橫向跨學(xué)科縱向分層次人工智能課程的設(shè)計與實施

當前國內(nèi)與國際處于同一人工智能人才起跑線上，這也是我國在新國際競爭與新技術(shù)革命中占有領(lǐng)先地位的機遇。我們的人工智能課程建設(shè)屬于創(chuàng)新前沿性探索，在智能社會高素質(zhì)人才培養(yǎng)的目標下，通過建設(shè)成體系的、跨學(xué)科融合的中學(xué)人工智能課程，并在不同層次和維度上全面而有側(cè)重地實施，為我國中小學(xué)智能教育的普及、跨學(xué)科實踐及創(chuàng)新等方面提供經(jīng)驗與借鑒。

課程體系的設(shè)計與建設(shè)

1.明確智能時代高素質(zhì)人才培養(yǎng)目標

我們以智能素養(yǎng)和高階能力的培養(yǎng)為出發(fā)點，基于中學(xué)知識水平，解析人工智能跨學(xué)科科學(xué)基礎(chǔ)，構(gòu)建其與STEAM理念框架的本質(zhì)映射，實現(xiàn)面向未來的人工智能課程體系。同時明確全面育人理念下人工智能課程體系的育人模式培養(yǎng)目標，即面向未來的高階能力，包括批判性思維、自主性、創(chuàng)新能力、協(xié)作交流和跨文化能力;智能素養(yǎng)，如學(xué)習(xí)人類智能與機器智能的跨學(xué)科基礎(chǔ)思想，培養(yǎng)跨學(xué)科思維，指導(dǎo)科學(xué)用腦與科學(xué)學(xué)習(xí)，以人工智能前沿原始創(chuàng)新的大視野、大概念和大思維為學(xué)生終身學(xué)習(xí)和發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

2.建立人工智能縱向金字塔分層課程體系

在縱橫開合、豐富多元、文理兼容的素質(zhì)教育課程體系下，人工智能得以從面向全體的常規(guī)課普及教育，到部分選修的跨學(xué)科實踐應(yīng)用，再到少數(shù)的前沿探究，形成人工智能縱向金字塔分層課程體系。學(xué)校為每位學(xué)生在未來人工智能時代的發(fā)展提供個性化的培養(yǎng)路徑。

3.實現(xiàn)人工智能的學(xué)科基礎(chǔ)橫向跨學(xué)科解構(gòu)

人工智能本身是一個跨學(xué)科綜合的領(lǐng)域，交叉計算機科學(xué)、數(shù)學(xué)、生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、認知學(xué)科、腦科學(xué)、心理學(xué)、社會學(xué)、哲學(xué)等等，本質(zhì)上與STEAM教育深入融合。我們將人工智能的學(xué)科基礎(chǔ)、核心思想、內(nèi)涵外延，以大視野、大概念、大思維為主線，科學(xué)創(chuàng)新地變換映射到中學(xué)知識體系內(nèi)，橫向跨學(xué)科解構(gòu)到各個學(xué)科，縱向分層到中學(xué)的不同課型和活動，實現(xiàn)遵循學(xué)生發(fā)展規(guī)律，符合教育教學(xué)原理的多維度多層次中學(xué)人工智能課程體系。

代表性的人工智能課程案例展示

1.高二“人工智能初步”課程

本課程重在培養(yǎng)基本的“人工智能+”思維和興趣，是人工智能課程體系的感知層，這一層次具體落地于中小學(xué)信息技術(shù)課，將高質(zhì)量科普資源融入日?？茖W(xué)課、信息技術(shù)課和一些選修課。把人工智能內(nèi)容滲透到常規(guī)課堂的引入環(huán)節(jié)，介紹人工智能推動各學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展的前沿成果，培養(yǎng)學(xué)生的交叉學(xué)科創(chuàng)新思維。

課程為高二年級選擇性必修課程，著重培養(yǎng)學(xué)生了解、理解人工智能，能夠使用開源的人工智能平臺解決實際問題的能力，旨在培養(yǎng)學(xué)生計算思維和人工智能的跨學(xué)科鏈接。通過本模塊的學(xué)習(xí)，學(xué)生將了解人工智能的發(fā)展歷程及概念，能描述典型人工智能算法的實現(xiàn)過程，能搭建簡單的人工智能應(yīng)用模塊，親歷設(shè)計與實現(xiàn)簡單智能系統(tǒng)的基本過程與方法，增強利用智能技術(shù)服務(wù)人類發(fā)展的責(zé)任感。

