人工智能科普教育探究
——以初中“語音合成”課為例

趙飛龍 鐘 錕 劉 敏

（科大訊飛股份有限公司，安徽合肥 230088）

引言

人工智能技術正深刻地影響著人類社會，多個國家已將人工智能列為提升國家競爭力的重大戰略。如2016年1月，日本在《第五期（2016～2020年度）科學技術基本計劃》中提出了超智能社會5.0戰略；2016年10月，美國先后發布《為人工智能的未來做好準備》、《國家人工智能研發戰略規劃》，制定了美國人工智能的發展路線和戰略；2017年1月，英國發布《人工智能：未來決策制定的機遇與影響》，論述了如何利用英國在人工智能領域的優勢來增強國力。

在此背景下，完善人工智能人才培養體系、提升全民的人工智能素養，可為把握人工智能發展的重大歷史機遇提供源動力。2017年7月，國務院在印發的《新一代人工智能發展規劃》中指出要“把高端人才隊伍建設作為人工智能發展的重中之重，堅持培養和引進相結合，完善人工智能教育體系，加強人才儲備和梯隊建設”，并“實施全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育”[1]。由此可見，中小學人工智能科普教育的開展，已成為我國人工智能重大戰略落地的重要手段。

一 人工智能科普教育與人工智能素養

科普教育是把人類已經掌握的科學技術知識（包括科學思想、觀念、方法、精神等），通過多種形式和渠道，廣泛地傳播到國民中去，從而促進社會精神文明和物質文明的發展，它是促進“科教興國”戰略實施的必經之路[2]。人工智能科普教育是將人工智能技術知識通過教授、體驗、應用等手段，讓學習者掌握基本的人工智能知識，具備初步的人工智能能力。人工智能科普教育不僅要為高校和社會輸送人工智能專業人才，更應注重提升學生的人工智能素養——人工智能素養是科學素養的重要組成部分，而科學精神和實踐創新是學生發展核心素養的重要內容，因此要培育人才、提升學生的發展核心素養，其重中之重在于培養學生的人工智能素養。

培養學生人工智能素養的核心目標，在于培養學生的以下能力：①人工智能鑒賞力——人工智能具有一定的抽象性、復雜性和多面性，在科普教育中可通過體驗、操作等方式，讓學生對人工智能進行感性認識、理性欣賞和價值評判；②人工智能理解力——深化學生對人工智能的支撐技術、構成及特征、基本原理、應用價值等知識理解及知識遷移能力；③人工智能應用力——通過采取項目式學習的方式，培養學生在實踐中利用人工智能解決問題及實踐創新能力。

二 人工智能科普教育的特點及價值

國務院辦公廳在印發的《全民科學素質行動計劃綱要實施方案（2016-2020年）》中強調：“以科普信息化為核心，推動實現科普理念和科普內容、表達方式、傳播方式、組織動員、運行和運營機制等服務模式的全面創新?！盵3]基于此，本研究認為人工智能科普教育也應進行全面創新，形成以下特點：①引入趣味化。中小學生的學習特點要求科普內容具有趣味性，以激發學生的學習興趣。②知識生活化。由于學生與科普內容進行直接接觸的機會較少，故容易造成認知困難，而通過人工智能技術將科普內容與學生的生活實際相關聯，就可以適當降低學習難度。③原理可視化。科普內容中復雜的原理知識與學生的現有認知匹配難度較大，因此在原理知識的講解過程中宜多采取可視化的方式來呈現，并可適當增加人機交互的內容。④活動外顯化。在人工智能科普教育中采取項目式學習的方式，并通過外顯的機器人、硬件設備等即時支持相關的學習活動，吸引學生注意力，并培養學生的動手操作能力。⑤成果分享化?；顒咏Y束之后進行經驗總結與成果分享，能夠有效提升學生對科普內容的理解與表達能力。

