基于體驗與實踐的人工智能教育

譚珊珊

自2017年國務院發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》以來，人工智能教育成為教育的熱點，《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》也明確將人工智能教育列入其中。下面，筆者以《中小學人工智能教育系列（人工智能高中版）》中的《文字識別：小區(qū)車牌識別》一課為例，在實踐中體驗學習，利用數字化學習環(huán)境，探索在高中學段的人工智能教學。

● 在體驗學習中突出實踐性符合當下教與學的需求

體驗學習是一種依靠學習共同體，讓小組成員間合作交流、探究思考，通過在設計的各種活動中實踐，實現培養(yǎng)各項知識和能力的一種學習方式。從高中信息技術教材來看，它對人工智能教學內容的難度和深度要求不高，教師可在教學中選取貼近學生日常生活經驗的實例，引導學生在實踐中體驗學習，進而感受、理解并掌握人工智能的相關原理。因此，體驗與實踐的教學形式適合當下的教育改革。

● 數字化學習環(huán)境是體驗實踐的保障條件

從杜威提出的“做中學”，到新一輪課程改革中提到的“知行合一”，無不注重實踐在教育中的重要性，同樣，任何教學方式的應用都需要有一定的教學環(huán)境來保障。人工智能教育主要表現在機器模擬人類聽、說、讀、寫等智慧能力的技術體現，教師需要準備攝像頭、麥克風、傳感器等執(zhí)行器，還要為學生提供收集數據、搭建模型、訓練模型等實踐性體驗的學習條件，所以，數字化學習環(huán)境在人工智能體驗教育中是輔助學生理解相關知識、掌握相關原理，促進學生主動建構知識的保障條件。

● 在實踐體驗的探究中發(fā)展學科素養(yǎng)能力

在實踐體驗中持續(xù)探究的教學組織模式可設計以下模塊：一是通過數字化學習平臺的體驗探究，熟悉并掌握常見的人工智能工具，使用合適的工具解決實際問題，掌握人工智能基礎知識與技能，發(fā)展人工智能意識;二是通過圖像化編程實踐，將復雜的問題分解為簡單的問題，將其化簡為可計算的模型自動執(zhí)行的操作，提高計算思維能力，并能夠將解決問題的方法遷移到其他問題的解決中;三是在搭建智能機器人和分享總結中提升人工智能應用與創(chuàng)新能力，認識人工智能倫理，樹立人工智能社會責任意識。通過這種教學組織的模式能夠讓學生感悟人工智能技術與人、自然、社會的關系，把握數據、算法、系統和社會的關系，分辨人工智能技術的“善與惡”，形成技術安全和責任意識，提升技術倫理和道德意識。

● 學情分析

如今的高中生，在學科基礎上，通過義務教育階段的信息技術課程學習形成了一定的信息技術基礎;在現實生活方面，感受過如指紋識別、人臉識別、語音識別等人工智能技術的應用，對人工智能技術有很大的學習興趣;在學習能力上，具有一定的獨立思考問、合作探究的能力。不過，他們在人工智能相關具體基礎知識、原理、方法、核心算法與應用方面沒有任何基礎，所以，通過體驗實踐的方式來了解人工智能相關的內容體系符合當前的學情需要。

● 學習內容分析

《中小學人工智能教育系列（人工智能高中版）》中的《文字識別：小區(qū)車牌識別》一課，要求掌握文字識別的工作原理，了解文字識別技術面臨的技術難題，辨析人工智能的倫理，從而解決人工智能場景問題的思維活動，并能廣泛遷移到信息社會的各個場景中，以此將知識建構、技能培養(yǎng)與思維發(fā)展融入運用數字化工具解決問題和完成任務的過程中，形成在信息社會中運用人工智能思維理解、分析、做事的關鍵能力，形成持續(xù)做正確的事的必備品格，形成一貫正確做事的價值觀念。

● 教學理念和方法

本節(jié)課主要使用在實踐中體驗的教學方法。通過“新知引入→頭腦風暴→體驗探究→應用分享→知識延伸”這一主線開展教學活動。在以學習者為中心的實踐與反思中，習得知識與技能，培養(yǎng)學生科學思維、辯證分析、協作學習、交流表達等多項能力素養(yǎng)。設計中將人工智能素養(yǎng)中的意識、思維、方法、創(chuàng)新應用、人工智能倫理融入教學過程，從人工智能技能、方法的培養(yǎng)，到意識、能力的培養(yǎng)，再到素養(yǎng)培育的實現，讓學生形成人工智能科學的思想方法。

