中小學(xué)信息技術(shù)課程中的人工智能教育

魏立成

摘 ?要 發(fā)展與研究人工智能教育越來(lái)越受到中小學(xué)教育工作者的廣泛關(guān)注。人工智能知識(shí)普及將引導(dǎo)更多的青少年了解并有志于在該領(lǐng)域?qū)W習(xí)和探索。以有效的教學(xué)策略及方法，在綜合實(shí)踐活動(dòng)課程、校本課程中開展科學(xué)的、成體系的人工智能教育，讓學(xué)生了解人工智能的基本概念、原理，感悟人工智能編程的魅力，培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維以及創(chuàng)新能力。闡述人工智能技術(shù)發(fā)展、人工智能教育現(xiàn)狀，針對(duì)中小學(xué)各個(gè)階段提出人工智能課程教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容設(shè)計(jì)的建議，并指出人工智能教育的核心要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 人工智能;中小學(xué);信息技術(shù);計(jì)算思維

中圖分類號(hào)：G623.58 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2021）19-0076-03

0 ?引言

隨著人工智能逐漸滲透到人們的日常工作、學(xué)習(xí)以及生活中，人類社會(huì)正全面進(jìn)入人工智能時(shí)代。例如：車輛在一些場(chǎng)景下已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛;拍照時(shí)在人工智能的支持下，成像效果更完美;人們?cè)诩依锿ㄟ^(guò)智能語(yǔ)音對(duì)話，構(gòu)建家庭智慧應(yīng)用。當(dāng)前，我國(guó)已經(jīng)部署新一代人工智能人才培養(yǎng)戰(zhàn)略規(guī)劃，因此，對(duì)于中小學(xué)而言，要積極配合國(guó)家大戰(zhàn)略，普及人工智能基本知識(shí)，建設(shè)人工智能實(shí)踐及創(chuàng)新教育試點(diǎn)校，進(jìn)而迎接人工智能發(fā)展的大機(jī)遇。

2017年，國(guó)務(wù)院發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，明確提出要廣泛開展人工智能教育活動(dòng)，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)內(nèi)容，逐步推廣編程教育[1]，最終實(shí)施全民智能教育項(xiàng)目?？梢酝ㄟ^(guò)建設(shè)人工智能宣傳展館，完善人工智能科普基礎(chǔ)設(shè)施，鼓勵(lì)企業(yè)搭建人工智能編程開源平臺(tái)，推進(jìn)人工智能教育。中小學(xué)需要積極開展人工智能普及教育，舉辦人工智能項(xiàng)目競(jìng)賽，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與。教育部通過(guò)發(fā)布《2019年教育信息化和網(wǎng)絡(luò)安全工作要點(diǎn)》，推動(dòng)在各學(xué)段設(shè)置人工智能相關(guān)內(nèi)容，同時(shí)進(jìn)行中小學(xué)信息素養(yǎng)測(cè)評(píng)，最終逐步推廣人工智能編程教育。

在中小學(xué)組織人工智能課程教學(xué)，目的是讓學(xué)生了解關(guān)于人工智能的基本工作原理，了解人工智能對(duì)當(dāng)今社會(huì)工作生活的影響，進(jìn)行人工智能計(jì)算思維等能力的培養(yǎng)與教育，挖掘?qū)W生應(yīng)用人工智能技術(shù)的能力，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的邏輯判斷能力、獨(dú)立思考解決問(wèn)題能力、創(chuàng)新意識(shí)都有很大的幫助。要真正意義上把人工智能教育引進(jìn)中小學(xué)課堂，首先要解決的問(wèn)題是如何科學(xué)、系統(tǒng)地開展人工智能教育，這是信息技術(shù)課程要探索的問(wèn)題。

1 ?人工智能技術(shù)

