高中人工智能教育信息化教學模式

摘 要： 人工智能作為現代信息技術的重要組成部分，在高中階段開設專門的選修課進行基礎性教育勢在必行。根據高中人工智能課程的教學目標、人工智能研究的特殊性以及高中生的認知特點，高中人工智能的教學宜采用基于問題學習（PBL）的信息化教學模式。在實際教學中，信息技術作為學生問題求解的工具應整合于PBL實施的全過程中。

關鍵詞： 人工智能；教育；信息化；教學模式

中圖分類號： G434文獻標識碼： A文章編號：1673-8454（2008）02-0012-03

人工智能是計算機科學的一個分支，已成為一門具有廣泛應用的交叉學科和前沿學科。它研究如何用計算機模擬人腦所從事的推理、證明、識別、理解、設計、學習、規劃以及問題求解等思維活動，來解決人類專家才能解決的復雜問題，例如咨詢、探測、診斷、策劃等。[1]作為信息技術一個不可缺少的重要組成部分，人工智能的基本內容在中學信息技術課程中是不能不專門提及的。而且，以往的某些教材中用一兩頁篇幅作簡單介紹的方法也根本不足以反映人工智能學科的全貌。因此，十分有必要在高中階段的信息技術課程中專門設立人工智能選修課。

一、新課程改革下高中人工智能教育的目標

2003年教育部頒布《普通高中技術課程標準（實驗）》，指出了高中人工智能課程的教育目標。

1.總體目標定位

(1)了解信息技術發展的前沿。

(2)體驗若干典型人工智能技術的應用。

(3)感受人工智能對學習和生活的影響。

(4)激發對信息技術未來的追求。

2.具體目標

(1)在基本概念方面，要能描述人工智能的概念與基本特點。

(2)在知識及其表達方面，能夠列舉人工智能的主要應用領域，掌握知識的概念、知識表達的基本方法。

(3)在推理與專家系統的學習方面，能夠演示或使用簡單的產生式專家系統軟件，知道專家系統正向、反向推理的基本原理，并且學會使用一個簡易的專家系統外殼。

(4)在人工智能語言與問題求解方面，能夠學會使用一種人工智能語言求解簡單問題，了解狀態空間的概念與方法，以及了解用盲目搜索技術進行搜索，知道啟發式搜索。

由此可見，高中人工智能教育并非大學人工智能教育專業課的簡單下移，它的主要目標之一是讓學生了解有關人工智能的最基礎的知識，讓學生理解人工智能的實質及其基本原理，掌握人工智能知識與技術中的科學方法，形成相應的技能。[2]

二、基于問題學習的信息化教學模式

1.相關概念界定

(1)信息化教學模式

信息化教學模式是技術支持的教學活動結構和教學方式，是技術豐富的教學環境，是直接建立在學習環境設計理論與實踐框架基礎上，包含相關教學策略和方法的教學模型。[3] 當前多種多樣的信息化教學模式不斷涌現出來，如基于問題學習的教學模式、基于網絡協作學習的教學模式、情境化教學模式、基于概念圖的教學模式及教學游戲、微世界等。

(2)基于問題學習的教學模式

基于問題學習（Problem-Based Learning，簡稱 PBL）的教學模式是以問題為基礎來展開學習和教學過程的一種教學模式。它強調把教與學設置到復雜的、有意義的問題情境中，通過學習者合作的形式共同解決復雜的、實際的或真實的問題，來學習隱含于問題背后的科學知識，形成解決問題的技能，并形成自主學習的能力。[4]

2.高中人工智能教育應用PBL信息化教學模式的可行性

人工智能雖然在近幾年發展迅猛，先后總結出一系列基本原理和方法。但遠未形成自己的完整的理論體系。同時，最近的研究成果很多都是以問題的提出、分析和解決為模式而發展起來的，而這恰好與PBL的步驟相吻合。因此，人工智能的教學宜采用PBL的教學模式。在實際教學中，信息技術作為學生問題求解的工具應整合于PBL實施的全過程中。