● 教學過程

1.創(chuàng)設情境、頭腦風暴發(fā)現問題

教師創(chuàng)設實踐中體驗的教學情境，以車牌識別技術為主線，提出車牌識別技術現在廣泛應用的場景有哪些、車牌識別技術存在哪些風險等問題進行討論，時間在5分鐘左右。學生小組頭腦風暴，交流車牌識別在生活中的具體應用，并發(fā)現其中的問題。

將教學還原到具體的真實生活情境中，讓學生在討論中碰撞出對智能交通、智能安防、人工智能倫理簡單的思考。在這個過程中培養(yǎng)學生交流、辯證分析問題的能力素養(yǎng)，實現人工智能“意識、倫理”的素養(yǎng)培育。

2.體驗與探究

教師借助數字化學習平臺，通過“黑箱”封裝的學習模塊，讓學生體驗車牌識別的過程。學生小組討論，深入分析車牌識別的原理?；顒訒r長為15分鐘。

數字化學習環(huán)境構建是8人一個小組，提供兩臺平板和兩臺智能機器人，學生先通過平板中的車牌識別的模塊體驗過程，理解圖像識別和圖像分割的原理，再借助圖像化編程和智能機器人，總結并分享文字識別的工作原理，如圖1所示。

學生通過車牌識別技術與原理的操作，體驗車牌識別的應用場景，在探究推進的過程中利用“黑箱”封裝的學習模塊，理解和剖析文字識別原理;小組在體驗過程中，逐步梳理出結論和觀點，并利用智能機器人的語音功能完成知識“分享”，增加了人工智能教育本身智能的體現，也讓分享和交流更具有趣味性。此過程中的“黑箱”封裝學習模塊，讓技術工具成為學生自主化學習的表現工具，為學生提供了更加深刻理解、更多運用知識、更多動手創(chuàng)作的機會，使其成為自主學習的主人，為體驗實踐增值加分。整個體驗實踐過程，培養(yǎng)了學生小組協作、知識梳理、交流表達等關鍵能力，實現了人工智能“思維、方法”的素養(yǎng)培育，也突破教學中了解文字識別技術面臨的技術難點和辨析人工智能的倫理的重點。

3.實踐操作與應用分享

教師設計制作車牌識別機器人，體現實踐性?；顒訒r長為15分鐘。每組學生兩套設備，一套利用圖像化編程制作車牌識別機器人，另一套運用語音模塊梳理小組的觀點，并用智能機器人進行分享。

通過使用圖形化編程的方式制作車牌識別機器人的實踐，能加深對文字識別技術原理的理解，并在設計實踐的過程中，發(fā)現文字識別技術面臨的技術難題。這種基于場景應用的圖形化編程設計，能培養(yǎng)學生的計算思維能力，而且利用機器人“分享”和梳理學習觀點的方式，有利于學生建構學科知識，培養(yǎng)邏輯思維能力。此環(huán)節(jié)實現了人工智能“創(chuàng)新、應用”的素養(yǎng)培育，也有效突破了文字識別工作原理這一難點。

4.知識延伸與評價總結

教師拓展文字識別的其他應用場景，總結原理、應用、倫理，對小組活動進行點評?；顒訒r長為5分鐘。學生完成小組評價表（如圖2）。

● 教學反思

在數字化學習環(huán)境中，學生以小組合作的方式，通過自主、探究、實踐、體驗的學習過程掌握相應的知識技能，生成學科核心素養(yǎng)。教師在整個教學過程中講解時間不超過5分鐘，主要起到引導和啟發(fā)的作用，把課堂還給學生，突出了學生在體驗實踐中的主體性。

創(chuàng)新之處：①教學方法中突出探究活動中體驗式學習的實踐。以學習者為中心，利用數字化學習平臺中的車牌識別模塊，小組合作探究出文字識別的工作原理，從意識、思維維度培養(yǎng)了人工智能素養(yǎng)。②教學過程中突出編程操作對體驗式學習的應用。小組合作利用模塊化編程方式制作的車牌識別機器人，讓學生解決人工智能場景設計問題，從思維、創(chuàng)新應用維度培養(yǎng)了人工智能素養(yǎng)。③教學活動中關注分享、評價對體驗式學習的反思。在探究和編程環(huán)節(jié)設計了兩次分享與評價，學生利用機器人助理，實現學習中知識、技能、態(tài)度等反思性的梳理，解決了高中生不愛表達的問題，培養(yǎng)了人工智能科學的思想方法。

不足之處：在以小組為單位的評價方式中忽視了個體的認定，可考慮增加開放式問題，讓評價更加多元。另外，因數字化學習平臺中未提供評價模塊，現階段采用的是紙質評價方式，但存在不方便量化的問題，這需要改變。

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本文系中央電化教育館課題項目“基于核心素養(yǎng)培育的高中校本資源開發(fā)與應用”[編號：教電（2021）01-024號]的研究成果。