中小學(xué)校如何開展人工智能教育

周建華　李作林　趙新超

人工智能教育是當(dāng)今社會的熱點詞匯，國家、各個行業(yè)都給予高度關(guān)注，教育界也掀起了一股人工智能+教育的浪潮。《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》要求“在我國中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程”。《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》將“人工智能初步”作為選擇性必修課程列入其中，并制定了明確的課程目標(biāo)。學(xué)校人工智能教育需要站在國家發(fā)展、人類未來發(fā)展的高度進(jìn)行頂層設(shè)計。中國人民大學(xué)附屬中學(xué)（以下簡稱人大附中）課程建設(shè)注重“聚焦育人目標(biāo)+學(xué)生發(fā)展需求”雙輪驅(qū)動。在這樣的教育環(huán)境下，學(xué)校人工智能課程基于已有課程建設(shè)的豐厚基礎(chǔ)，進(jìn)行了積極探索，并形成了新的亮點。

中小學(xué)開展人工智能教育，關(guān)鍵是課程與教師

課程建設(shè)既要符合國家創(chuàng)新人才培養(yǎng)的戰(zhàn)略需求，又要尊重人工智能技術(shù)發(fā)展規(guī)律，與教育實際相結(jié)合，在有限的時空范圍內(nèi)達(dá)到最好的教育效果。人大附中堅持綜合創(chuàng)新，“人工智能+STEAM”相關(guān)各類課程在學(xué)校蓬勃開展，如智能機器人、數(shù)據(jù)挖據(jù)、計算機視覺等。學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)特別邀請人工智能專家、教育專家、一線教師、高新技術(shù)企業(yè)組成學(xué)校人工智能教育課程研發(fā)團(tuán)隊，結(jié)合人大附中實際情況，從面向全體的普及教育，到部分選修的跨學(xué)科實踐應(yīng)用，再到少數(shù)的深入動手做研究，學(xué)校梳理了金字塔形的中小學(xué)“STEAM+人工智能教育”課程體系，構(gòu)建了基于人工智能技術(shù)發(fā)展框架的計算智能、感知智能、認(rèn)知智能、創(chuàng)新等幾個層次相對應(yīng)的中小學(xué)人工智能教育課程體系（圖1）。

圖1左側(cè)是基于人工智能的技術(shù)發(fā)展維度。最底層大數(shù)據(jù)、算法層，這是實現(xiàn)各類人工智能技術(shù)的核心，包括傳統(tǒng)機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)。對中學(xué)生來講，重點是傳統(tǒng)機器學(xué)習(xí)的各類算法理解與應(yīng)用，如回歸算法、聚類算法、貝葉斯算法等，當(dāng)然也有一些深度學(xué)習(xí)的算法，如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。這些算法都是在具體項目實踐中進(jìn)行驗證、理解。第2層是感知，能聽會看，如語音識別、圖像識別、生物特征識別、文字識別技術(shù)等。這一部分以豐富翔實的人工智能應(yīng)用實例對學(xué)生進(jìn)行興趣引導(dǎo)，介紹人工智能原理的同時，結(jié)合人工智能發(fā)展史、人工智能技術(shù)在各行業(yè)的應(yīng)用、人工智能技術(shù)發(fā)展的哲學(xué)思辨，讓學(xué)生對人工智能技術(shù)的內(nèi)涵有正確、深刻的理解，同時在學(xué)習(xí)過程中建構(gòu)計算思維。再向上是認(rèn)知，就是會思考，能夠推理、決策，認(rèn)知層是感知層的進(jìn)一步發(fā)展，不僅能讓機器識別語音、圖像和文字的內(nèi)容，還能夠理解其內(nèi)在含義。最上面一層是創(chuàng)新、應(yīng)用，紐織學(xué)有余力的學(xué)生開展人工智能項目的開發(fā)與創(chuàng)新，將理論應(yīng)用于實踐。

圖1右側(cè)是學(xué)校教育，最底層是面向全體學(xué)生普及人工智能教育，中間有一些跨學(xué)科實踐應(yīng)用，各個學(xué)科領(lǐng)域結(jié)合人工智能的項目組開展這些方面的研究，最上面就是針對某些項目進(jìn)行深入研發(fā)。這個課程體系體現(xiàn)出人工智能技術(shù)與各個學(xué)科的交叉創(chuàng)新，緊緊圍繞學(xué)生發(fā)展的核心素養(yǎng)，最終目標(biāo)是創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。當(dāng)然，這個課程體系還在不斷完善、發(fā)展過程中，如課程評價、課程實施的整體環(huán)境保障等。

