人工智能在小學信息技術課堂教學中實施的思考

凌秋虹

人工智能正以超出人們預想的速度迅猛發展。2017年國務院印發《新一代人工智能發展規劃》，提出了“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，支持開展人工智能競賽，鼓勵進行形式多樣的人工智能科普創作”。根據規劃，在小學課堂中普及推廣的人工智能相關教學，也必將是未來國家大力推動的主要教育形式，因此“人工智能”成為當下教育的熱詞。而當下，我們已迎來科技創新型社會，人工智能已經融入社會各行業和百姓生活中，人工智能教育已經迫在眉睫。人工智能教育要從青少年階段抓起，為國家培育人工智能創新人才，要提高全民族的科學教育素質與生產創新意識。那么人工智能究竟要如何“去高端化”潛入小學信息技術課堂呢？筆者以自身對人工智能的理解與實踐為例，淺析在人工智能火熱的當下，如何緩緩地在小學信息技術課堂中實施人工智能教育。

● 人工智能的定義

眾所周知，人工智能是一項多領域交叉學科，其主要涉及了哲學、認知科學、數學、神經生理學、心理學、計算機科學、信息論、控制論、不定性論等。正是源自豐富的學科基礎，其關鍵技術主要包括知識圖譜、計算機視覺、人機交互、生物特征識別、機器學習、自然語言處理和VR/AR等。其中機器學習是人工智能的核心，是計算機具有智能的根本途徑，它專門研究計算機怎么模擬或實現人類的學習行為，以獲取新的知識或技能，重新組織已有的知識結構，使之不斷改善自身的性能。隨著機器學習的逐步深入發展，延伸出深度學習這一新領域。那么，什么是深度學習呢？我們可以這樣通俗地概括：深度學習神經網絡模擬了人腦的神經結點，每個點實際上就是一個函數調節器，無數函數彼此交叉連接起來，就構成了一個神經網絡。

深度學習的核心理念就是通過增加神經網絡的層數來提高效率，將復雜的輸入數據逐層抽象和簡化，判定的層數越多，識別得也越準確。深度學習概念的提出，將原有的傳統機器學習中需要告訴計算機判定條件，轉變為計算機根據大量的圖像對應空間分布的數據，根據語音或自然語言對應時間性分布數據，進行自主習得，從中找出規律，再進行精確識別。

大數據和深度學習是人工智能的兩個標志，數據越大，在深度學習算法的計算下，效果就越好，為此我們可以從機器學習、訓練、深度學習的思維方式去理解人工智能。那么，到底什么是人工智能？人工智能是研究人類智能活動的規律，構造具有一定智能的人工系統，研究如何讓計算機去完成以往需要人的智力才能勝任的工作，也就是研究如何應用計算機的軟硬件來模擬人類某些智能行為的基本理論、方法和技術。概而言之，對人工智能的定義大多可劃分為四類，即機器“像人一樣思考”“像人一樣行動”“理性地思考”和“理性地行動”。既然人工智能的發展已經到了前所未有的高度，并且人工智能毫無疑問已經從我們生活的方方面面滲入我們的行為習慣，那么，面對飛速發展的人工智能，我們就應該在學校教育中將人工智能課程真正落地，讓我們的孩子能在人工智能時代做好準備。

● 如何讓人工智能在小學信息技術課堂中“走起”

其實人工智能涵蓋的概念、理論高深、抽象，顯然超出了小學生的接受能力，如何讓人工智能教育和學習變得直觀易懂呢？筆者曾帶領團隊撰寫了適合小學生學習的人工智能低、中、高科普教材，該教材為小學生提供了人工智能知識體系，通俗易懂的人工智能科普小知識、小故事，讓學生了解什么是人工智能，并通過經典的數學問題感知人工智能算法的魅力，通過動手搭建有趣的弱人工智能項目體驗人工智能的趣味。總之，該教材讓學生借助生活情境，學習人工智能相關知識，通過動手實踐培養學生的計算思維、創新思維和動手實踐能力。基于此，筆者認為，人工智能在小學信息技術課堂中真正落實，可從以下四個方面入手。

