基于新課標的高中人工智能教材分析與評價

張月 張 智

（湖南大學 物理與微電子科學學院，湖南 長沙410006）

人工智能已隨著科技的發展慢慢走入我們的生活。我國先后啟動了一系列新一代人工智能重大項目，從理論、技術和支撐平臺等各個方面入手，建設人工智能強國。2003年《普通高中信息技術課程標準（實驗稿）》[1]（簡稱03 新課標）發布后，各地紛紛試水，在高中階段實施人工智能課程，但由于教學條件、教學觀念等方面的限制，各地AI 課程的課堂效果令人并不滿意。如何將AI 教育落地，在義務教育學段施行AI 課程是我們面對的一大挑戰。《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》[2]（簡稱17 新課標），于2018年秋季實施，包括人工智能、物聯網、大數據處理、算法、開源硬件項目設計等。但是，由于AI 技術處于快速發展中，這將意味著AI課程教學面臨更大的挑戰。

對于作為知識傳播介質的教材來說，它理應承載著學生學習的應然知識。這些應然知識的核心是主題知識，它決定了教師教的內容和學生的學習內容[3]。2018年4月28日，在華東師范大學舉辦的“人工智能教育研討會和《人工智能基礎（高中版）》[4]教科書會議”上,發布了《人工智能基礎（高中版）》（簡稱為“教材”）是中國中等教育體系內的第一本AI 教材，標志著我國基礎教育階段開始有人工智能，人工智能教育體系更加完善。目前，全國有40 余所學校使用“教材”進行人工智能課程的授課。

筆者在研讀17 新課標的基礎上，研究“教材”的教學目標設計、教學內容編排、教學活動安排、教學條件需求等方面，總結“教材”的編制和研發經驗，為我國高中人工智能教材的后續研發提出建議。

一、17新課標要求和教材分析維度劃分

（一）17 新課標中《人工智能初步》模塊的內容構成說明

近年來，隨著移動互聯網和大數據以及高性能計算技術的進展，人工智能呈現新一輪爆發之勢。在此大背景下，信息技術選擇性必修模塊《人工智能初步》承載踐行人工智能國家發展規劃、激發學生學習興趣、普及人工智能知識的重任[5]。17 新課標中《人工智能初步》模塊的組成為“人工智能基礎”“簡單人工智能應用模塊開發”“人工智能技術的發展與應用”。

現依據三維目標分類劃分學生學習《人工智能初步》模塊后需要掌握的知識。

1.知識與技能

（1）描述人工智能的概念與基本特征；知道其發展歷程、典型應用與趨勢。

（2）了解人工智能核心算法；掌握智能技術的使用原理和大致流程。

（3）認識開發人工智能應用系統的工具和平臺，并且能在使用過程中領會其特性以及在使用過程中的不同形式和不足。

2.過程與方法

（1）運用已經開放的人工智能使用架構，構建基本的使用人工智能的模塊，并根據現實需求設置合適的環境、恰當的參數同時提供合理的自然交互方式等。

（2）在使用智能系統的體會中，探析整個社會在智能化大背景下所面臨的倫理及安全上存在的隱患，懂得基礎的維護信息系統安全的方法和措施，增強學生的安全意識和責任感。

3.情感態度與價值觀

（1）一分為二地看待人工智能在社會中的價值和未顯露的威脅，保衛和遵守人工智能在社會中應用的章程和法則。

（2）應能理解并用自己的話闡述人工智能的特征，會使用已經開放的人工智能使用架構，構建簡易的智能系統；應能通曉人工智能的最新進展和最新應用，并在自己的學習和生活中去使用AI 技術。

