高中人工智能普及課程的設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)施

劉峽壁 陳文香 李海花 苑春穎

在AlphaGo掀起新一輪人工智能發(fā)展熱潮以后，對(duì)人工智能的學(xué)習(xí)、研究與產(chǎn)業(yè)化已呈現(xiàn)出不可阻擋之勢(shì)。在此背景下，人工智能教育的重要性日益凸顯。2017年，國(guó)務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出“實(shí)施全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育”^[1]。同年，教育部頒布《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》，在選擇性必修課程中設(shè)置了“人工智能初步”模塊^[2]。2018年，教育部進(jìn)一步明確，要“構(gòu)建人工智能多層次教育體系，在中小學(xué)階段引入人工智能普及教育”^[3]。

人工智能教育應(yīng)該專注于人工智能核心理念的建構(gòu)，而非編程、機(jī)器人等外圍相關(guān)知識(shí)與技能，也不是人臉識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、自動(dòng)駕駛等相關(guān)應(yīng)用。同時(shí)，根據(jù)中學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)與學(xué)習(xí)特點(diǎn)，不宜做過多深入的理論知識(shí)講解，而是應(yīng)該在動(dòng)手實(shí)踐的基礎(chǔ)上，通俗易懂地講解人工智能技術(shù)的核心思想與方法。基于上述觀點(diǎn)，本研究團(tuán)隊(duì)探索了高中人工智能普及課程的教學(xué)內(nèi)容與方法，開展了相應(yīng)的教學(xué)實(shí)踐，并在課程結(jié)束后對(duì)學(xué)生進(jìn)行了調(diào)研，以了解教學(xué)效果。

一、教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

如何從教學(xué)內(nèi)容上進(jìn)行人工智能核心理念的建構(gòu)呢？研究發(fā)現(xiàn)，基于人類智能外在表現(xiàn)與存在基礎(chǔ)的“六大實(shí)現(xiàn)途徑”是人工智能技術(shù)的核心，分別是機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、符號(hào)智能、行為智能、進(jìn)化計(jì)算、群智能^[4]。教師可以以此為基礎(chǔ)，結(jié)合高中生已學(xué)知識(shí)確定教學(xué)內(nèi)容。高中生的認(rèn)知特點(diǎn)是其思維能力逐漸從形象思維向邏輯思維過渡，辯證邏輯認(rèn)知能力不斷完善，并且認(rèn)知活動(dòng)的自覺性明顯增強(qiáng)。這說明教師在教學(xué)中要注重學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)和掌握。但單純講解理論知識(shí)，又不完全符合高中生邏輯思維正在發(fā)展的特點(diǎn)，因此，教師宜采用“以綜合實(shí)踐為引導(dǎo)，在學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐過程中逐步講解理論知識(shí)”的教學(xué)方法。這就構(gòu)成了我們確定教學(xué)內(nèi)容的兩條指導(dǎo)原則：建構(gòu)人工智能核心理念、以綜合實(shí)踐驅(qū)動(dòng)教學(xué)。

選修類科技課程宜采用社團(tuán)課程形式開展人工智能教學(xué)，每周兩個(gè)課時(shí)，15周共30個(gè)課時(shí)。在課時(shí)范圍內(nèi)，基于上述指導(dǎo)原則，結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)中“人工智能初步”模塊的要求，我們確定了如表1所示的教學(xué)內(nèi)容及安排。

第一部分為“基礎(chǔ)知識(shí)講解”。該部分從“認(rèn)識(shí)你自己”這一核心思想出發(fā)，幫助學(xué)生走進(jìn)人工智能，形成人工智能的基本概念和認(rèn)識(shí)。從上述基本認(rèn)識(shí)出發(fā)，引出人工智能六大實(shí)現(xiàn)途徑，也就是人工智能實(shí)現(xiàn)技術(shù)，并講解其基本思想，使學(xué)生建立起對(duì)于人工智能技術(shù)較為系統(tǒng)和正確的了解。

