基于體驗與實踐的人工智能教育

譚珊珊

自2017年國務(wù)院發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》以來，人工智能教育成為教育的熱點，《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》也明確將人工智能教育列入其中。下面，筆者以《中小學(xué)人工智能教育系列（人工智能高中版）》中的《文字識別：小區(qū)車牌識別》一課為例，在實踐中體驗學(xué)習(xí)，利用數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境，探索在高中學(xué)段的人工智能教學(xué)。

● 在體驗學(xué)習(xí)中突出實踐性符合當(dāng)下教與學(xué)的需求

體驗學(xué)習(xí)是一種依靠學(xué)習(xí)共同體，讓小組成員間合作交流、探究思考，通過在設(shè)計的各種活動中實踐，實現(xiàn)培養(yǎng)各項知識和能力的一種學(xué)習(xí)方式。從高中信息技術(shù)教材來看，它對人工智能教學(xué)內(nèi)容的難度和深度要求不高，教師可在教學(xué)中選取貼近學(xué)生日常生活經(jīng)驗的實例，引導(dǎo)學(xué)生在實踐中體驗學(xué)習(xí)，進(jìn)而感受、理解并掌握人工智能的相關(guān)原理。因此，體驗與實踐的教學(xué)形式適合當(dāng)下的教育改革。

● 數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境是體驗實踐的保障條件

從杜威提出的“做中學(xué)”，到新一輪課程改革中提到的“知行合一”，無不注重實踐在教育中的重要性，同樣，任何教學(xué)方式的應(yīng)用都需要有一定的教學(xué)環(huán)境來保障。人工智能教育主要表現(xiàn)在機器模擬人類聽、說、讀、寫等智慧能力的技術(shù)體現(xiàn)，教師需要準(zhǔn)備攝像頭、麥克風(fēng)、傳感器等執(zhí)行器，還要為學(xué)生提供收集數(shù)據(jù)、搭建模型、訓(xùn)練模型等實踐性體驗的學(xué)習(xí)條件，所以，數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境在人工智能體驗教育中是輔助學(xué)生理解相關(guān)知識、掌握相關(guān)原理，促進(jìn)學(xué)生主動建構(gòu)知識的保障條件。

● 在實踐體驗的探究中發(fā)展學(xué)科素養(yǎng)能力

在實踐體驗中持續(xù)探究的教學(xué)組織模式可設(shè)計以下模塊：一是通過數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺的體驗探究，熟悉并掌握常見的人工智能工具，使用合適的工具解決實際問題，掌握人工智能基礎(chǔ)知識與技能，發(fā)展人工智能意識;二是通過圖像化編程實踐，將復(fù)雜的問題分解為簡單的問題，將其化簡為可計算的模型自動執(zhí)行的操作，提高計算思維能力，并能夠?qū)⒔鉀Q問題的方法遷移到其他問題的解決中;三是在搭建智能機器人和分享總結(jié)中提升人工智能應(yīng)用與創(chuàng)新能力，認(rèn)識人工智能倫理，樹立人工智能社會責(zé)任意識。通過這種教學(xué)組織的模式能夠讓學(xué)生感悟人工智能技術(shù)與人、自然、社會的關(guān)系，把握數(shù)據(jù)、算法、系統(tǒng)和社會的關(guān)系，分辨人工智能技術(shù)的“善與惡”，形成技術(shù)安全和責(zé)任意識，提升技術(shù)倫理和道德意識。

● 學(xué)情分析

如今的高中生，在學(xué)科基礎(chǔ)上，通過義務(wù)教育階段的信息技術(shù)課程學(xué)習(xí)形成了一定的信息技術(shù)基礎(chǔ);在現(xiàn)實生活方面，感受過如指紋識別、人臉識別、語音識別等人工智能技術(shù)的應(yīng)用，對人工智能技術(shù)有很大的學(xué)習(xí)興趣;在學(xué)習(xí)能力上，具有一定的獨立思考問、合作探究的能力。不過，他們在人工智能相關(guān)具體基礎(chǔ)知識、原理、方法、核心算法與應(yīng)用方面沒有任何基礎(chǔ)，所以，通過體驗實踐的方式來了解人工智能相關(guān)的內(nèi)容體系符合當(dāng)前的學(xué)情需要。

