中學人工智能教育的校本化教學實踐與思考

劉曉杰 張建彬 周思博

摘要：當前人工智能教育的發展勢不可擋，將人工智能融入基礎教育，對于提升學生信息素養，培養智能時代的合格公民具有重要意義，也是國家和社會發展對新時代教育提出的重要要求。在此背景下，本文結合我校一年多的人工智能教育實踐，對中學階段人工智能課程的教學內容設計、教學實施手段等關鍵問題進行了思考和總結，以期為促進中學人工智能教育、推動教育變革和創新發展提供參考。

關鍵詞：人工智能;課程建設;教學實踐

中圖分類號：G642 ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）17-0179-02

1 中學人工智能教育現狀及背景分析

近年來，人工智能技術正加速改變我們的生活。新一代人工智能快速崛起，引發了世界各國的高度關注，陸續出臺了人工智能相關政策和規劃。發展人工智能技術，人才培養是關鍵一環。很多國家都開始制定人工智能人才培養方案，并提出了中小學階段人工智能教育的要求和政策。相比美國、英國等發達國家，我國在人工智能課程安排等方面有很大的提升空間，同時人工智能高端技術人才的缺口也要求重視人工智能全民化教育和基礎教育。2017年7月，國務院《新一代人工智能發展規劃》發布，明確指出“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，逐步推廣編程教育”，標志著發展人工智能、推進人工智能普及教育已上升為國家戰略。

在科技進步與社會需求的共同促進下，從小學課堂到高等學府，人工智能教育已遍地開花。人工智能教育經歷了萌芽階段和探索階段，已經進入深入研究和實踐階段。但目前我國中學人工智能課程建設并不完善，符合學生認知規律的學習內容未成體系;很多老師希望開展并實施好人工智能課程，但缺乏相關資源以及可供參考、借鑒的案例;而社會力量提供的各類資源良莠不齊，是否適用，如何合理運用均有待考證。為普及人工智能教育，亟需加大課程建設力度，開發課程資源，并展開相應的教學實踐。

2 校本化解讀

《新一代人工智能發展規劃》倡導以“課程”形態推進中小學人工智能教育，同時，在《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》中，“人工智能初步”作為選擇性必修模塊進入高中課程方案，這說明中學人工智能普及教育要納入常規教學，讓每個學生對人工智能都有基本的意識、基本的概念、基本的素養和基本的興趣。有了普及，就有了豐厚的土壤，才有可能長出參天大樹，進而達到為國家人工智能發展培育種子力量的目的。

我們從學生的興趣愛好、知識儲備、認知特點和思維水平等方面進行了學情分析，依據分析結果，認為應當以人工智能教育資源建設為起點，整合適配中學學段的人工智能知識體系，在有限的課時內，盡可能涵蓋生活中常見的人工智能應用場景。人工智能課程的教學內容主要包括：基礎知識、機器學習、語音技術（語音識別和語音合成）、自然語言處理、機器視覺（人臉識別、文字識別等模式識別）等人工智能技術的學習。期間也會觸及云計算、大數據、物聯網等技術應用。此外，人工智能技術的強大遠不止改變我們的生活那么簡單，事實上，在為人們帶來空前便利的同時，也帶來了前所未有的棘手問題，因而倫理與社會問題的討論是課程中必不可少的一部分內容。豐富的課程設置，能夠讓學生在體驗中掌握現有技術的應用，同時理解技術背后的相關原理，并能合理運用人工智能技術解決真實問題，以促進學生創造力和思維方式的發展與轉變。

3 教學實踐與思考

課程實施不僅要有先進的理念，更要能落地，能進入課堂，能幫助學生更好地適應人工智能時代的發展需要。教學實踐中，我們在以下幾個方面進行了嘗試和突破。

3.1 以情境式教學感知人工智能

在真實情境下的體驗感知是學習人工智能的第一個環節。隨著技術的飛速發展和智能化的普及，智能產品層出不窮。動手體驗各種智能工具，不僅可以讓學生直觀感受人工智能技術給社會生活帶來的影響，激發學習興趣，還可以讓學生掌握常見智能工具的使用方法，來服務生活。

教學過程中，建議使用真實的智能產品，以便學生親身體驗和實際操作。例如，在學習語音技術時，可以將智能故事機帶入課堂，只需5分鐘，就足以訓練它“以假亂真”替老師開口說話。在知道了故事機的功能并學會使用后，組織學生討論、交流其中包含了哪些技術應用，還可以有哪些應用場景。例如，運用智能聲音模仿技術可以幫助遠在異地的父母，用自己的聲音為孩子講海量睡前故事等。在充分感受應用價值后，再組織學生討論語音技術可能存在的問題和風險。通過深入的思考和交流，培養學生分析問題的能力，增強學生的信息道德與信息安全意識。

3.2 以探究式教學實踐人工智能

在體驗感知的基礎上，探尋人工智能技術背后的原理和方法是學習的第二個環節。一般來說，學生對理論學習缺乏興趣，主動思考的動力不足，一方面是因為理論學習相對枯燥，另一方面也是因為有些技術思想，對于中學生而言理解起來確實有一定的難度。為此我們嘗試用簡化的模型來替代原本復雜的問題，然后讓學生通過動手實踐，來親歷技術系統的基本邏輯流程，幫助學生在自主探究的過程中習得學習內容。

