“人工智能初步”模塊教學概述

鄭立新

教育部發(fā)布的《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》（以下簡稱“新課標”）中，針對人工智能設置了選擇性必修課程模塊4“人工智能初步”，以承載踐行人工智能國家發(fā)展規(guī)劃、激發(fā)學生學習興趣、普及人工智能知識的重任。本文將圍繞“人工智能初步”模塊整體內(nèi)容特點、教學規(guī)劃、教學策略等方面進行論述，以期幫助廣大教師更好地開展本模塊的教學。

● 內(nèi)容特點

1.具有鮮明的時代特征

本模塊順應智能時代潮流，具有鮮明的時代特征。通過本模塊的教學，可以使學生了解人工智能的概念與基本特征，知道人工智能的發(fā)展歷程、典型應用與趨勢，學習人工智能技術初步知識，同時了解社會智能化所面臨的倫理及安全挑戰(zhàn)，增強安全防護意識、能力和責任感，辯證認識人工智能對人類社會未來發(fā)展的巨大價值和潛在威脅，自覺維護和遵守人工智能社會化應用的規(guī)范與法規(guī)，從而為學生適應社會生活、高等教育和職業(yè)發(fā)展做準備，為學生的終身發(fā)展奠定基礎。

2.體現(xiàn)信息技術學科特色

本模塊緊緊圍繞信息技術學科大概念（數(shù)據(jù)、算法、信息系統(tǒng)、信息社會），聚焦信息技術學科中與人工智能相關的內(nèi)容。例如，要求學生了解人工智能的核心算法，熟悉智能技術應用的基本過程和實現(xiàn)原理;知道并了解特定領域人工智能應用系統(tǒng)的開發(fā)工具和開發(fā)平臺;利用開源人工智能應用框架，搭建簡單的人工智能應用模塊，并能根據(jù)實際需要配置適當?shù)沫h(huán)境、參數(shù)及自然交互方式。這些內(nèi)容都充分體現(xiàn)了信息技術的學科特色，凸顯本學科價值。

3.致力于學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)

本模塊致力于促進學生信息意識、計算思維、數(shù)字化學習與創(chuàng)新、信息社會責任學科核心素養(yǎng)的提升。

①信息意識方面的培養(yǎng)，要讓學生從一些與人工智能相關的事物和實踐體驗中對人工智能產(chǎn)生深刻的感受，對人工智能可能產(chǎn)生的影響和價值有比較深入的理解。具體體現(xiàn)為對人工智能產(chǎn)生較為濃厚的興趣，能理解人工智能對于信息技術發(fā)展的意義，能分析一些與人工智能相關的技術事物與現(xiàn)象，在自己的日常生活與學習中能自覺利用人工智能的一些軟件工具及相關制品，樂于分享對人工智能的認識，積極關注人工智能的新發(fā)展，可主動探索人工智能的新產(chǎn)品，發(fā)展人工智能的新想法。

②計算思維方面的培養(yǎng)，主體體現(xiàn)為讓學生了解人工智能的一些常見核心算法，熟悉智能技術應用的基本過程和實現(xiàn)的原理，并能在實踐探索中理解搭建簡單人工智能應用的框架，深刻體會搭建簡單人工智能應用模塊的方法。

③數(shù)字化學習與創(chuàng)新的培養(yǎng)，要讓學生理解人工智能的新進展、新應用（如機器學習、自動翻譯、人臉識別、自動駕駛等），并能適當運用在學習和生活中。

④信息社會責任的培養(yǎng)，要讓學生客觀認識人工智能技術發(fā)展對社會生活的影響，既能形成積極、安全使用人工智能技術的觀念，又要對人工智能技術應用帶來的社會倫理、信息安全等方面的挑戰(zhàn)有清晰的認識，形成較強的安全防護意識和責任感，知道安全防范的基本方法和措施。信息社會責任的提升，不能僅依靠簡單的知識講授，最好能引導學生進行智能系統(tǒng)應用體驗，從具體的實踐體驗中產(chǎn)生認識，使學生感受人工智能的巨大價值，同時深入理解可能存在的危險。

