基于STEM理念的高中人工智能課程構(gòu)建的實踐與研究

張磊

摘要：如何構(gòu)建和完善中學(xué)人工智能課程體系，是人工智能浪潮給予基礎(chǔ)教育的新課題。深圳市高級中學(xué)依托和深圳騰訊公司共建的AI創(chuàng)新實驗室，將STEM理念與課程開發(fā)相融合，構(gòu)建了由通識課、選修課、社團課和重點課程構(gòu)成的人工智能課程體系，為在高中階段深入開展人工智能教育提供了借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：人工智能;課程開發(fā);STEM理念;高中

中圖分類號：G632.3 文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1992-7711（2020）16-070-2

從1956年美國達特茅斯會議首次提出“人工智能”的概念，人工智能已經(jīng)歷了六十多年的風(fēng)風(fēng)雨雨。2016年3月，AlphaGo擊敗圍棋世界冠軍、職業(yè)九段棋手李世石，象征著計算機技術(shù)已進入人工智能的新信息技術(shù)時代。此后，全球各國政府高度重視人工智能發(fā)展。

一、我國中學(xué)人工智能課程開發(fā)的現(xiàn)狀與問題

國家大力扶持，極大推動了以人工智能相關(guān)課程為代表的人工智能教育在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的開展。以編程、機器人、創(chuàng)客、STEM、無人機、3D打印為主題的各類人工智能課程紛紛涌現(xiàn)。由于我國中學(xué)人工智能教育才剛剛起步，雖然在課程開發(fā)上取得一些成績與進展，但也存在諸多的問題：

1.面向中小學(xué)的人工智能正規(guī)教材數(shù)量較少，課程建設(shè)和教材開發(fā)缺少整體規(guī)劃，研究力量仍較為薄弱。

2.缺乏有特色的人工智能校本課程，很多學(xué)校的人工智能教育主要依托科學(xué)、信息技術(shù)、勞動技術(shù)、通用技術(shù)等課程來進行實施。

3.對人工智能課程內(nèi)容認(rèn)識不清，很多學(xué)校將人工智能與程序設(shè)計混為一談，或?qū)⒔逃龣C器人活動項目等同于人工智能課程。

4.缺乏完善的貫穿小學(xué)、初中、高中的人工智能課程體系。目前我國人工智能教育沒有形成完整的系統(tǒng)性方案，各學(xué)段內(nèi)容和目標(biāo)不銜接。

二、STEM理念與人工智能教育

人工智能課程無論在教學(xué)內(nèi)容，還是教學(xué)目標(biāo)上都與STEM教育理念有相當(dāng)高的契合度。STEM是用科學(xué)、數(shù)學(xué)知識和先進技術(shù)，以工程思維解決現(xiàn)實世界的問題。STEM不是科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)知識的簡單疊加。其基本方式是：發(fā)現(xiàn)問題—設(shè)計解決方法—利用科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)知識實施解決方法—將解決方法傳達給大家，這種整合具有天然的跨學(xué)科性、情境性、實踐性、協(xié)作性、實證性。其核心理念是：以提升學(xué)生的科學(xué)精神和創(chuàng)新能力為目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生的批判思維和邏輯思維;以尋找問題的解決方法為學(xué)習(xí)任務(wù)，進行任務(wù)驅(qū)動學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性和解決問題的能力;以團隊協(xié)作和群體知識構(gòu)建為途徑，培養(yǎng)學(xué)生的溝通協(xié)作能力。

人工智能本身就是跨學(xué)科的科學(xué)探索工程，無論是人臉識別、無人駕駛汽車、云計算等，都是源于我們需要用更為科學(xué)、先進的知識和技術(shù)去解決我們目前遇到的問題，而STEM的核心也正是“解決問題”。 人工智能是T（Technology）之大者，人工智能與STEM具有天然的接口，STEM教育專注于培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力，讓學(xué)生從一個知識概念的“存儲器”，轉(zhuǎn)變成一個面對問題、解決問題的“處理器”。人工智能正是我們解決問題的有效科技工具。

