《身邊的人工智能》教學設計

鈕洪斌

● 學科核心素養

主動關注信息技術發展中的新動向和新趨勢，有意識地使用新技術處理信息。（信息意識）

總結利用計算機解決問題的過程與方法，并遷移到與之相關的其他問題解決中。（計算思維）

● 學習內容分析

近年來，人工智能技術已經廣泛應用于各行各業，并將在社會生活中發揮越來越重要的作用。人工智能實際上是一種讓機器模仿人類智能行為的技術，目前來說，人工智能主要模仿了人類的三種能力：模仿人類對周圍環境的感知，包括視覺、聽覺等，如人臉識別、語音控制;模仿人類動作，包括人類手、腳等的動作，如語音合成、自動駕駛;模仿理性思考，包括推理、決策和規劃等，如下棋。xDing是一款基于Scratch2.0開發的圖形化編程軟件，集成了百度云AI模塊，通過簡單的圖形化編程，就可以設計與制作出簡單的人工智能作品。當前，實現人工智能的主流方法是機器學習，機器學習就是通過學習大量的數據，使計算機能模仿人類的智能行為。

● 學習者分析

本課學習者是小學五年級的學生，這個年齡段的學生好奇心強，易接受新鮮事物，喜歡交流和分享，在觀察、分析、思考能力上都有非常好的表現。這個階段的學生，也已經具備了一定的計算機操作技能，能夠較熟練地操作一些常見的應用軟件，能夠比較熟練地使用Scratch設計出一些相對復雜的腳本，這些為xDing的使用提供了良好的基礎。學生可能聽說過人工智能，也有學生見過甚至使用過人工智能產品，但對于什么樣的技術可以稱為人工智能卻無從回答，也不知道其中的實現原理。

● 學習目標

（1）體驗人工智能產品，認識什么是人工智能。

（2）使用xDing搭建能夠識圖認物的人工智能作品。

（3）剖析人工智能作品，了解人工智能的基本實現原理。

（4）借助視頻和交流，體驗人工智能的典型應用。

● 教學過程

1.人機識物，認識人工智能

師：同學們，今天我們教室里多了許多植物。

活動1：人與APP共認植物。

（1）說一說：這些植物的名字叫什么。

（2）做一做：使用“形色”APP來識別植物。

平板實際上就是一臺小型計算機，但“形色”等APP使它具有了本來人類才有的識圖認物的能力，這種讓機器模仿人類智能行為的技術就稱為人工智能。我們現在常說的AI（Artificial Intelligence），就是指人工智能。今天，我們就一起來走進身邊的人工智能。

設計意圖：人工智能離小學生的生活并不遙遠，但是想讓小學生理解到底什么是人工智能還是比較困難的。為此，本環節先由學生自己識物，再通過“形色”APP拍照識物，讓學生體驗、感受這種人工智能產品的功能，從而明白人工智能就是一種讓機器模仿人類智能行為的技術。

2.動手操作，嘗試人工智能

師：這個APP很神奇吧。接下來，我們也來做一個人工智能作品。

活動2：使用xDing設計識圖認物作品。

（1）打開“樣例.sb2”，執行腳本，觀察結果。

（2）打開“識別”控件中的下拉列表看一看，除了視頻，還可以通過什么方式獲取信息？除了能識別植物，還可以識別什么內容？

（3）獲得識別內容后，腳本是如何執行的？

（4）修改腳本，設計一個自己的人工智能作品（如表1）。

小結：通過攝像頭或者照片獲取需要識別的內容，腳本對獲取的內容進行識別分析，識別的結果通過廣播反饋給角色，由角色輸出識別的結果，模仿了人類通過視覺感知客觀世界的能力。

設計意圖：xDing是基于Scratch2.0開發的圖形化編程軟件，集成了百度云AI模塊，可以實現人工智能產品的便捷開發。借助xDing軟件，學生能夠快速地把想法變為現實。為了降低學生從零開始進行程序設計的難度，采用“使用—修改—創作”這種教學思路，首先提供給學生一個完整的樣例作品，在使用的過程中了解軟件AI模塊的功能與使用方法，再通過修改樣例腳本實現自己的想法，學生在做的過程中思考做什么以及如何分步驟地做，體會利用人工智能技術解決實際問題的基本過程。

