高中信息技術(shù)選擇性必修《模塊4：人工智能初步》中“人工智能基礎(chǔ)”教學(xué)建議

張建彬

在普通高中信息技術(shù)課程中，選擇性必修模塊4“人工智能初步”承載了普及人工智能基礎(chǔ)知識(shí)、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、踐行國(guó)家人工智能發(fā)展規(guī)劃的重任。本文將針對(duì)第一部分“人工智能基礎(chǔ)”，從課標(biāo)要求、教材內(nèi)容安排及教學(xué)實(shí)施建議三個(gè)方面進(jìn)行探討。

● 課標(biāo)要求理解

1.課程結(jié)構(gòu)

“人工智能基礎(chǔ)”通過(guò)對(duì)學(xué)生身邊的人工智能應(yīng)用的分析引出人工智能的概念及特征;按照時(shí)間線從歷史發(fā)展的角度來(lái)介紹人工智能的發(fā)展歷程、主要流派、觀點(diǎn)與典型應(yīng)用。以人工智能在教育、金融等多個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用案例來(lái)讓學(xué)生了解人工智能對(duì)社會(huì)與人們生活的影響。

2.內(nèi)容要求

與本部分教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的課程標(biāo)準(zhǔn)要求為：

4.1 描述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(yīng)用與趨勢(shì)。

4.6 辯證認(rèn)識(shí)人工智能對(duì)人類(lèi)社會(huì)未來(lái)發(fā)展的巨大價(jià)值和潛在的威脅，自覺(jué)維護(hù)和遵守人工智能社會(huì)化應(yīng)用規(guī)范與法規(guī)。

其中，內(nèi)容要求4.1完全對(duì)應(yīng)“人工智能基礎(chǔ)”部分。內(nèi)容要求4.6除與第一部分“人工智能基礎(chǔ)”相關(guān)，還與“人工智能技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用”有所關(guān)聯(lián)。對(duì)這項(xiàng)要求的落實(shí)，不同版本教材的安排有所不同，有的版本安排相對(duì)集中，有的則分散到不同章節(jié)中。

3.學(xué)業(yè)要求

課程標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)“人工智能初步”的學(xué)業(yè)要求為：能描述人工智能的基本特征，會(huì)利用開(kāi)源人工智能應(yīng)用框架，搭建簡(jiǎn)單智能系統(tǒng)（計(jì)算思維）;了解人工智能的新進(jìn)展、新應(yīng)用，并能適當(dāng)運(yùn)用在學(xué)習(xí)和生活中（數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新）;了解人工智能的發(fā)展歷程，能客觀認(rèn)識(shí)智能技術(shù)對(duì)社會(huì)的影響（信息意識(shí)、信息社會(huì)責(zé)任）。

其中，“描述人工智能的基本特征”正是“人工智能基礎(chǔ)”的學(xué)習(xí)目標(biāo)之一?！傲私馊斯ぶ悄艿男逻M(jìn)展、新應(yīng)用，并能適當(dāng)運(yùn)用在學(xué)習(xí)和生活中”可以理解為讓學(xué)生先了解當(dāng)前的人工智能技術(shù)及應(yīng)用，并能夠利用這些技術(shù)和應(yīng)用來(lái)解決學(xué)習(xí)和生活中的問(wèn)題，如利用智能語(yǔ)音技術(shù)控制家中的電器、利用圖片識(shí)別或文字識(shí)別技術(shù)來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí)等。

“了解人工智能的發(fā)展歷程”也是“人工智能基礎(chǔ)”的重要內(nèi)容之一，而且不應(yīng)該僅是對(duì)重要的歷史事件和技術(shù)進(jìn)行了解，還應(yīng)該對(duì)這些事件或技術(shù)在人工智能發(fā)展歷程中起到的作用進(jìn)行分析，從而進(jìn)一步理解人工智能技術(shù)對(duì)社會(huì)的價(jià)值與影響，以及人工智能在發(fā)展過(guò)程中為什么會(huì)多次出現(xiàn)高潮與低谷。