歷史上，技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，推動(dòng)人類去認(rèn)識(shí)世界、改造世界。從“蒸汽時(shí)代”到“電氣時(shí)代”，再到現(xiàn)今的“信息時(shí)代”，技術(shù)的發(fā)展由機(jī)械化朝著自動(dòng)化方向邁進(jìn)，也向著人們不可預(yù)見的方向發(fā)展，但當(dāng)下必須抓住機(jī)遇。新一代的人工智能實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合，也是第三次工業(yè)革命“信息時(shí)代”的延續(xù)，催化了信息技術(shù)應(yīng)用的新飛躍。就目前來(lái)看，人類智能生活時(shí)代的發(fā)展離不開人工智能技術(shù)。

英國(guó)科學(xué)家圖靈1950年在《計(jì)算機(jī)器與智能》一文中提出著名的“圖靈之問(wèn)”[2]，激起社會(huì)各界對(duì)機(jī)器是否具有智能的思考。進(jìn)入21世紀(jì)以后，以機(jī)器學(xué)習(xí)（Machine Learning）為代表的人工智能技術(shù)，正在對(duì)人類的思考、行為、心理、生活、工作等方式進(jìn)行高強(qiáng)度的仿真，基本原理在于以由大量節(jié)點(diǎn)相互聯(lián)結(jié)而構(gòu)成的“人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”運(yùn)算模型為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)擬合計(jì)算模型，進(jìn)而變換為數(shù)據(jù)的運(yùn)算。從另一視角，以信息數(shù)據(jù)處理來(lái)觀察，抽象模擬出人腦神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，使得人工智能從外部看來(lái)，類似模仿人腦進(jìn)行識(shí)別、記憶、分析、建模等相關(guān)工作[3]。這種利用數(shù)據(jù)模型來(lái)模仿人類智能的操作已經(jīng)達(dá)到真實(shí)應(yīng)用階段，能夠?qū)崿F(xiàn)人類的自主學(xué)習(xí)、自主表達(dá)、自主思考、自主分析、自主行動(dòng)等活動(dòng)，從而使得機(jī)器能夠智能化地工作、運(yùn)行。

就目前的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，人工智能時(shí)代越來(lái)越近，已經(jīng)開始慢慢地改變?nèi)藗兊纳?。智能手機(jī)、智能家居、智能生活這些在生活中的體現(xiàn)也將影響中小學(xué)教育事業(yè)，人工智能與教育的融合將是必然，這也是要著重研究的方向。如何將人工智能作為一個(gè)得力的工具，使其助力教育發(fā)展？良好的人工智能課程教育可以不失時(shí)機(jī)地引導(dǎo)學(xué)生興趣，推動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)，有利于學(xué)生對(duì)于人工智能這個(gè)概念形成更清楚的認(rèn)知，這對(duì)學(xué)生今后的生涯規(guī)劃以及學(xué)科選擇都具有重要作用，也具有積極的正面影響。

2 ?人工智能教育現(xiàn)狀

目前，中小學(xué)信息化課程大部分還停留在計(jì)算機(jī)入門應(yīng)用以及基礎(chǔ)的編程實(shí)現(xiàn)。在一些學(xué)校已經(jīng)開展了初步的人工智能教育課程，學(xué)校也引入一些外部資源，滿足人工智能教育的需要，但從授課現(xiàn)狀來(lái)看，還存在下面一些不足。

2.1 ?以傳統(tǒng)的信息技術(shù)教學(xué)方式教授人工智能課程

從人工智能課堂實(shí)踐來(lái)看，大部分課堂還是以傳統(tǒng)的信息教學(xué)思維模式對(duì)學(xué)生進(jìn)行簡(jiǎn)單的技能訓(xùn)練，對(duì)于計(jì)算思維的培養(yǎng)比較忽視。無(wú)論是校內(nèi)的信息課程，還是機(jī)器人模塊組裝教育，只是讓學(xué)生簡(jiǎn)單地模仿，并沒有讓學(xué)生理解智能運(yùn)行的機(jī)制，以競(jìng)賽引導(dǎo)的信息教育更多的是關(guān)注編程技能的提升。此外，現(xiàn)階段中小學(xué)人工智能知識(shí)的教育內(nèi)容有的類似于軟件的使用說(shuō)明書，按步驟介紹軟件的使用或是設(shè)備的安裝說(shuō)明[4]，在培養(yǎng)學(xué)生利用人工智能解決問(wèn)題的思維能力上有所欠缺。

