當前高中開展人工智能教學的新思考

摘 要：為了滿足國家對人工智能發展戰略的需求，在高中階段開展人工智能教育，對于促進該技術的普及與發展，發掘更多潛在的人才都具有重要的意義。本文首先分析當前最新的人工智能技術進展情況，再比較國內外的人工智能教育現狀，從人工智能教育所需的基礎知識、軟硬件平臺，應用演示著手，討論了如何在高中開展人工智能教育，并提出了基于云平臺的方法，實現人工智能教育在高中教學的開展。

關鍵詞：人工智能；高中教學；新思考

一、 人工智能概述

人工智能技術在歷史上曾經歷過幾次高潮和低谷。最近幾年，隨著芯片技術的提高，人工智能技術又迎來一個新的發展高潮期。人工智能的概念在不同的歷史時期體現出不同的含義，在實現上也存在巨大的差別。傳統的人工智能并不具備學習的能力，而機器學習實際上是在用大量數據和算法去“自我訓練”，從而學會如何完成一項任務。人工神經網絡是機器學習算法的一種，用計算機模仿人類的神經網絡，實現機器學習的功能（如圖一所示）。人工神經網絡仿照人的神經元系統設計，從而具備一定的學習的能力，復雜的人工神經網絡又稱為深度學習。實際上，是人工神經網絡和深度學習推動了今天人工智能技術的大爆發。人工智能、機器學習與深度學習的關系（如圖二所示）。

二、 高中人工智能教育的必要性

當前，人工智能技術在一些特定領域取得應用。比較典型的應用包括人臉識別、語音識別，潛在的應用領域包括醫療、金融和自動駕駛等。我國政府已經把人工智能當成一項國家戰略來發展，于2017年制定和發布了《新一代人工智能發展規劃》。根據該計劃，到2030年，我國的人工智能理論、技術與應用總體達到世界領先水平，成為世界主要人工智能創新中心。在《新一代人工智能發展規劃》中，提出實施全民人工智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育，鼓勵社會力量參與寓教于樂的編程教學軟件、游戲的開發和推廣。高中階段設置人工智能相關課程，不僅可以提高學生對人工智能的興趣，還可以為高等學校培養具有一定人工智能知識和素養的合格學生。然而，如何在高中階段建設人工智能課程，尤其是面向當前深度學習和人工神經網絡的人工智能課程，還面臨諸多挑戰。本文將在分析國內外人工智能教育現狀的基礎上，討論如何在高中開展人工智能教育。

三、 國內外現狀高中人工智能教育現狀

早在2003年，教育部正式頒布普通高中技術課程標準（實驗），首次在信息技術科目中設立了“人工智能初步”選修課程。無錫第一中學的《初識人工智能》課程，可以進行機器證明、模式識別、自然語言處理、人機博弈和智能機器人等內容的演示，但課時較少，只能實現普及知識的作用。福州第八中學的人工智能課程，教授基本的人工智能理論，使用Prolog語言進行教學與實踐。從現有文獻看，國內高中階段的人工智能教學基于上一代的人工智能技術，其案例過于陳舊，與當前的人工智能發展狀況不符合。傳統的人工智能教育有時候過于重視競賽，缺乏必要的課程建設，像機器人等教學難以深入課堂。2018年教育部公布了《普通高中課程方案和語文等學科課程標準（2017年版）》，在此次“新課標”改革中，正式將人工智能、物聯網、大數據處理正式劃入新課標。“人工智能”課程仍然作為選修課程。相比于2003版課標，此次公布的“新課標”中，在課程選擇上仍然給予學生較大的選擇空間，但提升了在編程、計算思維、算法方面的要求，以及人工智能、開源硬件、網絡空間安全等知識面要求。

國外也有不少文獻介紹在高中階段展開人工智能教育。美國的德雷塞爾大學為高中階段的機器學習開發了一套教學系統，基于簡化的K均值聚類算法實現硬幣、細菌分類等功能，結合討論課程以加深學習與理解。卡內基梅隆大學面向高中學生開設人工智能的大學預科課程，有專門的網站提供包括參考的教材和資料，以及詳細的可用案例。歐洲的部分地區也開展了面向高中的人工智能教育探索，其中分析了高中人工智能教育的可能性，提出高中的人工智能教育可以為大學的計算機專業提供大量的候選人才，也建議基于歐盟的相關教學推廣機構來實現高中階段的人工智能教育。

從國內外的文獻看，在美國一些有條件的高中開設適合高中學生知識背景的機器學習課程，其主要面向優秀的學生，并作為大學的預備課程。中國的人工智能技術研究起步并不晚，也積累了一定的技術實力和人才儲備。當前國內高中階段的人工智能教育受思想認識、教材建設、教學教法、教學條件等因素制約外，師資也比較匱乏。另一方面，當前的人工智能技術更新很快，編程語言的發展很快，亟需更新課程。

四、 可行性分析

高中的人工智能教學，其主要目的應該是提高學生的人工智能知識素養，使學生通過學習實踐，感受和增強人工智能的理念，初步掌握人工智能有關的技術原理，為以后提供學習的動力和方向；也使學生在以后遇到發展選擇時能進行具備一定的思考和掌握能力。本文將從人工智能教育所需的基礎知識、軟硬件平臺、應用演示著手，討論如何在高中開展人工智能教育。