● 教材內(nèi)容分析

在教育部審定通過(guò)的與2017年版課程標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)應(yīng)的五個(gè)版本的教材中，“人工智能初步”的第一單元名稱(chēng)與“人工智能基礎(chǔ)”有所區(qū)別，但主要內(nèi)容基本相同，其中包含“人工智能的概念與特征”“人工智能發(fā)展歷程”和“人工智能研究?jī)?nèi)容與應(yīng)用”三部分內(nèi)容，這正好與課程標(biāo)準(zhǔn)的要求相對(duì)應(yīng)。在每個(gè)版本的教材中，第一單元的具體編排情況如表1所示。

● 教學(xué)目標(biāo)的確定

根據(jù)課標(biāo)要求、教材內(nèi)容及學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)容，本部分教學(xué)目標(biāo)可以設(shè)定為以下幾點(diǎn)：①理解人工智能的概念與基本特征。②了解人工智能的發(fā)展歷程，能夠分析人工智能發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)高潮和低谷的原因。③了解目前人工智能技術(shù)的主要研究?jī)?nèi)容及應(yīng)用領(lǐng)域，知道典型應(yīng)用，感受人工智能的價(jià)值。④通過(guò)體驗(yàn)探索，激發(fā)對(duì)人工智能的學(xué)習(xí)興趣。

根據(jù)幾年來(lái)新課程實(shí)施過(guò)程中積累的經(jīng)驗(yàn)，在以上目標(biāo)中，對(duì)于人工智能發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)高潮和低谷的原因的分析，以及運(yùn)用人工智能技術(shù)解決生活中的實(shí)際問(wèn)題，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中普遍感覺(jué)困難。

● 核心概念

1.人工智能

對(duì)于人工智能的概念，人們從不同層面給出過(guò)不同的定義，尚未達(dá)成統(tǒng)一。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，人工智能的概念也在逐漸完善。2017版課程標(biāo)準(zhǔn)將人工智能的概念表述為：“人工智能是通過(guò)智能機(jī)器延伸、增強(qiáng)人類(lèi)改造自然和治理社會(huì)能力的新興技術(shù)?！辈煌姹镜慕滩膶?duì)人工智能概念的表述也不盡相同，具體描述如表2所示。

在教學(xué)過(guò)程中，不是要求學(xué)生對(duì)人工智能的概念進(jìn)行記憶，而是理解。其中的關(guān)鍵內(nèi)容為：人工智能是讓機(jī)器模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的技術(shù)。這句話可以簡(jiǎn)單地理解為，讓機(jī)器具有像人一樣的“看”“聽(tīng)”“說(shuō)”“感知”“行動(dòng)”“思考”“學(xué)習(xí)”等能力?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)具體案例的分析，將機(jī)器智能與人類(lèi)智能進(jìn)行類(lèi)比的方式讓學(xué)生學(xué)習(xí)與理解。

2.人工智能的基本特征

對(duì)于人工智能的基本特征，大部分版本均采用了《人工智能標(biāo)準(zhǔn)化白皮書(shū)（2018版）》中對(duì)人工智能特征的描述：①由人類(lèi)設(shè)計(jì)，為人類(lèi)服務(wù)，其本質(zhì)為計(jì)算，基礎(chǔ)為數(shù)據(jù)。②能感知環(huán)境，能產(chǎn)生反應(yīng)，能與人交互，能與人互補(bǔ)。③有適應(yīng)特性，有學(xué)習(xí)能力，能演化迭代，可連接擴(kuò)展。

3.人工智能發(fā)展的三個(gè)階段

人工智能20世紀(jì)50年代誕生，由于算力、算法、數(shù)據(jù)多方面因素的影響，其在發(fā)展過(guò)程中經(jīng)歷了多次高潮與低谷。到目前為止，其發(fā)展過(guò)程大致可分為三個(gè)階段：第一階段（20世紀(jì)50年代到80年代），以符號(hào)推理為代表。第二階段（20世紀(jì)80年代到90年代末），以專(zhuān)家系統(tǒng)為代表。第三階段（21世紀(jì)初至今），以大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)為代表。

4.人工智能的主要流派

人工智能在發(fā)展過(guò)程中，出現(xiàn)過(guò)符號(hào)主義、連接主義、行為主義、統(tǒng)計(jì)主義、仿真主義等多個(gè)流派，各個(gè)流派都取得過(guò)相關(guān)成就，也存在著局限性。

