讓學生愛上AI的方法

林思強

摘要：義務教育階段人工智能教育經過近幾年的發展，已取得了不錯的成效，但人工智能學科的知識很多都比較抽象枯燥難懂，那么如何提高人工智能課堂教學的有效性，培養學生對人工智能學習的興趣呢？針對此問題，本文從教學內容、教學平臺、教學范式的選擇三個方面簡述了具體做法。

關鍵詞：人工智能;教學內容;教學平臺;教學范式

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2022）09-0047-03

“人工智能”是一門跨學科的課程，包含了符號學、數理邏輯、神經網絡、遺傳算法、知識表示和推理、模式識別、機器學習等方面的知識，內容枯燥難懂，僅適合少數有特長的學生。那么，如何讓學生了解人工智能領域的基礎理論知識，體驗目前人工智能的前沿技術，擴大知識面，培養其對人工智能學習的興趣呢？針對此問題筆者進行了如下探索。

● 初中人工智能教學內容選擇

當前，中小學階段人工智能的教學內容主要有以下兩個方面：一是將機器人、自動控制、編程、傳感器、3D打印等都納入到人工智能教學內容中，這種將傳統的自動化與人工智能相混淆的教學內容，易使學生對人工智能理解產生偏差;二是簡單地把大學或高中的人工智能教學內容下放，教學內容偏理論和純代碼編程，內容枯燥難懂，對大多數學生而言缺少吸引力，甚至會使學生對人工智能的學習失去興趣。

經過嘗試，筆者選擇圖形化編程軟件作為人工智能教學的平臺，將人工智能技術原理與平臺中的人工智能模塊結合，以此作為教學的主要內容，其中包括機器視覺和自然語言處理兩個部分。這樣的內容定位，可以避免就原理講人工智能的情況出現，且學生可以通過人工智能平臺實踐人工智能項目，建立從理論到實踐的完整學習鏈，符合現階段的認識規律。

● 初中人工智能課堂教學平臺選擇

目前，國內各創客廠商都推出了自己的圖形化編程平臺，各IT大型企業都建設了自己的人工智能平臺。雖然平臺很多，但功能基本相同，這給教學帶來了選擇困難。筆者經過比較，針對零編程基礎的學生，選擇慧編程平臺開展人工智能教學;針對有一定編程基礎的學生，選擇kittenblock平臺開展人工智能教學;在人工智能社團開展項目式學習時，則選擇百度easyDL平臺。

● 初中人工智能課堂教學范式選擇

人工智能是一門交叉學科，教學中會涉及很多專業術語，在講授人工智能的原理過程中這些術語如果反復出現，會造成學生認知超負荷，使得課堂變得無趣。那么，如何既讓學生能理解人工智能的原理，又讓課堂生動有趣呢？下面，筆者以機器學習原理講解為例，探討人工智能課堂教學的一般范式。

1.創設情境

對于抽象的人工智能知識來說，在課堂教學的起始階段創設情境是十分必要的。因為人工智能的技術在生活中的很多場景有應用到，但是學生并不了解，這樣的生活情境導入，往往最容易激發學生的好奇心、認知沖突和求知欲。

例如，在“人工智能之機器學習”一課中，筆者在課堂導入部分創設了如下情境：①如何找出哪個明星最像自己？設問：大家想不想知道哪個明星長得最像你？演示：微信“搜一搜”功能。②猜照片中的明星是誰？設問：這位大明星大家認識嗎？如果不認識，用他們的照片怎么找到他們的介紹資料呢？教師演示百度搜圖找人物的功能，并總結：不管認人還是語言，背后都有機器學習技術在支持，這就是今天要學習的主題——機器學習初探。

通過情境的創設，學生充分感受到生活中處處都有人工智能，從生活經驗中發現問題，找到認知盲區，激發了學習內部動機，效果良好。

2.揭示人的智能原理

人工智能本質上是模擬人的智能，因此技術原理多是模仿人的智能，而人的智能過程學生都有經驗，比較好理解，所以可以先解釋人的智能原理，再遷移到人工智能的原理。下面，列舉人的學習過程的原理講解具體說明。

教師播放電影《超能查派》的片段，引導學生思考這是否是真正的機器學習，為人的學習原理揭示打開思路。并提問：視頻中的機器人如何學習watch和chicken這兩個詞語？

生：反復聽、看、觸摸……

師：機器人其實就是模仿人類小時候牙牙學語的場景，當我們學習說話時，父母會拿一件物品告訴我們這是什么，如手表，然后讓我們反復看、聽、觸摸，讓物品的印象進入大腦，這個印象稱為模型，有了模型后，當下一次再看到手表時我們就會說出這件物品的名稱，這是人的學習過程。從上面的分析，我們能否得出這樣一個結論，我們是否認識一件物品，關鍵看大腦中是否有這個物品的模型。模型是怎么獲得的呢？（提示：回顧電影片段中學習認識手表的過程）