課程實施共18個課時，分為6個專題，以項目式學(xué)習(xí)為主，引導(dǎo)學(xué)生在真實情境下的問題解決過程中理解和實踐人工智能的學(xué)科基礎(chǔ)與跨學(xué)科應(yīng)用。

這六個專題包括以下內(nèi)容。（1）人工智能概述及Python編程。其內(nèi)容包括基礎(chǔ)Python復(fù)習(xí)，如變量、字符串、運算、選擇分支、循環(huán)結(jié)構(gòu)、列表等基礎(chǔ)Python內(nèi)容復(fù)習(xí);模塊、函數(shù)1，數(shù)據(jù)可視化——學(xué)會使用函數(shù)及Matplotlib模塊畫圖;模塊、函數(shù)2，圖像操作——理解圖像的存儲，學(xué)會使用Opencv及Matplotlib模塊對圖像進行操作。（2）人工智能核心算法。其內(nèi)容包括機器學(xué)習(xí)概述，機器學(xué)習(xí)基本概念、一般思路;有監(jiān)督學(xué)習(xí)1，線性回歸——簡單線性回歸，結(jié)合物理學(xué)科的實驗數(shù)據(jù)分析;有監(jiān)督學(xué)習(xí)2，K近鄰算法——NBA最佳球員預(yù)測，價格預(yù)測等問題;無監(jiān)督學(xué)習(xí)，K均值算法——卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從腦科學(xué)、認知科學(xué)出發(fā)講述卷積人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。（3）計算機視覺。其內(nèi)容包括計算機視覺概述，實踐——人臉檢測和表情識別。（4）自然語言處理。其內(nèi)容包括自然語言處理概述;語音識別及合成，了解語音識別及合成的一般過程，學(xué)會使用人工智能平臺，實現(xiàn)語音識別與合成;實踐——搭建可以語音對話的聊天機器人。（5）倫理道德探討，探討人工智能背后的倫理道德。（6）期末學(xué)生實踐展示。

2.跨學(xué)科“人工智能——自然語言處理NLP”課程

本課程面向感興趣的高中學(xué)生，旨在讓學(xué)生理解自然語言處理領(lǐng)域的基本原理與框架，能夠做簡單的項目實踐，培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科思維與真實生活應(yīng)用的實踐能力。

該課程由語文教師趙玥和計算機科學(xué)教師武迪共同主講，從自然語言處理課程概述、漢語語言學(xué)研究基礎(chǔ)，到自然語言處理實踐、詞匯與分詞技術(shù)，再到文本數(shù)據(jù)挖掘與詞云圖生成、概率圖模型、語音識別和詞性、語塊、句法理論與自動分析，最后是建設(shè)語言資源庫、NLP中的深度學(xué)習(xí)和課程大作業(yè)答辯，課程內(nèi)容層層深入，共14次課28個課時。

課程評價采用過程性評價與終結(jié)性評價相結(jié)合的方式。過程性評價占40%，包括考勤，其中缺勤三次（含三次）無學(xué)分;課堂表現(xiàn)：積極參與討論、回答問題、小組合作;課堂作業(yè)：課堂實踐與練習(xí)按時完成;課程貢獻度：做課程日志、與老師共建課程資源等。終結(jié)性評價占60%，將課堂所學(xué)應(yīng)用于自己感興趣的自然語言處理學(xué)習(xí)生活實例，解密、實現(xiàn)、創(chuàng)新不同維度的實踐，大作業(yè)過程形成過程性檔案集與最終課程答辯共同作為評價內(nèi)容。

漢語自然語言處理是人工智能的一個重要分支，從學(xué)科類屬上說是語言與計算機的跨學(xué)科課程。這門課希望學(xué)生能通過課程學(xué)習(xí)與實踐正確認識“人類智能”與“人工智能”的關(guān)系，既不唯技術(shù)論，又能積極看待人工智能對人們生產(chǎn)和生活的輔助作用。在課程設(shè)計上，語言學(xué)原理與計算機學(xué)科知識技能并重;從生產(chǎn)生活的應(yīng)用情境出發(fā)，采用項目式學(xué)習(xí)的方法，讓學(xué)生在實踐中體會語言作為思維工具和系統(tǒng)符號的本質(zhì)，并掌握一定的自然語言處理相關(guān)知識與技能。

