初中人工智能課程建設(shè)初探

張建彬

近幾年，人工智能成為人們經(jīng)常聽到的詞語。人臉識別、語音交互、語義分析等人工智能技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。智能音箱、語音導(dǎo)航等人工智能產(chǎn)品也成為人們生活中經(jīng)常使用的工具。人工智能技術(shù)成為了社會發(fā)展的重要力量，正在改變著人們的生活，也將繼續(xù)引領(lǐng)時代的發(fā)展。為了更好地適應(yīng)時代，所有人都需要對人工智能有所了解。

2017年，國務(wù)院印發(fā)了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出要在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，推動人工智能領(lǐng)域一級學(xué)科建設(shè)，完善人工智能教育體系等內(nèi)容。在此背景下，各地中小學(xué)相繼開設(shè)了人工智能課程。人工智能課程從大學(xué)的計算機專業(yè)課程變?yōu)橹行W(xué)甚至幼兒園開設(shè)的一門課程，引發(fā)了全民學(xué)習(xí)的熱潮。

開設(shè)人工智能課程的學(xué)校很多，課程內(nèi)容、課程載體、教學(xué)形式、學(xué)習(xí)成果也是多種多樣的。初中階段，人工智能課程應(yīng)該包含哪些內(nèi)容？對于這個問題，目前國家也還沒有相應(yīng)的針對人工智能的課程標(biāo)準或者課程綱要。教育專家們也有著各自的看法。中學(xué)教師們也是自主設(shè)置課程內(nèi)容。可以說，中小學(xué)人工智能課程的建設(shè)，還處在探索階段。我校從2018年11月開始探索在初中階段進行人工智能課程建設(shè)，并進行了教學(xué)實踐。我們在課程內(nèi)容、課程模塊、課程評價三個方面有所體會，下面予以簡單介紹。

課程內(nèi)容以常見的技術(shù)應(yīng)用為主

關(guān)于人工智能課程的內(nèi)容，很多學(xué)校教師、相關(guān)機構(gòu)也有著不同的理解。《2017年中國互聯(lián)網(wǎng)學(xué)習(xí)白皮書之中國人工智能教育發(fā)展報告（基礎(chǔ)教育）》通過對全國中小學(xué)進行問卷抽樣調(diào)查，得到有效數(shù)據(jù)76751條。統(tǒng)計后發(fā)現(xiàn)，全國初中學(xué)段開設(shè)與人工智能直接相關(guān)課程的學(xué)校占比達到了93.49%。但這里包含了編程課程、機器人課程、3D打印課程、創(chuàng)客課程、AI講座等內(nèi)容。很多時候，這些課程中會應(yīng)用到人工智能技術(shù)，但不能簡單地認為這些課程就是人工智能課程。還有很多學(xué)校只是介紹了一些人工智能基礎(chǔ)知識或者對人臉識別、語音識別進行了幾節(jié)課的教學(xué)，涉及了人工智能的一些知識，但由于課時少、內(nèi)容少，還未形成課程內(nèi)容體系。也有一些學(xué)校開設(shè)了非常專業(yè)的人工智能課程，滿足了對人工智能有興趣、有潛力深入探索的學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

基于初中學(xué)生的年齡特點、知識儲備、理解能力等學(xué)情，我們認為初中階段應(yīng)該以認識身邊常見的人工智能技術(shù)應(yīng)用為主，在有限的課時內(nèi)，盡可能涵蓋學(xué)生日常生活中常見的、能夠用到的內(nèi)容。因此在內(nèi)容上，我們設(shè)置了人工智能基礎(chǔ)知識、語音技術(shù)、圖像技術(shù)（人臉識別、文字識別、圖像識別）、機器學(xué)習(xí)、自然語言處理等常見的人工智能技術(shù)內(nèi)容。在學(xué)習(xí)這些內(nèi)容的過程中，還會涉及物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等內(nèi)容。人工智能在促進社會進步的同時，也帶來了一些安全、倫理性問題，所以也應(yīng)設(shè)置相關(guān)的內(nèi)容。豐富的課程內(nèi)容，能夠讓學(xué)生對人工智能技術(shù)有較全面的了解，通過對這些內(nèi)容的學(xué)習(xí)，旨在讓學(xué)生了解人工智能技術(shù)，合理使用人工智能技術(shù)解決真實問題。