信息技術在PBL模式中的作用主要表現在：提供廣泛的信息資源；創建互動共享的智慧資源；提供便捷有效的交流方式；提供良好的學習過程記錄方式；為學生的作品制作提供了豐富多彩的表現形式；提供新的作品發表園地等等。

3.PBL信息化教學模式的流程

信息技術支持的基于問題學習的教學模式分為五個環節：提出問題、分析問題、解決問題、結果展示、學習評價，具體流程如圖1所示。在學習過程中，學生分成若干級，相互交流、合作，教師則起指導、輔助的作用。

(1)創設情境，提出問題

“學源于思，思源于疑”，學習是從認識到“有問題”開始的。在人工智能課程中，問題指的是以人工智能的理論和技術為手段完成一些任務，例如一個簡單的機械故障診斷問題、一個垃圾郵件過濾問題、一個簡單的機器人路徑規劃問題等；也可以是在人工智能學習過程中的反思性問題，如：擁有同樣的專業知識，為什么新手和老手之間的差距會這么大？怎樣才能縮小差距，讓新手也能像老手一樣思考和解決問題？機器也能思考，會不會出現某些影視片中所描繪的諸如人類最終成為機器人的奴隸之類的情況？機器是為人服務還是最終變成人為機器服務？面對諸如記憶力等方面優于人類的情況，我們應該如何面對？未來的生活是怎么樣的？[5] 教師可以在多媒體和虛擬技術的支持下，以文字、視頻、動畫或仿真環境的方式呈現問題情境，提出引導性問題。

(2)分析問題、界定問題、組織分工

第一階段：感知新情境問題，明確問題目標與條件。這一階段的目的是形成對問題的客觀陳述，即任務領域，并確定任務的起始狀態和目標狀態。在這一階段里，為了順利解決問題，學習者需要作充分的準備，主要是對情境、目標及問題背景的分析，這是問題獲得解決的必要手段。[6]

分析問題情境：對所提出或呈現的問題情境仔細思考，進行分析，在小組內進行討論，檢查你對情節和情形的理解，不要急著去思考可能的解決方法或查找信息。

分析問題實質：在分析問題情境的基礎上，確定問題的實質所在，即找到問題的本質。

界定問題、陳述問題：用自己的語言精辟地、清晰地闡述所要研究的問題，并勾畫出小組學習目標；對特定問題進行目標設定，每個目標任務分配給每個小組成員；對整個研究過程進行描述，描述段落文章形式，也可以分步驟或其他形式。

第二階段：提出假設，小組分工。即提出可能的行動、建議或解決方案，然后根據學生的興趣和能力進行分組，一般采用教師指導下的異質分組方式，把學習風格、認知水平相關比較大的學習者編制成一個小組。

第三階段：聯系已有的知識經驗，與新問題建立相關，確定行為。

列出已經知道的信息：作為一個小組，把成員所知道的每一件關于該問題的信息（包括隱含在情節中的信息）全部列出來。

列出需要做的事情，分配學習任務，確定可能的資源：小組成員通過頭腦風暴，形成一個解決問題所需信息的概念圖，并確定在哪兒可以找到所需信息。

問題分析要從實際問題出發，順著模型的建立、算法的設計、數據結構的表示、程序編碼的實現等過程，讓學生體會到解決一個實際問題需要的步驟和知識。而教師正是將一些需要講解的課程內容和知識點精心隱含在問題中。

