高中人工智能課程設計與教學實踐研究*

◆武小龍

0 引言

云計算、大數據、物聯網、“互聯網+”等技術的飛速發展，使得人工智能教育越來越成為國內外關注的焦點問題，人工智能技術在全球范圍內快速興起，正在深刻影響著社會的方方面面。教育部在多個文件中提出要實施人工智能教育，例如：2003 年頒布的《普通高中技術課程標準（實驗）》中提出要在技術學科中開設“人工智能初步”模塊；2018年頒布的《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》中進一步細化了人工智能、物聯網、3D建模、開源硬件、數據與算法等內容；2018年發布的《教育信息化2.0行動計劃》中提出要完善課程方案和課程標準，使中小學人工智能和編程課程內容能充分適應信息時代、智能時代發展需要[1]。高中作為基礎教育與高等教育銜接的重要階段，如何更好地推進我國高中階段人工智能課程的開展與普及，是一個值得思考和研究的問題。

1 相關概念介紹

1.1 人工智能

1956年召開的達特茅斯會議正式提出人工智能（AI）概念之后，歷經三次發展浪潮，人工智能已成為第四次工業革命的關鍵推動因素，成為各個國家發展的新戰略和新方向，很多發達國家制定或頒布了相關的人工智能發展規劃。人工智能實際上就是機器模擬人類認知能力的技術，或者使機器具有類似于人的智能的一門技術，因此，人工智能涉及很多跨學科的知識。2017 年7月，國務院印發《新一代人工智能發展規劃》，明確指出應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，建設人工智能學科[2]。這也是我國首次從國家層面對人工智能的發展進行頂層設計與要求。

1.2 人工智能校本課程

國外對人工智能課程的開發相對較早，早在1999年，英國就把人工智能以校本選修課的形式列在中學的ICT課程中；美國各州根據實際情況或各自的教育目標，對人工智能課程及其教學也提出不同的要求[3]；日本也開設了人工智能相關課程，并規定人工智能的部分教學內容在高中第三學期為12級的學生開設，教學時間為10周。

我國人工智能產業經過十幾年的發展，在機器人、信息技術、大數據、機器學習等領域取得卓越成果，已經形成良好的人工智能氛圍。在中小學人工智能課程中，目前市面上的教材有湯曉鷗和陳玉坤主編的《人工智能基礎（高中版）》，并在全國40多所高中進行人工智能課程的講授，配套了商湯科技的實驗平臺。2018年7月，科大訊飛公司攜手西北師范大學、北京師范大學出版社共同發布全球首本初中版人工智能教材，對人工智能在中小學的實施與課程規劃進行前期探索。但是受教育資源不均衡的影響，每個學校要開齊開全這些課程都存在一定的困難，最主要的障礙是沒有一個明確的課程標準。因此，利用網絡資源，借鑒現有的課程資源，各學校開發出一套符合校情的人工智能課程勢在必行。

2 面向高中的人工智能校本課程的設計

2.1 課程目標

根據多元智能理論和差異教育思想，高中人工智能課程開設的目的是提升學生智能素養和高階能力，幫助學生建立起對人工智能理解和應用的能力，了解人工智能的發展歷程及在教育、醫療、軍事等方面的應用，通過Python語言的簡單講解，幫助學生快速了解實現人工智能的編程語言。如讓學生了解人工智能是如何識別圖片的，通過后面內容的講解，讓學生了解一些基礎的算法，學會如何聽聲辨別，如何對視頻進行行為分析，借助樂高、Arduino等開源硬件完成簡單人工智能產品的創新設計和開發，充分利用豐富的開源框架和網絡資源，搭建面向實際生活的應用場景解決方案，引導學生積極探究、大膽實踐，激發學生的創新思維。

2.2 課程內容設計

基于此，設計并開發人工智能校本課程內容框架（圖1），在內容安排上分為六章：首先介紹人工智能的演變歷史、人工智能發展的浪潮和應用、數學危機、圖靈機、算法的初步概念等內容，展示現實生活中人工智能的應用案例；第二章介紹Python編程基礎，讓學生初步了解可以實現人工智能算法的語言工具，快速入門；第三章以常見的三種的鳶尾花的分類為例，講解機器學習的基本知識和一些常見的算法；第四章通過仿生學原理，描述卷積神經網絡、深度學習的概念與基本特征，通過剖析具體案例和項目式學習，闡述智能技術應用的基本過程和實現原理；第五章介紹視頻行為的一般識別模式；第六章是課程的實踐，結合Python，指導學生做一些關于圖像識別、線性回歸、k-均值聚類的具體開發實踐項目，供學生學習和設計。

