高中人工智能課程設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)踐研究*

◆武小龍

0 引言

云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、“互聯(lián)網(wǎng)+”等技術(shù)的飛速發(fā)展，使得人工智能教育越來越成為國內(nèi)外關(guān)注的焦點(diǎn)問題，人工智能技術(shù)在全球范圍內(nèi)快速興起，正在深刻影響著社會(huì)的方方面面。教育部在多個(gè)文件中提出要實(shí)施人工智能教育，例如：2003 年頒布的《普通高中技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》中提出要在技術(shù)學(xué)科中開設(shè)“人工智能初步”模塊；2018年頒布的《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中進(jìn)一步細(xì)化了人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、3D建模、開源硬件、數(shù)據(jù)與算法等內(nèi)容；2018年發(fā)布的《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》中提出要完善課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)，使中小學(xué)人工智能和編程課程內(nèi)容能充分適應(yīng)信息時(shí)代、智能時(shí)代發(fā)展需要[1]。高中作為基礎(chǔ)教育與高等教育銜接的重要階段，如何更好地推進(jìn)我國高中階段人工智能課程的開展與普及，是一個(gè)值得思考和研究的問題。

1 相關(guān)概念介紹

1.1 人工智能

1956年召開的達(dá)特茅斯會(huì)議正式提出人工智能（AI）概念之后，歷經(jīng)三次發(fā)展浪潮，人工智能已成為第四次工業(yè)革命的關(guān)鍵推動(dòng)因素，成為各個(gè)國家發(fā)展的新戰(zhàn)略和新方向，很多發(fā)達(dá)國家制定或頒布了相關(guān)的人工智能發(fā)展規(guī)劃。人工智能實(shí)際上就是機(jī)器模擬人類認(rèn)知能力的技術(shù)，或者使機(jī)器具有類似于人的智能的一門技術(shù)，因此，人工智能涉及很多跨學(xué)科的知識(shí)。2017 年7月，國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，明確指出應(yīng)實(shí)施全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育，建設(shè)人工智能學(xué)科[2]。這也是我國首次從國家層面對人工智能的發(fā)展進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)與要求。

1.2 人工智能校本課程

國外對人工智能課程的開發(fā)相對較早，早在1999年，英國就把人工智能以校本選修課的形式列在中學(xué)的ICT課程中；美國各州根據(jù)實(shí)際情況或各自的教育目標(biāo)，對人工智能課程及其教學(xué)也提出不同的要求[3]；日本也開設(shè)了人工智能相關(guān)課程，并規(guī)定人工智能的部分教學(xué)內(nèi)容在高中第三學(xué)期為12級(jí)的學(xué)生開設(shè)，教學(xué)時(shí)間為10周。

我國人工智能產(chǎn)業(yè)經(jīng)過十幾年的發(fā)展，在機(jī)器人、信息技術(shù)、大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域取得卓越成果，已經(jīng)形成良好的人工智能氛圍。在中小學(xué)人工智能課程中，目前市面上的教材有湯曉鷗和陳玉坤主編的《人工智能基礎(chǔ)（高中版）》，并在全國40多所高中進(jìn)行人工智能課程的講授，配套了商湯科技的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。2018年7月，科大訊飛公司攜手西北師范大學(xué)、北京師范大學(xué)出版社共同發(fā)布全球首本初中版人工智能教材，對人工智能在中小學(xué)的實(shí)施與課程規(guī)劃進(jìn)行前期探索。但是受教育資源不均衡的影響，每個(gè)學(xué)校要開齊開全這些課程都存在一定的困難，最主要的障礙是沒有一個(gè)明確的課程標(biāo)準(zhǔn)。因此，利用網(wǎng)絡(luò)資源，借鑒現(xiàn)有的課程資源，各學(xué)校開發(fā)出一套符合校情的人工智能課程勢在必行。

2 面向高中的人工智能校本課程的設(shè)計(jì)

2.1 課程目標(biāo)

根據(jù)多元智能理論和差異教育思想，高中人工智能課程開設(shè)的目的是提升學(xué)生智能素養(yǎng)和高階能力，幫助學(xué)生建立起對人工智能理解和應(yīng)用的能力，了解人工智能的發(fā)展歷程及在教育、醫(yī)療、軍事等方面的應(yīng)用，通過Python語言的簡單講解，幫助學(xué)生快速了解實(shí)現(xiàn)人工智能的編程語言。如讓學(xué)生了解人工智能是如何識(shí)別圖片的，通過后面內(nèi)容的講解，讓學(xué)生了解一些基礎(chǔ)的算法，學(xué)會(huì)如何聽聲辨別，如何對視頻進(jìn)行行為分析，借助樂高、Arduino等開源硬件完成簡單人工智能產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和開發(fā)，充分利用豐富的開源框架和網(wǎng)絡(luò)資源，搭建面向?qū)嶋H生活的應(yīng)用場景解決方案，引導(dǎo)學(xué)生積極探究、大膽實(shí)踐，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。

