高中信息技術(shù)課程中的人工智能教學(xué)

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(山東省桓臺第二中學(xué))

2018年秋季學(xué)期，將人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)處理、算法、開源硬件項(xiàng)目設(shè)計等劃入新課標(biāo)，并分為必修課、選擇性必修課和選修課，涉及人工智能內(nèi)容的必修課程有數(shù)據(jù)計算和信息系統(tǒng)與社會，選擇性必修課程包括“人工智能初步”“三維設(shè)計與創(chuàng)意”“開源硬件項(xiàng)目設(shè)計”等六個模塊，選修課包括算法初步和移動應(yīng)用設(shè)計，全方位高中信息技術(shù)課程培養(yǎng)AI人才。

一、高中信息技術(shù)開設(shè)人工智能教學(xué)的目的和現(xiàn)狀

高中信息技術(shù)課程中開設(shè)人工智能教學(xué)，能夠讓學(xué)生體驗(yàn)和認(rèn)識人工智能知識與技術(shù)，了解人工智能語言的基本特征，深入了解和掌握人工智能的原理，引導(dǎo)學(xué)生體會人工智能技術(shù)在解決生活實(shí)際問題中的應(yīng)用，如語音識別、機(jī)器翻譯、智能機(jī)器人，等等。拓展學(xué)生思維空間，增強(qiáng)學(xué)生的邏輯思維能力，豐富學(xué)生的知識領(lǐng)域，提高學(xué)生的信息素養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生個性化學(xué)習(xí)，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。讓學(xué)生了解典型人工智能算法的實(shí)現(xiàn)過程；通過搭建簡單的人工智能應(yīng)用模塊，充分體驗(yàn)人工智能系統(tǒng)的基本過程與方法，從而培養(yǎng)學(xué)生利用人工智能技術(shù)服務(wù)人類發(fā)展的使命感和責(zé)任感。

當(dāng)前，高中信息技術(shù)開設(shè)人工智能教學(xué)存在教學(xué)條件差異大、對人工智能缺乏正確認(rèn)識、師資理論薄弱等問題。其一，硬件和軟件性能都不能有效滿足人工智能教學(xué)。其二，學(xué)生和教師對人工智能都缺乏正確的認(rèn)識，學(xué)生認(rèn)為人工智能技術(shù)是高深的學(xué)科，研究這門學(xué)科是科學(xué)家的事情，沒有意識到人工智能已經(jīng)進(jìn)入到生活的方方面面，教師應(yīng)如在教學(xué)中讓學(xué)生體驗(yàn)到人工智能的魅力，吸引更多學(xué)生對人工智能感興趣。教師對人工智能學(xué)科缺乏偏見，認(rèn)為深奧難懂的知識難以被高中生所接受，不適合放在高中教學(xué)。其三，高中一線信息教師經(jīng)驗(yàn)不足，缺乏具有知識結(jié)構(gòu)和專業(yè)素養(yǎng)的教師來執(zhí)教高中信息技術(shù)課程中人工智能的教育工作，沒有接受過專業(yè)的培訓(xùn)，難以掌握課程重難點(diǎn)、教學(xué)目標(biāo)不明確，教學(xué)經(jīng)驗(yàn)缺乏。

二、高中信息技術(shù)課程中人工智能教學(xué)方法

高中信息技術(shù)課程中人工智能教學(xué)重在體驗(yàn)和感受，引導(dǎo)學(xué)生思考、質(zhì)疑、探究、創(chuàng)新。多樣化的教學(xué)方法是實(shí)現(xiàn)此教學(xué)目的必須。如啟發(fā)式教學(xué)法、問題式教學(xué)法、案例式教學(xué)法等多種教學(xué)方法，調(diào)動學(xué)生人工智能學(xué)習(xí)積極性。

(一)基于問題的學(xué)習(xí)

問題的解決與人工智能具有天然的密切聯(lián)系，教學(xué)中可提出問題引導(dǎo)學(xué)生思考利用人工智能如何解決問題，進(jìn)而介紹人工智能的基本方法和原理，并將其與學(xué)生的解決方案進(jìn)行比較，學(xué)生親歷問題解決的過程獲得人工智能課程的基礎(chǔ)知識和基本技能，感受人工智能的豐富魅力。如在執(zhí)教人機(jī)博弈時，教師設(shè)計探索性的問題，讓學(xué)生將具體的博弈游戲與抽象難懂的博弈算法相聯(lián)系，通過討論解決一個個的問題，進(jìn)而逐步了解博弈算法的難度。以某個問題為中心，多個角度進(jìn)行發(fā)問，使得學(xué)生層層思考，培養(yǎng)學(xué)生的變通能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造精神。

(二)基于案例教學(xué)

人工智能教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生基本原理、方法，提高學(xué)生利用人工智能技術(shù)解決實(shí)際問題的能力。案例教學(xué)法以大量案例加深學(xué)生對知識的理解和應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新活動，使得學(xué)生學(xué)會分析問題、解決問題。案例教學(xué)法結(jié)合實(shí)例進(jìn)行人工智能的講解與分析，采用案例教學(xué)法使得學(xué)生直觀體驗(yàn)算法的原理與應(yīng)用，選擇難易適中、趣味性強(qiáng)的案例，選擇學(xué)生看得見、摸得著的人工智能實(shí)際應(yīng)用問題作為案例展開教學(xué)。如在執(zhí)教專家系統(tǒng)章節(jié)時，為學(xué)生呈現(xiàn)一個醫(yī)療專家系統(tǒng)，與學(xué)生進(jìn)行問答互動，進(jìn)而了解專家系統(tǒng)的具體應(yīng)用、解決的問題，為人民的生活帶來的益處，等等。通過案例教學(xué)法教學(xué)的形式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使同學(xué)們體會到人工智能與我們生活的貼近程度。再如在執(zhí)教各種智能算法時，教師提供迷宮問題、旅行商問題、數(shù)碼問題等案例，引導(dǎo)學(xué)生將搜索算法與實(shí)際問題相結(jié)合，呈現(xiàn)出設(shè)計的思路，對特定問題的狀態(tài)空間描述、合適的搜索算法、設(shè)計算法過程、對結(jié)果進(jìn)行分析和解釋，引導(dǎo)學(xué)生討論搜索效率和是否最優(yōu)解等方面的問題。因此，案例教學(xué)法有助于提升學(xué)生解決問題的能力和創(chuàng)新能力，有助于提升學(xué)生表達(dá)能力，有助于提升主動學(xué)習(xí)的能力。