3.剖析作品，理解人工智能

師：借助xDing，我們實現了識圖認物的人工智能作品。那么，計算機是如何做到模仿人類識物的智能行為的呢？

活動3：探究人工智能的基本實現原理。

（1）觀看微視頻，思考：機器是如何獲得認知能力的？在貓狗識別應用中，機器學習的內容是什么？

小結：機器可以像人類一樣通過學習來獲得能力。機器通過不斷地看圖進行學習，從而提高自己的識圖能力。圖片是一種數據表現形式，所以，從本質上來說，機器學習是一種向數據學習的方法。

（2）使用百度的EasyDL定制貓狗識別的圖像分類模型，校驗學習不同數量圖片的貓狗識別智能模型，比較它們的識別能力（如表2）。

小結：訓練的數據量越大，圖像的識別率越高。

設計意圖：學生帶著問題觀看視頻，通過視頻的動態演繹，將抽象、不易理解的知識生動、形象地展示給學生，幫助學生理解機器學習是人工智能的核心，是使機器具有智能的重要途徑，從而建立起對機器學習的初步認識。借助百度的EasyDL定制化圖像識別模型，學生通過校驗不同數據量的模型，可以發現訓練的數據量越大，圖像的識別率越高，進而認識到機器通過學習大量的數據，建立基于數據分析的模型，通過這個模型，機器可以對新問題做出預判，也就是說，機器具有了與人類類似的智能。

4.暢談交流，感受人工智能應用

師：人工智能應用已經深入到我們學習、生活的方方面面，為我們帶來了便利。

活動4：暢談人工智能應用。

（1）自主觀看微視頻，說一說：視頻中人工智能技術主要模仿了人類哪方面的能力？（如上頁表3）

小結：人工智能實際上就是讓計算機模仿人類的三種能力：第一是模仿感知，是對周圍環境的感知，包括視覺、聽覺等，如人臉識別、語音控制;第二是模仿動作，包括人類手、腳等的動作，如語音合成、自動駕駛;第三是模仿理性思考，包括推理、決策和規劃等，如下棋。

（2）你能從人工智能模仿的人的能力出發，說一說你身邊的人工智能應用嗎？

設計意圖：不管是科幻片中的智能機器人，還是生活中的智能產品，雖然形狀千奇百怪，有些甚至是計算機程序，但它們都有一個共同的特點，就是模仿人的某種智能行為——能看、能聽、能說話、能行動、會思考，5個微視頻給出了在生活中實際應用的例子，引導學生在思考的基礎上，學會從以上5個維度來學習和體驗人工智能的用途，激發學生認識更多的人工智能應用。

5.思維導圖（如下圖），建構人工智能

師：今天這節課，我們初步感知了身邊的人工智能，人工智能技術就是讓機器模仿人類智能行為的技術。當前，實現人工智能的主流方法是機器學習，通過大量的數據學習，使機器能看、能聽、會說話、模仿動作、會思考。

設計意圖：思維導圖，簡單地說就是一種運用集中與發散的思維，對學習的知識點進行集中歸納與應用的有效工具。思維導圖可以清晰形象地呈現出各部分知識間的脈絡關系，有助于學生從整體上把握知識，完成知識的建構。

● 教學反思

從1956年首次提出“人工智能”這一概念以來，人工智能已深入到我們的日常生活的方方面面，但是，當向學生提問“什么是人工智能”“你知道哪些應用屬于人工智能”等問題時，他們都回答不上來，而當我向他們舉了一些身邊的例子如蘋果的siri、百度音箱等之后，他們又一個接一個地搶著回答，課堂氣氛立馬活躍起來了。為什么會出現這樣的情況呢？這是因為，學生天生排斥生澀的文字，即使文字并不長，能夠記住這些信息，但并沒有理解其內涵。因此，把“形色”APP與人類識圖認物的能力進行類比，運用通俗易懂、形象生動的語言能夠幫助學生初步構建起人工智能的概念。

