開展人工智能課程面臨的主要困難及對策建議

李強(qiáng) 張超

摘? ?要：在中學(xué)階段開展人工智能課程面臨很多困難，學(xué)生需要一定的基礎(chǔ)，而教師也需要明確自己的課程邏輯。為了更順利地實(shí)施人工智能課程，在初中階段需要打好基礎(chǔ)，尤其是編程的基礎(chǔ)，還可以通過多種實(shí)踐的方式滲透人工智能的一些基本思想;在高中階段的人工智能課程可以通過構(gòu)建問題體系的方式來組織教學(xué)，將學(xué)習(xí)的邊界限制在對人工智能系統(tǒng)本身的認(rèn)識上。

關(guān)鍵詞：人工智能;信息技術(shù);中學(xué)課程

中圖分類號：G622.3? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? 文章編號：1009-010X（2022）18-0021-04

嚴(yán)格意義上的人工智能課程并不可以從零開始。具體而言，人工智能課程需要學(xué)生具有一定的數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)概率以及編程等方面的知識、技能作為基礎(chǔ)。比如，在《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中， “人工智能初步”作為選擇性必修的模塊4，因?yàn)樾枰髷?shù)據(jù)、編程算法與統(tǒng)計(jì)分析作為基礎(chǔ)或者拓展，所以與必修模塊1“數(shù)據(jù)與計(jì)算”、選擇性必修模塊1“數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”以及選修模塊1“算法初步”等都有著密切的聯(lián)系，并且要求學(xué)生掌握諸如條件概率、線性回歸等數(shù)學(xué)知識。因此，就學(xué)生而言，當(dāng)前各普通高中在人工智能課程的實(shí)施過程中遇到的主要困難，就是學(xué)生的相關(guān)知識、技能的基礎(chǔ)不足。

同時(shí)，在高中新課標(biāo)中，“人工智能初步”模塊所包括的絕大多數(shù)內(nèi)容還都不足以用于解決人工智能中涉及的實(shí)際問題，在教學(xué)中不易形成真實(shí)而有意義的實(shí)踐。因此，在高中階段的人工智能課程中，教師不易建立起一般課程那樣以解決問題為導(dǎo)向的知識結(jié)構(gòu)和授課體系。很多教師在授課過程中，對于如何形成整體的授課邏輯存在很大的困擾。對此，文章分別從初中和高中兩個(gè)階段談一談對策和建議。

一、初中階段要打好基礎(chǔ)

（一）初、高中信息技術(shù)課程是一個(gè)整體

因?yàn)槿斯ぶ悄苷n程需要較高的起點(diǎn)，所以我們可以將其與高中信息技術(shù)課程中的其他內(nèi)容以及與初中信息技術(shù)課程，甚至與小學(xué)信息技術(shù)課程，進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃、銜接整合。

在整個(gè)中小學(xué)階段，人工智能課程都應(yīng)該作為信息技術(shù)課程的一個(gè)組成部分進(jìn)行整體考慮。人工智能課程所需要的編程基礎(chǔ)以及形式化思考的能力，可以通過基礎(chǔ)的信息技術(shù)課程來加以培養(yǎng)。

（二）一定水平的編程教育是人工智能課程不可缺少的基礎(chǔ)

人工智能作為計(jì)算機(jī)科學(xué)的細(xì)分領(lǐng)域，任何人要進(jìn)入這個(gè)領(lǐng)域，都需要在算法掌握以及算法的思維方式上滿足一定的要求。熟悉算法的表達(dá)形式，能理解算法，對于人工智能學(xué)習(xí)，即使是入門級的學(xué)習(xí)也是不可缺少的基礎(chǔ)。因此，對于人工智能課程而言，學(xué)生擁有編程的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐經(jīng)歷非常重要。

