普通高中信息技術課程必修1中的人工智能

熊璋　吳建鋒

國務院發布的《新一代人工智能發展規劃》，把發展新一代人工智能作為國家戰略，明確提出“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”。在此背景下，教育部發布的《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課標》）中明確將人工智能教學列入必修1“數據與計算”中，并要求“通過人工智能典型案例的剖析，了解智能信息處理的巨大進步和應用潛力，認識人工智能在信息社會中的重要作用”。

● 人工智能在必修1中的必要性

1.人工智能已成為新的信息技術標志

當今社會的信息化發展已經進入以移動互聯、智能處理、云計算和大數據為特征的全新階段，新一代信息技術正在以前所未有的方式和速度滲透并影響著各個領域，其中的人工智能更是深刻地影響著生活、經濟、社會的發展，甚至成為各國的發展戰略。人們通過語音控制機器運行，通過人臉識別進行身份驗證……人工智能已成為新的信息技術標志。

2.人工智能必須進入普通高中教育

人工智能在為人類生活、工作帶來便捷的同時，也給人類帶來了前所未有的挑戰：QQ小冰在聊天時的言論越界，讓人們開始思考機器人的道德問題;無人駕駛汽車造成的交通事故，讓人們思考針對人工智能的法律法規問題;圍棋機器人AlphaGo戰勝人類、機器人在閱讀比賽中戰勝人類，人們開始擔心機器人是否會控制人類……為了戰勝這些挑戰，需要設計者符合規范地設計、制造人工智能系統，需要使用者合理合法地運用人工智能、理性地看待人工智能，而這，就需要實施人工智能的全民教育。為了實現人工智能的全民教育，人工智能必須進入普通高中的必修課程。

3.人工智能是落實信息素養教育的重要組成部分

在必修1“數據與計算”模塊中學習人工智能，既能使學生從數據與計算的角度掌握人工智能的本質，感受人工智能對社會發展的促進作用，又能使學生在人工智能這一嶄新的情境中，系統地了解數據與計算的作用與意義，更能使學生在不斷感知、應用人工智能的過程中增強信息意識，在剖析、理解典型人工智能系統的過程中發展計算思維，在感受、適應、發展人工智能的過程中提升自身的數字化學習與創新能力，在理性思辨人工智能所帶來的問題的過程中樹立正確的信息社會責任。

● 人工智能與“數據與計算”

1.數據是現代人工智能的基礎

在計算機科學中，數據是計算機處理的對象，如各種符號、圖形、圖像、視頻、音頻等。人工智能（Artificial Intelligence，AI）這一術語自1955年第一次提出以來，逐漸形成了三種主要方法，分別是符號主義、聯結主義和行為主義，基于這三種方法設計的人工智能系統，都離不開數據的支持。

在符號主義人工智能中（如專家系統），人們需要先將相應的知識輸入知識庫，在實際應用中，智能系統結合輸入的數據，通過推理引擎根據知識庫開展推理并輸出處理結果。而在以深度學習為代表的聯結主義人工智能中（如AlphaGo），人們事先需要給智能系統輸入海量的數據進行學習，使得神經網絡模型能符合實際應用。即使是行為主義人工智能的AlphaGo Zero，繼深度學習訓練之后，在實際應用中再根據應用反饋數據，不斷提升自身的能力，也需要數據。

由此可見，現代人工智能系統都需要基于數據開展推理、學習、調適，使得系統能適應現實情況，幫助人們智能化地解決問題。因此，數據是現代人工智能的基礎。

2.計算是人工智能的手段

計算機科學領域的“計算”指向的是Computation，可以包括數學運算、邏輯推理、組合數學中的置換、算法中的搜索、圖形圖像的變換、最短路徑的選擇、最優方案的確定等，甚至包括了人工智能中的聲音識別、人臉識別、神經網絡等。例如，在機器人走迷宮的過程中，當機器人在某個階段（路口）不能繼續向下一個階段推進，或者這個階段所有可以嘗試的各個方向都已經嘗試時，計算機程序會命令機器人回到上一個階段，在上一個階段選擇原來方案的下一個方案（事先對四個方向的推進方案進行順序編號）繼續嘗試新的行程推進。這種“嘗試→沿著原路返回→換個方案繼續嘗試”的控制過程就是一種計算（在計算機科學中稱為“回溯”）。

人工智能正是基于數據，通過數據計算來模仿、延伸、拓展人類的部分智能，從而實現智能化。早期由于受計算機計算能力的限制，基于海量數據的機器學習無法得到有效應用，從而限制了人工智能的快速發展。如今，隨著計算能力的大幅度提升、大數據的逐漸推廣，基于神經網絡的深度學習、強化學習極大地推動了人工智能的發展，特別是在智能語音、智能影像、智能視覺、自動駕駛、博弈等領域取得了質的突破，并帶動了整個社會的智能化發展。

● 必修1中的人工智能教什么、怎么教

在普通高中信息技術必修課程中開展人工智能教學，是實施全民智能教育項目的落腳點，全民智能教育決定了必修1中的人工智能教學有普適性、基礎性的特點。明確此出發點，厘清必修1中人工智能教學的目標、內容、方式，才能確保人工智能教學的科學實施。