三、“基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)”方式展開人工智能教學(xué)

人工智能教學(xué)應(yīng)以創(chuàng)新的教學(xué)方式和組織方式展開，“基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)”方式是以活動方式展開的一種探究性的、任務(wù)驅(qū)動性的學(xué)習(xí)模式。采用“基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)”方式開展人工智能教學(xué)是不錯的選擇。如在執(zhí)教“人工智能的重要應(yīng)用領(lǐng)域”和“專家系統(tǒng)的基本原理”可采取此種方式。“基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)”應(yīng)考慮內(nèi)容、情境、活動、結(jié)果，需要將學(xué)習(xí)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為具體的項(xiàng)目，需要設(shè)計學(xué)習(xí)活動，需要進(jìn)行情境創(chuàng)設(shè)，需要邀請人工智能領(lǐng)域的研究人員或開發(fā)人員擔(dān)任此模塊教學(xué)。

(一)活動設(shè)計

首先，將人工智能這門獨(dú)特的課程的教學(xué)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為項(xiàng)目，圍繞項(xiàng)目展開教學(xué)，在教師的指導(dǎo)下尋找得到結(jié)果的途徑，最終得到結(jié)果。其次，以活動的形式展開，活動的設(shè)計應(yīng)適合高中生的理解水平和操作能力，體現(xiàn)與現(xiàn)實(shí)問題之間的聯(lián)系。要考慮在活動中如何將人工智能的陳述性知識轉(zhuǎn)化為學(xué)生能夠解決問題的程序性知識，如利用專家系統(tǒng)外殼開發(fā)識別校園植物的專家系統(tǒng)或者在了解人工智能相關(guān)背景材料后描述人工智能技術(shù)的應(yīng)用前景。使得學(xué)生所學(xué)內(nèi)容與真實(shí)性的情景一致，使得學(xué)生能夠提出利用人工智能解決問題的方法。

(二)情景創(chuàng)設(shè)

創(chuàng)設(shè)有利于主動創(chuàng)新的信息技術(shù)學(xué)習(xí)氛圍，創(chuàng)設(shè)與現(xiàn)實(shí)問題密切相關(guān)的情景，創(chuàng)設(shè)有意義的引領(lǐng)學(xué)習(xí)問題的情境。因此，在選擇教學(xué)內(nèi)容時應(yīng)選擇適用的項(xiàng)目：如機(jī)器翻譯、符號運(yùn)算、專家系統(tǒng)、智能游戲等教學(xué)內(nèi)容，都可利用網(wǎng)站資源為學(xué)生創(chuàng)設(shè)良好的項(xiàng)目情境，學(xué)生以一種姿態(tài)或扮演一種角色進(jìn)行項(xiàng)目的學(xué)習(xí)，為問題的解決和項(xiàng)目的完成，提供感性認(rèn)識的基礎(chǔ)。

(三)“非正式”的師生關(guān)系

最后，邀請人工智能領(lǐng)域的專家和開發(fā)人員進(jìn)行人工智能教學(xué)，可采用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)方式，“非正式”的師生關(guān)系能夠充分激發(fā)學(xué)生對人工智能學(xué)習(xí)的熱情，更易營造積極向上的學(xué)習(xí)氛圍，使得學(xué)生真正能夠觸摸到人工智能，領(lǐng)略到科學(xué)研究前沿的魅力。

四、高中信息技術(shù)人工智能教學(xué)的思考

高中信息技術(shù)人工智能教學(xué)過程中，還有以下幾個問題進(jìn)行探討和思考。第一個是課程知識覆蓋面和深度的問題，人工智能作為選修課，如何安排教學(xué)內(nèi)容和知識深度制定科學(xué)合理、切實(shí)可行的方案？如何針對高中生的知識結(jié)構(gòu)、師資配備、設(shè)備和軟件的實(shí)際情況展開教學(xué)？第二個是人工智能初步課程不適宜大面積開課，而是選擇針對性的教學(xué)對象，否則對于數(shù)學(xué)后進(jìn)生而言感到乏味，可與其他課程進(jìn)行整合。第三個是應(yīng)及時對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評測，采取多樣化的評價方式，進(jìn)而檢驗(yàn)教學(xué)的紕漏和不當(dāng)之處，進(jìn)而提升教學(xué)效果和學(xué)習(xí)效率。

高中信息技術(shù)課程中加入人工智能課程，能夠全面培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)，體驗(yàn)人類專家解決復(fù)雜問題的思路，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造思維和實(shí)踐能力。但是，高中信息技術(shù)課程中人工智能課程的開展，依舊面臨眾多困難與挑戰(zhàn)，教師應(yīng)采用靈活多樣的教學(xué)方法和教學(xué)手段，積極引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行人工智能的學(xué)習(xí)與研究。