人工智能教學(xué)創(chuàng)新案例介紹

馮潔卿

(廣東省廣州市南沙第一中學(xué) 廣東廣州 511457)

一、人工智能教育要求

2017年7月，國務(wù)院印發(fā)了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，對未來到2030年，我國人工智能發(fā)展的總體思路、戰(zhàn)略目標(biāo)和主要任務(wù)、保障措施等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的規(guī)劃和部署，為推動我國人工智能的長期發(fā)展指明了方向。文件要求“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”[1]，表明中小學(xué)人工智能科普教育的開展成為國家人工智能重大策略的重要組成部分。

二、《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動課程指導(dǎo)綱要》與高中課程標(biāo)準(zhǔn)的要求

2017年9月25日，教育部印發(fā)《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動課程指導(dǎo)綱要》，強(qiáng)化了課程育人導(dǎo)向，明確提出了價(jià)值體認(rèn)、責(zé)任擔(dān)當(dāng)、問題解決、創(chuàng)意物化四個方面的課程目標(biāo)[2]。并對信息技術(shù)活動建議中針對7-9年級確定了代碼編程活動：“了解程序設(shè)計(jì)的基本過程和方法；熟悉程序設(shè)計(jì)語言的用法，掌握常量、變量、函數(shù)等基本概念，理解程序的三種基本結(jié)構(gòu)，知道人與計(jì)算機(jī)解決問題方法的異同，嘗試編寫、調(diào)試程序。激發(fā)編程的興趣，培養(yǎng)邏輯思維能力，進(jìn)一步理解計(jì)算思維的內(nèi)涵，提高數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新素養(yǎng)，增強(qiáng)信息意識和信息社會責(zé)任。”

2013年，教育部啟動了普通高中課程修訂工作，并于2018年1月正式頒布《普通高中課程方案和語文等學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》。其中《高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》中提出，高中信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)包括：信息意識、計(jì)算思維、信息社會責(zé)任、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新等四個核心內(nèi)容。信息意識是指：個體對信息的敏感度和對信息價(jià)值的判斷力。計(jì)算思維是指：個體運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的思想方法，在形成問題解決方案的過程中所產(chǎn)生的一系列思維活動。數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新是指：個體通過評估和選擇常見的數(shù)字化資源與工具，有效管理學(xué)習(xí)過程與學(xué)習(xí)資源而完成學(xué)習(xí)任務(wù)的能力。信息社會責(zé)任是指：在信息社會中，個體在文化修養(yǎng)、道德規(guī)范和行為自律等方面的綜合表現(xiàn)[3]。四個核心要素相互支持，相互滲透，共同促進(jìn)學(xué)生信息素養(yǎng)的提升。

按照《普通高中課程方案（2017年版）》設(shè)置的課程結(jié)構(gòu)，高中信息技術(shù)課程由必修、選擇性必修和選修三類課程組成。在高中信息技術(shù)必修和選修模塊中，均有安排人工智能的學(xué)習(xí)內(nèi)容。其中，“必修模塊1：數(shù)據(jù)與計(jì)算”中要求：通過人工智能典型案例的剖析，了解智能信息處理的巨大進(jìn)步和應(yīng)用潛力，認(rèn)識人工智能在信息社會中的重要作用。“選擇性必修模塊4：人工智能初步”要求：學(xué)生應(yīng)該了解人工智能的發(fā)展歷程和概念，能描述典型人工智能算法的實(shí)現(xiàn)過程，通過搭建簡單的人工智能應(yīng)用模塊，親歷設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)簡單智能系統(tǒng)的基本過程與方法，增強(qiáng)利用智能技術(shù)服務(wù)人類發(fā)展的責(zé)任感[3]。

粵教版必修1《數(shù)據(jù)與計(jì)算》中第六章“人工智能及其應(yīng)用”作為人工智能的第一課，教材以“剖析空調(diào)企業(yè)智能客服機(jī)器人”，利用教科書配套學(xué)習(xí)資源包提供的虛擬仿真系統(tǒng)，體驗(yàn)?zāi)晨照{(diào)生產(chǎn)企業(yè)的智能客服機(jī)器人所提供的服務(wù)，以領(lǐng)域知識智能問答機(jī)器人代替人們在搜索引擎上一個一個地查看網(wǎng)頁，直接給出準(zhǔn)確的回答內(nèi)容[4]。教材上要求使用Python語言編程實(shí)現(xiàn)Jaccard相似度系數(shù)算法，以及使用訓(xùn)練模型程序進(jìn)行知識庫模塊的構(gòu)建。整章教材的安排上，展示活動非常專業(yè)，學(xué)生的可參與度低。項(xiàng)目以python為知識背景，需要學(xué)生有一定的python基礎(chǔ)，否則無法進(jìn)行學(xué)習(xí)。