陳曉偉等[4]認為，應用現代教育技術，實現多媒體教學，具有可組合、可擴充的特點，與培養學生思維的擴散性思維形成完美的結合。而開展人工智能科普教育，有利于培養中小學生的思維——這對于中小學生的個人成長和未來發展來說十分重要。此外，由于我國人工智能尖端人才儲備還遠遠不能滿足市場的需求，故通過各種手段培育人工智能創新型人才和先進型技術團隊，已成為很多高校和各大企業的工作方向。而人工智能科普教育的實施，能夠在中小學階段培養大量的基礎型人工智能人才，這就為高校和企業的人工智能人才輸入提供了豐富的選擇。

三 人工智能科普教育教學模式的構建

本研究認為，人工智能科普教育應注重以學生為中心，強調學生學習的主動性，避免以教師為中心的知識灌輸，這方面可以借鑒余勝泉等[5]提出的基于建構主義的教學設計模式——他們強調建構主義的教學設計要發揮學習者在學習過程中的主動性和建構性，并根據初級學習和高級學習劃分，提出了自上而下的教學設計思想和知識結構網絡的概念，重視“情景”、“協作”在教學中的重要作用。與此同時，人工智能科普教育還應突出以實踐體驗為核心的項目式學習，從能力提升、實踐應用的角度為學生學習提供支持，這方面可以參考邵征鋒等[6]提出的基于電子書包的PBL教學模式——他們強調讓學生通過電子書包，親身參與新知識發現的過程，發揮學生的主動性、積極性，在合作、探索的過程中去發現新知識，從而更深刻地理解知識的內在屬性、更好地建構個體的知識結構。在基于建構主義的教學設計模式和基于電子書包的PBL教學模式的指導下，本研究構建了集教學目標、教學活動、教學工具于一體的人工智能科普教育教學模式，如圖1所示。

圖1 人工智能科普教育教學模式

在人工智能科普教育教學模式中，教學目標分為“知識與技能”、“過程與方法”和“情感、態度、價值觀”三個維度，以培養學生習得人工智能的基礎知識與技能，采用相關方法進行人工智能知識與技能的理解、運用與遷移，進而升華為人工智能倫理等。教學活動按照體現人工智能科普教育之特點的要求進行流程設計。在教學工具中，網絡資源、課件資源和素材庫可為教師提供多種選擇，便于教師在進行教學引入與知識講解時聯系生活實際，并趣味化呈現課程內容；認知工具如交互式小程序、微課、Flash動畫等能夠對復雜的過程和原理進行可視化展示，便于學生理解；編程工具針對小、初、高不同學段提供Scratch和Python的編程環境，通過對人工智能接口的靈活調用實現對知識的遷移應用；協同工具支持小組式的分布式編程與小組交流功能，為項目式學習提供支持；存儲工具能夠對學生小組作品進行記錄和留存，為后續過程性評價和終結性評價提供依據；評價工具通過對過程性數據的跟蹤和分析，了解學生參與項目的學習成果質量和合作情況，對學生的學習效果進行綜合評價。

四 人工智能科普教育教學模式的實踐案例

本研究以2018年2月人工智能課程體系中初一年級的“語音合成”課在蘇州D學校的實踐為例，對人工智能科普教育教學模式進行了應用?！罢Z音合成”課的教學目標如表1所示。為達到既定的教學目標，“語音合成”課首先通過與學生生活實際相關的高德地圖導航、智能客服等引入問題，然后對語音合成的概念、原理進行講解和可視化演示，再通過調用語音合成模塊、結合編程練習與機器人操作進行項目設計與實踐，最后明晰語音合成在生活中的應用價值，并對技術本身的倫理與道德進行反思和評價。根據人工智能科普教育教學模式相關教學活動的設計，“語音合成”課的具體教學流程如下：

1 問題引入，學習激趣

①問題引入：教師播放高德地圖導航中王俊凱說話的聲音，向學生提問：這些是機器在說話還是王俊凱在說話？引導學生得出答案：這是機器的聲音。

②學習激趣：播放語音合成視頻，利用語音合成技術制作奧巴馬聲音輸出的視頻材料，播放“歡迎同學們學習本節課”的視頻內容。

表1 “語音合成”課的教學目標

2 聯系生活，知識傳授

①聯系生活：教師向學生提問：“你們遇到過機器說話的場景有哪些？”引導學生注意錄音機的聲音、廣播的聲音、微信讀書、叫號系統等在導航、智能客服、在線閱讀、聽力制卷、餐飲服務等場景中的應用，并判斷哪些為語音合成、哪些為人類錄制。

