區(qū)域人工智能教學(xué)實(shí)踐與改進(jìn)策略

王 戈（北京市朝陽區(qū)教育科學(xué)研究院）

一、開展人工智能教學(xué)的問題

朝陽區(qū)近年在《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》和《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)》的引領(lǐng)下，開展人工智能教學(xué)實(shí)踐研究，遇到了不少實(shí)際問題，通過探索和實(shí)踐，對(duì)這些問題形成初步的解決方法。

師資問題。人工智能是快速發(fā)展的事物，但在職教師沒有經(jīng)過系統(tǒng)培訓(xùn)，存在著知識(shí)結(jié)構(gòu)的短板。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境問題。實(shí)驗(yàn)實(shí)踐是學(xué)習(xí)人工智能的重要方法，需要具備一定的人工智能實(shí)驗(yàn)環(huán)境，但多數(shù)學(xué)校只有普通的機(jī)房環(huán)境，解決實(shí)驗(yàn)環(huán)境問題刻不容緩。

教學(xué)內(nèi)容及深度問題。在義教階段，人工智能的教學(xué)內(nèi)容深度和課時(shí)安排，都面臨挑戰(zhàn)。需要根據(jù)學(xué)生的年齡特點(diǎn)，結(jié)合不同年級(jí)的教學(xué)模塊要求，把人工智能的內(nèi)容融入其中，實(shí)現(xiàn)與其他邏輯主線的共融共存。

教學(xué)方法的創(chuàng)新。人工智能作為信息科技課程內(nèi)容中綜合最強(qiáng)、原理最深、實(shí)踐最廣的模塊，需要教師依據(jù)其內(nèi)容特點(diǎn)，按照學(xué)生的認(rèn)知水平，設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，利用形象的方式以及線上學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)資源，幫助學(xué)生理解抽象原理和功能實(shí)現(xiàn)方法。

二、針對(duì)人工智能教學(xué)問題的解決方法

自2018年開始，本區(qū)成立了人工智能教學(xué)項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)，通過課題研究、教程編寫、教師培訓(xùn)、市級(jí)展示等活動(dòng)，完成了教學(xué)內(nèi)容確定、課堂教學(xué)實(shí)踐、教學(xué)方法研究、案例優(yōu)化等工作。

（一）立體分層多方位的教師培訓(xùn)機(jī)制

通過問卷調(diào)查知道，有66%教師對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)、人工智能的教學(xué)內(nèi)容心懷焦慮，渴望補(bǔ)齊自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)短板。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)根據(jù)教師的需求，制定了培訓(xùn)計(jì)劃，采用立體分層的教師培訓(xùn)方法，即從內(nèi)容上分為專業(yè)培訓(xùn)和教法培訓(xùn)；從培訓(xùn)對(duì)象上，把教師分層為種子教師和普通教師。

專業(yè)培訓(xùn)采用了專家引領(lǐng)加個(gè)人自學(xué)的方式：每年組織老師到百度、科大訊飛、騰訊等國內(nèi)知名廠商進(jìn)行現(xiàn)場學(xué)習(xí)，請(qǐng)業(yè)界頂級(jí)的專家為教師進(jìn)行系統(tǒng)人工智能專業(yè)培訓(xùn)和實(shí)踐體驗(yàn)；遴選部分基礎(chǔ)好，專業(yè)水平高的教師，作為種子教師，參加一對(duì)一的小班培訓(xùn)，以幫助教師快速提升；充分利用線上教程資源，向教師推薦國內(nèi)聲譽(yù)高的教程和線上學(xué)習(xí)平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以幫助教師自學(xué)提升。

教法培訓(xùn)是利用區(qū)級(jí)研究課，種子教師開展人工智能教學(xué)展示，以案說法，向教師展示教學(xué)設(shè)計(jì)和教學(xué)方法創(chuàng)新，使教師通過從模仿他人到自主創(chuàng)新，完成自己的人工智能教學(xué)設(shè)計(jì)。

（二）充分利用免費(fèi)資源解決基本教學(xué)環(huán)境問題

人工智能綜合性和實(shí)踐性的特點(diǎn)，要求必須有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，但在義務(wù)教育信息科技（人工智能）實(shí)驗(yàn)室國家標(biāo)準(zhǔn)未出，學(xué)校沒有專用經(jīng)費(fèi)的實(shí)際情況下，只有少數(shù)學(xué)校購買了一些人工智能的專用套裝，多數(shù)學(xué)校只有普通計(jì)算機(jī)房。

項(xiàng)目組對(duì)網(wǎng)上免費(fèi)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)資源進(jìn)行了梳理，以創(chuàng)造條件滿足最基本教學(xué)需求。

免費(fèi)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括兩種模式：

一是不少圖形化編程平臺(tái)的拓展模塊中，有人工智能模塊可用，如Kittenblock 中的百度大腦、FaceAI、機(jī)器學(xué)習(xí)5、TensorFlow 等模塊；米思奇、編程貓等有專門的人工智能積木集可供使用。其中的人工智能功能都是通過調(diào)用服務(wù)器AI服務(wù)來實(shí)現(xiàn)的。

