基于算法教學(xué)的中職數(shù)學(xué)課如何滲透人工智能教育

◎鄧學(xué)明 （東莞市電子科技學(xué)校，廣東 東莞 523710）

一、研究背景

1．人工智能教育的重要性

時代的快速發(fā)展、經(jīng)濟的迅猛提升、科技的不斷進步造就了當(dāng)下的互聯(lián)網(wǎng)＋時代，其中，不得不提的就是人工智能與大數(shù)據(jù)，這兩者的相互影響正逐步滲透到各行各業(yè)當(dāng)中．可預(yù)知，未來世界格局如何發(fā)展和變化必然與人工智能息息相關(guān)．基于此，我國在2017 年7 月就提出了全民人工智能教育，在《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（國發(fā)2017［35 號］）》中提出在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程［1］．這表明，人工智能教育早已經(jīng)在國家層面提出了明確的規(guī)劃和要求，在中小學(xué)階段滲透人工智能教育為人工智能人才的培養(yǎng)做好鋪墊，人工智能的相關(guān)人才直接關(guān)系到國家的未來發(fā)展．因此，我們必須承認的是實施人工智能教育已經(jīng)成為教育當(dāng)中的一個趨勢．

2．中職數(shù)學(xué)課開展算法教學(xué)的第二課堂的可行性

隨著大數(shù)據(jù)時代的發(fā)展，中職學(xué)生從素質(zhì)到特點都發(fā)生了變化．他們對于時下的各種人工智能產(chǎn)品非常感興趣，比如機器人、智能手機、無人機、無人駕駛等諸多智能產(chǎn)物．以我校為例，無人機專業(yè)的學(xué)生對無人機非常感興趣；電子商務(wù)專業(yè)的學(xué)生在互聯(lián)網(wǎng)＋的背景下進行電子商務(wù)創(chuàng)業(yè)，很有想法；計算機專業(yè)的學(xué)生對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面有很好的興趣和認識；體育運動專業(yè)的學(xué)生在健美操、足球、籃球方面取得非常突出的成績；藝術(shù)專業(yè)的同學(xué)在3D 動畫設(shè)計方面很有特色．所有這些實際上都和大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)和智能化不可脫節(jié)．隨著我校三二分段的專業(yè)設(shè)置，每年都吸引著一批比較優(yōu)秀的學(xué)生入讀，在這批學(xué)生中有相當(dāng)一部分學(xué)生數(shù)學(xué)成績非常好，數(shù)學(xué)思維也很活躍，他們對于數(shù)學(xué)非常感興趣．因此，在中職數(shù)學(xué)課中，結(jié)合我校特色，我校開展算法教學(xué)的第二課堂，吸引對于人工智能、計算機編程及數(shù)學(xué)思維有興趣的同學(xué)參與，以此探索人工智能教育在中職學(xué)校如何開展是可行的．

二、研究步驟

筆者以我校為例，開設(shè)第二課堂的算法教學(xué)，探析中職學(xué)校如何借助數(shù)學(xué)課開展人工智能教育．

1．介紹算法的含義與實例

中職學(xué)生對于算法的概念多數(shù)停留在如何進行加減乘除乘方等運算層面，因此在開展算法教學(xué)的第二課堂，有必要向中職學(xué)生介紹算法的概念．

為了讓同學(xué)們對算法概念有一個初步正確的理解，教師可以讓同學(xué)們從狹義和廣義兩個層面進行認識．廣義上的算法范圍廣泛，比如同學(xué)們練習(xí)廣播操的分解步驟是一個算法，機器的使用說明書是一個算法，具體到數(shù)學(xué)上來，求解方程的根是一個算法，求兩個數(shù)的最大公因數(shù)也是一個算法．狹義的算法概念的表述更為嚴格，不同的學(xué)者對于算法的概念理解略有不同，但是本質(zhì)上基本類似，亦即算法是為解決某一問題的程序或者步驟，必須具有以下幾個特點：確定性、有窮性、可行性、有序性和通用性［2］．算法的表達形式通常有三種，分別為自然語言、程序框圖以及代碼或者程序［3］．

