人工智能進入高中信息技術課堂的探索與實踐

熊雪亭

人工智能正在全球范圍內蓬勃興起。它已經(jīng)上升到國家戰(zhàn)略范疇，成為國際競爭的新領域、新焦點。為抓住這一難得的發(fā)展機遇，各國正在加緊部署，助推人工智能的發(fā)展。人工智能專家認為：未來10年到20年，越來越成熟的人工智能技術將大規(guī)模進入市場，未來社會需要大量的人工智能專業(yè)人才。普及人工智能教育，培養(yǎng)未來社會需要的人工智能人才，是全球各國面臨的急迫問題。

人工智能進課堂關鍵在于落實

普及人工智能教育的關鍵在于落實。而落實的主渠道在于學校，在于信息技術課堂。人工智能教育進入高中信息技術課程既是時代的需求，同時又得到了國家和教育部門的支持。2017年底教育部頒布的高中課程標準，更為人工智能進入高中信息技術課程提供了標準和依據(jù)。高中新課程標準是高中學科教學的總依據(jù)。新的課程標準已明確將人工智能內容納入課程中，課標中指出：通過學習，學生能夠了解人工智能的概念及發(fā)展歷程，能描述典型人工智能算法的實現(xiàn)過程，能夠親歷設計與實現(xiàn)簡單智能系統(tǒng)的基本過程和方法，增強學生利用智能技術服務人類發(fā)展的能力及責任感。

提起落實，北京市西城區(qū)實際上是有人工智能教育教學的“基因”的。早在10多年前，上一輪高中課程改革之時，高中信息技術學科就已經(jīng)設置《初識人工智能》選修模塊同時也配有教材，當時已經(jīng)有部分學校和教師開始嘗試將人工智能內容引入高中信息技術課程，人工智能元素就已經(jīng)逐漸滲透到高中信息技術教學之中。

而新一輪課程改革，人工智能內容要求更高，力度更大。當然，落實起來難度也大。面臨這一難題，作為教研員，我深入思考、積極行動，聯(lián)合社會多方力量，共同推進人工智能教育在高中信息技術課程中的開展。

借助校外力量，破解專業(yè)知識缺乏難題

落實過程中，首要的難題是缺乏具有人工智能專業(yè)知識與技能的教師。原有的信息技術教師雖然具有一定的計算機專業(yè)背景，但普遍沒有人工智能專業(yè)功底。作為教研員，我適時發(fā)揮自身優(yōu)勢，與高校和科研院所建立聯(lián)系，為教師們開展系列專題培訓，專題內容涵蓋人工智能的發(fā)展與應用、人工智能現(xiàn)狀和趨勢、解析人工智能、機器學習概述、智能感知與模式識別的概述等。這些專題講座，由淺入深、從整體出發(fā)再聚焦到局部，使信息技術教師對人工智能有了整體的認知，了解人工智能發(fā)展歷程，知曉人工智能研究的主要內容。這些專題講座極大地豐富了信息技術教師的人工智能專業(yè)理論知識。

我們還依托社會教育機構，爭取到智能平臺及相關設備支持，開展技術專題研修活動，如開展百度智慧課堂在教學中的應用、開源硬件的認識與使用——以樹莓派為例、基于樹莓派的人工智能簡單應用等活動。最近，我區(qū)信息技術特級教師張軍教師還組織本區(qū)幾十位教師利用業(yè)余時間完成了兩期“人工智能感知部分”專題培訓課程。這些豐富多彩的技術專題研修活動，理論結合動手實踐，迅速地讓教師們熟悉了技術應用場景和設備的使用，提升了教師的硬件常識及動手能力。這些活動的開展，大力提升了我區(qū)高中信息技術教師隊伍的人工智能綜合素養(yǎng)。

示范引領，以點帶面，讓人工智能內容落地

人工智能具體內容如何在高中信息技術課堂中落地生根，這是擺在我及眾多教師面前的又一大難題。考慮到區(qū)內各校差異較大，短時間內全部開設人工智能專業(yè)課程不太可能。我決定采取示范引領、以點帶面策略。選擇一兩所實力強、精力夠的學校先期進行教學改革試驗，然后再示范引領更多的學校加入。

1.研發(fā)課程方案，分層教學

北京師范大學附屬實驗中學的校領導非常重視和支持人工智能課程的建設和開展。信息技術教研團隊也積極響應，及時應對。但人工智能在課堂中如何落實、課程如何開設，具體內容是什么、以什么方式開，涉及的專業(yè)理論有哪些、進行到什么深度等一系列具體而實際的問題擺在眼前。下校調研時，我恰巧得知了他們的困惑，想方設法與其共同商討解決方案。針對教師們提出的人工智能方面的具體技術問題，特意請來相關技術人員為其現(xiàn)場演示并解決;針對教師們缺乏人工智能接口和平臺的現(xiàn)狀，想辦法開通某平臺賬號，平臺中的海量人工智能課程、人工智能程序編碼為之開放;針對教師們提出的硬件需求和技術問題，尋找社會力量為其推薦和演示相關的人工智能教學設備，解決相應的技術難題。經(jīng)過一段時間的深入探討、思想的火花隨之迸發(fā)，課程方案逐漸浮出水面。

