高中人工智能課程的實(shí)施探索

機(jī)器人通過強(qiáng)化學(xué)習(xí)成為圍棋高手，人工智能生成的詩歌登上文學(xué)期刊，深度學(xué)習(xí)模型替代律師撰寫法律文書，機(jī)器編寫出模仿李白詩風(fēng)的算法程序人工智能已經(jīng)在深刻改變著我們的學(xué)習(xí)和生活，同樣，也影響著中小學(xué)人工智能課程的建設(shè)。2021年，中小學(xué)信息技術(shù)教育專業(yè)委員會(huì)發(fā)布了《中小學(xué)人工智能課程開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)（試行）》，提出了人工智能課程的培養(yǎng)目標(biāo)，其中包括人工智能意識(shí)、技術(shù)應(yīng)用能力、實(shí)踐創(chuàng)新思維、智能社會(huì)責(zé)任等。人工智能也被納入《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》，作為核心邏輯主線之一。

（以下簡(jiǎn)稱“南師大附中\(zhòng)"）從2012年就開始嘗試開設(shè)人工智能課程，堅(jiān)持多年，力求摸索出一條適合高中的人工智能課程教學(xué)之路。本文分享一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以期為其他學(xué)校人工智能課程的開設(shè)提供建議和幫助。

一、課程教材“本地化部署”

教材是教師授課與學(xué)生學(xué)習(xí)的主要依據(jù)。人工智能領(lǐng)域技術(shù)迭代迅速，而教材編寫與審核周期長(zhǎng)，導(dǎo)致新技術(shù)難以及時(shí)納入教材，現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容與新興技術(shù)（如大模型、生成式AI適配性不足。市面上的人工智能相關(guān)書籍，有的專業(yè)術(shù)語較多，知識(shí)深?yuàn)W晦澀，概念抽象，受眾主要是大學(xué)生和專業(yè)人士。校本教材具有靈活性強(qiáng)的特點(diǎn)，可以結(jié)合學(xué)校育人目標(biāo)，依托學(xué)校資源，動(dòng)態(tài)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容。結(jié)合學(xué)校實(shí)際條件與學(xué)生需求，整合學(xué)校現(xiàn)有資源，融合當(dāng)前最新知識(shí)和技術(shù)，設(shè)計(jì)出符合本校學(xué)情又與時(shí)俱進(jìn)的校本化人工智能課程框架，編寫出適合本校學(xué)生認(rèn)知水平的人工智能校本教材，可以有效解決教材內(nèi)容適配性不足的問題。

南師大附中的《人工智能》校本教材經(jīng)過幾輪的教學(xué)實(shí)踐，不斷修改和更新，力求讓不同能力層級(jí)和需求的學(xué)生都能找到適合的學(xué)習(xí)切入點(diǎn)。課程內(nèi)容隨著技術(shù)革新不斷調(diào)整（表1所示為兩版《人工智能》校本教材目錄）。2013年，學(xué)校人工智能實(shí)驗(yàn)室剛剛建成，人工智能課程教學(xué)處于摸索階段。我們以實(shí)驗(yàn)室中現(xiàn)有資源和設(shè)備為主線，設(shè)計(jì)教學(xué)大綱，以設(shè)備為載體，將人工智能知識(shí)和技術(shù)融人其中，讓學(xué)生在體驗(yàn)中學(xué)習(xí)。隨著科技發(fā)展和設(shè)備更新，學(xué)生對(duì)課程提出了更高的需求，教師也積累了一些教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，加上學(xué)校“人工智能課程基地”的建設(shè)，給予我們更強(qiáng)大的支撐。于是，2021年，我們重新設(shè)計(jì)了課程大綱，整合人工智能核心知識(shí)和技術(shù)，確定了“做中學(xué)、學(xué)中做、實(shí)踐中提高\(yùn)"的目標(biāo)。

二、課程內(nèi)容“梯度下降”