（3）知道AI 從無到有的歷史進程，正確地看待智能技術讓我們的社會生活發生的變化[2]。

（二）教材分析維度劃分

本文參照《教材分析評估的模型和層次》[6]論文中提出的教材分析的模型，并結合對“教材”的理解、分析，從教學的目標、內容、活動、條件等方面，對“教材”進行分析。就教學目標層面的分析而言，它是依據三維目標的分類方法對“教材”的教學目標進行論述并與17 新課標進行比較。教學內容主要是在新課標的指導下探討“教材”與17 新課標要求學習的人工智能知識的匹配程度和知識的呈現方式，教材中各類知識的合理性、準確性和科學性，及其與高中生認知水平的適切程度和教材選用的知識內容對學生思維和能力的培養等。教學活動主要通過量化的方式探索“教材”所包含的活動以及活動對學習效果的輔助。教學條件層面主要是介紹“教材”實施所需配備實驗平臺和設備，及教學條件對教學效果的影響。

二、描述性分析

“教材”是一本科普教材，主要目的是向學生傳達AI知識的理念與原理，在學習的過程中學生的創新能力、想象力、對事物整體思量以及動手能力都可以得到很好的培養。“教材”章節開頭通過設置任務的方式吸引學生興趣,通過生活中的應用發展學生對人工智能的興趣。通俗易懂的語言和圖文并茂的排版使學生可以更好地理解人工智能的基本原理。同時將書中知識點與生活中常見的使用場景結合起來，從而可以更好地幫助學生了解人工智能技術的基本工作方式[7]。實驗環節的設置，學生可以通過大量的動手實踐，深入理解人工智能技術的原理、應用及其在使用過程中面臨的挑戰。教學上以實踐為導向。“教材”以杜威“做中學”思想為指導，通過具體實驗任務的設置，讓學生可以在具體的實際應用中去學習知識。編者根據學生的特點設計了教材實驗所需的平臺和任務包。在豐富的實際活動中學生可以將所學的知識內化為自己能力的一部分[8]。具體分析內容如下：

（一）教材教學目標分析

人們對人工智能有多種掌握和理解：①了解人工智能的基本概念；②學習AI 知識和算法，解決生活問題；③鉆研AI 知識，進而實現其它方面的創新；④時刻關注最新動態，在某些方面幫助領域發展[7]。在整個中學生群體中，成為AI 工程師的只是少數。因此，“教材”以第二個層次為首要目標，向學習者傳達AI 的基本思想、基礎知識，培養其操作能力和創造力，并具備AI 應用的基本技能。

現根據三維目標對“教材”進行分析。

1.知識與技能

（1）“教材”涵蓋了AI 從起源到發展的整個歷程、解釋其定義以及在現實生活中可以使用的地方，敘述AI 的基礎算法，用通俗易懂的語言解釋AI 原理，并結合具體場景明晰AI 技術的工作方式。

（2）“教材”涵蓋了人工智能基礎部分的內容，但是對人工智能應用模塊開發和智能系統部分涉及的內容不多且全書沒有出現代碼。

2.過程與方法

“教材”針對知識學習設置了配套的實驗任務，在完成任務的過程中理解人工智能技術的原理與應用，培養思維能力和創新能力。

3.情感態度與價值觀

懂得AI 在生活中的廣泛應用，引發學習的熱情，培育積極主動學習和使用的態度。

還應培養對AI 及對整個社會進程發展的價值和威脅的辯證理解。

（二）教材內容分析

03 新課標發布之后，人工智能初步成為高中信息技術的選修板塊之一,由“知識及其表示”“推理與專家系統”和“人工智能語言與問題求解”三部分構成。據了解，在03 新課標基礎上編寫、批準和出版的高中人工智能教材有四個版本。分別為教育科學出版社（教科版）、中國地圖出版社（地圖版）、上海科技出版社（上教版）和廣東教育出版社（廣教版）[9]，其內容如表1所示。