算法描述有自己的特點(diǎn)，比如步驟分離（細(xì)分）、機(jī)械執(zhí)行（自動(dòng)化）和路徑確定（無歧義）等。因?yàn)樗惴ň哂羞@些與日常思維不太相同的特點(diǎn)，對于學(xué)生而言，學(xué)習(xí)算法需要有一個(gè)逐步接受、建立和發(fā)展的過程。因?yàn)樗惴ㄋ季S方式的養(yǎng)成不可能一蹴而就，這需要一個(gè)系統(tǒng)性的、持續(xù)性的課程體系教育。

目前，越來越多的義務(wù)教育階段信息技術(shù)教科書中添加了圖形化編程的內(nèi)容。在義務(wù)教育階段，學(xué)生首先需要熟悉的是算法思考的形式和特點(diǎn)，然后才是具備建立初步算法的能力，最終形成一定的算法思維水平。這會為學(xué)生將來步入高中階段學(xué)習(xí)人工智能奠定較好的編程基礎(chǔ)。

（三）從編程到人工智能課程要合理規(guī)劃

在編程課程開展的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加開源硬件內(nèi)容以及人工智能應(yīng)用的體驗(yàn)和開發(fā)，從而最終在義務(wù)教育階段形成一個(gè)完整的信息技術(shù)課程內(nèi)容體系，這將成為人工智能課程中一個(gè)良好的信息技術(shù)方面的基礎(chǔ)。

如圖1所示，是對中學(xué)信息技術(shù)課程與人工智能課程關(guān)系的簡單分析。之所以將開源硬件和人工智能應(yīng)用體驗(yàn)作為一般編程課程的拓展性內(nèi)容放在了編程課程的內(nèi)容里，是因?yàn)榕c人工智能領(lǐng)域相比，其更接近一般編程的范疇。

（四）在其他場景中應(yīng)用人工智能比較基本的思想方法

人工智能是個(gè)后發(fā)領(lǐng)域，所以其中一些基礎(chǔ)性概念或者策略是從其他領(lǐng)域中移植過來的?；诖?，這些比較基本的思想方法可以在其原本的應(yīng)用場景中直接進(jìn)行學(xué)習(xí)和理解。

初中階段學(xué)生初步具備了函數(shù)和統(tǒng)計(jì)概率的基礎(chǔ)之后，教師通過創(chuàng)設(shè)一種需要統(tǒng)計(jì)的場景，就可以讓學(xué)生接觸了解人工智能課程中類似擬合、K均值、K近鄰等原本在統(tǒng)計(jì)領(lǐng)域就很常用的方法。

人工智能課程中常用鳶尾花數(shù)據(jù)集作為示例來學(xué)習(xí)一些原理和算法。唐山市第三十五中學(xué)從鳶尾花數(shù)據(jù)集得到啟發(fā)，設(shè)計(jì)了以下的實(shí)踐探究活動(dòng)，以便深入了解和區(qū)分藍(lán)花鼠尾草和薰衣草。

1.在學(xué)校的勞動(dòng)基地里，騰出兩塊空地，組織學(xué)生分別種植藍(lán)花鼠尾草和薰衣草。

2.學(xué)生制定計(jì)劃，從發(fā)芽開始每天測量各株植物的高度，葉子的寬度、長度，開花后花朵的長度、寬度等，形成一個(gè)類似鳶尾花數(shù)據(jù)集那樣的藍(lán)花鼠尾草和薰衣草數(shù)據(jù)集。

3.學(xué)生利用EXCEL將數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)形成散點(diǎn)分布圖。其中類似植物高度變化的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行回歸;類似同一時(shí)期葉子尺寸這樣的數(shù)據(jù)則可以直觀看到散點(diǎn)聚類的情況，從而形成對兩種植物的特征理解。

4.學(xué)生充分觀察理解散點(diǎn)分布情況的基礎(chǔ)上，可以利用編程知識嘗試設(shè)計(jì)制作專門針對這兩種植物的分類小程序和當(dāng)前生長情況的評價(jià)小程序。

5.學(xué)生還可以利用這兩種植物制成手工作品，比如利用結(jié)出的種子做成香囊，利用植物的葉子做成粘貼畫，最后與勞動(dòng)、測量、統(tǒng)計(jì)、程序設(shè)計(jì)等實(shí)踐成果一起舉辦展示活動(dòng)。