由于人工智能課程涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、神經(jīng)科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，并且其本身也處在快速發(fā)展的階段，這就造成了對(duì)人工智能課程的認(rèn)識(shí)不到位或錯(cuò)位。如人工智能課程內(nèi)容經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)多而雜的現(xiàn)象，容易與編程課程內(nèi)容或機(jī)器人課程內(nèi)容混淆，且常常是大學(xué)時(shí)期才會(huì)學(xué)習(xí)的理論知識(shí)。因此，高中人工智能課程需要針對(duì)高中生的認(rèn)知水平，找到一個(gè)合適的難度系數(shù)。就像計(jì)算回歸線一樣，我們要“擬合”出最優(yōu)的難度參數(shù)，“過擬合\"和“欠擬合\"都不好。依據(jù)高中生的知識(shí)水平，教學(xué)中應(yīng)該避免提及一些晦澀難懂的專業(yè)詞語，忽略一些詳細(xì)繁雜的邏輯推理過程，規(guī)避一些復(fù)雜難懂的代碼編寫等。我們可以利用智能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和圖形化工具將抽象概念直觀化。比如，在講解機(jī)器學(xué)習(xí)的過程時(shí)，讓學(xué)生在智能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上體驗(yàn)機(jī)器學(xué)習(xí)的過程，經(jīng)過采集數(shù)據(jù)、訓(xùn)練模型、驗(yàn)證模型等操作，直觀感受機(jī)器學(xué)習(xí)的擬合過程；在學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，借助人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)（如TensorflowPlayground）體會(huì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程，理解隱藏層的工作原理。

表1兩版校本教材目錄

除了調(diào)整教學(xué)內(nèi)容的難度，在教學(xué)實(shí)施方面也要避免太過注重理論或太過注重實(shí)踐。比如，因?yàn)槿斯ぶ悄艿膶?shí)現(xiàn)代碼難度過高，就在教學(xué)中規(guī)避所有代碼，把人工智能課上成理論課；或教學(xué)中過于注重代碼編寫，把人工智能課上成編程實(shí)踐課——這兩者都是不可取的。著名人工智能領(lǐng)域?qū)＜胰退沟侔病ぬ芈≌f：人工智能課程應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生探索人腦與算法間的認(rèn)知映射關(guān)系，而非單純傳授代碼技能。因此，高中人工智能課程教學(xué)需要在理論與實(shí)踐中找到一個(gè)平衡點(diǎn)。我們的課程重在培養(yǎng)學(xué)生邏輯思維與問題分解能力，在課程所涉及的代碼中“難中找易”，繁雜的代碼使用“黑箱技術(shù)\"進(jìn)行封裝，降低技術(shù)門檻，強(qiáng)化原理認(rèn)知。比如，教師事先將部分代碼做成模型或函數(shù)，留出接口，學(xué)生通過編寫調(diào)用接口的代碼進(jìn)行使用，既減少了畏難情緒，又獲得了編寫代碼的成就感。

三、課程實(shí)施“分而治之”

在中小學(xué)開設(shè)人工智能課程，師資是亟待解決的問題。目前，承擔(dān)人工智能教學(xué)的師資主要有以下幾種來源：一是與高校合作。聘請(qǐng)高校或科研機(jī)構(gòu)的專家或?qū)W者走進(jìn)中學(xué)課堂，通過講座、課程合作等形式為學(xué)生教授人工智能課程。二是與科技公司合作。科技公司為學(xué)校提供人工智能產(chǎn)品與平臺(tái)，公司技術(shù)專家參與學(xué)校的人工智能課程，將行業(yè)前沿技術(shù)融入教學(xué)大綱。三是利用學(xué)校自有的師資力量。學(xué)校教師通過專業(yè)培訓(xùn)，提升人工智能素養(yǎng)和教學(xué)能力。南師大附中的人工智能師資也經(jīng)歷過“高校一公司—專職教師\"幾個(gè)階段的嘗試。

