人工智能在教育教學中的實踐與探索

馮軍 馬立

人工智能AI （Artificial Intelligence） 是用機器去實現借助人類智慧才能實現的任務。這項看似非常復雜的技術，已經慢慢來到我們身邊，如網購App對不同的用戶推送不同的內容、手機的智能助手、手機指紋識別、機器自動翻譯等，都是人工智能技術融入我們生活的例證。在教育界，人工智能也將發揮其無可替代的巨大作用。2019年5月16日，國際人工智能與教育大會召開，國家主席習近平致賀信。習近平指出，培養大批具有創新能力和合作精神的人工智能高端人才，是教育的重要使命。

中國的未來需要培養大批具有創新能力和合作精神的人工智能高端人才，基礎教育是未來人才打基礎的關鍵階段，讓學生接觸、理解、掌握人工智能技術就顯得非常重要。在2017年初，我們學校與企業開展合作，開始了人工智能課程的嘗試。但隨著各項教學活動的逐步開展，學生掌握的進度難以與企業推出的設備技術結合，在教學上出現對產品生搬硬套，甚至把一節課變成了一節說明書解讀課的情況。如何把人工智能教育融入常規課程與教學，我們開始了新的思考與探索。

實踐與探索：人工智能在教育教學中的應用分享

在反復推敲與實踐的基礎上，我們認識到，師資力量是人工智能教育變革與創新的根本與關鍵。為此，學校組織教師深入學習Scrach、App Inventor、開源硬件、大數據、圖像處理等各種相關知識，并以建設學生社團選修課，開展學生科技競賽以及課題研究為突破方向，努力讓人工智能教育的種子在我們學校生根發芽。

從2018年開始，我們學校將每周五中午、周日下午固定為人工智能教育選修課時間，開放科技創新實驗室和計算機教室，課余時間學生隨時可以到實驗室學習探討。他們以問題為導向，思考和解決問題的程序與結構，在優化程序和結構過程中根據不同情況選擇不同的方法，形成多個解決問題的途徑，不斷模擬解決處理問題的過程與方法。如學生設計的掃地機器人，一開始都是通過碰撞傳感器來改變路線的，在反復碰撞過程不斷嘗試路線，所以智能化程度不高，掃地效率低下。通過教師引導和反復研究探索，加入了激光雷達測距、攝像頭傳感器繪制地形、地圖定位規劃路線等技術，讓學生將各種技術有效地進行搭配與組合，通過不斷的參數設置與組合搭配，掃地機器人終于可以感知地形、繪制家庭房屋結構，并在行走過程對路線進行記錄，極大地提高了工作效率。掃地機器人的成功改進讓學生們愛上了創造。

中學的人工智能課程最容易被編程課和開源硬件課所取代，缺乏學生自主的思考、主觀能動性的發揮，只有讓人工智能教育貼近生活中的實際問題，才算真正有效開展人工智能教育。基于此，我們開始在全校規模化開設《Arduino智能硬件程序設計基礎》《機器人編程實踐》《人工智能編程入門》三門基礎選修課，教材全部自編，著眼于解決生活中的問題。同時，根據人工智能教育不斷發展的需要，我們學校建設了一間3D打印教室，讓學生自己設計模型，進行3D打印，讓設計快速變成成品，這極大地激發了學生的積極性。在后期的人工智能教學中，教師們也不再孤立于每個教學環節，而是通過與開源硬件實驗室、3D打印實驗室、編程教學相互融合，來開展人工智能課程教學。

現在，我們引入STEAM理念，從科學、技術、工程、藝術等多個方面，形成不同側重點的興趣小組，平行開展分析、思考、創新活動，最終開展共享與合作，形成一個最優化的方案及作品。例如，在人類面部表情的識別與應用方面，我們通過高速相機采集畫面、通過坐標進行關鍵點提取、通過圖像關鍵點判定對象心情、通過大數據比對提高判讀的準確率、通過圖像處理夸大對象形象，最后通過3D打印或繪圖表現出最終效果，形成作品。在整個過程中科學小組負責可行性分析及統籌安排、技術小組負責算法分析及實現、工程小組負責設備組合及調試、藝術小組負責最終形象設計，如此，人工智能文化、人工智能未來發展等各種理念通過活動與討論，逐步滲透到每個學生的內心。