2．介紹人工智能與算法的關(guān)系

人工智能的本質(zhì)究竟是什么，學(xué)習(xí)算法又是為了什么，回答了這兩個問題，對于中職生來說很有必要，不僅可以讓他們明確人工智能是什么，也可以提升他們學(xué)習(xí)算法、了解人工智能的興趣．為此，在算法教學(xué)的第二課堂，教師有必要向?qū)W生回答上述兩個問題．

人工智能得以實現(xiàn)，必須借助的工具就是計算機；而計算機之所以能夠以其強大的運算功能來解決問題，離開不了的是算法及其指導(dǎo)下的操作程序．可以說，人工智能的發(fā)展本質(zhì)上離開不了算法的發(fā)展．因此在培養(yǎng)學(xué)生人工智能素養(yǎng)時，必須重視算法教學(xué)的開展，為學(xué)生理解人工智能乃至未來從事人工智能相關(guān)行業(yè)的工作打下一個良好的基礎(chǔ)．

3．中職學(xué)校如何開設(shè)模塊化的算法教學(xué)

根據(jù)中職學(xué)生的數(shù)學(xué)思維水平及其學(xué)習(xí)特點，筆者認為在開展算法教學(xué)這一第二課堂時，對于算法教學(xué)的內(nèi)容必須遵循從具體到抽象，從簡單到復(fù)雜，必須符合中職學(xué)生的認知水平，從而實現(xiàn)中職學(xué)校的人工智能教育的普及和發(fā)展．為此，筆者認為可以把算法教學(xué)進行模塊化，然后以模塊的形式進行教學(xué)，并進一步闡述如何實現(xiàn)人工智能在算法教學(xué)中的滲透．

教學(xué)模塊一：實際生活的算法實例教學(xué)．這一模塊的主要目的就是讓學(xué)生直觀認識算法，并進行算法自然語言的訓(xùn)練，達到初步學(xué)習(xí)算法的目的．例如，家里燒開水的步驟可以敘述為：

第一步：用燒水壺裝好水；

第二步：把裝好水的燒水壺放好并插電；

第三步：燒水壺跳閘后取水．

通過這樣的訓(xùn)練，讓學(xué)生掌握把一個問題的解決方法進行拆分，寫出若干個可以操作的簡單步驟，達到通過生活實例去感知算法的初步目的．在這樣的教學(xué)中，學(xué)生容易體會算法的基本特點．

教學(xué)模塊二：智力游戲的比拼教學(xué)．這一模塊的教學(xué)目的是拓展學(xué)生的思維領(lǐng)域，激發(fā)學(xué)生的潛在天賦．例如：有一個獵人帶著一條獵狗、一只兔子和一筐蔬菜來到大河邊，而河邊只有一艘很小的船，獵人每次只能帶狗、兔子和蔬菜中的一個過河，為了保證兔子不被狗吃掉，菜不被兔子吃掉，那么獵人應(yīng)該如何過河？ 回答這一問題，可采用如下的算法步驟：

第一步：獵人把兔子運到河對岸；

第二步：獵人獨自返回；

第三步：獵人把狗運到河對岸；

第四步：獵人放下狗，把兔子帶回；

第五步：獵人放下兔子，把菜運送到河對岸；

第六步：獵人放下菜，獨自返回；

第七步：獵人帶著兔子過河．

這樣的智力游戲，讓學(xué)生主動思考，積極參與到如何解決問題中來，可以很大程度上調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，為算法教學(xué)進一步打下堅實的基礎(chǔ)．

教學(xué)模塊三：簡易的純數(shù)學(xué)算法實例教學(xué)．這一模塊的教學(xué)目的是讓學(xué)生通過解決數(shù)學(xué)問題，能夠?qū)λ惴ㄔ跀?shù)學(xué)中的體現(xiàn)有更為深刻的認識．例如，寫出求解方程2x-1 ＝0的算法步驟，它可以表述如下：