另一種模式是由百度、騰訊、科大訊飛等國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)巨頭開發(fā)的AI 開放實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用這些實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以進(jìn)行多種多樣的人工智能實(shí)驗(yàn)，例如訓(xùn)練模型，開發(fā)特定功能的軟件接口等。

教師通過整合本地已有軟硬件資源，創(chuàng)造性地利用線上免費(fèi)資源，裝備了攝像頭和耳麥的普通計(jì)算機(jī)教室，就能變成滿足基本功能的人工智能實(shí)驗(yàn)室。

（三）依據(jù)學(xué)生年齡特點(diǎn)安排課程內(nèi)容和深度

在義教課標(biāo)中，人工智能既是六條課程邏輯主線之一，又在九年級(jí)設(shè)立了人工智能與智能社會(huì)的課程模塊。但信息科技的浮動(dòng)課時(shí)，九年級(jí)學(xué)校面臨中考的現(xiàn)實(shí)，人工智能課程并非單獨(dú)開課等，都讓人工智能課程模塊的落地困難重重。

項(xiàng)目組認(rèn)為：缺失了人工智能內(nèi)容的信息科技課程是不能接受的，于是依據(jù)學(xué)生的年齡特點(diǎn)，依據(jù)課標(biāo)中各個(gè)年級(jí)課程模塊的內(nèi)容，把人工智能模塊化整為零，在各個(gè)年級(jí)信息科技教學(xué)內(nèi)容中加以融合，形成以下的融合脈絡(luò)：

在1-2年級(jí)，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)信息交流與分享內(nèi)容、方式、方法的豐富性、便捷性和獨(dú)特性，并了解與之相適應(yīng)的行為規(guī)范，養(yǎng)成保護(hù)個(gè)人信息和安全使用數(shù)字設(shè)備的好習(xí)慣。

在3-4年級(jí)，“在線學(xué)習(xí)與生活”“數(shù)據(jù)與編碼”，在線學(xué)習(xí)與生活中，學(xué)生可以接觸到更為專業(yè)更有針對(duì)性的人工智能應(yīng)用：生活中的人工智能如推薦購物、智能導(dǎo)航等，在線學(xué)習(xí)中的人工智能如英語口語智能引導(dǎo)、手寫作業(yè)智能判卷、知識(shí)圖譜基礎(chǔ)上的智能推送等。

在5-6年級(jí)， “算法是計(jì)算思維的核心要素之一，也是人工智能得以普遍應(yīng)用的三大支柱（數(shù)據(jù)、算法和算力）之一”。在本模塊中，可以利用百度AI 等實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行模型訓(xùn)練等活動(dòng)，在此過程中，通過使用不同的數(shù)據(jù)集、選擇算法、調(diào)整參數(shù)等方式，來增加模型的泛化能力，防止模型的過擬合等。教師可以引導(dǎo)學(xué)生形成以下觀念：機(jī)器學(xué)習(xí)是立足于場景的，在進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練模型之前，要明確要解決的問題是什么？不同的問題，會(huì)對(duì)應(yīng)不同的人工智能算法?？梢院唵蔚匕延?xùn)練模型的過程，認(rèn)為是尋找函數(shù)（算法）的最優(yōu)參數(shù)的過程。

在7-8年級(jí)，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與創(chuàng)新、物聯(lián)網(wǎng)實(shí)踐與探索中，有更多融入人工智能內(nèi)容的地方，例如身份認(rèn)證中的生物特征識(shí)別，可以把人臉識(shí)別，圖像識(shí)別（指紋），聲紋識(shí)別等人工智能內(nèi)容加入其中。物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)前數(shù)據(jù)采集的重要手段之一，也是人工智能獲得數(shù)據(jù)的最主要方式之一，在機(jī)器學(xué)習(xí)的過程中，建構(gòu)數(shù)據(jù)集的前提是采集數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)是重要的數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、存儲(chǔ)工具。

通過把人工智能內(nèi)容與各年級(jí)模塊學(xué)習(xí)內(nèi)容相配合，加大人工智能邏輯主線的比重，把人工智能的學(xué)習(xí)內(nèi)容分配到各個(gè)年級(jí)學(xué)習(xí)模塊中，以解決當(dāng)前人工智能沒有專門課時(shí)的困難。

（四）人工智能教學(xué)方法的改進(jìn)

我們?cè)谌斯ぶ悄艿慕虒W(xué)過程，采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的方式，按照不同場景，確立學(xué)習(xí)主題，分別通過確立項(xiàng)目、分析分解項(xiàng)目、學(xué)習(xí)新知、探尋原理、實(shí)施實(shí)現(xiàn)、展示體驗(yàn)、評(píng)價(jià)評(píng)測、優(yōu)化遷移八大步驟，完成一個(gè)人工智能項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的全過程。與普通項(xiàng)目式學(xué)習(xí)相比，人工智能項(xiàng)目式學(xué)習(xí)在學(xué)習(xí)新知、探尋原理、實(shí)施實(shí)現(xiàn)的環(huán)節(jié)有其特質(zhì)。