(3)探究和解決問題

查找、收集信息：通過各種信息途徑，收集與主題相關的信息。

整理、分析信息：對所收集到的信息進行歸類、整理、分析。

相互交流、形成解決方案：交流/交換意見、思考解決方法。

通過一個具體問題的解決，可以增加學生對人工智能知識及其應用方式方法的感性認識。同時激發學生在問題解決后的成就感，增強學生的學習熱情和興趣。

(4)展示結果、成果匯總

以適當的形式，最好能用多媒體等多種方式（如幻燈片、網頁等形式）來陳述、展示你的小組對解決問題的建議、預言、推論或其他的合適的解決辦法。這是人工智能學習的重點。通過該環節，我們可以幫助學生歸納總結在任務分析和完成過程中出現的各種問題及其解決問題的思路和步驟，一方面讓學生舉一反三地對其他沒有涉及到的知識進行補充和演繹；另一方面讓學生認識到人工智能的理論和技術在實際工作中的地位和作用，進一步激發學生的學習興趣和主觀能動性。在此過程中，教師還要鼓勵優化方案的提出、分析和驗證；鼓勵學生擴展其自身的知識體系，并積累問題求解的各種方式方法：鼓勵其創新意識和主動學習意識的培養。

4.評價、反饋

小組之間共享他們所創建的解決方案，對方案進行評價，并評價各小組在整個問題解決過程中的表現。

三、基于問題學習的信息化教學模式實施建議

1.充分考慮高中生的認知特點，選擇與學生的學習和生活相近的問題

高中生年齡普遍在十四五歲到十七八歲之間，心理逐漸趨于成熟，思維能力得到很大的發展，能從具體事物看出抽象規律，并具有辯證性，喜歡提出獨到見解。但是由于長期以來受傳統教學的影響，接受的教育主要是學科知識的教學，對于人工智能方面的知識接觸較少，或者基本沒有接觸。這要求人工智能教育在高中的開展應考慮其原有知識、能力與情感基礎，將課程目標定位在了解和體驗上，選擇那些與學生的學習、生活關系密切的，看得見、摸得著的人工智能應用問題作為案例展開教學，使人工智能教育過程中所學到的技能、方法、策略等能夠運用到生活以及其他學科的學習或問題的解決中。

2.合理利用網絡信息技術和多媒體技術，充分發揮數字化教學資源的優勢

以數字化教學資源為要素營造的數字化學習環境能夠支持教師指導下的以學生為中心的學習，為學生的學習創造自由的學習氣氛與情境，有利于學生發展自身在認知、能力、情感等方面的潛能[7]。教師在進行問題教學，如進行專家系統、符號運算、機器翻譯等內容的教學與實驗過程中，要將數學化教學資源緊密嵌入到問題情境的創設、問題的分析和問題解決的支持系統中，使數字化教學資源體現在問題中，深入到過程中，并與之融為一體，而不僅僅是表面上教學手段的先進性和信息化的形式表現。

四、結語

新課改推行已有三年，但我國高中人工智能教育的開展現狀不容樂觀，還有很長的路要走，不僅需要教育主管部門的政策方針，更需要廣大的一線教師和教研人員的全力投入和高校的大力配合，開發出各種適合于高中人工智能教育的教學模式，不斷完善高中的人工智能教育。

參考文獻：

[1] 金聰， 劉金安. 人工智能教育在能力培養中的作用及改革設想[J]. 計算機時代， 2006，（9）: 66- 69.

[2] 周躍良， 張燕. 人工智能的理論基礎及教學組織[J]. 中小學信息技術教育， 2003， （10）: 10- 13.

[3] 苑永波. 信息化教學模式與傳統教學模式的比較[J]. 中國電化教育， 2001， （8）: 26- 28.

[4] 付強. 基于網絡的協作問題解決學習活動模式探析[J]. 現代遠距離教育， 2005，（5）: 43- 46.

[5] 錢旭升， 鄭和. 我國高中人工智能教育目標的分類分層體系構建[J]. 課程·教材·教法， 2007， 27（1）: 71- 74.

[6] 左曉梅. 面向問題解決的數字化教學資源設計[J]. 現代遠距離教育， 2005， （2）: 20- 22.

[7] 徐紅彩. 數學化教學資源的設計與開發[J]. 開放教育研究， 2002， （6）: 41- 43.