第一步：兩邊同時加1 化簡方程為2x＝1；

第二步：兩邊同時除以系數(shù)2；

第三步：算出方程的解x 的值．

如常見的判斷一元二次方程ax2＋bx＋c ＝0（a≠0）是否有根的算法用自然語言可表述如下：

第一步：輸入系數(shù)a，b，c；

第二步：計算Δ＝b2-4ac 的值；

第三步：判斷Δ 與0 的關(guān)系，如果Δ≥0，則輸出“方程有實數(shù)根”，如果Δ＜0，則輸出“方程無實數(shù)根”．

通過將解決數(shù)學(xué)問題的方法細化為多個步驟，讓學(xué)生體會算法的可操作性、順序性、有效性，提升算法教學(xué)的專業(yè)化程度．

教學(xué)模塊四：我國古代數(shù)學(xué)問題中的算法教學(xué)．在這一模塊，由教師展示我國古代數(shù)學(xué)著作中的經(jīng)典問題，例如《九章算術(shù)》中記載的“今有人共買雞，人出九，盈十一；人出六，不足十六，問人數(shù)和雞價幾何？”《孫子算經(jīng)》中的“韓信點兵”問題等．然后教師幫助學(xué)生理解這些數(shù)學(xué)問題，并轉(zhuǎn)化成現(xiàn)代語言，引導(dǎo)學(xué)生進行思考，如何求解．通過對這些著名問題的求解訓(xùn)練，一方面弘揚我國的數(shù)學(xué)文化，一方面也讓同學(xué)們提升興趣，怎么用現(xiàn)在所學(xué)去解決古代的數(shù)學(xué)問題．可以為算法教學(xué)起到良好的潤滑作用．

教學(xué)模塊五：算法初步即程序框圖的教學(xué)．通過把自然算法語言轉(zhuǎn)化成程序框圖的學(xué)習(xí)，使得人工智能教育得到進一步升華．如前面提出的判斷一元二次方程ax2＋bx＋c ＝0（a≠0）是否有根的算法用程序框圖可表示如下：

通過程序框圖的教學(xué)，為數(shù)學(xué)算法轉(zhuǎn)化為計算機程序語言打下基礎(chǔ)，也是人工智能得以實現(xiàn)的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此筆者認為本模塊的教學(xué)相當(dāng)重要．在這一模塊的教學(xué)中，讓學(xué)生學(xué)會制作程序框圖，內(nèi)容較為困難，因此需要進行深層次的挖掘和研究，以便更加適合中職學(xué)生學(xué)習(xí)．

教學(xué)模塊六：計算機語言的程序設(shè)計教學(xué)．這一模塊的教學(xué)目的是讓學(xué)生學(xué)會把數(shù)學(xué)算法轉(zhuǎn)化成計算機程序，實現(xiàn)人工智能的轉(zhuǎn)化．如前面提出的判斷一元二次方程ax2＋bx＋c＝0（a≠0）是否有根的算法用計算機語言可表示如下：

計算機語言（basic 語言）：

INPUT“a，b，c；”Δ＝b2-4ac

IFΔ≥0 THEN

PRINT“有實根”

ELSE PRINT“無實根”

END IF

END

這一模塊的教學(xué)對于中職數(shù)學(xué)教師提出了較高的要求，它首先要求教師對于計算機語言掌握得很好，然后對于算法和計算機語言之間的相互轉(zhuǎn)化要了然于胸，唯有如此才能在教學(xué)中深入淺出讓學(xué)生明白如何書寫計算機程序語言．筆者認為，這一模塊的教學(xué)可以嘗試用數(shù)學(xué)教師和計算機教師結(jié)合的雙師合作教學(xué)，這樣的新型合作教方式，可以揚長避短，一方面，克服數(shù)學(xué)教師在計算機語言中存在的困難，另一方面，讓學(xué)生體會數(shù)學(xué)和計算機結(jié)合的人工智能的實現(xiàn)方式，從而提高教學(xué)效果．

五、結(jié) 論

筆者通過對學(xué)生的問卷調(diào)查和我校計算機以及數(shù)學(xué)教師的訪談，提出通過以上六個模塊的算法教學(xué)，開展我?；谒惴K教學(xué)的第二課堂，達到培養(yǎng)中職學(xué)生人工智能素養(yǎng)的目的．對于各個模塊的內(nèi)容設(shè)置多數(shù)同學(xué)表示非常感興趣，多數(shù)教師也認為可以實現(xiàn)．不同于普通高中開展算法教學(xué)的目的更多是應(yīng)付高考，中職學(xué)校完全可以按照學(xué)生興趣加大課時，充分利用三年時間中的第二課堂，逐步推進人工智能教育的開展．因此，筆者認為利用這種方式進行人工智能教育的滲透，在中職學(xué)校是可行的，也期待相關(guān)課題得到進一步完善和研究．