五、 計算機編程基礎

高中的人工智能教育需要首先普及一定的計算機及編程原理。目前很多地區從小學開始進行計算機教育，到了高中階段，學生可以具備一定的基礎。當前，機器學習中可以被使用的語言也有很多，常用的有MATLAB、Python、Java、C/C++等。這些語言中，C/C++或者Python是用得比較多的語言，尤其是Python語言其受歡迎程度較高，可以作為一種優先選擇的編程語言。隨著計算機編程課程的普及，以后會有越來越多的高中學生具備一定編程能力，為實現人工智能教學打下良好的基礎。

六、 數學與邏輯基礎

數學與邏輯基礎是掌握人工智能所需的另外基礎知識。雖然實際應用的人工智能與機器學習往往要求較高的數學基礎，但也有部分的機器學習算法可以通過簡單的數學方法加以實現。比如當前基于神經網絡的機器學習，更多地模仿人腦的行為，其數學知識可以比較簡單。卷積神經網絡中可以只用到簡單的乘法、加法，相對來說這部分的數學要求也并不高。在高中階段的教學中，對于簡單的應用，甚至可以通過自己的努力實現神經網絡設計，并進行簡單的分類學習和識別學習。此外，人工智能中涉及一些邏輯操作，如與、或、非、異或等邏輯運算操作。這部分知識體系當前一般在大學的電子信息類專業課程進行講授，這些基本的邏輯操作概念對于高中學生來說也不難掌握。總的來說，通過簡單化、基本化以后，這部分知識對于高中學生的教學來說難度不大，不會影響人工智能的教學效果。

七、 軟硬件硬件平臺與應用演示

可以演示的教育平臺是實現人工智能教學的重要組成部分，對培養學生的興趣非常有幫助，演示平臺包括軟件和硬件兩個部分組成。在上文的分析中指出，人工智能或者機器學習的核心部分可以使用簡單的數學和邏輯基礎來實現，但如果要實現基本的演示功能，整個人工智能程序里還需要包括大量的復雜程序。實際上，這些復雜的程序由特定的研究人員完成，一般的學習或者開發人員并不需要花很多的精力去重新完成這些功能，這些現有的軟件又稱為機器學習框架。這些機器學習框架，基本上都是開源的程序，網上有大量的資料。在人工智能教學中，機器學習框架可以認為是一種軟件平臺。

實現機器學習教學，還需要在一定的硬件平臺。比較經濟實用的硬件平臺是通過云計算實現，比如騰訊和阿里云等都可以提供虛擬的計算機，在這種環境下安裝機器學習的框架，會更方便經濟。當前主要的人工機器學習包括圖像分類、語音識別等。這些應用易懂、有趣，有大量的示例，在教學過程中可以獲得大量現成的教學資源。

利用云計算平臺，不依賴于特定的硬件平臺，會更加方便機器學習教學的推廣和應用。當前的人工智能人才還比較缺乏，一種比較好的方式是引入社會的機構，提供教學案例的開發和軟硬件環境。當前高校里有很多的研究人員進行人工智能的研究，一些有條件的附屬學校，可以利用這些資源進行人工智能教育的開展。由于國家還沒有專門的人工智能技術相關的科普和推廣機構，為了適應發展戰略的要求，在這方面可以利用其他的社會資源，如高校的相關一些研究機構。

八、 結論

本文基于當前人工智能技術的最新發展，結合國家對人工智能發展戰略的需求，討論在高中階段開展人工智能教育的問題。本文分析了當前最新的人工智能技術進展情況，比較了國內外的人工智能教育現狀；從人工智能教育所需的基礎知識、軟硬件平臺、應用演示著手，分析了高中開展人工智能教育的可行性方法，并提出了基于云計算平臺，依托第三方機構的思路，實現人工智能教育在高中教學的開展，促進該技術的普及與發展，發掘更多潛在的人才。

參考文獻：

[1]徐學良.工神經網絡的發展及現狀[J].微電子學，2017（2）.

[2]張劍平.中國高中的人工智能教育：現狀、進展與意義，中國人工智能學會全國學術年會，2003.

[3]夏燕萍.《初識人工智能》教學設計與反思[J].中國電化教育，2007（11）.

[4]陳光.高中《人工智能初步》項目教學法的探索與實踐[J].福建教育學院學報，2014（8）.

[5]張家華，張劍平.國內外中學人工智能課程的現狀及其教學反思，中國教育技術協會信息技術教育專業委員會學術年會，2007.

[6]王斐.人工智能在中學教育教學中的應用現狀分析[J].中國醫學教育技術，2013（4）.

[7]黃柳青.中學機器人競賽與教育的現狀及對策[J].實驗教學與儀器，2011（11）.

[8]S.D.Essinger，G.L.Rosen，An introduction to machine learning for students in secondaryeducation，Digital Signal Processing and Signal Processing Education Meeting（DSP/SPE），2011.

[9]Online，Available：http：//www.cs.cmu.edu/cs4hs/.

[10]R.Gavald，Machine Learning in Secondary Education，http：//www.sessinger.com/Publications/.

[11]Online，Available：http：//www.pascal-network.org/.

作者簡介：

陳泓吉，浙江省臺州市，天臺縣外國語學校。