1.掌握本質，認識作用，理解人與人工智能的關系

必修1中的人工智能教學只需讓學生理解什么是人工智能、人工智能怎么來又怎么去、人工智能的典型應用及其對當今社會發展的重要作用，并且，要以人工智能學習為載體，使學生能借助智能數據處理這一新型的計算模式，用發展的眼光去學習數據與計算，以適應信息科技的新發展。具體來說，必修1中的人工智能教學目標為：①掌握人工智能的概念，能從數據、計算的角度來理解人工智能的智能行為。②了解人工智能的產生及其發展歷史，理解人工智能和計算機科學協同發展的必然性。③了解人工智能在各個領域的典型應用，感受人工智能對加快社會發展的巨大作用，能主動發現現實中人工智能的應用，并能從數據、計算的角度去解釋智能系統的工作原理。④以積極的心態主動運用各種人工智能系統解決實際問題;能辯證地看待人工智能的發展及其帶來的新問題，理解負責任地研發人工智能、合乎規則地應用人工智能的必要性。

2.通過典型案例剖析，掌握概念和本質

在概念和本質的教學中，要避免機械地陳述教材文本，而應選擇使用面較廣的典型人工智能系統，在情境再現（呈現應用場景視頻或照片）或實際應用的基礎上，通過對系統的工作流程剖析，讓學生深刻理解人工智能是如何根據人類建立的計算模型，結合輸入數據，通過數據計算才最終呈現智能行為的工作原理和過程。例如，可以人臉識別為例，詳細講解人臉識別系統的工作原理和過程，使學生理解人臉識別系統需要在建立的計算模型基礎上，通過海量的人臉數據輸入、計算、模型（參數）調適，最終形成一個與實際情形吻合的計算模型，才可以將這個模型用于實際的人臉識別應用。通過對1～2個不同領域典型人工智能系統的剖析，使學生真正理解下列概念和本質：①人工智能是人造的“智能”。②人工智能必須以機器（計算機）為載體。③人工智能的“智能”不同于人類的智能。④人工智能只是機器將人類智能行為在某些特定領域的模仿、延伸和拓展。

要想幫助學生從發展的角度去系統性地掌握人工智能的概念與本質，用發展的意識去學習、應用人工智能，甚至發展人工智能，教學中可以人工智能各個時期、各種方法的典型系統為線索，串聯人工智能的發展歷史，引導學生從既有智能系統的原理分析中了解其局限性，并能立足當前人工智能的應用，展望今后人工智能發展的趨勢。

3.通過例舉和分類認識人工智能的應用及其對社會發展的重要作用

為了避免碎片化的認知，在學習人工智能的應用及其對社會發展的重要作用時，要避免只有案例沒有系統的體驗和講解。教師可在學生交流現實人工智能應用實例的基礎上，組織引導其分析、歸納各個應用的區別與聯系，按照一定的標準對人工智能的應用進行分類，通過分類將人工智能的應用認知系統化，幫助學生系統化地認識人工智能的重要作用。以下為一種分類方法：

（1）領域人工智能。下象棋的“深藍”、能人機對話的“沃森”，甚至是近幾年出現的圍棋人工智能“AlphaGo”，都是根據特定領域的知識、規則、數據，通過推理或者學習來解決特定領域的問題。現實應用中的聲音識別、人臉識別等應用也都屬于領域人工智能。

（2）跨領域人工智能。雖然目前的人工智能系統都不具備“萬能”，但如果利用其原來的主要算法，只需對原始數據等進行少量改動，將其遷移應用到其他領域，就出現了跨領域人工智能。雖然目前人工智能技術只能代替人類極個別的智能活動，但如果能充分挖掘原有智能系統的潛力，找到合適的應用場景并進行跨領域的遷移，人工智能必將在原有基礎上進一步促進社會的發展與變革。例如，科學家將“沃森”原來益智游戲的智能移植到醫療領域，然后再給它輸入大量的醫療數據，“沃森”就具備了快速的疾病診斷和給出治療方案的智能。

（3）混合增強智能。“混合增強智能”是指將人的作用或人的認知模型引入人工智能系統，形成“混合增強智能”的形態。人類發明、制造智能系統的目的是讓機器更好地為人類服務，目前很多人工智能無法解決的問題如果有人類介入與協作，必將有效地促進人工智能的發展與應用，達到“1+1>2”的效應。例如，達芬奇外科手術機器人就是外科醫生、機械臂系統和成像系統組成的混合智能系統，可以幫助人們完成復雜度極高的外科手術。

4.通過案例辨析正確理解人與人工智能的關系，落實人工智能倫理教育

教學中可結合現實案例，在組織學生討論交流的基礎上，用問題串引導學生形成對人與人工智能關系的科學認知。例如，通過“人工智能是不是萬能的？”“人工智能能做什么？”“人工智能不能做什么？”等問題，引導學生理解人工智能目前只能在某些特定領域的特定事務上可以替代甚至超越人類，但尚無法全面超越人類智能。隨著人工智能對人類社會滲透的逐步加深，人類應關注如何確保開發的人工智能系統更安全、更穩定，同時積極制定相關的法律、法規，確保人工智能不會破壞人類社會的公共秩序。

現代社會既需要培養人工智能方面的高端人才，助力人工智能的發展和普及，也需要開展面向全社會的人工智能普及教育，保證人、人工智能和社會的和諧。人工智能列入普通高中信息技術課程必修1“數據與計算”，能使學生在認識人工智能、應用人工智能的過程中進一步提升信息素養，并健康地融入人工智能的社會生態。