三、基于STEM理念的人工智能課程內(nèi)容的構(gòu)建原則

人工智能技術(shù)中的許多代表性內(nèi)容，如計算機視覺、自然語言理解與交流、機器學(xué)習(xí)、認(rèn)知與推理、博弈與倫理及機器人學(xué)，技術(shù)核心均是以“大數(shù)據(jù)+深度學(xué)習(xí)”為標(biāo)識人工智能算法，但這些算法深奧晦澀，需要學(xué)生具備深厚的知識基礎(chǔ)和能力儲備才能理解。學(xué)校基于STEM強調(diào)學(xué)科整合、聚焦真實情境、強調(diào)合作探究、注重工程設(shè)計的理念，按照以下原則來進行了課程內(nèi)容的選擇與設(shè)計：

1.層次性

充分考量學(xué)生的知識水平，合理設(shè)計由易到難、進階式的課程體系。學(xué)校構(gòu)建了由人工智能通識課程、選修課、社團課程和重點課程構(gòu)成的、由普及到深入的課程體系。

2.銜接性

課程設(shè)計上，充分考慮和初中的銜接。初中的人工智能課程以培養(yǎng)興趣、了解應(yīng)用場景和基本概念為主，高中課程應(yīng)注重學(xué)生思維的培養(yǎng)，加強開發(fā)設(shè)計與算法學(xué)習(xí)。

3.整合性

人工智能作為一門前沿學(xué)科，涉及多門學(xué)科的交叉。可將網(wǎng)絡(luò)通信、感測技術(shù)、自動控制、3D打印、數(shù)學(xué)、藝術(shù)等多門學(xué)科的內(nèi)容整合到課程之中，或以人工智能課程核心內(nèi)容為主來連結(jié)其它學(xué)科。

4.實踐性

教學(xué)內(nèi)容的組織和教學(xué)模塊的設(shè)計，要立足于解決情境化的真實問題，強調(diào)調(diào)動學(xué)生主動積極地利用跨學(xué)科的相關(guān)知識設(shè)計解決方案，提高學(xué)生解決實際問題的能力。

5.趣味性

STEM強調(diào)分享、創(chuàng)造，強調(diào)讓學(xué)生體驗和獲得分享中的快樂感與創(chuàng)造中的成就感。要把知識融于具有挑戰(zhàn)性、與學(xué)生生活相關(guān)的趣味性問題中，問題和活動的設(shè)計要能激發(fā)學(xué)習(xí)者內(nèi)在的學(xué)習(xí)動機。

四、人工智能課程的課程體系

我校的人工智能課程，是一種基于全新技術(shù)實驗平臺（AI創(chuàng)新實驗室）的綜合性探究活動課程。具體實施方式是：首先開展人工智能通識課的教學(xué)，讓學(xué)生體驗、了解人工智能課程的前沿發(fā)展和知識結(jié)構(gòu)，了解AI創(chuàng)新實驗室的基本功能與設(shè)施設(shè)備;然后讓學(xué)生根據(jù)自己的興趣愛好，借助選課平臺，選擇本學(xué)期自己研修的選修課程和研究性社團課程。對學(xué)有專長的學(xué)生，選拔進入工作室進行重點課程的培養(yǎng)。

五、結(jié)語

大力發(fā)展人工智能技術(shù)已經(jīng)成為國家戰(zhàn)略，基礎(chǔ)教育順應(yīng)國家發(fā)展、時代發(fā)展的需要責(zé)無旁貸。作為和高等院校直接銜接的普通高中，我們必須承擔(dān)為大學(xué)培養(yǎng)、輸送優(yōu)秀的人工智能后備人才的責(zé)任與使命。作為人工智能教育的核心載體的課程建設(shè)，需要政府、科研院所、高新科技企業(yè)和學(xué)校及廣大師生一起探討和實踐，共同推進高中人工智能課程體系的建構(gòu)與完善。

[參考文獻]

[1]《中國STEM教育白皮書》.中國教育科學(xué)研究院，2017.

[2]杜圣東.大數(shù)據(jù)智能核心技術(shù)入門：從大數(shù)據(jù)到人工智能[M].北京：電子工業(yè)出版社，2019.

（作者單位：廣東省深圳市高級中學(xué)，廣東 深圳 518040）