● 教學規(guī)劃

在《課標》中，本模塊包括“人工智能基礎”“簡單人工智能應用模塊開發(fā)”“人工智能技術的發(fā)展與應用”三部分內(nèi)容。針對這三部分內(nèi)容及《課標》要求，各版本教材的處理方式不同。例如，人民教育出版社和中國地圖出版社（以下簡稱人教-中圖版）出版的《人工智能初步》教科書對應的大致結構框架如下頁圖所示。

對于“人工智能初步”模塊的36課時安排，各版本教材也有所不同如人教-中圖版《人工智能初步》教科書各章節(jié)課時、內(nèi)容安排建議如右表所示。

教師應充分理解新課標對本模塊的要求，從總體上把握教學內(nèi)容，根據(jù)學校實際情況，對本模塊進行整體規(guī)劃，在此基礎上進行單元及課時教學設計，以保證教學順利實施。

● 教學策略

1.厘清與本學科相關內(nèi)容的關系

在信息技術學科中，有一些內(nèi)容與人工智能密切相關，但極易被混淆，如智能控制、編程等。在教學過程中要厘清人工智能與這些內(nèi)容的關系，如人工智能主要研究如何模擬、延伸和擴展人的智能，智能控制是無需人的干預就能夠自主地驅(qū)動智能機器實現(xiàn)其目標，編程主要內(nèi)容為算法及程序語言實現(xiàn)。三者聯(lián)系緊密，人工智能可能會應用在智能控制領域，即智能控制可能會借助人工智能實現(xiàn)，而人工智能及智能控制的實現(xiàn)一般會涉及編程，但它們本質(zhì)上屬于不同內(nèi)容，不應簡單地等同起來。

2.做好與必修模塊的銜接

信息技術課程的必修模塊是后續(xù)學習的基礎。在必修模塊中，包含一些與人工智能相關的內(nèi)容。例如，在必修1數(shù)據(jù)與計算中，要求“掌握一種程序設計語言的基本知識，使用程序設計語言實現(xiàn)簡單算法”“通過人工智能典型案例的剖析，了解智能信息處理的巨大進步和應用潛力，認識人工智能在信息社會中的重要作用”，即學生通過必修1模塊的學習，應掌握程序設計語言及簡單算法的基本知識，對人工智能的基本概念和重要作用有初步認識。

本模塊內(nèi)容是在學生已具備編程基本知識、對人工智能初步認識的基礎上設置的，但更加強調(diào)專業(yè)性，提高了內(nèi)容的深度及廣度。在開展本模塊教學時，應做好與必修模塊中人工智能相關內(nèi)容的銜接，以提高教學效率和效果。

3.選擇適合的編程語言與人工智能平臺

本模塊教學離不開編程語言與人工智能平臺。Python語言已經(jīng)成為新一代人工智能的首選編程語言，基于Python已經(jīng)發(fā)展了很多成熟的人工智能（特別是機器學習）應用框架/平臺，積累了很多可以用于教學的資源，如scikit-learn、BATK人工智能開放創(chuàng)新平臺、TensorFlow框架等。利用這些框架/平臺，使用Python可以相對容易地實現(xiàn)本模塊所要求的各項內(nèi)容。因此，推薦在教學實施中以Python為核心編程語言，輔以適當?shù)娜斯ぶ悄?機器學習框架/平臺來搭建編程環(huán)境。

當然，由于各個地方和學校的實驗條件、師資及學生的具體情況有很大差異，Python語言絕非唯一的選擇，其他編程環(huán)境，如C/C++、JavaScript、Blockly、App Inventor、R語言等，也可作為人工智能的編程語言。

4.因地制宜開展教學

本模塊教學會受到場地、設備、師資乃至學情等因素影響，教師要根據(jù)本校實際情況，因地制宜地開展教學。

一般來說，具有攝像頭、耳麥等設備的計算機教室，結合相應軟件平臺即可開展基本的人工智能教學，如常見核心算法及模式識別、自然語言處理、機器學習等內(nèi)容。如果配備了傳感器、計算機開發(fā)板及執(zhí)行設備等，便可豐富人工智能教學內(nèi)容，如利用人工智能實現(xiàn)智能控制等。

對很多教師來說，本模塊部分內(nèi)容相對較新，對教學內(nèi)容的把握有一定難度，這就需要教師努力提升人工智能方面的專業(yè)素養(yǎng)，依托本校的客觀條件，針對具體學情，選擇恰當?shù)慕虒W策略，更好地達成本模塊教學目標。