表1 03 新課標發布后高中人工智能各版本教材內容

由表1可知，雖然每個版本的教材內容均有所不同，但都集中在03 新課標規定的主題，如人工智能基礎、人工智能語言、知識表示等。教科版和廣教版另外加入了AI 未來及發展的說明，通過該部分內容的學習，學習者可以拓展思維，培育創造能力。但是，人工智能是一個不斷發展的學科，“教材”的內容與上述4 個版本的教材內容有很大的不同，“教材”沿用了人工智能基礎以及搜索求解問題部分，人工智能語言選用Python 而非之前的Prolog，知識表示和專家系統則未包含。“教材”具體內容架構如表2所示。

表2 “教材”內容架構

第六章第七章第八章第九章K均值聚類和人臉聚類的步驟；層次聚類與生物聚類。詞袋模型、主題模型，以及二者的聯系與區別。生成網絡、判別網絡以及生成對抗網絡的訓練過程。阿爾法狗的組成；強化學習的組成元素及基本訓練過程；阿爾法元的基本原理及它與阿爾法狗的區別。

“教材”的教學內容有如下特點。

1.章節編排遵從科學性原則,合理有序、逐步深入

通過整理分析發現，章節內容編排上“教材”首先介紹AI 的歷史進程、具體應用，第二章以鳶尾花的分類為任務講解了模式識別的入門知識和基本分類器。第三章講述圖片分類從而引出圖像處理以及卷積介紹等知識。然后分別介紹人工智能在音樂、視頻、文字、圖像等方面的識別原理和基本技術。介紹人工智能自主“學習”的無監督學習方式，介紹阿爾法狗和阿爾法元等人工智能發展的新高度。

2.“教材”知識內容準確、客觀，所選知識與學生生活密切相關，符合高中生的認知特點，有助于培養學生的創新精神和探索能力

“教材”在具體背景中介紹知識，在任務中引導學生學習AI 知識。章節開頭多采用歷史故事或生活中的使用場景做知識導入，便于引起學生的學習興趣，明確章節學習目的。章節知識主體部分敘述語言通俗易懂，且配備了豐富的插圖，便于學生對知識的理解和學習。“教材”不僅注重知識的傳遞也注重對學生興趣的培養，通過生活中的應用發展學生對人工智能的愛好，傳授適合中學生學習的基礎知識和基本算法。教材”設置實驗并提供任務包，培養學生的獨立思考和解決問題的能力。

3.在學科知識上，“，“教材”主要涉及到數學和物理方面的學科知識，輔助講解AI知識

數學上涉及的知識點主要有向量和向量的運算，函數、求和公式、點到直線的距離、指數函數、直角坐標系、矩陣等知識。在“教材”知識鏈接和拓展閱讀部分也對所需學習的學科知識做了補充，如向量的基本運算、簡單概率等。物理上涉及的知識不多，且大多在初中時已經學習，物理知識大都用于章節開頭為介紹人工智能知識做鋪墊，因而數學和物理知識的涉及都不會成為影響學生的學習和理解“教材”的障礙。

4.算法介紹難度適中，適合高中生學習

由于“教材”不是AI 的專業書籍，只能幫助學生了解AI 的基礎知識和常用算法，加之考慮高中生的知識水平，所以“教材”在內容上對一些復雜知識和算法只是做了定性的介紹，定量的部分保留給那些不遺余力地繼續探索的學生。這樣的設計有利于學生學習但是也對教師的教學提出了更高的要求，教師在教學上需要做好教學設計，激發學生主動學習人工智能知識的積極性。

（三）教學活動分析

眾所周知，AI 是應用性學科，在學習的過程中實踐是不可或缺的。實驗的設置是“教材”的一大亮點。實驗練習貫穿整個“教材”。據統計“教材”有21 套實驗活動，分布情況如圖1所示。

圖1 實驗活動次數統計

由圖1可知，除第一和第九章外，其余章節都設置不同數量的實驗，實驗任務均衡分布在各個章節，是學生在教師授課之后的主要課堂形式，完成實驗即完成應用任務。編者為學校提供教學所需的平臺和任務包。目前，商湯科技已將這些算法開放在其教學實驗平臺之中，供學生在學習時調用。學生在特定的應用任務中學習相關知識，以便學生能夠理解他們為什么需要學習這些知識并理解如何將知識應用于實際問題。完成任務的過程，也是鍛煉學生思考和解決問題、培養其思維和創新精神的過程。通過對“教材”的學習，學生可以寫出簡單的AI 程序，將所學知識應用起來。

