué)得它非常親切，而其他的朋友可以通過(guò)它了解我們的學(xué)校。開放式程序作品是作業(yè)，也是具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的產(chǎn)品，更是學(xué)以致用和技術(shù)服務(wù)生活最好的注解。

3.4 教學(xué)資源推薦

人工智能的學(xué)習(xí)離不開學(xué)習(xí)環(huán)境、學(xué)習(xí)資源的支撐與保障。為了能夠幫助更多教師開設(shè)好人工智能課程，下面將我們已經(jīng)實(shí)踐過(guò)的平臺(tái)資源做一個(gè)分享。

（1）應(yīng)用體驗(yàn)資源

免費(fèi)的人工智能體驗(yàn)平臺(tái)主要有微信小程序及網(wǎng)站平臺(tái)兩種形式。微信小程序有百度AI體驗(yàn)中心、騰訊AI體驗(yàn)中心、網(wǎng)易AI體驗(yàn)中心、曠視AI體驗(yàn)中心、訊飛AI體驗(yàn)棧等。這些適合能夠使用手機(jī)或者平板電腦上課的情況，操作簡(jiǎn)便、功能多、效果好。如果上課時(shí)不能使用移動(dòng)設(shè)備，可以在計(jì)算機(jī)上訪問(wèn)網(wǎng)頁(yè)版體驗(yàn)平臺(tái)，例如百度AI、騰訊AI、曠視AI、訊飛AI等平臺(tái)。

（2）原理學(xué)習(xí)資源

相對(duì)于體驗(yàn)平臺(tái)，原理學(xué)習(xí)資源非常少。目前可用于原理學(xué)習(xí)的相關(guān)資源主要有編程貓的AI2.0以及teachable-machine等少數(shù)平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)的原理也主要是簡(jiǎn)單的機(jī)器學(xué)習(xí)。

（3）編程實(shí)踐資源

無(wú)論是信息技術(shù)課程還是人工智能課程，目前編程語(yǔ)言的選擇主要為以Scratch為代表的圖形化編程和以Python為代表的代碼編程。在此，推薦若干平臺(tái)供老師們參考。

Scratch3原始版本：包含了語(yǔ)音合成與機(jī)器翻譯兩個(gè)人工智能模塊。版本穩(wěn)定，功能較少，可以用于語(yǔ)音合成與機(jī)器翻譯兩個(gè)內(nèi)容的教學(xué)實(shí)踐，但很難滿足更多內(nèi)容。

KittenBlock：人工智能模塊相對(duì)較多，包含人臉識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別與合成、機(jī)器翻譯、機(jī)器學(xué)習(xí)等模塊。尤其是人臉識(shí)別模塊和機(jī)器學(xué)習(xí)模塊表現(xiàn)出色。例如：人臉識(shí)別模塊除了能夠?qū)崿F(xiàn)大多數(shù)平臺(tái)提供的年齡、性別、表情檢測(cè)等功能外，還加入了人臉對(duì)比、人臉?biāo)阉鞯壬钪薪?jīng)常使用的功能，更有助于學(xué)生將所學(xué)內(nèi)容與生活相結(jié)合。

慧編程：該平臺(tái)的特點(diǎn)是機(jī)器學(xué)習(xí)模塊，其中模型訓(xùn)練的部分不是通過(guò)改寫參數(shù)來(lái)完成（改寫參數(shù)對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)不夠直觀，不利于理解機(jī)器學(xué)習(xí)的過(guò)程），而是通過(guò)可視化的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

編程貓：軟件中包含的素材元素很美觀，受學(xué)生歡迎。其中AI2.0與Gameai兩個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)模塊表現(xiàn)優(yōu)秀，能夠幫助學(xué)生比較直觀的理解深度學(xué)習(xí)、監(jiān)督學(xué)習(xí)、無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)等概念。

Python：從算法與代碼的角度幫助學(xué)生理解人工智能相關(guān)應(yīng)用的具體實(shí)現(xiàn)方法。環(huán)境調(diào)試、各種人工智能庫(kù)函數(shù)的安裝與使用是使用Python環(huán)境所要面臨的挑戰(zhàn)。

以上幾個(gè)平臺(tái)目前為免費(fèi)使用，可以降低學(xué)習(xí)成本。但是，在穩(wěn)定性和功能擴(kuò)展等方面存在一定的問(wèn)題。有條件的學(xué)?？梢愿鶕?jù)課程內(nèi)容，自主設(shè)計(jì)、開發(fā)相關(guān)編程實(shí)踐平臺(tái)。

目前，人工智能教育研究已引起廣大教育工作者和學(xué)者的普遍關(guān)注，研究的深度和廣度日益增加。希望我們?cè)谥袑W(xué)人工智能教育實(shí)踐中的一些認(rèn)識(shí)和思考，能對(duì)老師們有所啟發(fā)和幫助。不當(dāng)之處，敬請(qǐng)批評(píng)指正。

【通聯(lián)編輯：光文玲】