5.人工智能主要研究?jī)?nèi)容

目前，人工智能的主要研究?jī)?nèi)容包括知識(shí)表示、專(zhuān)家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、智能語(yǔ)音、模式識(shí)別、自然語(yǔ)言處理、自動(dòng)推理等。

6.人工智能應(yīng)用

人工智能應(yīng)用主要是指在教育、金融、交通、安防、醫(yī)療、生活等場(chǎng)景中的應(yīng)用，如“智能家居”“智慧交通”“智慧教育”“智慧醫(yī)療”等。

● 教學(xué)建議

本部分教學(xué)主要涉及“人工智能的概念和基本特征”“人工智能發(fā)展歷程”“人工智能研究?jī)?nèi)容與應(yīng)用”三部分內(nèi)容。

1.人工智能的概念和基本特征

人工智能的概念和基本特征既是重點(diǎn)也是難點(diǎn)，雖然教材中對(duì)人工智能的概念和特征進(jìn)行了描述，但不建議直接給出相關(guān)描述，那樣不便于學(xué)生理解。建議從學(xué)生身邊的人工智能案例入手，選取一些學(xué)生生活中常見(jiàn)或者經(jīng)常使用的人工智能產(chǎn)品或應(yīng)用作為案例，如語(yǔ)音助手、智能音箱、掃地機(jī)器人等，讓學(xué)生分析這些案例的功能、特點(diǎn)、價(jià)值等內(nèi)容，思考其在解決問(wèn)題的過(guò)程中與人類(lèi)智能有哪些相似之處，以此來(lái)總結(jié)出人工智能的概念和基本特征。如果學(xué)生在總結(jié)人工智能的基本特征時(shí)存在困難，可以讓學(xué)生閱讀教材中的相關(guān)描述，然后利用這些特征對(duì)生活中的案例進(jìn)行分析，以便對(duì)人工智能的特征有充分的理解。

在實(shí)踐活動(dòng)方面，建議通過(guò)體驗(yàn)環(huán)節(jié)讓學(xué)生親身體驗(yàn)一些常見(jiàn)的人工智能平臺(tái)或產(chǎn)品。在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，可以讓學(xué)生分析這些平臺(tái)或產(chǎn)品模擬、延伸、擴(kuò)展了人類(lèi)的哪些智能，從哪些方面體現(xiàn)了人工智能的基本特征。在體驗(yàn)平臺(tái)的選擇上，如果有條件采用移動(dòng)終端進(jìn)行教學(xué)，可以讓學(xué)生通過(guò)真實(shí)的人工智能產(chǎn)品（如智能音箱、帶有人臉識(shí)別功能的智能攝像頭等）或小程序來(lái)進(jìn)行體驗(yàn)，這類(lèi)程序功能相對(duì)較為全面，且具有一定的實(shí)用功能，學(xué)生在體驗(yàn)的同時(shí)，可以掌握其使用方法，以便在日常學(xué)習(xí)、生活中利用相關(guān)人工智能產(chǎn)品或應(yīng)用解決實(shí)際問(wèn)題。如果不具備進(jìn)行真實(shí)產(chǎn)品體驗(yàn)的條件或無(wú)法通過(guò)移動(dòng)端平臺(tái)進(jìn)行體驗(yàn)，可以通過(guò)人工智能企業(yè)提供的免費(fèi)的人工智能體驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展教學(xué)，讓學(xué)生進(jìn)行體驗(yàn)操作。這類(lèi)平臺(tái)除簡(jiǎn)單體驗(yàn)外，還對(duì)技術(shù)的用途進(jìn)行了描述，可以讓學(xué)生進(jìn)行閱讀與思考。同時(shí)，此類(lèi)平臺(tái)往往提供了一些請(qǐng)求與返回的代碼，可與程序設(shè)計(jì)內(nèi)容相結(jié)合，供學(xué)生進(jìn)行探究?？傊?，該部分建議通過(guò)案例分析、體驗(yàn)研究的形式，讓學(xué)生理解人工智能的概念和基本特征。在此基礎(chǔ)上，最好還能讓學(xué)生掌握利用身邊的人工智能產(chǎn)品或應(yīng)用解決生活中的問(wèn)題的基本方法。