三、人工智能案例介紹

許多教師在講授人工智能第一課時，常以體驗(yàn)各種人工智能軟件為主，學(xué)生的認(rèn)知水平主要停留在認(rèn)識某個軟件或程序的使用，只單純地覺得新奇好玩。本課的教學(xué)安排不同于以往的經(jīng)驗(yàn)，教師通過設(shè)計(jì)活動，讓學(xué)生參與編程活動了解到體感游戲的核心技術(shù)，從而揭開人工智能的神秘面紗。學(xué)生對體感游戲并不陌生，攝像頭也是普遍的硬件，在許多家庭電腦中也常常配備，因此，本教學(xué)案例容易實(shí)現(xiàn)。

本案例先讓學(xué)生列舉他所知道的人工智能的例子，由此歸納人工智能的概念和研究領(lǐng)域。接著，由人工智能的幾次人機(jī)大戰(zhàn)指出人工智能的發(fā)展歷程。在這里跟學(xué)生介紹人工智能概念的提出背景，以及什么是圖靈測試。接下來，介紹生活中常常使用的人工智能技術(shù)。主要有百度導(dǎo)航、形色植物識別、全能掃描王文字識別、同聲翻譯超級版的語言翻譯、小愛同學(xué)智能播報(bào)，最后使用微軟小冰對學(xué)校校門照片寫詩的效果跟同學(xué)們提前完成的詩歌做對比。通過這些展示活動，學(xué)生對生活中的人工智能技術(shù)有了非常深刻的體驗(yàn)。

接下來，介紹使用圖形化編程軟件并配合電腦的攝像頭就可以制作一款簡單的體感互動游戲。

最后，引導(dǎo)學(xué)生思考，對于人工智能，我們需要思考的內(nèi)容以及人工智能的使用規(guī)范。人工智能安全與倫理方向的內(nèi)容，搶答人工智能的價(jià)值與風(fēng)險(xiǎn)，介紹維護(hù)安全的方法及相關(guān)法律法規(guī)。

本課中展示了手機(jī)上的相關(guān)智能軟件，如“百度地圖”導(dǎo)航、QQ、“小冰”聊天等。所以，在教學(xué)過程中，教師可使用同屏器把手機(jī)屏幕實(shí)時傳輸?shù)酵队捌魃希寣W(xué)生真實(shí)地參與展示活動，學(xué)生會有極大的興趣。使用圖形化編程軟件和攝像頭能制作一款簡單的體感游戲，讓學(xué)生知道人工智能技術(shù)并不是高不可攀的，讓學(xué)生知道人工智能技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法，由此縮短學(xué)生與人工智能技術(shù)間的距離。

四、人工智能課程模式設(shè)想

我們的社會正處在人工智能快速發(fā)展的時代，學(xué)校開展人工智能課程，能讓學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能的理念、知識和方法，可為以后的生活、就業(yè)和能力做好準(zhǔn)備。學(xué)習(xí)人工智能，我認(rèn)為可以分為AI體驗(yàn)與感知、AI技術(shù)與應(yīng)用、AI創(chuàng)客與創(chuàng)新三個階段。

在初級階段“AI體驗(yàn)與感知”，以計(jì)算思維培養(yǎng)為重點(diǎn)，以感知和體驗(yàn)人工智能為輔。教師可以讓學(xué)生體驗(yàn)各種智能APP和調(diào)用各大平臺API，如百度AI開放平臺、騰訊AI開放平臺、科大訊飛體驗(yàn)中心等，學(xué)生可以在線體驗(yàn)動植物識別、人臉識別、文字識別、語音識別等常見的人工智能應(yīng)用。

在中級階段“AI互動與應(yīng)用”，以高級計(jì)算思維培養(yǎng)為重點(diǎn)，以初步理解人工智能實(shí)現(xiàn)知識體系為輔助。教師可以使用基于圖形化開發(fā)的編程平臺，如Mind+、Kittenblock、慧編程、Mixly等圖形化編程軟件，讓學(xué)生學(xué)習(xí)語言識別、語言合成、文字翻譯、AI圖像識別，配合攝像頭就可以開展人臉識別、人臉對比、常用物體識別、手勢識別、人體關(guān)鍵點(diǎn)識別等活動。另外，還可以加入如micro:bit、光環(huán)板、掌控板、arduino、樹莓派等硬件，開展更多功能豐富的人工智能項(xiàng)目。

在高級階段“AI創(chuàng)造與創(chuàng)新”，以項(xiàng)目式人工智能技術(shù)為重點(diǎn)，培養(yǎng)創(chuàng)造與革新能力。這階段主要進(jìn)行基于python編程的數(shù)據(jù)處理、各種擴(kuò)展包的應(yīng)用、學(xué)習(xí)TensorFlow等技術(shù)，完成語音識別與合成、計(jì)算機(jī)視覺、人機(jī)交互、傳感與控制等技術(shù)。

五、結(jié)束語

人工智能課程旨在讓學(xué)生掌握人工智能的基本知識，使學(xué)生具備人工智能時代所必備的知識和素養(yǎng)，課程的設(shè)計(jì)應(yīng)與生活應(yīng)用相結(jié)合，使學(xué)生能夠運(yùn)用人工智能知識解決生活與學(xué)習(xí)中的實(shí)際問題。