人工智能課程的開發(fā)與建設(shè)，最重要的支撐是教師。學(xué)校重視教師隊伍的建設(shè)，鼓勵教研組進(jìn)行相關(guān)課程的開發(fā)與建設(shè)，促進(jìn)教師團(tuán)隊跨學(xué)科合作、領(lǐng)域內(nèi)學(xué)科交叉，實現(xiàn)人工智能與學(xué)科的高度融合，站位時代前沿、學(xué)術(shù)前沿，為教師專業(yè)成長搭建廣闊的舞臺，創(chuàng)造寬松的環(huán)境?，F(xiàn)在信息技術(shù)教研組、數(shù)學(xué)教研組等共開設(shè)人工智能相關(guān)課程20余門（見表1）。

實踐與思考：人工智能教育的特點

人工智能課程能在人大附中得以迅速發(fā)展并很快取得成績，主要與下面幾個因素有關(guān)。

人工智能教育——鼓勵學(xué)生超越教師的學(xué)習(xí)

學(xué)習(xí)的主導(dǎo)者由教師到學(xué)生，變換的不僅是角色。學(xué)生朱星宇是人大附中人工智能社社長，是計算機視覺與深度學(xué)習(xí)研學(xué)和人工智能與數(shù)據(jù)挖掘校本選修謀程的助教，負(fù)責(zé)2門課程幾乎全部編程技術(shù)及部分理論知識的教學(xué)，不僅在全校開人工智能科普和入門講座，還給信息技術(shù)教師上課。

2016年9月，因為參加數(shù)學(xué)建模比賽的需要，朱星宇選擇了高級數(shù)學(xué)建模作為校本選修課程。在這門課上，他的“老師”是比他大一屆的學(xué)長孫逸瀟同學(xué)。之前，朱星宇只會一些簡單的C語言，基本沒有什么基礎(chǔ)，但是在學(xué)長的帶領(lǐng)下，他很快掌握了Python的基本功能與語法。2017年1月，他開始準(zhǔn)備“登峰杯”數(shù)據(jù)挖掘競賽。準(zhǔn)備期間，在教師的引導(dǎo)與自學(xué)下，他接觸到深度學(xué)習(xí)——一種較為流行的機器學(xué)習(xí)算法。不到1年的時間里，朱星宇和他的團(tuán)隊迅速成長，最終拿到了“登峰杯”全國總決賽一等獎。高三剛開始時，他欣然接受擔(dān)任課程助教的邀請，希望像帶他入門的學(xué)長一樣，帶領(lǐng)更多的學(xué)弟學(xué)妹感受計算機編程與人工智能之美。

青少年是信息時代的原住民，相對于教師來說，學(xué)生對信息技術(shù)的掌握有先天的優(yōu)勢和更加濃厚的興趣。興趣是最好的老師，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣是基礎(chǔ)，教師不失時機地引導(dǎo)、放手、助推，可以使他們在人工智能領(lǐng)域的研究更加深入，更加系統(tǒng)。在這種氛圍下，沒有人會比興趣驅(qū)動的孩子更努力，也沒有人能比這些孩子成長得更驚人。學(xué)生超越教師，是人工智能教育時代的特點。

讓學(xué)生站上巨人的肩膀

人大附中開設(shè)的人工智能相關(guān)課程有20門之多，每一門課程的建設(shè)除了依靠教師的專業(yè)背景外，更重要的因素是教師對教育的理解，以及對教育機會的把握，教師要在促進(jìn)學(xué)生成長的過程中不斷提高自己，教學(xué)相長。

高三學(xué)生李鴻宇一直對無人駕駛技術(shù)感興趣，他通過自學(xué)機器學(xué)習(xí)算法、自動駕駛開源代碼，開發(fā)了一款自動駕駛游戲，并對自動駕駛領(lǐng)域有進(jìn)一步學(xué)習(xí)的欲望，但對具體的學(xué)習(xí)方向、內(nèi)容、途徑等不甚了了。教師蘇曉靜及時聯(lián)系了中國科學(xué)院自動化研究所的趙冬斌教授，為李鴻宇搭建學(xué)習(xí)平臺。李鴻宇創(chuàng)造性地提出要研發(fā)無人機駕駛技術(shù)的科普平臺，將無人駕駛技術(shù)普及給中學(xué)生和廣大民眾。這個想法得到專家的贊賞和支持。在李鴻宇的帶動下，人大附中6名學(xué)生到自動化所進(jìn)行自動定位、路徑規(guī)劃與決策領(lǐng)域的學(xué)習(xí)，參與開發(fā)智能駕駛科普平臺。該智能駕駛科普平臺在北京科技周上一亮相就吸引了廣大市民和媒體的目光。