多個(gè)版本的教材在這一部分都介紹了“圖靈測(cè)試”這一判斷機(jī)器是否具有智能的測(cè)試方法，教師可以尋找相應(yīng)的平臺(tái)供學(xué)生進(jìn)行探究，因?yàn)槟壳吧形从姓嬲饬x上通過(guò)圖靈測(cè)試的程序，所以此體驗(yàn)可能會(huì)讓學(xué)生覺(jué)得機(jī)器不夠智能，可以讓學(xué)生思考機(jī)器無(wú)法通過(guò)圖靈測(cè)試的原因，以及是否有改進(jìn)方式，引發(fā)學(xué)生的思考。部分人認(rèn)為人工智能軟件“尤金·古斯特曼（Eugene Goostman）”于2014年通過(guò)了圖靈測(cè)試，成為首個(gè)通過(guò)圖靈測(cè)試的程序，可以讓學(xué)生對(duì)此事件進(jìn)行分析，給出自己的觀點(diǎn)并說(shuō)明理由。此處還可以介紹驗(yàn)證碼與圖靈測(cè)試的關(guān)系，讓學(xué)生對(duì)人工智能知識(shí)的應(yīng)用及價(jià)值有所感受和思考。

2.人工智能發(fā)展歷程與趨勢(shì)

此部分在幾個(gè)版本的教材中都是按照人工智能發(fā)展歷程的時(shí)間線來(lái)進(jìn)行介紹的，主要包括人工智能發(fā)展歷程中的三個(gè)階段以及每個(gè)階段的主要觀點(diǎn)、典型事件、技術(shù)與應(yīng)用。建議先向?qū)W生介紹不同時(shí)期的典型技術(shù)與應(yīng)用（符號(hào)推理、專(zhuān)家系統(tǒng)、機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等），結(jié)合計(jì)算機(jī)及互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)知識(shí)，分析它們?cè)诋?dāng)時(shí)的優(yōu)勢(shì)與不足，然后讓學(xué)生利用這些知識(shí)來(lái)分析與思考人工智能發(fā)展歷程中多次出現(xiàn)高潮和低谷的原因，充分理解技術(shù)對(duì)社會(huì)的影響，技術(shù)發(fā)展與社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的聯(lián)系，以及技術(shù)在發(fā)展過(guò)程中的跌宕起伏。

此內(nèi)容多為歷史事件、相關(guān)觀點(diǎn)、技術(shù)方面的敘述，較難設(shè)計(jì)實(shí)踐活動(dòng)。如果能夠找到人工智能發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)的重要應(yīng)用，如Eliza、推理程序、專(zhuān)家系統(tǒng)、早期語(yǔ)音識(shí)別程序等，可以讓學(xué)生進(jìn)行體驗(yàn)，并與現(xiàn)在的相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合當(dāng)時(shí)及現(xiàn)在的技術(shù)環(huán)境，感受與體會(huì)某項(xiàng)技術(shù)及應(yīng)用在特定時(shí)期的優(yōu)勢(shì)與局限性。這部分內(nèi)容還可以設(shè)計(jì)查閱資料等任務(wù)，讓學(xué)生進(jìn)行自主探究，以報(bào)告的形式向?qū)W生講述人工智能的發(fā)展歷程。

對(duì)于人工智能的現(xiàn)狀，可以讓學(xué)生結(jié)合自身生活向同學(xué)們進(jìn)行介紹，同時(shí)可以提供一些前沿技術(shù)的相關(guān)資料供學(xué)生進(jìn)行閱讀學(xué)習(xí)，以便對(duì)目前人工智能技術(shù)的發(fā)展情況有所了解。對(duì)于人工智能技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)與未來(lái)，因?yàn)槭且粋€(gè)不確定性內(nèi)容，可以以“人工智能未來(lái)暢想”為主題，組織學(xué)生進(jìn)行討論與交流，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí);也可以讓學(xué)生閱讀一些科幻小說(shuō)或觀看一些科幻電影，談一談里面的哪些內(nèi)容在未來(lái)可能會(huì)實(shí)現(xiàn)。