目前，南師大附中的人工智能課程教學(xué)由學(xué)校專職教師承擔(dān)。本校教師更了解學(xué)生的學(xué)情，能更好地把握課程難度和進(jìn)度，而且他們是專職教師，有著豐富的一線教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，這是他們的優(yōu)勢(shì)。人工智能技術(shù)更新迅速，這些教師在專業(yè)知識(shí)方面面臨極大的挑戰(zhàn)，他們需要不斷地學(xué)習(xí)新的技術(shù)和知識(shí)，而多數(shù)教師沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)過機(jī)器學(xué)習(xí)、卷積網(wǎng)絡(luò)、全連接層等知識(shí)，難以駕馭深?yuàn)W的人工智能技術(shù)，這是他們的困境。

我們采用“分治”的辦法來拆解這些困難。南師大附中開設(shè)人工智能課程的不是一位教師，而是一個(gè)團(tuán)隊(duì)，一個(gè)不斷學(xué)習(xí)和進(jìn)取的團(tuán)隊(duì)。備課環(huán)節(jié)，我們根據(jù)《人工智能》校本教材合理分工，一位教師主攻一個(gè)大單元，這樣大大減輕了教師的備課壓力。每位“主攻手”借助AIGC（ArtificialIntelligenceGeneratedContent）快速構(gòu)建教學(xué)資源庫(kù)，搭建模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，突破技術(shù)瓶頸；同時(shí)，利用在線視頻平臺(tái)，走進(jìn)國(guó)內(nèi)外知名高校“現(xiàn)場(chǎng)\"聽課，彌補(bǔ)知識(shí)短板。主攻的單元完成后，借助“他山之石\"來攻克其他單元。我們還將每次的人工智能課錄成視頻，一人上課，多人聽課，每個(gè)人既是教師也是學(xué)生。每周集體備課時(shí)播放教學(xué)實(shí)錄，觀摩、探討其他教師的上課內(nèi)容，了解上課進(jìn)度，大家齊心合作，資源協(xié)同，力求實(shí)現(xiàn)“ ¹⁺ 1gt;2^′ 的效果。所謂“眾人拾柴火焰高”，經(jīng)過多年的教學(xué)共建嘗試，學(xué)校人工智能教師的專業(yè)能力和教學(xué)實(shí)效都得到了大幅度提升。

除了將大單元“分治\"到人，重難點(diǎn)知識(shí)也可以“由大化小”。教師將核心知識(shí)進(jìn)行分解，以微課的形式講解“小”知識(shí)點(diǎn)，以點(diǎn)帶面，幫助學(xué)生梳理重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容。

四、課程形式“人以類聚”

學(xué)生對(duì)人工智能課程學(xué)習(xí)的目標(biāo)期望值是不一樣的。有的學(xué)生有技術(shù)專長(zhǎng)，將來準(zhǔn)備進(jìn)人相關(guān)行業(yè)深度學(xué)習(xí)，他們希望從“人工智能使用者\(yùn)"變成“人工智能創(chuàng)造者”；有的學(xué)生興趣濃厚，希望探尋人工智能技術(shù)中的一些核心知識(shí)，進(jìn)行一些實(shí)踐活動(dòng)；有的學(xué)生想利用人工智能工具為學(xué)習(xí)生活賦能…將具有相同目標(biāo)的學(xué)生聚合在一起，實(shí)施多元化的課程形式，可以更好地滿足不同目標(biāo)學(xué)生群體的需求。