1.了解人工智能應用場景，增強學生學習興趣

人工智能看著高大上，但實際上離我們的生活并不是那么遙遠。在課程實施時，可帶著學生用生活中最為常見的人工智能應用案例，挖掘學生在生活中不經意間就享受到人工智能的便捷，以此來了解人工智能中的圖像識別、語言識別的應用場景，從而激發學生對人工智能的興趣與求知欲。例如，飛速而起的智能手機，從原來的按鍵到如今的智能手機，從原來的密碼解鎖到現在的指紋解鎖、刷臉解鎖，從原來的貨幣購買方式到現在的連街邊的小攤販都支持的二維碼付款，在實際應用場景中讓學生感知人工智能圖像識別的原理和快捷。又如，為什么“淘寶”每次推送的產品都是你想買的？為什么你看到的“美團”里面每道菜都是你想吃的？“滴滴”為什么能派一個距離你最近的司機？在教學中帶領學生在生活應用中分析其原理，理解人工智能深度學習的魅力。總之，通過身邊人工智能應用實例讓學生了解人工智能基本原理，從中感知機器人、語言識別、圖像識別、自然語言處理和專家系統等人工智能的基本概念，對人工智能有個粗淺認知與理解。

2.注重創客教育實施，作為人工智能啟蒙教育

創客教育是創客文化與教育的結合，是基于學生興趣，以項目學習的方式，使用數字化工具，倡導造物，鼓勵分享，培養跨學科解決問題能力、團隊協作能力和創新能力的一種素質教育。人工智能和創客教育最大的特征是“創新”，從教育本身來講，創客與人工智能教育都是多學科融合的領域，由于綜合了數學、物理、機械原理、電子傳感器、計算機軟硬件及人工智能等眾多前沿技術，通過這方面的學習有助于培養學生的綜合素質。另外，分析能力、創造能力、實踐能力這三力的均衡發展對學生的發展起著重要的作用，而創客與人工智能教育的學習恰好是培養這三力的理想平臺。而處在小學階段的學生，由于其知識儲備與認知能力不足，對人工智能深奧的算法、抽象的建模還不能理解，可將創客教育作為人工智能的啟蒙教育，通過創客教育讓學生創造出弱人工智能項目，從中培養學生的創新思維與批判性思維，提升學生分析問題和解決問題能力。

3.構建小學生編程教育體系，注重學生編程思維培養

芬蘭教育部長說過：“在未來，如果你的孩子懂編程，他就是未來世界的創造者;如果他不懂，他只是使用者。”隨著人工智能發展越來越深入，AI將與我們日常生活的所有方面都交織在一起，編程將成為人類與計算機溝通的工具，也將變得越來越重要。在可見的未來，“編程”將如今天的數學、英語一樣，成為每個受過教育的人都必須具備的基本素質，它是未來人工智能時代的基礎。就人工智能目前應用領域來說，神經網絡算法和機器學習算法占據了主流地位，正是因為這些算法，人工智能才能變得如此“聰明”，所以算法對于人工智能的發展至關重要，而算法是編程學習的重要內容。

基于以上思考，根據小學生各個發展階段的學習特點，筆者梳理了一套編程教育體系，該體系從Level 1到Level 5一共有五個階段。

（1）第一階段以游戲化情境為主，作為兒童編程入門語言學習，這種圖形化編程方式適合零基礎的兒童學習。主要是在具體的情境下，以游戲化、圖形化的表現和拖拽方式完成編程的核心邏輯，主要針對一、二年級學生學習。

（2）第二階段著重于Scratch圖形化編程的使用，初步掌握Scratch 中的基本模塊，認識程序設計的基本構結，用編程的方法去解決一些問題，主要針對三年級學生學習。