2.2 課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

基于此，設(shè)計(jì)并開發(fā)人工智能校本課程內(nèi)容框架（圖1），在內(nèi)容安排上分為六章：首先介紹人工智能的演變歷史、人工智能發(fā)展的浪潮和應(yīng)用、數(shù)學(xué)危機(jī)、圖靈機(jī)、算法的初步概念等內(nèi)容，展示現(xiàn)實(shí)生活中人工智能的應(yīng)用案例；第二章介紹Python編程基礎(chǔ)，讓學(xué)生初步了解可以實(shí)現(xiàn)人工智能算法的語言工具，快速入門；第三章以常見的三種的鳶尾花的分類為例，講解機(jī)器學(xué)習(xí)的基本知識(shí)和一些常見的算法；第四章通過仿生學(xué)原理，描述卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)的概念與基本特征，通過剖析具體案例和項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，闡述智能技術(shù)應(yīng)用的基本過程和實(shí)現(xiàn)原理；第五章介紹視頻行為的一般識(shí)別模式；第六章是課程的實(shí)踐，結(jié)合Python，指導(dǎo)學(xué)生做一些關(guān)于圖像識(shí)別、線性回歸、k-均值聚類的具體開發(fā)實(shí)踐項(xiàng)目，供學(xué)生學(xué)習(xí)和設(shè)計(jì)。

圖1 人工智能校本課程內(nèi)容框架圖

因?yàn)槿斯ぶ悄艿暮芏嘀R(shí)已超出高中甚至本科的范圍，所以在講授過程中要注重定性，如果內(nèi)容過于簡單，學(xué)生會(huì)不感興趣；如果內(nèi)容過于復(fù)雜，學(xué)生會(huì)喪失興趣。因此，教師要善于設(shè)計(jì)情境化、活動(dòng)化、任務(wù)化的學(xué)習(xí)活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生建立數(shù)據(jù)的可視圖，確立學(xué)生學(xué)習(xí)主體地位，讓學(xué)生直觀、深入地對一些概念性、步驟性的東西進(jìn)行理解，以增強(qiáng)學(xué)習(xí)過程的體驗(yàn)性、實(shí)踐性和整體性。同時(shí)，通過課堂“重原理、調(diào)代碼、改參數(shù)”的實(shí)踐方式，讓學(xué)生能看懂代碼、了解算法原理和思想。

2.3 評(píng)價(jià)策略的設(shè)計(jì)

智能時(shí)代，高中生已具備初步的計(jì)算思維和信息化理論基礎(chǔ)，具有一定的問題解決和實(shí)踐創(chuàng)新能力。在評(píng)價(jià)策略上，要突出課堂學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成度，依據(jù)學(xué)生的變化和本課教學(xué)的特色，從教學(xué)觀念系統(tǒng)和操作系統(tǒng)兩方面進(jìn)行反思。學(xué)生可以小組為單位，提交課堂總結(jié)反思，對所學(xué)知識(shí)進(jìn)行理解和探究，通過自評(píng)、互評(píng)等多種形式的評(píng)價(jià)加深對所學(xué)內(nèi)容的理解。

3 人工智能課程KNN算法教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

環(huán)節(jié)一：課堂引入（5分鐘）

【教師活動(dòng)】簡單回顧機(jī)器學(xué)習(xí)概念，通過具體案例讓學(xué)生思考如何解決問題，簡要介紹分類的原理，引出“物以類聚”的思想。

【學(xué)生活動(dòng)】回顧上節(jié)課學(xué)習(xí)內(nèi)容，分組思考并回答上一節(jié)課程學(xué)習(xí)過的回歸算法的原理。

環(huán)節(jié)二：探究學(xué)習(xí)（20分鐘）

【教師活動(dòng)】

1）通過對鳶尾花及鳶尾花數(shù)據(jù)集的案例引出K 近鄰算法，讓學(xué)生帶著問題探究并討論K 近鄰算法的關(guān)鍵是什么，K 的取值對結(jié)果有什么影響。

2）演示demo算法演示網(wǎng)站。

3）讓學(xué)生探究sklearn庫中的KNN 算法代碼。

【學(xué)生活動(dòng)】

1）體驗(yàn)算法演示。

2）思考后回答教師提出的問題。

環(huán)節(jié)三：作業(yè)與拓展學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)（10分鐘）