第二部分為“智能系統(tǒng)開發(fā)實(shí)踐”。該部分選擇機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、符號(hào)智能、進(jìn)化計(jì)算這四大實(shí)現(xiàn)途徑進(jìn)行深入的實(shí)踐和學(xué)習(xí)，并將這四大實(shí)現(xiàn)途徑分解到三個(gè)智能系統(tǒng)模塊的實(shí)現(xiàn)中：一是以人臉識(shí)別與語(yǔ)音識(shí)別為例，學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與機(jī)器學(xué)習(xí);二是以機(jī)器博弈為例，學(xué)習(xí)符號(hào)智能;三是以機(jī)器博弈的進(jìn)化為例，學(xué)習(xí)進(jìn)化計(jì)算。之所以缺少了對(duì)行為智能和群智能這兩種途徑的學(xué)習(xí)，一方面是因?yàn)檎n時(shí)的限制，不得不有所取舍;另一方面是因?yàn)榕c其他途徑相比，這兩種途徑對(duì)于高中生來說學(xué)習(xí)難度更高。

在以上三個(gè)智能系統(tǒng)模塊的課程中，我們首先結(jié)合學(xué)生已經(jīng)具備的數(shù)學(xué)、生物、信息技術(shù)知識(shí)來講解相關(guān)理論，然后指導(dǎo)學(xué)生利用相關(guān)理論知識(shí)動(dòng)手實(shí)踐，解決實(shí)際問題，使智能系統(tǒng)表現(xiàn)出相應(yīng)的智能功能。

在學(xué)生開始學(xué)習(xí)智能系統(tǒng)模塊之前，我們不僅在第三單元講解了智能系統(tǒng)的全貌，使學(xué)生形成對(duì)智能系統(tǒng)較完整的認(rèn)識(shí)，清楚三個(gè)模塊之間的聯(lián)系，還在第四單元補(bǔ)充了對(duì)Python編程基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)，以使Python編程基礎(chǔ)不夠好的學(xué)生能順利進(jìn)行后面的動(dòng)手實(shí)踐。在這里，我們只講解Python編程基礎(chǔ)，進(jìn)一步的編程學(xué)習(xí)則在后面系統(tǒng)模塊的學(xué)習(xí)中邊實(shí)踐邊深入。

第三部分為“課程總結(jié)”。在該部分，學(xué)生講解自己的動(dòng)手實(shí)踐成果，以此對(duì)所學(xué)的知識(shí)進(jìn)行回顧和總結(jié)，同時(shí)也鍛煉了他們匯報(bào)講演的能力。

在整體教學(xué)內(nèi)容中，第二部分“智能系統(tǒng)開發(fā)實(shí)踐”是重點(diǎn)，占總課時(shí)的2/3，并以其為紐帶將第一、三部分串聯(lián)起來。這樣的設(shè)計(jì)與安排，能使學(xué)生在實(shí)踐中掌握人工智能核心理念，并具備人工智能系統(tǒng)初步實(shí)現(xiàn)能力。

二、教學(xué)方法與過程設(shè)計(jì)

（一）教學(xué)方法設(shè)計(jì)

本課程采用以項(xiàng)目教學(xué)為主、講授為輔的教學(xué)方法。理論知識(shí)部分采用講授法，教師的講解立足于高中生已具備的數(shù)學(xué)、物理、生物等知識(shí)，注重原理性介紹，講清楚人工智能算法的基本思想與工作原理，不做復(fù)雜的理論推導(dǎo)，將其留給有興趣的學(xué)生在更高的學(xué)習(xí)階段去探索。動(dòng)手實(shí)踐采用項(xiàng)目教學(xué)法，教師為學(xué)生設(shè)定實(shí)踐項(xiàng)目的工作目標(biāo)和詳細(xì)的工作步驟，學(xué)生2人或3人為一組，在教師的指導(dǎo)下一步步完成所設(shè)定的項(xiàng)目。待所有學(xué)生完成上一步驟的任務(wù)后，才能進(jìn)入下一步驟的任務(wù)。這樣一來，教師就能以動(dòng)手實(shí)踐來推動(dòng)學(xué)生對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)與掌握，讓學(xué)生邊實(shí)踐邊學(xué)習(xí)，再學(xué)習(xí)再實(shí)踐，循序漸進(jìn)，逐步提升，不僅能保持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能獲得良好的學(xué)習(xí)效果。