2.2 ?人工智能課程教學(xué)體系、課程內(nèi)容單一

中小學(xué)信息技術(shù)教材中較少介紹人工智能相關(guān)理論知識(shí)，未詳細(xì)介紹目前人工智能之核心原理以及運(yùn)行機(jī)制。雖然從小學(xué)到高中各個(gè)學(xué)段，學(xué)校都會(huì)安排與人工智能相關(guān)主題的教學(xué)內(nèi)容，但是由于并不是從上而下成體系介紹，有些內(nèi)容存在重復(fù)，內(nèi)容之間不存在遞進(jìn)關(guān)系。另外，這些內(nèi)容也是碎片化的，缺少實(shí)踐活動(dòng)和具體案例分析，沒有系統(tǒng)化地介紹人工智能原理、知識(shí)、方法、能力。從小學(xué)到初高中有關(guān)人工智能的內(nèi)容介紹不連續(xù)，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)障礙，降低了學(xué)生的創(chuàng)新水平。因此，應(yīng)在分析學(xué)情的基礎(chǔ)上開發(fā)符合學(xué)生年齡段特點(diǎn)的完整的人工智能課程，讓學(xué)生接受系統(tǒng)的人工智能教育。

3 ?人工智能課程內(nèi)容

中小學(xué)開展人工智能教育應(yīng)在理解人工智能思想和基本動(dòng)作原理的基礎(chǔ)上，激發(fā)學(xué)生對(duì)人工智能應(yīng)用的探索興趣，將原有對(duì)信息處理模式化認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槿斯ぶ悄芩季S模式，提升運(yùn)用人工智能思維解決問(wèn)題的能力。將信息化課程結(jié)合人工智能知識(shí)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)與梳理，建設(shè)完整的、上下貫通的課程體系，不同學(xué)段有符合其認(rèn)知發(fā)展規(guī)律的人工智能教育，也就是做好學(xué)情分析。依據(jù)皮亞杰的認(rèn)識(shí)理論，可以考慮按階段實(shí)施中小學(xué)人工智能課程，逐步引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)人工智能知識(shí)與原理，理解人工智能技術(shù)，感悟人工智能產(chǎn)生的威力，通過(guò)實(shí)際案例，達(dá)到利用人工智能技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)造的目的。

3.1 ?人工智能課程的初級(jí)階段：重在認(rèn)知、理解與嘗試

小學(xué)階段的學(xué)生對(duì)于科學(xué)原理以及數(shù)據(jù)理論認(rèn)識(shí)并不深刻，缺乏對(duì)原理理解的可能性。但這個(gè)階段的學(xué)生對(duì)外界事物充滿好奇，容易對(duì)人工智能對(duì)生活和學(xué)習(xí)的影響產(chǎn)生興趣。人工智能已經(jīng)在不同類型、不同維度和不同場(chǎng)景中得到應(yīng)用，包括日常生活中的一些手機(jī)APP或是家用電器。通過(guò)直接的產(chǎn)品體驗(yàn)，讓學(xué)生建立起對(duì)人工智能技術(shù)最直觀的感受，了解人工智能的特點(diǎn)，體會(huì)生活中人工智能技術(shù)的魅力，激發(fā)其探究的熱情和主動(dòng)性。通過(guò)視頻，以直觀的形式，從人工智能的歷史、原理以及最新的前沿技術(shù)等讓學(xué)生對(duì)人工智能的應(yīng)用領(lǐng)域等建立認(rèn)識(shí)，讓學(xué)生明確在當(dāng)前這個(gè)階段，人工智能可以做什么，后續(xù)還能做什么，短期內(nèi)還不能做什么。通過(guò)一些小實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生利用一些簡(jiǎn)單的人工智能構(gòu)件工具提升生活的智慧。