生：眼睛看耳朵聽、找尋手表特征、記住特征……

師：模型的建立，必須通過五官感知，然后尋找特征，記憶模型，再用模型去預測判斷新事物，當有新的事物出現，無法判斷或判斷出錯時，重復上述流程。了解了人的學習過程，那么機器學習過程呢？

對于專業術語的加工處理從上面的教學例子中可以歸納以下三種方法：①用多媒體素材呈現專業術語的應用實例，喚醒學生的記憶，為專業術語的講解提前打開思路;②將專業術語與生活實例相類比;③將專業術語通俗化表達。

3.揭示人工智能的原理

有了之前的人的智能原理的分析，接下來就可以遷移到人工智能的原理的理解上，人工智能的原理分析同樣也會存在專業術語的抽象難懂問題，這時也可以利用上述三種方法降低認知難度。同時，還可以借助可視化的工具或素材，形成多感官感知，幫助學生理解。例如，在揭示機器學習的過程時可以采用以下方法。

師：（展示谷歌機器學習的可視化平臺，如下圖，演示學習模型）首先，分別給三個模型起名稱，這樣機器就會知道它是蘋果、梨、橘子，接下來開始讓機器訓練學習：①把蘋果放在鏡頭前讓攝像頭感知，讓計算機看到蘋果;②學習環節，點擊訓練動作按鈕開始學習;③不斷地轉動蘋果采集蘋果的圖像樣本，提取特征、訓練模型，當樣本量足夠多的時候，完成蘋果模型的訓練。為什么要轉動蘋果？

生：訓練機器、認識蘋果……

師：人看到的是現實事物，計算機采集的圖像是數據。不同的角度采集到的蘋果圖像，其數據特征是完全不一樣的。所以要有足夠的數據樣本特征，訓練出來的模型才足夠準確。

教師開始下一個水果模型——梨的訓練，并強調梨的模型訓練同蘋果，引導學生回憶訓練學習的三個步驟。

師：機器已經學習了蘋果和梨的模型。為了驗證學習的效果，接下來要檢測一下機器學會了沒有。（非訓練集測試）

互動體驗：請兩位學生上臺來訓練橘子的模型，并檢測學習效果。

師：實驗中，計算機成功識別了三種水果，其背后都有建立模型，并通過模型來預測判斷。計算機建立模型的過程與人建立模型的過程相似。

4.應用人工智能技術

通過前面的學習，學生雖然了解了人工智能原理，但還是會有疑問：在課堂調查中出現的人工智能應用場景是怎么用上機器學習技術的呢？對于初中階段的學生來說，了解技術原理及其技術的應用方法就算達成目標。因此，在課堂教學中如果硬件條件允許，可讓學生體驗技術的應用方法。技術的應用也應該建立在一定的解決問題的情境下，這樣基于問題解決的學習才更有意義。因此，教師可以借助“猜拳小達人”游戲來創建解決問題情境，幫助學生體驗應用機器學習建立模型和應用模型的方法。具體做法如下。

師：同學們都喜歡玩游戲，接下來我們體驗一個應用機器學習技術的小游戲——猜拳小達人，與計算機比猜拳，看看你能不能贏？（學生上臺與計算機比猜拳）計算機每次都能贏是什么原因呢？

生：因為計算機準確判斷出我的手勢。準確判斷的背后，就是有三種手勢的模型。

師：接下來，我們設計制作一個屬于自己的猜拳小達人游戲。首先，要完成石頭、剪刀、布模型的建立。（教師演示操作流程）

學生完成作品，教師展示學生成果，引導學生思考：如何提高識別準確率？

互動歸納小結：編程實現機器學習模型的建構，即“準備環境→分類命名→訓練模型→測試模型”。

拓展任務：引導學生發散思維，思考利用機器學習技術還能解決生活中的哪些問題。

語音交互、文字識別、圖像識別、人體識別、自然語言處理等人工智能技術的應用都可以用到類似“猜拳小達人”游戲項目的問題情境，讓學生在完成項目的過程中利用編程實現人工智能技術解決問題，體驗在完成項目問題解決過程中帶來的成功感，讓每位學生都愛上人工智能。

● 結束語

初中階段人工智能教學一定要注意基于學生的認知特點，對現行教材的內容進行取舍，并根據學生的層次差異，選擇相適應的平臺。同時，在具體實施教學過程中，還要對教學內容進行打磨和加工，注重從人的智能向人工智能的知識遷移，特別是對專業術語的通俗化表達，能夠讓人工智能課堂教學變得更有效。

本文系福州市教育科學研究“十三五”規劃2020年度立項課題“晉安區義務教育階段人工智能主題教學設計與實踐研究”階段性成果，課題立項編號：FZ2020GH061。