面向人工智能素養培養的高中人工智能課程的設計與實施
——以“我為植物掛名牌”教學為例

賈云 江蘇省蘇州實驗中學

《中小學人工智能技術與工程素養框架》（以下簡稱《素養框架》）提出，人工智能技術需要培養學生從工程的角度學習、認識和使用人工智能，并主動思考人工智能與人類、與社會的關系。[1]同時，在教科版高中信息技術教材（2019版）中，有大量的章節介紹了人工智能以及人工智能相關實現技術。因此，如何讓學生深刻理解、認知、內化人工智能相關知識，達成人工智能素養的培養目標，是本文的出發點和落腳點。

● 人工智能素養的構成及界定

本研究參考《素養框架》中對人工智能素養構成的表述：人工智能技術轉化為產品的過程是自然科學和社會科學的交叉應用，尤其涉及人的思想、行為、能力等方面的內容，其中滲透了倫理、道德、責任等相關問題，需要培養學生從工程的角度學習、認識和使用人工智能，并主動思考人工智能與人類、與社會的關系。《素養框架》設計了人工智能與人類、人工智能與社會、人工智能技術、人工智能系統設計與開發4個領域的內容（如圖1）。[2]

圖1 人工智能素養框架

在這一框架下，教師們需要同步思考：①人工智能與人類之間的關系；②人工智能對人類社會發展可能產生的深遠影響；③人工智能實現的關鍵技術及涉及的學科知識；④從系統工程的角度如何引導學生設計、開發和測試人工智能應用系統，以實現問題解決的最優化，提升學生解決復雜問題的能力以及創新思維等高階思維能力。

● 高中人工智能課程的設計思路與流程

根據《素養框架》的框架內容及課程培養目標，結合高中信息技術必修1以及選擇性必修4《人工智能初步》中的內容，并參照實踐經驗，筆者認為，要達成培養目標，有關人工智能課程的設計要從人工智能的三要素——數據、算法、算力入手。

一是人工智能的根基是訓練，正如人類要獲取一項新技能，就必須經過不斷地訓練，只有不斷地訓練，神經網絡才能總結出規律，并應用到新的樣本上。所以，在課程的設計上要讓學生體會大量數據的作用以及如何通過訓練總結規律。二是從數據分析中獲得規律，并利用規律對未知數據進行預測，要讓學生在解決問題的過程中體會算法是實現人工智能的根本途徑。三是在有了大數據和算法之后，需要不斷地訓練，算力為人工智能提供了基本的計算能力的支撐，要讓學生體會算力對人工智能的關鍵作用。

根據課程設計思路，并結合實際教學過程，筆者認為最適合使用的教學方法為項目式教學法，在教學過程中還原教學的本質，讓學生在“做中學”。筆者對高中人工智能課程進行了流程設計，具體如圖2所示。

圖2 高中人工智能課程的設計流程

● 面向人工智能素養培養的高中人工智能課程的設計實踐

“我為植物掛名牌”人工智能項目是在需要學生辨別植物名稱、習性，并為該植物做一首詩，掛上它的名牌的背景下進行的。該教學案例通過識別圖片—理解機器學習—深度學習—明確人工智能三要素（數據、算法、算力），深刻理解人工智能技術原理—人工智能與人類的關系等環節，達成對人工智能素養的培養。

1.目標制訂

學生完成對所選植物掛名牌的任務，在達成總任務的過程中通過自主探究理解人工智能技術原理，并在此過程中學會交流與分享，培養合作探究精神。

2.情境創設

結合學校實際，在新校區啟用后，校園里栽種了許多植物，老師收集了許多不認識的植物照片，需要同學們分組挑選照片幫助老師完成植物的辨別，并為其做首詩。

3.活動探究

（1）圖片識別，初識人工智能

教師提供幾個圖片在線識別平臺作為腳手架，讓學生嘗試選擇平臺進行識別。

學生分組選擇自己喜歡的圖片和平臺進行識別，教師引導學生思考這些軟件識別植物的過程。

①在完成小活動的過程中，教師適時提問：平臺識別的準確度是100%嗎？學生通過實際操作發現，平臺并不能完全準確地識別植物。根據軟件識別植物的過程，學生可以發現，通過增加特征點，或者增加更多的圖片，讓機器學習大量的數據，進行自我訓練，總結規律，輸出結果。此時，引導學生關注數據在人工智能中的重要作用及機器自我完善的相關知識。

②通過手動設計特征點讓機器在大量的數據中學習、完善，在一定程度上能夠解決問題，但是也達到了一定的瓶頸。此時引導學生發現，可以讓機器自己學習特征點，學習樣本數據的內在規律和表示層次，實現自我學習，由機器學習走向深度學習。

從機器學習到深度學習，從線性回歸、邏輯回歸、決策樹、樸素貝葉斯等算法到遞歸神經網絡、卷積神經網絡等，算法的設計與實現是讓機器具有智能的根本途徑。而算力是通過對信息數據進行處理，實現目標結果輸出的計算能力，它也是人工智能技術的本質內容。

（2）AI作詩，再探人工智能

通過人工智能平臺生成詩歌，為自己喜歡的植物作詩。學生通過作詩發現有些詩詞很優美，有些詩詞語句不通，有些詩詞雖然通順但還缺少穩定的情感表達。

在圖片識別的過程中，學生體會到從機器學習到深度學習，人工智能在逐步研究人腦的神經網絡，人工智能技術也在不斷地完善。但是，我國的人工智能發展還處在弱人工智能階段，其不具備自身的獨立意志，行動實現的是設計者或者使用者的意志。

（3）交流討論，辨析人工智能

人工智能在生活中的很多領域閃閃發光，有人提出了對人工智能的一些擔憂：人類的一些職業是否會被人工智能取代？人們是否會因此失業？人工智能會帶來一系列的社會問題嗎？

學生根據課堂上所做的活動并結合生活經驗，辯證認識人工智能。

4.活動評價

學生對自己所做活動的過程和結果進行交流與評價，講解探究過程的思路、方法以及遇到的問題和解決問題的方法。教師對學生的探究過程和探究結果進行評價。

● 思考與總結

人工智能在生活中十分常見，如何讓學生深刻理解人工智能，把握人工智能技術的關鍵要素，培養學生的人工智能素養是一線教師需要思考的問題。本研究從課堂實時效果來看，學生參與度高，能夠在項目探究的過程中結合教師的引導體會出實現人工智能的三要素，并辨析出人工智能與人類及社會的辯證關系，從一定程度上來講能夠有效培養學生的人工智能素養。