3.早培研修“人工智能——自動駕駛”課程

本課程面向8年級及10年級的拔尖創(chuàng)新人才項目學(xué)生，培養(yǎng)目標是面向?qū)θ斯ぶ悄芨信d趣的學(xué)生，將自動駕駛這一人工智能第一個大規(guī)模落地應(yīng)用解密，從這一交叉綜合領(lǐng)域的各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)出發(fā)，介紹核心科技與前沿發(fā)展，并在國際開放平臺上進行多維度實踐。本課程是“人工智能+X”的跨學(xué)科綜合課程，以交叉前沿應(yīng)用為基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力。

課程實施共42個課時，分為14次課進行，課程內(nèi)容從課程介紹到高精度地圖是如何構(gòu)建、物體檢測與識別，再到深度學(xué)習(xí)、深度強化學(xué)習(xí)與決策和人類感知，難度逐漸加強，最后是項目實踐和課程答辯。

在充分學(xué)習(xí)MIT的自動駕駛課程基礎(chǔ)上，開發(fā)了目前的課程，結(jié)合我校高中生的知識儲備及學(xué)習(xí)特點。既保有了國際前沿發(fā)展目光，又能貼合學(xué)生實際，做到本土化教學(xué)。

這一課程的過程性評價占60%：考勤占10% ，缺勤三次及以上沒有課程成績;課堂表現(xiàn)占10% ，包括課堂參與、思考、表達;課堂項目占20%，要求能夠高效高質(zhì)完成;課后項目占20%，以自主探究為主。終結(jié)性評價占40%，包括課程項目實踐、課程論文及現(xiàn)場答辯。

在課程實施過程中，由于3節(jié)連堂，大多數(shù)課程采用學(xué)生分組自主學(xué)習(xí)，課堂分享交流，互相促進，共同進步的學(xué)習(xí)方式;分享形式多樣，有時為PPT展示，有時為劇情展示，用輕松幽默的形式演繹學(xué)生眼中的算法，既給學(xué)生帶來了極大的自由，也督促學(xué)生提高效率，學(xué)好本節(jié)課的內(nèi)容。而就課程內(nèi)容結(jié)合產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面來說，課程實踐過程中，參觀了包括圖森、Momenta、商湯等在內(nèi)的自動駕駛創(chuàng)新公司，學(xué)生們在第一單元對于技術(shù)上以及實踐過程中的一些遺留問題得到了解釋，并能從產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度學(xué)習(xí)到自動駕駛領(lǐng)域相關(guān)的內(nèi)容，真正結(jié)合理論與實踐。值得一提的是，圖森的聯(lián)合創(chuàng)始人為人大附中校友，在講解自動駕駛技術(shù)的同時，不忘初心，鼓勵學(xué)弟學(xué)妹們好好學(xué)習(xí)，發(fā)展特長，肯想肯干，秉承人大附中一貫傳統(tǒng)，給學(xué)生們帶來了極大的學(xué)習(xí)動力。

人工智能本身是一個綜合的領(lǐng)域，交叉計算機科學(xué)、數(shù)學(xué)、生物學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、認知學(xué)科、腦科學(xué)、心理學(xué)、社會學(xué)、哲學(xué)等學(xué)科知識，本質(zhì)上與STEAM教育深入融合。我們將人工智能的學(xué)科基礎(chǔ)、核心思想、內(nèi)涵外延，以大視野、大概念、大思維為主線，科學(xué)創(chuàng)新地變換映射到中學(xué)知識體系內(nèi)（不是拿大學(xué)內(nèi)容、研究生內(nèi)容來講），橫向跨學(xué)科解構(gòu)到各個學(xué)科，縱向分層到中學(xué)的不同課型和活動，實現(xiàn)遵循學(xué)生發(fā)展規(guī)律，符合教育教學(xué)原理的多維度多層次中學(xué)人工智能課程體系。

作者單位：中國人民大學(xué)附屬中學(xué)