目前，南師大附中人工智能課程有必修、選修、社團(tuán)、研究性學(xué)習(xí)等多種形式，為學(xué)生提供適配度較高的分層教學(xué)。依托“必修課的實(shí)踐體驗(yàn)一選修課的深度學(xué)習(xí)一社團(tuán)的強(qiáng)化學(xué)習(xí)一研究性學(xué)習(xí)的探究創(chuàng)新”的階梯式架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)從“靜態(tài)知識(shí)傳遞\"向“動(dòng)態(tài)能力培養(yǎng)\"的提升。除了必修課面向的是全體學(xué)生，其他形式的課都由學(xué)生自主選擇。志同道合的學(xué)生聚集在一起，共同研究自己感興趣的課題。必修課，主要內(nèi)容是人工智能科普及應(yīng)用實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生的人工智能基礎(chǔ)技術(shù)應(yīng)用能力。選修課，主要內(nèi)容是深入了解人工智能核心知識(shí)和關(guān)鍵技術(shù)，提升對(duì)前沿科技的探索能力。社團(tuán)是理論知識(shí)的實(shí)踐場(chǎng)，更強(qiáng)調(diào)知識(shí)的遷移，發(fā)展學(xué)生將人工智能技術(shù)適配到新場(chǎng)景的能力，達(dá)成知識(shí)融會(huì)貫通的目標(biāo)。我們有“開發(fā)者社團(tuán)”“機(jī)器人社團(tuán)\"等。研究性學(xué)習(xí)由學(xué)生自由組隊(duì)，自主選題，主要是探究技術(shù)的深度應(yīng)用，解決實(shí)際問題，從中獲得一些具體研究成果，借此提升自己的科研創(chuàng)新能力和高階思維能力。近幾年，學(xué)校與人工智能有關(guān)的研學(xué)課題有“對(duì)人臉識(shí)別機(jī)器人在中學(xué)校園中的應(yīng)用的探究”“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究和實(shí)現(xiàn)”“圖像識(shí)別技術(shù)在生物多樣性研究中的應(yīng)用\"等。

五、課程評(píng)價(jià)“動(dòng)態(tài)規(guī)劃”

教學(xué)形式的多元化決定了評(píng)價(jià)機(jī)制的動(dòng)態(tài)化。針對(duì)不同的課程形式，我們動(dòng)態(tài)調(diào)整評(píng)價(jià)方式，為學(xué)生的個(gè)性化和差異化發(fā)展提供支持，使學(xué)生能更好地適應(yīng)未來社會(huì)多樣性要求，跟上時(shí)代快速變化的節(jié)奏。

必修課因受眾面廣，主要采用基礎(chǔ)評(píng)價(jià)方式，以選擇題、主觀題等形式考核學(xué)生對(duì)知識(shí)和技術(shù)的理解和掌握程度。選修課結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容，以實(shí)驗(yàn)報(bào)告、小論文、原創(chuàng)設(shè)計(jì)等成果展示形式促進(jìn)學(xué)生拓展思維。社團(tuán)以小任務(wù)、小項(xiàng)目等方式來檢測(cè)學(xué)生知識(shí)融合和解決問題的能力。研究性學(xué)習(xí)則更側(cè)重于提升學(xué)生的自主探究能力，具有創(chuàng)新性強(qiáng)、周期長(zhǎng)、教學(xué)碎片化、場(chǎng)地不固定等特點(diǎn)。因此，我們主要通過智能在線平臺(tái)記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)情況、師生間互動(dòng)頻次、項(xiàng)目迭代過程等，形成連續(xù)性評(píng)價(jià)依據(jù)。

高中人工智能課程實(shí)施的探索之路任重而道遠(yuǎn)。怎樣進(jìn)行高中人工智能課程和高校人工智能課程的銜接？怎樣利用人工智能技術(shù)打破學(xué)科壁壘，實(shí)現(xiàn)學(xué)科融合？怎樣借助人工智能工具提升課堂教學(xué)效果？這些都是我們將繼續(xù)深人探索的課題。我們堅(jiān)信，通過教師隊(duì)伍的能力提升、課程形式的革新變化、評(píng)價(jià)體系的模式轉(zhuǎn)變，一定可以培養(yǎng)出適應(yīng)智能社會(huì)的有責(zé)任、有擔(dān)當(dāng)、有創(chuàng)新實(shí)踐能力的時(shí)代新人。