學(xué)習(xí)具有階段性，初中信息技術(shù)課程面臨的主要任務(wù)之一就是為高中階段信息技術(shù)課程的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。具體就是在現(xiàn)有的課程框架內(nèi)提高編程教育的質(zhì)量，并逐步將開源硬件和人工智能的應(yīng)用加入到編程中來，同時(shí)在綜合實(shí)踐活動(dòng)等課程的實(shí)施過程中接觸和應(yīng)用一些人工智能領(lǐng)域的基本思想和方法。

二、高中階段主要是以人工智能系統(tǒng)為核心建立認(rèn)識

在高中信息技術(shù)教科書《人工智能初步》（人教地圖版）中，給出了若干個(gè)人工智能的定義：第一，“用機(jī)器（主要指計(jì)算機(jī)）模擬類似人類的某些智能活動(dòng)和功能?！钡诙?，“數(shù)字計(jì)算機(jī)或數(shù)字計(jì)算機(jī)控制的機(jī)器人在執(zhí)行智能生物體才有的一些任務(wù)上的能力?！钡谌?，“人工智能是利用數(shù)字計(jì)算機(jī)或者數(shù)字計(jì)算機(jī)控制的模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能，感知環(huán)境、獲取知識并使用知識獲得最佳結(jié)果的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)。”

這些定義從各自的角度對人工智能進(jìn)行了一定的解釋，但都直接或者間接地表明，人工智能的研究對象是以人工智能系統(tǒng)為核心，即人工智能領(lǐng)域是圍繞建立、改善和應(yīng)用人工智能系統(tǒng)而展開的。因此，高中階段的人工智能課程也應(yīng)以人工智能系統(tǒng)為核心組織教學(xué)內(nèi)容，這其中主要包括系統(tǒng)模型、實(shí)現(xiàn)策略、核心算法和系統(tǒng)應(yīng)用等。而教師可以引導(dǎo)學(xué)生從總體設(shè)計(jì)的角度對人工智能系統(tǒng)進(jìn)行分析和認(rèn)識，并具體考慮人工智能系統(tǒng)的一些重要組成以及可能用到的思想原理。

（一）從總體設(shè)計(jì)的角度對人工智能系統(tǒng)建立認(rèn)識

如果把人工智能系統(tǒng)看作是一個(gè)用以實(shí)現(xiàn)特定目的的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，那么前述的定義對于理解、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)這個(gè)系統(tǒng)的幫助就不是很直接。結(jié)合《統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)方法》（李航）以及《Python深度學(xué)習(xí)》（佛朗索瓦·肖萊），從人工智能系統(tǒng)原型的角度可以得到這樣一個(gè)大致的定義：

人工智能系統(tǒng)是指這樣一類計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它們以算法的形式，通過一些可行的方法和約束條件，以期建立起一個(gè)關(guān)系模型，從而將輸入數(shù)據(jù)和預(yù)期結(jié)果對應(yīng)起來。

如圖2所示，是根據(jù)《統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)方法》中對監(jiān)督學(xué)習(xí)模型的描述修改后得到的人工智能系統(tǒng)和人工智能應(yīng)用系統(tǒng)的模型，體現(xiàn)了人工智能系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想。教師通過上面這個(gè)人工智能系統(tǒng)的模型，基本可以使學(xué)生理解人工智能系統(tǒng)與一般計(jì)算機(jī)程序的區(qū)別。從人工智能的角度講，就是要找到人工智能系統(tǒng)這一類計(jì)算機(jī)程序的特征，從而讓學(xué)生對人工智能系統(tǒng)有一個(gè)總的認(rèn)識和思考。

在這里，人工智能系統(tǒng)與人工智能應(yīng)用系統(tǒng)作了區(qū)分。人工智能系統(tǒng)就好像一座生產(chǎn)汽車的工廠，可以生產(chǎn)汽車，而人工智能應(yīng)用系統(tǒng)就像已經(jīng)生成出來的汽車，可以利用其做一些事情，比如將汽車作為上下班的交通工具。不能說某人會駕駛汽車甚至?xí)蘩砥?，就說他理解了汽車制造?！度斯ぶ悄艹醪健返膬?nèi)容就好像是汽車制造初步，即使是初步，也比學(xué)開汽車對汽車的認(rèn)識全面和深入得多。