3.人工智能研究?jī)?nèi)容與應(yīng)用

此部分在教材中屬于陳述性知識(shí)，用文字和圖片介紹了人工智能的主要研究?jī)?nèi)容，以及人工智能技術(shù)在人們?nèi)粘９ぷ?、生活中的?yīng)用場(chǎng)景及價(jià)值，包括教育、醫(yī)療、交通、金融、農(nóng)業(yè)等多個(gè)場(chǎng)景。如果只閱讀教材，學(xué)生很難理解人工智能技術(shù)對(duì)人們生活的影響。對(duì)于主要研究?jī)?nèi)容，可以采用體驗(yàn)的方式讓學(xué)生進(jìn)行自主探究，在體驗(yàn)的過(guò)程中，思考這些技術(shù)可以用于哪些場(chǎng)景，能夠解決什么問(wèn)題，在解決問(wèn)題的過(guò)程中，具有哪些優(yōu)勢(shì)，存在哪些不足。然后，教師可以通過(guò)視頻的形式向?qū)W生展示身邊的人工智能應(yīng)用案例，讓學(xué)生有感性認(rèn)識(shí)。最后以項(xiàng)目學(xué)習(xí)的方式，請(qǐng)學(xué)生挑選一個(gè)自己感興趣的領(lǐng)域，自主查閱資料，并結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)，以考察、采訪、體驗(yàn)等多種形式開(kāi)展探究活動(dòng)，然后進(jìn)行展示交流，讓學(xué)生進(jìn)一步了解人工智能在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，感受人工智能的價(jià)值。

總之，第一單元的內(nèi)容大部分為文字性介紹，能夠動(dòng)手實(shí)踐的內(nèi)容相對(duì)較少，教師應(yīng)該提供給學(xué)生可以進(jìn)行體驗(yàn)的平臺(tái)，讓學(xué)生進(jìn)行充分體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)，多設(shè)計(jì)思考題目引發(fā)思考，并以項(xiàng)目調(diào)查、匯報(bào)的形式組織教學(xué)，做到以學(xué)生為主體。本單元的內(nèi)容根據(jù)教學(xué)組織形式，建議課時(shí)數(shù)為3～5課時(shí)。

● 評(píng)價(jià)方式

“人工智能基礎(chǔ)”涉及的內(nèi)容較難讓學(xué)生做出能夠進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)的作品，如果以項(xiàng)目的方式開(kāi)展教學(xué)，可以讓學(xué)生制作多媒體作品，以此方式呈現(xiàn)研究成果，并通過(guò)交流、展示、演講的形式向大家介紹自己對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解，這時(shí)可以采用過(guò)程性評(píng)價(jià)與終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)學(xué)生在搜索素材、制作多媒體作品、交流展示等各個(gè)環(huán)節(jié)的表現(xiàn)，都可以從積極性、參與度、完成度等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，最終的多媒體作品及交流展示可以從內(nèi)容的科學(xué)性、完整性、創(chuàng)新性、展示效果等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。如果涉及到小組學(xué)習(xí)，還可以從小組合作的角度給予評(píng)價(jià)。在學(xué)生進(jìn)行探究學(xué)習(xí)的過(guò)程中，教師可以設(shè)計(jì)學(xué)案與問(wèn)題，如“通過(guò)體驗(yàn)與探索，你認(rèn)為智能語(yǔ)音技術(shù)能夠用在什么地方？解決什么問(wèn)題？”“人工智能在發(fā)展過(guò)程中為什么會(huì)出現(xiàn)多次高潮與低谷？”等，讓學(xué)生帶著問(wèn)題去體驗(yàn)和探索，通過(guò)學(xué)生對(duì)問(wèn)題的回答，評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)相關(guān)內(nèi)容是否理解。

“人工智能基礎(chǔ)”作為起始單元，承載著激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、理清基本概念、感受人工智能價(jià)值的任務(wù)，在教學(xué)過(guò)程中，應(yīng)盡量避免平鋪直敘地講述，而應(yīng)多設(shè)計(jì)體驗(yàn)、探究、思考、交流等環(huán)節(jié)，讓學(xué)生參與其中，通過(guò)實(shí)踐探究、梳理總結(jié)的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，為后續(xù)內(nèi)容的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。