● 學(xué)習(xí)內(nèi)容分析

《中小學(xué)人工智能教育系列（人工智能高中版）》中的《文字識別：小區(qū)車牌識別》一課，要求掌握文字識別的工作原理，了解文字識別技術(shù)面臨的技術(shù)難題，辨析人工智能的倫理，從而解決人工智能場景問題的思維活動，并能廣泛遷移到信息社會的各個場景中，以此將知識建構(gòu)、技能培養(yǎng)與思維發(fā)展融入運用數(shù)字化工具解決問題和完成任務(wù)的過程中，形成在信息社會中運用人工智能思維理解、分析、做事的關(guān)鍵能力，形成持續(xù)做正確的事的必備品格，形成一貫正確做事的價值觀念。

● 教學(xué)理念和方法

本節(jié)課主要使用在實踐中體驗的教學(xué)方法。通過“新知引入→頭腦風(fēng)暴→體驗探究→應(yīng)用分享→知識延伸”這一主線開展教學(xué)活動。在以學(xué)習(xí)者為中心的實踐與反思中，習(xí)得知識與技能，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、辯證分析、協(xié)作學(xué)習(xí)、交流表達(dá)等多項能力素養(yǎng)。設(shè)計中將人工智能素養(yǎng)中的意識、思維、方法、創(chuàng)新應(yīng)用、人工智能倫理融入教學(xué)過程，從人工智能技能、方法的培養(yǎng)，到意識、能力的培養(yǎng)，再到素養(yǎng)培育的實現(xiàn)，讓學(xué)生形成人工智能科學(xué)的思想方法。

● 教學(xué)過程

1.創(chuàng)設(shè)情境、頭腦風(fēng)暴發(fā)現(xiàn)問題

教師創(chuàng)設(shè)實踐中體驗的教學(xué)情境，以車牌識別技術(shù)為主線，提出車牌識別技術(shù)現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的場景有哪些、車牌識別技術(shù)存在哪些風(fēng)險等問題進(jìn)行討論，時間在5分鐘左右。學(xué)生小組頭腦風(fēng)暴，交流車牌識別在生活中的具體應(yīng)用，并發(fā)現(xiàn)其中的問題。

將教學(xué)還原到具體的真實生活情境中，讓學(xué)生在討論中碰撞出對智能交通、智能安防、人工智能倫理簡單的思考。在這個過程中培養(yǎng)學(xué)生交流、辯證分析問題的能力素養(yǎng)，實現(xiàn)人工智能“意識、倫理”的素養(yǎng)培育。

2.體驗與探究

教師借助數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺，通過“黑箱”封裝的學(xué)習(xí)模塊，讓學(xué)生體驗車牌識別的過程。學(xué)生小組討論，深入分析車牌識別的原理。活動時長為15分鐘。

數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)建是8人一個小組，提供兩臺平板和兩臺智能機器人，學(xué)生先通過平板中的車牌識別的模塊體驗過程，理解圖像識別和圖像分割的原理，再借助圖像化編程和智能機器人，總結(jié)并分享文字識別的工作原理，如圖1所示。

學(xué)生通過車牌識別技術(shù)與原理的操作，體驗車牌識別的應(yīng)用場景，在探究推進(jìn)的過程中利用“黑箱”封裝的學(xué)習(xí)模塊，理解和剖析文字識別原理;小組在體驗過程中，逐步梳理出結(jié)論和觀點，并利用智能機器人的語音功能完成知識“分享”，增加了人工智能教育本身智能的體現(xiàn)，也讓分享和交流更具有趣味性。此過程中的“黑箱”封裝學(xué)習(xí)模塊，讓技術(shù)工具成為學(xué)生自主化學(xué)習(xí)的表現(xiàn)工具，為學(xué)生提供了更加深刻理解、更多運用知識、更多動手創(chuàng)作的機會，使其成為自主學(xué)習(xí)的主人，為體驗實踐增值加分。整個體驗實踐過程，培養(yǎng)了學(xué)生小組協(xié)作、知識梳理、交流表達(dá)等關(guān)鍵能力，實現(xiàn)了人工智能“思維、方法”的素養(yǎng)培育，也突破教學(xué)中了解文字識別技術(shù)面臨的技術(shù)難點和辨析人工智能的倫理的重點。