（四）教材教學條件分析

實驗練習的順利進行是“教材”教學效果的重要保證，為此商湯科技開發了使用Python 語言編寫教學實驗平臺。根據學生實際情況設計平臺，如：對常用算法進行設計，對數據進行裁剪等等，保證學生可以在恰當的時間內完成任務。另一方面，教師在一定程度上也影響了教學質量的好壞，為此，商湯科技為學校提供專業的教師培訓。

但是，目前使用“教材”進行人工智能教學的學校大都分布在較發達地區，且“教材”的實驗平臺只對合作的機構開放，暫時不對個人開放。雖然“教材”售價為35元，但是實驗平臺的購買需要花費幾百萬的費用，實驗任務中的工具包也需要按年購買，這就給教學的普及帶來一定的難度。

三、研究結論與評價

通過對“教材”和17 新課標的研究，筆者認為“教材”在以下幾個方面有突出的特點。

（一）以任務為導向，激發學生學習興趣

“教材”章節以貼近學生生活的例子作為任務進行導入，很好地吸引學生學習的興趣，幫助學生明確學習目標和知識的應用場景。

（二）教材內容貼近生活，有效銜接學習與生活

學科知識選取上“教材”遵循實用性、操作性、銜接性和科學性。實用性原則體現在教材內容選取與日常生活相關的案例，從實際生活出發，激發學生共鳴，達到學生將人工智能技術應用到生活中的目的。學生在完成實驗任務的過程中感知知識并且該過程也體現了操作性原則。“教材”作為高中人工智能的基礎課程，傳遞人工智能基本思想和理念，使學生具備AI 應用的基本能力，也為學生日后進一步研究AI 打下良好基礎。作為目前高中階段學習人工智能的惟一教材，“教材”教學內容科學、客觀、準確，編輯使用易于理解的語言解釋人工智能的知識，反映教材的科學性。

（三）實驗設置，讓學生動手實踐，體現人工智能應用性的特征

“教材”最大的特點是小節后設置配套實驗，商湯科技提供了與高中生學習特性相符合的實驗平臺和任務包，學生在實驗操作的過程中體會人工智能知識的應用場景、培養思維能力。

（四）商湯科技為學校提供實驗平臺和教師培訓，促進課程的推廣

目前，人工智能相關的課程授課教師以信息技術教師為主，中學教師的師資仍舊以計算機、軟件工程等專業高校畢業生為主，高校人工智能專業學生還未畢業。大多數學校缺乏優秀的AI 教師。同時，人工智能的學科性質也對授課教師有更高的要求——授課教師需要有編程能力和清晰的數學思維，并對人工智能有一定的了解。商湯科技提供的教師培訓可在一定程度上緩解人工智能教師緊缺的現狀，也為學生接受專業的教師授課提供方便。

“教材”的研習使學習者可闡述AI 的基本特點；了解其新進展和新應用，并能在學習和生活中使用；知道人工智能發展的歷程。然而，任何一本教材都有其不足之處，此“教材”的不足如下。

內容上，“教材”涵蓋了新課標要求的人工智能基礎部分，對其它兩方面涉及得比較少，因此，在人工智能應用系統開發工具和開發平臺以及智能系統應用體驗部分很難達到新課標的要求。且“教材”講授的大多是人工智能的社會價值，對發展人工智能所需面臨的倫理與安全方面的挑戰和AI 對未來社會的潛在威脅講授不足。“教材”雖有使用Python 語言編寫的配套任務包，但是全書沒有關于Python 的介紹，整本教材沒有一行代碼。就信息技術學科的核心素養而言，“教材”可以滿足數字學習和創新的新課程標準的要求，但是在計算思維、信息意識和信息社會責任上，由于知識內容的缺少只能達到部分新課標的要求。教學活動過于單一，通觀“教材”實驗是惟一的活動。而且“教材”在實施過程中過于依賴實驗平臺。“教材”編排上只是以任務做導入，并未凸顯明顯的教學方法。評價是教學活動的重要部分,用于審查教學效果并總結教學經驗[10]。“教材”中，缺少明確的評價體系，只能通過學生是否完成配套的實驗任務來判定是否掌握知識。