課程內容歷來被視為學生習得知識的主要來源，為此，我們開設了人工智能知識及Python（派森）編程語言的教學。Python 語言是人工智能的核心編程語言，學生學習了Python 語言就可以了解爬蟲編寫、機器學習、數據庫編程、數據分析與處理等方面的實踐應用。我們依據新課標中對于信息技術人才培養的指導意見，設計課程，幫助學生提升計算思維、編程能力，培養他們的創新能力。同時，我們也把每年完成一個創意作品，或參加一項比賽作為評價學生的重要依據，以此激發學生學習新知的積極性。

辛勤的耕耘與求索，換來了累累碩果。開展人工智能教育兩年以來，我們學校有超過100名學生在全國、省、市級各類科技競賽中獲獎。先后獲得全國第九屆“北斗杯”全國青少年科技創新大賽西北賽區一等獎、優秀組織獎，陜西省第十九屆電腦制作活FLL工程挑戰賽VEXIQ初中組冠軍，全國第十六屆NOC機器人競賽二等獎，陜西省2018MakeX機器人挑戰賽中初中組季軍、最佳外觀設計獎，西安市第十九屆中小學機器人與創客大賽FLL工程挑戰賽初中組冠軍、創客競賽初中組季軍等榮譽。

變革與展望：人工智能技術改善教育生態

人工智能技術除了作為未來人才培養的主要內容外，還是促進教育教學質量提高、改善教與學生態的有效工具。在技術的支持下既可以實現班級規模化教學基礎上學生的個性化培養，同時可以降低教師體力勞動、使教師能更加專注教育教學活動的系統性與創造性。

引入智能教學專家系統。專家系統是人工智能的一個重要分支。隨著計算機技術的飛速發展，其應用也越來越廣泛。專家系統就是模仿專家的功能，將專家的知識和經驗總結成規則，以適應的方式存入計算機系統，建立知識庫，然后對輸入的原始數據選用適用的規則進行推理，做出決策和判斷，使它具有專家的知識，能解決只有專家能解決的問題。現在，網絡教學系統能夠較好地實現網上教育信息資源，教師資源的共享，但是還存在許多問題，譬如，無法因材施教，對不同層次的學生采取一樣的教學策略，學生在學習的過程中出現網絡迷航等問題，不能從根本上促進學習者的反思和自我表現。上述問題的出現，除了教師主觀的認識不足與對待不夠認真外，還與缺乏結構化的知識梳理有關。目前，我們系統梳理了結構化教學資源，并根據學生點擊情況來建議教師的教學進度、內容等，使之具備智能化能力，使教育達到個性化、智能化的目的。

引入基于人工智能的課堂教學反饋系統與大數據分析平臺。我們學校建設了兩間智慧教室，通過行為分析和及時反饋，對教師的教育教學效果進行細致的分析與個性化的數據報告。行為分析系統采用語義分析技術與人工智能技術相結合，自動形成課堂教學行為和教學內容的分析數據，對教師板書、教師演示、學生回答問題等100余種教學行為進行自動分析，生成教師和學生的多維成長檔案。同時，為提高反饋的準確度，我們通過反饋應答器，收集每個學生知識掌握的情況，形成行為加反饋的兩個維度的數據依據，教師依據系統生成的成長檔案進行教學反思，并依據與名師課堂教學行為數據的對比，改進教學方法，提升教學技能。此外，利用大數據分析平臺可以智能分析判斷學生的作業及試卷數據，形成基于學生個人知識點的認知圖譜，形成學習準確預判，使學生更加清晰明了地認識自己的優缺點。教師也從繁雜的體力勞動中解放出來，從而集中精力處理知識性的問題，進行創新性的思考，有效指導教師教學，提高教育教學成績，享受科技給教育教學帶來的優勢與成果。

更新觀念，適應教育教學的改革與學校的可持續發展。在理念建設方面，我們學校繼續加強教師的學習進修，以案例應用分享帶動教師學習人工智能知識的熱情，加速師生理念的更新，促進人工智能文化在我們學校的培植與發展。環境建設方面，打造基于不同主題的人工智能實驗室，提高學生學習人工智能、運用人工智能的能力，為學生的終身發展打下良好基礎。同時繼續加大人工智能技術對教育教學的支持，讓每個教師都能增加一個智能助手，使日常教育教學更加有針對性，使教師能更加專注未來人才的培養。

人工智能技術在教育教學中的日益發展，將帶來整個教育生態、教育文化的創新與變革。唯有這樣，我國的教育才能不斷革新，煥發新的活力，未來中國才能不斷迸發出強大的發展潛力，才能持續書寫新時代新的詩篇。