這種概括性的描述，只能幫助學生大體上了解人工智能。實際上，人工智能實現的基礎是數據，必須經過大數據的學習才能讓機器模仿人類的某些能力。在探究人工智能的基本實現原理過程中，通過兩個問題激發學生的思考：①機器是如何獲得認知能力的？機器又是如何進行學習的？②在貓狗識別應用中，機器學習的內容是什么？兩個問題如果是直接提問，即使閱讀了教材中的材料，學生也說不清楚為什么。這是因為，對于抽象的概念，單純講授無法激發學生的學習興趣，通過觀看形象生動的視頻，就有了不一樣的效果。但是，開始我提供的是一個近4分鐘的視頻，學生在觀看視頻之后的回答效果非常不好，可以說絕大多數學生都無法準確地找到問題的答案。為了提高學生的注意力，我把視頻分割成兩個較短的視頻，每個視頻只有1分鐘，并且依次呈現，同時在第二個小問題中注意強調問題的范圍，這對學生來說就相對容易多了。因此，在使用微視頻輔助教學時，必須對視頻進行適當的裁剪，以保證內容集中、不分散，引導思考的問題指向也要明確，這樣才能更好地突破教學中的難點。

點 ?評

人工智能作為引領未來的戰略性新興技術，正在深刻影響著社會的方方面面，也將深刻改變我們的生產生活方式。為應對人工智能發展給教育帶來的機遇和挑戰，近年來，一些主要發達國家（或教育組織）開始在中小學推進人工智能教育。2018年4月，教育部印發了《教育信息化2.0行動計劃》，也明確提出要完善課程方案和課程標準，充實適應信息時代、智能時代發展需要的人工智能和編程課程內容。

在小學階段開展人工智能教育，應在尊重學生認知發展規律的基礎上，科學地設計課程內容，仔細選擇可操作的學習路徑。本課作為小學階段人工智能的起始課，主要任務是幫助學生對人工智能形成一個總括性的認識。具體來說，要解決什么是人工智能、人工智能可以做什么，怎么實現人工智能，機器何以能夠智能三個方面的問題。

關于什么是人工智能，有著許多不同的表述，“通過機器模仿人類的智能行為的技術”是一種被廣泛接受的說法。傳統的概念教學更多的是采用“講授—復述”的方法進行，由于缺少必要的體驗，學生只是停留在概念文本的識記上，并沒有形成有意義的知識組織。本課首先設計了“人與APP共認植物”的活動，抓住“形色”APP能夠識別植物這一功能，讓學生感受人工智能可以讓機器“看”，發現機器被賦予了人類才有的識圖認物的能力，揭示出人工智能的概念。在此基礎上，活動4結合學生的認知能力和經驗，通過微視頻列舉了人工智能模仿人類智能行為的典型應用，人臉識別讓機器會看，語音識別讓機器會聽，AI主播讓機器會說，自動駕駛讓機器會動，阿爾法狗讓機器會思考，從看、聽、說、動、思5個維度深入地進行拓展加工，進一步建立小學生對人工智能的認識和感悟。

知識的學習還必須與技術實踐結合起來，運用于社會實際問題的解決，從而形成良好的認知結構。活動2引導學生借助xDing這個簡單的圖形化編程工具，設計識圖認物人工智能作品，首先通過使用樣例作品，思考做什么、如何分步驟做，再通過修改樣例腳本實現自己的想法。學生在親身參考創作活動的過程中，感受人工智能技術的無窮魅力，進而思考如何利用人工智能解決問題。

雖然人工智能技術已經廣泛應用于各個行業，但由于學生對當前人工智能發展的真實水平知之甚少，加之受科幻電影的影響，以及一些知名科學家的警告，一些學生難免會對人工智能產生恐懼心理。這就要求我們的教學不能止步于“是什么”“做什么”“怎么做”，更要引導學生積極思考“為什么”。實際上，人工智能技術幾經沉浮，當前的人工智能技術大多數是通過機器學習來實現的，它所依據的數學基礎是概率統計與優化理論。本課使用百度EasyDL定制貓狗識別的圖像分類模型，引導學生通過校驗不同數據量的貓狗智能模型，比較它們的識別能力，可以發現訓練的數據量越大，圖像的識別率越高，進而對機器何以智能這一核心問題形成一個正確的理解——人工智能并不神秘，它主要依靠數據賦能，從本質上來說，就是一種以數據為中心或數據驅動的問題求解方式。有了這些認識，學生就能夠更為客觀地認識人工智能及其與人和社會的關系。

本文系江蘇省教育科學“十二五”規劃2015年度課題“基于活動理論的信息技術教學設計研究”（項目編號：D/2015/02/405）研究成果。