②知識傳授：教師講授語音合成概念，即語音合成（Speech Synthesis 或 Text To Speech）是通過機械的、電子的方法產生人造語音的技術。

3 可視化支持，理解原理

教師通過可視化的圖例演示，讓學生理解語音合成的基本原理為語料采集、文本切割、拼接重組。語音合成基本原理的可視化圖例如圖2所示。

圖2 語音合成基本原理的可視化圖例

4 編程練習，實踐操作

①編程練習：分小組練習，學生通過編程軟件調用語音合成的可視化模塊，體驗用不同人物語音合成任意文字的過程，利用編程實現不同語音的合成對話。

②實踐操作：各小組將本小組編寫的程序發送至機器人，調試并形成小組作品。

5 作品分享，總結提升

①作品分享：各小組對本組作品進行演示和分享。小組作品舉例：小樂的奶奶特別喜歡看書，但隨著年齡的增大，她的視力越來越差，因此小樂經常讀書給奶奶聽。但不久后小樂要出國讀書，無法繼續陪伴在奶奶身邊給她讀書，于是小樂通過語音合成的方式，不僅為奶奶讀各種各樣的書，還將自己平常沒有說出口的愛和感謝話告訴奶奶。

②總結提升：在實際生活中，語音合成技術一方面可以解決盲人的讀書需求，但另一方面也有可能被壞人用于電話詐騙等犯罪行為。因此，學生應清楚地認識如何正確、負責任地使用該技術。

最后，本研究針對“語音合成”課的教學設計與實施效果，對一線教師進行了訪談，得到了積極的反饋。如蘇州D學校老師上課后表示：“語音合成是一個比較有趣的主題，教學通過以演示體驗和探究活動為主的形式，幫助學生了解語音合成的原理，能引發學生的興趣，并給學生帶來了一定的視聽沖擊”。此后，廣州H學校也開設了“語音合成”課，其信息技術主任表示：“語音合成調用了人工智能技術和現場錄說的教具，對那些有創作和表達欲望的人來說是一個很好的幫手。人工智能技術不是為了取代人，而是幫助老師更好地上課、學生更好地學習?！?/p>

五 中小學人工智能科普教育體系的搭建

人工智能科普教育教學模式在中小學的落地與推廣，需從課程體系、學習環境、配套教具、師資隊伍等方面入手進行體系化設計：

1 課程體系設計遵循五大原則

①課程體系應具備銜接性。中小學人工智能課程應著眼于長遠發展，考慮課程內容與大學相關專業課程之間的銜接，形成從人工智能基礎教育到人工智能高等教育的課程梯度。②課程體系應具備科學性。中小學要搭建比較科學合理的學習“腳手架”，如設計人工智能科普、智能語音、計算機視覺、自然語言處理、大數據等模塊，引導學生系統化學習課程內容。③課程體系應具備層次性。課程內容層次由低到高可分為概念認知、初步體驗、基礎訓練、合作創作等，以推動學生學習的不斷深入。④課程體系應具備情境性。課程內容應與學生的日常生活場景相結合，以吸引學生的注意力，并便于學生理解、消化。⑤課程體系應具備實踐性。課程內容應設置形式多樣的項目實踐活動，吸引學生通過動手操作來應用、遷移相關的知識和技術。