（3）第三階段以項目學習為主，在具體任務中提出問題、需求分析、整體架構，搭建與糾錯，測試與評估，從而掌握重復、判斷、變量等相關知識，主要針對四年級學生學習。

（4）第四階段為算法學習，涉及循環、列表、分治、遞歸、冒泡等相關知識，可以把一些經典的數學奧數問題，如植樹問題、農夫過河問題、雞兔同籠，以及畫出科赫雪花、二叉樹、謝爾賓斯基三角形等圖形，將遞歸、分治、冒泡思想融入其中，掌握各種算法的應用場合，主要針對五年級學生學習。

（5）第五階段為編程機器人學習，通過各類編程圖形化語言編寫指令，與各類開源硬件相結合，實現創意性編程機器人的組合動作來實現各種創意，主要針對六年級學生學習。

4.尋找適合的學習載體，讓創編人工智能實例成為可能

很多創客器材廠商對現有產品進行了升級改造，將人工智能元素融入到產品中，如mDesigner3、小貓科技、思泰姆的奇樂方和創造栗無人駕駛等，學生利用它們可以創作出很多弱人工智能項目。同時，它們各自已開設了較為完整的課程體系、智能編程平臺、智能硬件等，讓學生通過循序漸進的人工智能課程學習，體驗圖像識別技術、語音識別技術、大數據應用，以及人工智能算法、建模的過程。例如，在小貓科技中，基于時下火爆的Scratch3.0圖形化框架軟件平臺，Kittenblock打通并支持Arduino、Micro：bit等開源硬件的編程運行，在軟硬結合的初衷上，不斷地將人工智能等黑科技打通呈現直觀的、易用的學習環境。其中它用到了TensorFlow算法，TensorFlow是由Google開發的一個基于深度學習神經網絡的通用化機器學習系統，它是世界上最受歡迎的開源機器學習框架，它具有快速、靈活并適合產品級大規模應用等特點，讓每個開發者和研究者都能方便地使用人工智能來解決多樣化的挑戰。同樣對小學生而言，也可以創作基于人工智能算法的游戲，如“石頭、剪刀、布”游戲，一旦系統成功地建立好模型，系統進行模型訓練后，你無論如何機智，玩“石頭、剪刀、布”游戲不可能勝過電腦。在該游戲制作過程中，學生將自然地感知深度學習的含義，真切地了解算法與建模在游戲創作中的作用。又如，美科AI模塊也可以做很多IA的案例，如學生喜歡的人臉識別游戲，以攝像頭為媒介獲取人像進行識別，通過自己的動手創作，在瞬間能判斷出自己性別、年齡、膚色和表情，深感圖像識別與大數據分析的原理。

為此，人工智能進入課堂，我們必須構建深入淺出的知識體系，其特點是融科學性、先進性及趣味性于一體，讓學生在快樂、充滿好奇的環境中學習人工智能的基本知識與概念，通過解決實際問題的過程學習編程，學會算法，在造智項目中培養他們的創新思維與動手實踐能力，為學生了解掌握國際最前沿人工智能科技打下堅實基礎。

● 如何破解人工智能師資難題

讓人工智能融入中小學課堂，助推國民科學創新素質，為國家的人工智能發展培育種子力量，是我們每一位教育工作者應擔起的社會責任。作為創新人才培養質量的保障，人工智能師資培養是關鍵。但現實情況是，中小學校的人工智能專業教師緊缺。為此，加強AI師資培育，致力于打造體系化的人工智能教師培訓課程，構建覆蓋全面的人工智能教師隊伍，引領人工智能課程教學模式革新，實施從基礎教育開始的未來AI人才培養計劃，培養多維度、多梯次的人工智能復合型人才是教育行政部門須著力推進的工作。

總之，人工智能成為全球關注的焦點，同時它也成為改變人類未來生活的重要方式，人工智能在未來的競爭將集中體現在人才競爭上。要在人工智能大時代中占有一席之地，必須要培養人工智能高新人才。學在少年，贏在未來，人工智能教育工作任重而道遠。