圖1 人工智能校本課程內容框架圖

因為人工智能的很多知識已超出高中甚至本科的范圍，所以在講授過程中要注重定性，如果內容過于簡單，學生會不感興趣；如果內容過于復雜，學生會喪失興趣。因此，教師要善于設計情境化、活動化、任務化的學習活動，引導學生建立數據的可視圖，確立學生學習主體地位，讓學生直觀、深入地對一些概念性、步驟性的東西進行理解，以增強學習過程的體驗性、實踐性和整體性。同時，通過課堂“重原理、調代碼、改參數”的實踐方式，讓學生能看懂代碼、了解算法原理和思想。

2.3 評價策略的設計

智能時代，高中生已具備初步的計算思維和信息化理論基礎，具有一定的問題解決和實踐創新能力。在評價策略上，要突出課堂學習目標的達成度，依據學生的變化和本課教學的特色，從教學觀念系統和操作系統兩方面進行反思。學生可以小組為單位，提交課堂總結反思，對所學知識進行理解和探究，通過自評、互評等多種形式的評價加深對所學內容的理解。

3 人工智能課程KNN算法教學活動設計

環節一：課堂引入（5分鐘）

【教師活動】簡單回顧機器學習概念，通過具體案例讓學生思考如何解決問題，簡要介紹分類的原理，引出“物以類聚”的思想。

【學生活動】回顧上節課學習內容，分組思考并回答上一節課程學習過的回歸算法的原理。

環節二：探究學習（20分鐘）

【教師活動】

1）通過對鳶尾花及鳶尾花數據集的案例引出K 近鄰算法，讓學生帶著問題探究并討論K 近鄰算法的關鍵是什么，K 的取值對結果有什么影響。

2）演示demo算法演示網站。

3）讓學生探究sklearn庫中的KNN 算法代碼。

【學生活動】

1）體驗算法演示。

2）思考后回答教師提出的問題。

環節三：作業與拓展學習設計（10分鐘）

【教師活動】

1）分析總結KNN 算法的優缺點。

2）通過學習群觀察學生的學習效果。

【學生活動】通過互評分享自己的成果。

環節四：實踐與素養提升訓練（5分鐘）

【教師活動】

1）給出訓練實際數據集，讓學生判斷在二維情況下的KNN 算法應用。

2）提出問題：N 維空間，距離如何計算？

3）要求學生以小組為單位，提交課堂總結反思。

【學生活動】對所學知識進行理解和探究，可以加深對課程的理解，同時以小組為單位進行交流。

4 人工智能校本課程教學策略

4.1 任務驅動，自主探究

目前大多數學校的人工智能課程開展主要以機器人競賽和編程教育的形式存在，前者多停留在簡單的實體安裝和操作層次，后者大多是以參加信息學競賽為目的而接受系列的算法學習，更多的是強調編程技能。因此，在實際教學中，高中人工智能校本課程可以分為理論和實踐操作兩部分，其中理論教學主要采取課堂教授的形式，實踐教學則在相應實驗室完成。人工智能校本課程的內容可以采用任務驅動式教學法進行教學，通過分組講解與討論、自主探究，通過課堂“重原理、調代碼、改參數”的實踐方式，讓學生能看懂代碼、了解思想。

4.2 注重實踐，了解算法原理

人工智能學科其實就是概率論、統計學等各種數學理論的綜合體現，學生在高中數學的學習中要掌握概率、統計、算法的一些基礎知識，這就可以與人工智能相互促進。對于編程語言來說，以Python 來學習人工智能具有得天獨厚的優勢。Python作為一種面向對象的程序設計語言，配置容易、簡單易學、語法簡潔，可以多平臺運行，有豐富的第三方庫。Python 非常適合高中生用作人工智能入門編程語言，比如利用turtle庫就可以繪制出二次函數圖像、求解物理和數學習題，也能用于金融、大數據分析等領域。

4.3 以賽促教，鼓勵學生參加各種競賽

2019年2月，教育部公示一份面向全國中小學生的競賽活動名單，其中“全國青少年創意編程與智能設計大賽”“中國青少年機器人競賽”“全國青少年人工智能創新挑戰賽”“全國青少年電子信息智能創新大賽”等活動，都涉及人工智能與科技創新活動，是以賽促教的良好平臺，應鼓勵學生積極參加。

5 結束語

作為人工智能校本課程的一種探索和嘗試，開設人工智能課程對于培養學生高階思維和智能素養的作用與意義重大，學生已經可以運用所學來解釋計算機如何識別貓與狗，實現機器學習和深度學習。在西部地區普通高中階段探索開設人工智能校本課程，雖然面臨一系列困難，但是作為關系到國家未來發展的一項基礎科學，普及人工智能知識是每個學校應該進行的一項探索。要綜合考慮學校的硬軟件基礎、學生能力水平、師資力量等各個影響因素，進行合理規劃和設計，因地制宜地設計符合本地或本校的課程內容和教學資源庫。該模式在教學實踐中還存在不足之處，需要在后續研究中深入探索。