【教師活動(dòng)】

1）分析總結(jié)KNN 算法的優(yōu)缺點(diǎn)。

2）通過學(xué)習(xí)群觀察學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

【學(xué)生活動(dòng)】通過互評(píng)分享自己的成果。

環(huán)節(jié)四：實(shí)踐與素養(yǎng)提升訓(xùn)練（5分鐘）

【教師活動(dòng)】

1）給出訓(xùn)練實(shí)際數(shù)據(jù)集，讓學(xué)生判斷在二維情況下的KNN 算法應(yīng)用。

2）提出問題：N 維空間，距離如何計(jì)算？

3）要求學(xué)生以小組為單位，提交課堂總結(jié)反思。

【學(xué)生活動(dòng)】對所學(xué)知識(shí)進(jìn)行理解和探究，可以加深對課程的理解，同時(shí)以小組為單位進(jìn)行交流。

4 人工智能校本課程教學(xué)策略

4.1 任務(wù)驅(qū)動(dòng)，自主探究

目前大多數(shù)學(xué)校的人工智能課程開展主要以機(jī)器人競賽和編程教育的形式存在，前者多停留在簡單的實(shí)體安裝和操作層次，后者大多是以參加信息學(xué)競賽為目的而接受系列的算法學(xué)習(xí)，更多的是強(qiáng)調(diào)編程技能。因此，在實(shí)際教學(xué)中，高中人工智能校本課程可以分為理論和實(shí)踐操作兩部分，其中理論教學(xué)主要采取課堂教授的形式，實(shí)踐教學(xué)則在相應(yīng)實(shí)驗(yàn)室完成。人工智能校本課程的內(nèi)容可以采用任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法進(jìn)行教學(xué)，通過分組講解與討論、自主探究，通過課堂“重原理、調(diào)代碼、改參數(shù)”的實(shí)踐方式，讓學(xué)生能看懂代碼、了解思想。

4.2 注重實(shí)踐，了解算法原理

人工智能學(xué)科其實(shí)就是概率論、統(tǒng)計(jì)學(xué)等各種數(shù)學(xué)理論的綜合體現(xiàn)，學(xué)生在高中數(shù)學(xué)的學(xué)習(xí)中要掌握概率、統(tǒng)計(jì)、算法的一些基礎(chǔ)知識(shí)，這就可以與人工智能相互促進(jìn)。對于編程語言來說，以Python 來學(xué)習(xí)人工智能具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。Python作為一種面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語言，配置容易、簡單易學(xué)、語法簡潔，可以多平臺(tái)運(yùn)行，有豐富的第三方庫。Python 非常適合高中生用作人工智能入門編程語言，比如利用turtle庫就可以繪制出二次函數(shù)圖像、求解物理和數(shù)學(xué)習(xí)題，也能用于金融、大數(shù)據(jù)分析等領(lǐng)域。

4.3 以賽促教，鼓勵(lì)學(xué)生參加各種競賽

2019年2月，教育部公示一份面向全國中小學(xué)生的競賽活動(dòng)名單，其中“全國青少年創(chuàng)意編程與智能設(shè)計(jì)大賽”“中國青少年機(jī)器人競賽”“全國青少年人工智能創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽”“全國青少年電子信息智能創(chuàng)新大賽”等活動(dòng)，都涉及人工智能與科技創(chuàng)新活動(dòng)，是以賽促教的良好平臺(tái)，應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生積極參加。

5 結(jié)束語

作為人工智能校本課程的一種探索和嘗試，開設(shè)人工智能課程對于培養(yǎng)學(xué)生高階思維和智能素養(yǎng)的作用與意義重大，學(xué)生已經(jīng)可以運(yùn)用所學(xué)來解釋計(jì)算機(jī)如何識(shí)別貓與狗，實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)。在西部地區(qū)普通高中階段探索開設(shè)人工智能校本課程，雖然面臨一系列困難，但是作為關(guān)系到國家未來發(fā)展的一項(xiàng)基礎(chǔ)科學(xué)，普及人工智能知識(shí)是每個(gè)學(xué)校應(yīng)該進(jìn)行的一項(xiàng)探索。要綜合考慮學(xué)校的硬軟件基礎(chǔ)、學(xué)生能力水平、師資力量等各個(gè)影響因素，進(jìn)行合理規(guī)劃和設(shè)計(jì)，因地制宜地設(shè)計(jì)符合本地或本校的課程內(nèi)容和教學(xué)資源庫。該模式在教學(xué)實(shí)踐中還存在不足之處，需要在后續(xù)研究中深入探索。