模塊設(shè)置從體驗技術(shù)到解決問題逐步進階

對于初中學(xué)生，不僅僅需要初步體驗人工智能技術(shù)，還應(yīng)該對技術(shù)背后的原理有所了解，同時能夠使用人工智能技術(shù)解決生活中的問題。這是一個逐步進階的過程。因此在人工智能學(xué)習(xí)的過程中，我們設(shè)置了三個模塊來完成這三個階段的學(xué)習(xí)。

（1）體驗感知。當(dāng)今社會，每個人幾乎都會用到人工智能技術(shù)。體驗感知不僅可以讓學(xué)生了解人工智能技術(shù)、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，更重要的是，可以讓學(xué)生掌握常見的人工智能產(chǎn)品的使用方法，能夠用人工智能為生活服務(wù)。

體驗感知是學(xué)習(xí)人工智能的第一個環(huán)節(jié)，也是不可或缺的環(huán)節(jié)。教學(xué)過程中的體驗，建議使用生活中能夠真實用到的產(chǎn)品讓學(xué)生進行真實的操作體驗。如智能音箱、手機App等。在掌握這些產(chǎn)品的使用方法及對功能有所了解后，可以嘗試讓學(xué)生說一說涉及了哪些技術(shù)，這些技術(shù)可以用來解決什么問題，這些技術(shù)可能存在哪些問題。通過深入思考和討論，來培養(yǎng)學(xué)生的分析力、創(chuàng)造力及養(yǎng)成安全、道德、倫理的意識。如在學(xué)習(xí)語音技術(shù)的時候，教師將智能音箱帶到課堂中，在上課的過程中通過語音控制音箱來完成計時提醒等任務(wù)，讓學(xué)生先感受到它的應(yīng)用價值，再討論語音技術(shù)的用途及可能存在的問題。

（2）原理學(xué)習(xí)。有了體驗之后，作為初中學(xué)生，需要對人工智能相關(guān)的技術(shù)原理進行簡單了解。原理學(xué)習(xí)是枯燥的，單純通過教師講解無法引發(fā)學(xué)生思考，同時會降低學(xué)習(xí)興趣。因此我們嘗試讓學(xué)生通過動手體驗的方式，總結(jié)出相關(guān)內(nèi)容，教師再加以總結(jié)。如在介紹人臉?biāo)阉鞯膬?nèi)容時，讓學(xué)生拍攝或上傳照片建立人臉照片庫、拍攝或上傳待檢測照片、觀察待檢測照片與人臉庫中的照片一一對比的過程。每一個步驟都需要學(xué)生操作完成，同時看到直觀的過程與結(jié)果。通過操作、觀察、思考等一系列環(huán)節(jié)，總結(jié)出人臉?biāo)阉餍枰?jīng)過建立人臉庫、遍歷人臉庫、特征值對比等幾個關(guān)鍵步驟。然后讓學(xué)生進行思考，剛才的過程與原理，在實際應(yīng)用中可能存在哪些問題，應(yīng)如何調(diào)整？

對于比較難懂的原理，如果學(xué)生無法通過自行操作來進行總結(jié)，教師可以加以引導(dǎo)，將問題簡化，然后引導(dǎo)學(xué)生去分析和求解簡單問題。如介紹語音識別的原理時，學(xué)生想到了將錄下來的聲音波形與文字形成一一對應(yīng)，然后對每句話的波形建立數(shù)據(jù)庫進行對比，但是否能夠?qū)崿F(xiàn)呢？通過試驗發(fā)現(xiàn)，對于相同的內(nèi)容，不同的人甚至同一個人每次錄的聲音波形都會存在差異。這時候我們會讓學(xué)生觀察與思考如何減少波形的變化，并解決說出的內(nèi)容與文字能夠形成對應(yīng)關(guān)系這個問題。最終發(fā)現(xiàn)如果波形的長度非常短，變化就很小。同時這種很短的波形，所表示發(fā)音的數(shù)量也變得很有限。于是就講到了分幀操作。通過問題的層層引導(dǎo)，學(xué)生就能夠理解原理。