3.2 ?人工智能課程的提升階段：重在感悟與實(shí)踐

初中階段，學(xué)生的學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)加重，科目增多，大致對(duì)科學(xué)實(shí)踐有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。人工智能可以是一門單獨(dú)的學(xué)科，通過(guò)一系列教育與教學(xué)活動(dòng)，讓學(xué)生親身獲取人工智能知識(shí)，理解人工智能核心原理，知道人工智能如何實(shí)現(xiàn)“智能”，培養(yǎng)學(xué)生融合各學(xué)科知識(shí)，進(jìn)而引入人工智能解決實(shí)際問(wèn)題。這個(gè)階段的人工智能課程通過(guò)設(shè)計(jì)體驗(yàn)類和簡(jiǎn)單的創(chuàng)作類實(shí)踐，讓學(xué)生感悟人工智能并不是真正的智能，實(shí)際上也是模擬計(jì)算的結(jié)果。

3.3 ?人工智能課程的最終階段：重在創(chuàng)造創(chuàng)新

高中生需要建立起獨(dú)立思考、進(jìn)行簡(jiǎn)單科學(xué)探索的能力。課程內(nèi)容的設(shè)計(jì)偏重于創(chuàng)造創(chuàng)新，課程的內(nèi)容要與生活相結(jié)合，重視在真實(shí)情境下如何解決問(wèn)題，通過(guò)案例教學(xué)法，圍繞學(xué)生身邊事，采用可操作可實(shí)踐的方式，層層遞進(jìn)，體會(huì)人工智能與現(xiàn)實(shí)生活的密切聯(lián)系。引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)人工智能中存在的問(wèn)題，思考問(wèn)題的根源所在，進(jìn)而提出解決問(wèn)題的辦法，進(jìn)一步激發(fā)其創(chuàng)造力。

4 ?實(shí)施人工智能教育的重點(diǎn)

教師是推動(dòng)人工智能教育發(fā)展的第一資源。學(xué)?？刹捎谜心己推刚?qǐng)相結(jié)合的方式，著力培訓(xùn)對(duì)人工智能感興趣的教師。主管部門要幫助教師了解人工智能教育時(shí)代教師角色的轉(zhuǎn)變方向，提升人工智能教育專業(yè)能力，以期帶動(dòng)人工智能教育。充分利用社會(huì)精英以及家長(zhǎng)資源，聘請(qǐng)校外輔導(dǎo)員，積極有效開展教育教學(xué)。

通過(guò)課程實(shí)施、課堂實(shí)踐、課題研究，利用人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等智能技術(shù)，推動(dòng)教學(xué)方式、教學(xué)環(huán)境、學(xué)生培養(yǎng)模式的變革。課程應(yīng)采用PBL（Project-based Learning，項(xiàng)目式教學(xué)）模式，學(xué)生以任務(wù)驅(qū)動(dòng)為學(xué)習(xí)主線，根據(jù)真實(shí)問(wèn)題進(jìn)行研究分析并應(yīng)用人工智能知識(shí)解決，激發(fā)內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，全面提升綜合素養(yǎng)能力，比如創(chuàng)意搭建、動(dòng)作編程、運(yùn)動(dòng)控制、工程設(shè)計(jì)、計(jì)算思維、開源硬件、Python、人工智能算法等。

5 ?結(jié)語(yǔ)

人工智能教育是趨勢(shì)也是發(fā)展的必然要求。中小學(xué)教師要深入研究在中小學(xué)開展人工智能教育的教學(xué)方式以及教學(xué)策略，完善信息技術(shù)課程內(nèi)容，這是時(shí)代賦予的使命。學(xué)校應(yīng)加強(qiáng)對(duì)人工智能教育的關(guān)注，注重培養(yǎng)學(xué)生的人工智能思維模式及創(chuàng)新能力。在中小學(xué)開展人工智能教育，應(yīng)從不同年齡階段學(xué)生的認(rèn)知能力以及知識(shí)掌握的不同程度出發(fā)，合理考慮課程內(nèi)容，設(shè)計(jì)各階段的學(xué)習(xí)內(nèi)容，從認(rèn)識(shí)、理解、感悟、實(shí)踐、創(chuàng)新五個(gè)階段逐步深入，逐漸加深學(xué)生對(duì)人工智能相關(guān)知識(shí)的掌握，為將來(lái)深入學(xué)習(xí)人工智能打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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