3.實踐操作與應(yīng)用分享

教師設(shè)計制作車牌識別機器人，體現(xiàn)實踐性。活動時長為15分鐘。每組學(xué)生兩套設(shè)備，一套利用圖像化編程制作車牌識別機器人，另一套運用語音模塊梳理小組的觀點，并用智能機器人進(jìn)行分享。

通過使用圖形化編程的方式制作車牌識別機器人的實踐，能加深對文字識別技術(shù)原理的理解，并在設(shè)計實踐的過程中，發(fā)現(xiàn)文字識別技術(shù)面臨的技術(shù)難題。這種基于場景應(yīng)用的圖形化編程設(shè)計，能培養(yǎng)學(xué)生的計算思維能力，而且利用機器人“分享”和梳理學(xué)習(xí)觀點的方式，有利于學(xué)生建構(gòu)學(xué)科知識，培養(yǎng)邏輯思維能力。此環(huán)節(jié)實現(xiàn)了人工智能“創(chuàng)新、應(yīng)用”的素養(yǎng)培育，也有效突破了文字識別工作原理這一難點。

4.知識延伸與評價總結(jié)

教師拓展文字識別的其他應(yīng)用場景，總結(jié)原理、應(yīng)用、倫理，對小組活動進(jìn)行點評。活動時長為5分鐘。學(xué)生完成小組評價表（如圖2）。

● 教學(xué)反思

在數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境中，學(xué)生以小組合作的方式，通過自主、探究、實踐、體驗的學(xué)習(xí)過程掌握相應(yīng)的知識技能，生成學(xué)科核心素養(yǎng)。教師在整個教學(xué)過程中講解時間不超過5分鐘，主要起到引導(dǎo)和啟發(fā)的作用，把課堂還給學(xué)生，突出了學(xué)生在體驗實踐中的主體性。

創(chuàng)新之處：①教學(xué)方法中突出探究活動中體驗式學(xué)習(xí)的實踐。以學(xué)習(xí)者為中心，利用數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺中的車牌識別模塊，小組合作探究出文字識別的工作原理，從意識、思維維度培養(yǎng)了人工智能素養(yǎng)。②教學(xué)過程中突出編程操作對體驗式學(xué)習(xí)的應(yīng)用。小組合作利用模塊化編程方式制作的車牌識別機器人，讓學(xué)生解決人工智能場景設(shè)計問題，從思維、創(chuàng)新應(yīng)用維度培養(yǎng)了人工智能素養(yǎng)。③教學(xué)活動中關(guān)注分享、評價對體驗式學(xué)習(xí)的反思。在探究和編程環(huán)節(jié)設(shè)計了兩次分享與評價，學(xué)生利用機器人助理，實現(xiàn)學(xué)習(xí)中知識、技能、態(tài)度等反思性的梳理，解決了高中生不愛表達(dá)的問題，培養(yǎng)了人工智能科學(xué)的思想方法。

不足之處：在以小組為單位的評價方式中忽視了個體的認(rèn)定，可考慮增加開放式問題，讓評價更加多元。另外，因數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺中未提供評價模塊，現(xiàn)階段采用的是紙質(zhì)評價方式，但存在不方便量化的問題，這需要改變。

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本文系中央電化教育館課題項目“基于核心素養(yǎng)培育的高中校本資源開發(fā)與應(yīng)用”[編號：教電（2021）01-024號]的研究成果。