我們不是要將每個學(xué)生都培養(yǎng)成人工智能專家或者計算機專家，因此不能僅僅停留在對于原理了解的層面，還需要讓學(xué)生通過對于原理的學(xué)習(xí)，發(fā)現(xiàn)一些解決問題的思路和方法，能夠運用這些思路和方法來解決其他問題。這樣才是從思維方式層面對學(xué)生進行培養(yǎng)。如人工智能的很多技術(shù)中，都使用了概率論，那就可以讓學(xué)生思考，用概率論還能解決其他學(xué)科或者生活中的哪些問題。

（3）編程實踐。感知體驗、了解原理之后，可以通過編程的方式，讓學(xué)生自主設(shè)計軟、硬件作品來表達自己的想法和創(chuàng)意，解決生活中的實際問題。

編程教育在初中階段已經(jīng)得到廣泛普及。大多以Scratch等圖形化編程平臺為主，有的學(xué)校也嘗試使用Python語言進行編程教育。在編程中加入人工智能的內(nèi)容，更多的是通過調(diào)用人工智能模塊、修改參數(shù)來進行。降低人工智能編程的難度就可以讓更多的學(xué)生通過編寫程序來設(shè)計、制作自己的作品，從而表達想法，解決問題。

在編程階段，我們首先讓學(xué)生通過編程來模仿生活中的產(chǎn)品或者場景的功能來熟悉各個模塊。如編寫程序?qū)崿F(xiàn)智能音箱的功能或者實現(xiàn)識別車牌號顯示停車費的功能等。這樣可以在熟悉編程平臺的同時，對生活中實際應(yīng)用的流程有進一步的理解。這一點也是“感知體驗”和“原理學(xué)習(xí)”兩個模塊中所欠缺的。通過編寫程序，理解了設(shè)計一款人工智能產(chǎn)品的基本流程，為學(xué)生完成自己的創(chuàng)意理清思路。

模仿實際產(chǎn)品或應(yīng)用之后，學(xué)生對編程平臺的使用方法已經(jīng)熟練掌握。接下來，就可以自主設(shè)計、編寫程序，發(fā)揮創(chuàng)意，解決實際問題。實際教學(xué)過程中，也取得了不錯的效果。如有的學(xué)生編寫了通過文字識別來判斷寫字是否規(guī)范的練字程序，有的學(xué)生應(yīng)用語音技術(shù)編寫了練習(xí)英語聽力和單詞朗讀的程序。這不僅是課堂作業(yè)，更是作為具有實用價值的產(chǎn)品供廣大學(xué)生使用，讓技術(shù)為學(xué)習(xí)及生活更好地服務(wù)。

過程性評價為主，測試性評價為輔

對于人工智能的學(xué)習(xí)，目的是讓學(xué)生認識、應(yīng)用人工智能技術(shù)，了解簡單原理的同時將解決問題的思路應(yīng)用到其他問題解決的過程中，最后發(fā)揮創(chuàng)造力，通過人工智能技術(shù)來解決生活中的問題。因此在評價方式上，對于一些操作技能的內(nèi)容，通過測試的方式來對學(xué)生進行評價;對于原理學(xué)習(xí)、技術(shù)思考、道德倫理、創(chuàng)新實踐等環(huán)節(jié)，多以過程性評價為主，注重學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的想法、觀點的表達，以及思考問題的角度、解決問題的效果等。我們的目標(biāo)不是讓學(xué)生達到一個硬性標(biāo)準，而是希望學(xué)生通過對人工智能的學(xué)習(xí)，能夠更加適應(yīng)時代，能夠應(yīng)用人工智能技術(shù)更好地思考和解決問題。

作者單位：北京師范大學(xué)附屬中學(xué)