例如在學習人臉識別技術時，學生首先通過拍攝或上傳照片建立人臉數據庫、訓練特征模型，接下來對待檢測的目標進行圖像采集和特征提取，最后將總結出來的特征和已經掌握的特征庫進行比對，從而實現辨別。在學習的過程中，學生不僅享受到動手實踐的樂趣，而且深入到工作流程的每一個環節，經過一系列的實踐與思考最終認識了人臉識別系統的主要功能模塊，總結出了人臉識別的關鍵步驟。

我們不是要把每個學生都培養成人工智能專家或者計算機專家，那么教學中為什么要引導學生經歷探究與發現的過程呢？原因很簡單，因為在理解技術原理之外，還有更重要的目標要去實現，那就是發展學生的計算思維能力。計算思維是區別于以數學為代表的邏輯思維，和以物理為代表的實證思維之外的第三種思維模式。思維方式的發展與轉變，在某種意義上更依賴于探究活動的參與，以及在活動中累計、提升出來的直接經驗。

3.3 以項目式教學應用人工智能

程序驅動的數字化工具已經深入到人們日常生活的每一個方面，學生不僅要具備運用這些工具的意識和能力，知道這些工具的運行機制，及其背后的邏輯與結構，還可以嘗試重構程序，運用技術創新性形成新的問題解決方案。因此，在學習的第三個環節，學生要自主設計程序作品以加深對知識、技能的理解和掌握，學習獨立思考、解決有一定難度的實際問題。

學生先通過編程來模仿生活中的智能應用場景或某個產品的功能，例如模擬停車場在識別車牌號后顯示繳費信息的場景、編寫程序實現智能音箱的功能等。先模仿再創作，是一個必經的學習過程。在理清人工智能產品的開發思路后，學生便可以著手創作開放性程序作品，從問題提出、項目分析，到項目解決、項目總結，再到項目評價，每個步驟都不能少。例如應用了語音技術的學生程序作品《校園導覽》對于我校師生來說會覺得它非常親切，而其他的朋友可以通過它了解我們的學校。開放式程序作品是作業，也是具有實際應用價值的產品，更是學以致用和技術服務生活最好的注解。

3.4 教學資源推薦

人工智能的學習離不開學習環境、學習資源的支撐與保障。為了能夠幫助更多教師開設好人工智能課程，下面將我們已經實踐過的平臺資源做一個分享。

（1）應用體驗資源

免費的人工智能體驗平臺主要有微信小程序及網站平臺兩種形式。微信小程序有百度AI體驗中心、騰訊AI體驗中心、網易AI體驗中心、曠視AI體驗中心、訊飛AI體驗棧等。這些適合能夠使用手機或者平板電腦上課的情況，操作簡便、功能多、效果好。如果上課時不能使用移動設備，可以在計算機上訪問網頁版體驗平臺，例如百度AI、騰訊AI、曠視AI、訊飛AI等平臺。

（2）原理學習資源

相對于體驗平臺，原理學習資源非常少。目前可用于原理學習的相關資源主要有編程貓的AI2.0以及teachable-machine等少數平臺，能夠實現的原理也主要是簡單的機器學習。

（3）編程實踐資源

無論是信息技術課程還是人工智能課程，目前編程語言的選擇主要為以Scratch為代表的圖形化編程和以Python為代表的代碼編程。在此，推薦若干平臺供老師們參考。

Scratch3原始版本：包含了語音合成與機器翻譯兩個人工智能模塊。版本穩定，功能較少，可以用于語音合成與機器翻譯兩個內容的教學實踐，但很難滿足更多內容。

KittenBlock：人工智能模塊相對較多，包含人臉識別、語音識別與合成、機器翻譯、機器學習等模塊。尤其是人臉識別模塊和機器學習模塊表現出色。例如：人臉識別模塊除了能夠實現大多數平臺提供的年齡、性別、表情檢測等功能外，還加入了人臉對比、人臉搜索等生活中經常使用的功能，更有助于學生將所學內容與生活相結合。

慧編程：該平臺的特點是機器學習模塊，其中模型訓練的部分不是通過改寫參數來完成（改寫參數對于學生來說不夠直觀，不利于理解機器學習的過程），而是通過可視化的方式來實現。

編程貓：軟件中包含的素材元素很美觀，受學生歡迎。其中AI2.0與Gameai兩個機器學習模塊表現優秀，能夠幫助學生比較直觀的理解深度學習、監督學習、無監督學習等概念。

Python：從算法與代碼的角度幫助學生理解人工智能相關應用的具體實現方法。環境調試、各種人工智能庫函數的安裝與使用是使用Python環境所要面臨的挑戰。

以上幾個平臺目前為免費使用，可以降低學習成本。但是，在穩定性和功能擴展等方面存在一定的問題。有條件的學校可以根據課程內容，自主設計、開發相關編程實踐平臺。

目前，人工智能教育研究已引起廣大教育工作者和學者的普遍關注，研究的深度和廣度日益增加。希望我們在中學人工智能教育實踐中的一些認識和思考，能對老師們有所啟發和幫助。不當之處，敬請批評指正。

【通聯編輯：光文玲】