四、關于編寫中國高中人工智能教材的建議

目前，我國AI 教育發展尚不成熟，培養AI 人才迫在眉睫。教材的編制對人工智能課程實施的教學效果影響重大，結合“教材”和17 新課標，筆者為日后的教材編寫提出如下建議。

（一）教材內容

人工智能教材內容選擇應涵蓋新課標對AI 課程的要求，強調與信息技術學科核心概念與核心素養直接關聯的部分；教材選擇與生活有密切聯系的內容，教材的學習能幫助學生認識并解決生活和工作中的問題；教材內容布局考慮學生的年齡特征和認知規律，按層次從易到難寫；教材要盡量選用直觀、易于高中生理解的語言加以論述；教材的案例以及應用場景的選用要來自于學生生活及實踐，便于吸引學生的學習興趣，使學生理解AI 知識及其應用場景。

（二）教材編寫原則

據了解，在教育裝備進行的《關于教師對人工智能教材編寫意見的調查分析》中表明在教材的編寫原則這一宏觀類屬中，關注點最高的四方面分別是：實用性、有趣性、銜接性、科學性[11]。實用性，是指人工智能應用廣泛,教材編寫可選取日常生活相關的話題和案例,從生活出發將所學應用于生活。有趣性，人工智能的算法知識一般晦澀難懂，如何用富有趣味的語言、話題和情景材料，引起學生學習的興趣，應是教材編寫者需要考慮的問題。銜接性，目前初中尚無開設人工智能課程，有部分高校開設人工智能專業，高中階段的人工智能課程學習應為學生日后進一步研究奠定基礎，教材編寫要考慮學段直接的過渡和銜接。同時人工智能課程涉及的學科知識較多，如物理、數學、計算機等，所以，高中人工智能教材要考慮其他學科知識的銜接。科學性，高中人工智能教材要用科學、客觀、準確和嚴謹的語言來詮釋基本概念和思想，體現教材編寫的科學性。

（三）考慮高中生的認知特點

高中生經過九年義務階段的學習，在知識上普遍已具備扎實的數學和物理知識，具有學習人工智能知識的基礎，但是教材的編寫要考慮高中生的文化課基礎，以及學生知識的差異，知識講授應難度適中，過難會導致學生失去學習的積極性和興趣，太簡單又會讓學生學習不到太多知識。

（四）其它

第一，為AI 課程提供專業的教師培訓。目前，對大部分學校來說，教師不足是人工智能課程開展的一大障礙。在教育裝備進行的《關于教師對人工智能教材編寫意見的調查分析》中顯示，調查中有61 位被調查者表示不了解人工智能，比例高達59.2%[11]。第二，提供完成教學授課所需要的教學設備和平臺，人工智能是一門應用學科，教學效果對教學設備和平臺依賴較大，教材編寫是要綜合實際情況，提供教學設備。第三，教材編寫中可滲透項目式教學法或任務驅動法等適合高中人工智能教材的教學方法。第四，依據新課標設置合理的評價標準。設計合理科學的評價內容和目標并確立評價方式和具體的指標。

五、結語

筆者通過對“教材”的分析并結合新課標探討該教材的優點和不足，提出高中人工智能課程教材編寫應圍繞新課標的理念和內容，完成信息技術核心素養的培養。根據高中生的認知特點合理組織教材內容，選擇合適的教學方法，以及設置合理的評價標準。