目前，這所學校已開發(fā)出本校的高中信息技術分層走班課程體系。在人工智能方面，考慮到學生基礎差異較大，采取分層教學方式，開設注重技術應用的《人工智能初步》和注重算法實現(xiàn)的《現(xiàn)代人工智能》，課程覆蓋從零起點到編程高手的不同學生。《人工智能初步》課程，主要是針對基礎薄弱的學生，課程主要通過語音識別、圖像識別、機器學習、深度學習等一個個難易適當?shù)捻椖康耐瓿桑嬲o學生搭建起以學生為中心的學習環(huán)境，讓學生在解決問題的過程中，成為學習的主導者。而《現(xiàn)代人工智能》課程，更適合于有一定算法和編程基礎的學生，通過學生自主編寫棋類程序、車牌識別、物體跟蹤等程序，并在學習過程中不斷完善和優(yōu)化算法，深層次地掌握人工智能更高端的技術。

2.根據(jù)學情，把控人工智能原理挖掘的程度

前段時間，北京師范大學附屬實驗中學承接北京市高中信息技術觀摩活動，展示了六節(jié)各具特色的信息技術課。其中，“初識語音識別”是選自《人工智能初步》模塊的一節(jié)課。這節(jié)課，通過創(chuàng)設情境與師生互動來導入新課，利用動畫視頻的演示讓學生們帶著問題思考語音識別的過程。然后讓學生借助百度AI開放平臺，利用硬件搭建簡易智能系統(tǒng)，編寫Python程序，從而實現(xiàn)語音識別任務。結合硬件搭建簡易智能系統(tǒng)的實踐活動使得學生參與其中，促進了學生對語音識別技術背后原理的進一步理解。

前期與授課教師備課、磨課時，我們意識到，人工智能進入高中信息技術課程，教師們特別要注意的是掌握好火候——人工智能原理的挖掘與分析到達什么樣的深度，即原理介紹的程度。火候太小，高中生感覺沒有收獲;火候太猛，學生一臉茫然，猶如天書，會打擊他們學習的興趣。對于語音識別技術，如果僅僅安排技術體驗顯然對于高中生來說太過容易。高中學生需要透過現(xiàn)象思考其背后的原理，但這些原理如果完全地呈現(xiàn)給學生，又太難，涉及大學以上的數(shù)學、物理、算法等學科專業(yè)知識。這就需要設計課程的教師根據(jù)學情，把控難度，將難度控制到大部分學生跳一跳能接受的程度。

3.不同的學校采用不同的思路

不同的學校具體在落實時會有不同的思路和需求。作為教研員，我需要經(jīng)常下校，與教師們做深入地溝通，并根據(jù)教師們的需要，給予及時地指導和有針對性的幫助。

研修活動中，精彩的人工智能專題課程使得北京師范大學第二附屬中學的高中信息技術教師深深地迷上人工智能教學。有位教師認為人工智能教學需要實干，因為人工智能知識體系太深，如果不去趟趟路，就不能消化，也就找不到教學的邏輯起點。但開展人工智能課程，僅靠個人力量顯然不能達成目標。我及時幫助這位教師與人工智能專家建立聯(lián)系，通過定期與專家分析、研討、設計和嘗試，合作開發(fā)人工智能課程。人工智能專家適時的帶領和助推，能夠讓一線教師更快更好地落實課程的實施。

目前，此學校正在推動適配的課程合作建設，在最近一年多時間，這位教師以深度實踐探索方式，先后自主研發(fā)、合作研發(fā)并實踐了“遇見人工智能”“人工智能探秘”“人工智能——博弈論基礎”“高中計算機視覺基礎”“智能感知與生物特征識別（以虹膜為例）”“機器學習（以手寫數(shù)字識別為例）”“深度學習（以人臉識別為例）”等多層次、多角度的人工智能課程。多層次體現(xiàn)在課程中有適合全體學生的通識課和基礎課、有較專業(yè)地適合學生深入學習的拓展課、有適合基礎較好學生的拔尖課和高端研修課。多角度體現(xiàn)在有博弈論、視覺基礎、智能感知與生物特征識別、機器學習、深度學習等不同方向的人工智能課程。

目前，我區(qū)以上述兩所學校為代表的實驗校逐漸形成適合自己學校的人工智能課程體系。在這些學校的示范引領下，區(qū)內其他學校的教師們也正在不斷學習，不斷嘗試，努力前行。

我們鼓勵各校信息技術教師腳踏實地落實好人工智能的預備知識和基礎內容的前提下，結合學校和自身的優(yōu)勢，結合本校學生的特點，設計并研發(fā)落實方案，積極進行人工智能課程改革實驗，不斷嘗試、不斷調整和完善，逐漸形成各校的特色。相信未來的幾年，我區(qū)高中信息技術課程中人工智能教學方面會有更為豐碩的成果。

作者單位：北京市西城區(qū)教育研修學院