（二）從已有的經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，構(gòu)建問題體系，分析人工智能系統(tǒng)

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展歷史告訴人們，不僅問題的答案是知識，問題本身也代表著知識。當(dāng)人們對涉及整體的一個(gè)具體因素產(chǎn)生疑問的時(shí)候，就已經(jīng)開始意識到這個(gè)具體因素對整體的意義了。如果學(xué)生基于經(jīng)驗(yàn)或者在腦海中對汽車的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行思想實(shí)驗(yàn)，就很有可能會提出疑問，運(yùn)動(dòng)的汽車如何才能及時(shí)停下來，而產(chǎn)生這個(gè)疑問也就是學(xué)生意識到了汽車需要這樣的一個(gè)剎車的機(jī)制;即使到最后學(xué)生也不知道剎車機(jī)制到底是怎么實(shí)現(xiàn)的，但他們對汽車制造也有了更多的認(rèn)識。

通過類似的方式去認(rèn)識人工智能系統(tǒng)，就將對人工智能系統(tǒng)的學(xué)習(xí)限制在了對系統(tǒng)本身的認(rèn)識上，這種認(rèn)識是基于經(jīng)驗(yàn)或者合理的分析，而不是深入每一個(gè)組成部分的實(shí)現(xiàn)原理。

當(dāng)然，這需要聯(lián)系學(xué)生已有的解決其他問題的經(jīng)驗(yàn)，具備對問題進(jìn)行分解、化歸、遷移等這些基本的能力，以及在頭腦中進(jìn)行思維實(shí)驗(yàn)的能力。因而，前期信息技術(shù)課程中各種素養(yǎng)的培養(yǎng)，尤其是對計(jì)算思維的培養(yǎng)，在這里就會顯得至關(guān)重要。這個(gè)過程中還是會涉及一些原理性的知識，比如貝葉斯公式、回歸等;還包括一些比較具體的實(shí)例，比如決策樹的實(shí)現(xiàn)原理，深度學(xué)習(xí)的基本原理等;甚至包括一些非常具體的算法，比如啟發(fā)式搜索、比如線性回歸。但是涉及這些知識的目的不是為了實(shí)實(shí)在在地去解決具體問題，而是為了指明解決問題的方向，或者是幫助理解人工智能的初心。

如圖3所示，是結(jié)合《人工智能初步》第二單元以及《統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)方法》的一些內(nèi)容粗略構(gòu)建的問題體系。因?yàn)楸救嗽谌斯ぶ悄茴I(lǐng)域?qū)W識有限，如果有錯(cuò)漏之處還請諒解。

總結(jié)起來，高中人工智能課程的總體思路就是在不深入人工智能這個(gè)大海的前提下，能以問題的形式對人工智能系統(tǒng)的一些方面有所了解。就讓可愛的學(xué)生們懷著對人工智能的好奇與憧憬進(jìn)入大學(xué)，在那里繼續(xù)學(xué)習(xí)和實(shí)踐人工智能課程。

參考文獻(xiàn)：

[1]余燕芳，李? ?藝.基于計(jì)算思維的項(xiàng)目式教學(xué)課程構(gòu)建與應(yīng)用研究———以高中信息技術(shù)課程《人工智能初步》為例[J].遠(yuǎn)程教育雜志，2020，（01）：95～103.

[2]李? ?鋒，高淑印.信息技術(shù)（普通高中教科書 選擇性必修四 2019年6月第1版）[M].北京：人民教育出版社 中國地圖出版社，2020.

[3]李? ?航.統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)方法（2019年5月第2版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2021.

[4]（美）佛朗索瓦·肖萊.Python深度學(xué)習(xí)[M].北京：人民郵電出版社，2021.