表2 人工智能創新實驗室功能分區

2 構建沉浸式的智慧學習環境

黃榮懷等[7]認為，在傳感技術、網絡技術、富媒體技術及人工智能技術充分發展的信息時代，教室應是一種能優化教學內容呈現、便利學習資源獲取、促進課堂交互開展、具有情景感知和環境管理功能的新型教室，這種教室被稱為智慧教室。由于智慧教室是一種典型的智慧學習環境的物化，故中小學進行人工智能科普教育時，可以建設一種沉浸式的智慧學習環境——人工智能創新實驗室。具體來說，人工智能創新實驗室遵循學習金字塔（Learning Pyramid）理論[8]進行功能分區，包括文化科普區（聽講與閱讀）、技術體驗區（視聽與演示）、互動教學區（交流與討論）、實驗操作區（演練與操作）、分享展示區（展示與演講）以及儀器設備區（存放與管理），如表2所示。

3 完善與課程體系配套的實驗器材及其應用

中小學進行人工智能科普教育時，應完善與課程體系配套的實驗器材，為學生提供封裝后的人工智能技術模塊和接口，并結合人工智能課程內容，針對不同學段的學生提供相應的可視化編程語言和計算機程序設計語言，引導學生完成對人工智能知識與技術的學習。以高中為例，可通過Python語言和人工智能開放接口，讓學生根據課程內容調用云端技術和服務。程序調試后通過無線或藍牙傳輸代碼，促使具備多傳感器的機器人執行相應指令。外設的機器人應配備語音、圖像、感知、運動等各類傳感器，讓學生獲得對人工智能技術的可視化和立體化體驗。

4 培養具有較強人工智能教學實踐能力的師資隊伍

作為教學系統要素之一的教師信息技術能力，對于促進教育信息化進程、轉變學習方式、培養創新性人才等方面具有不可替代的作用[9]。為進一步落實相關政策和要求，《教育部教師工作司2018年工作要點》指出：“支持部分學校引入人工智能教學實驗，推動教師主動適應信息技術變革”[10]。具體來說，培訓內容應從人工智能科普教育對教師的要求出發，將人工智能技術與教學場景相結合，突出針對性，強調實用性；應注重教師創新意識和實踐能力的培養，推動新技術與教師專業發展的有機融合，提升教師的新技術應用能力。此外，學校可以通過組織專家講座、教師研學等活動，提升教師的人工智能教學與實踐能力。

從微觀上來說，中小學人工智能科普教育體系的搭建，不僅能幫助學生立體化學習并應用人工智能的知識與技術、提升人工智能素養，而且為教師提供了廣闊的職業發展空間、助推教師增強創新意識并提升新技術的應用能力。從宏觀上來說，中小學人工智能科普教育體系的搭建，不僅有利于中小學系統化開展人工智能科普教育，并由此增強學校的科技軟實力，而且為國家培養人工智能創新型人才提供了基礎支撐。目前，人工智能科普教育教學模式還有待在更大的范圍內進行實踐，中小學人工智能科普教育體系也有待進一步完善。希望教育工作者和各機構繼續努力，共同推動人工智能科普教育在中小學的可持續發展。

[1]國務院.新一代人工智能發展規劃[OL].

[2]牛紅艷.青少年科普教育活動的實踐與探索[J].圖書館建設,2007,(3):17-19.

[3]國務院辦公廳.全民科學素質行動計劃綱要實施方案(2016-2020年)[OL].

[4]陳曉偉,胡菁.淺談現代教育技術環境下學生創新能力的培養[J].現代教育技術,2011,(6):142-144.

[5]余勝泉,楊曉娟,何克抗.基于建構主義的教學設計模式[J].電化教育研究,2000,(12):7-13.

[6]邵征鋒,張文蘭,李喆.基于電子書包的PBL教學模式應用探究——以小學數學課為例[J].現代教育技術,2016,(5):37-43.

[7]黃榮懷,胡永斌,楊俊鋒,等.智慧教室的概念及特征[J].開放教育研究,2012,(2):22-27.

[8]成小娟,張文蘭,李寶.電子書包在小學語文閱讀教學中的應用模式及成效研究——基于學習成效金字塔理論的視角[J].中國遠程教育,2017,(4):57-64、78.

[9]吳軍其,羅攀,沈紅云.中小學教師信息技術能力培訓策略研究綜述[J].電化教育研究,2016,(1):123-128.

[10]教育部教師工作司.教育部教師工作司2018年工作要點[OL].