本課程還將對(duì)實(shí)踐所需的Python編程能力的學(xué)習(xí)融入項(xiàng)目實(shí)踐過程中。先用少量課時(shí)補(bǔ)充或強(qiáng)化編程基礎(chǔ)知識(shí)，再在項(xiàng)目進(jìn)行過程中根據(jù)學(xué)生實(shí)踐需要，隨時(shí)補(bǔ)充編程知識(shí)的講解和詳細(xì)指導(dǎo)，避免學(xué)生因編程能力不足而難以開展學(xué)習(xí)，也避免因過分強(qiáng)調(diào)編程而偏離了人工智能的學(xué)習(xí)主旨。

（二）教學(xué)過程設(shè)計(jì)

相應(yīng)地，本課程的教學(xué)過程以對(duì)三個(gè)智能系統(tǒng)模塊的了解、體驗(yàn)與動(dòng)手實(shí)踐為主線，開展理論與實(shí)踐教學(xué)。人臉識(shí)別與語(yǔ)音識(shí)別控制的智能小車系統(tǒng)，以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與機(jī)器學(xué)習(xí)為人工智能實(shí)現(xiàn)途徑，以人臉識(shí)別與語(yǔ)音識(shí)別的實(shí)現(xiàn)為案例，以小車智能控制為直觀體驗(yàn)，使學(xué)生理解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。基于符號(hào)智能的機(jī)器博弈系統(tǒng)，以符號(hào)智能為人工智能實(shí)現(xiàn)途徑，以五子棋博弈的實(shí)現(xiàn)為案例，在手機(jī)上呈現(xiàn)下棋過程，使學(xué)生理解符號(hào)智能技術(shù)。基于進(jìn)化計(jì)算的機(jī)器博弈進(jìn)化系統(tǒng)，以進(jìn)化計(jì)算為人工智能實(shí)現(xiàn)途徑，以五子棋博弈程序的進(jìn)化為案例，使學(xué)生理解進(jìn)化計(jì)算技術(shù)。

上述三種系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)硬件由三部分構(gòu)成：GPU計(jì)算服務(wù)器、手機(jī)、小車。GPU計(jì)算服務(wù)器起到類似大腦的作用，是整個(gè)系統(tǒng)智能計(jì)算的核心。手機(jī)的作用有三個(gè)：一是作為感知器感知外界信息。具體地說，其攝像頭類似人的眼睛，用于捕捉影像信息，聽筒類似人的耳朵，用于捕捉聲音信息。二是作為執(zhí)行器執(zhí)行系統(tǒng)命令，與外界環(huán)境交互。其屏幕類似人臉，用于顯示系統(tǒng)智能計(jì)算結(jié)果，喇叭類似人的嘴巴，發(fā)出相應(yīng)聲音。三是作為通信中樞，通過Wi-Fi與計(jì)算服務(wù)器相連，再通過藍(lán)牙與小車相連，從而將計(jì)算服務(wù)器與小車連接成為一個(gè)整體的智能系統(tǒng)。小車的作用也有兩個(gè)：一是作為感知器感知外界信息。其超聲傳感器與紅外傳感器作用類似，均用于感知與前方障礙物的距離，尋光傳感器用于感知前方環(huán)境光的強(qiáng)度，巡線傳感器用于獲得淺色平面上的黑色軌跡或者黑色平面上的淺色軌跡。二是作為執(zhí)行器執(zhí)行系統(tǒng)命令，與外界環(huán)境交互。其七彩燈與風(fēng)扇用于展現(xiàn)系統(tǒng)智能計(jì)算結(jié)果，比如人臉識(shí)別驗(yàn)證通過后點(diǎn)亮七彩燈，其車輪（包括電機(jī)）是執(zhí)行智能系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)指令（如前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等）的部件。

圖1展示了上述智能系統(tǒng)的架構(gòu)。該系統(tǒng)不僅可以支撐本文教學(xué)中涉及的機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、符號(hào)智能以及進(jìn)化計(jì)算這四種人工智能實(shí)現(xiàn)途徑。如果課時(shí)允許，該系統(tǒng)還可以支撐行為智能與群智能的教學(xué)。

依托上述智能系統(tǒng)，三個(gè)智能模塊的教學(xué)過程類似。以人臉識(shí)別與語(yǔ)音識(shí)別控制的智能小車系統(tǒng)為例，教師先講解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與機(jī)器學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)知識(shí)，重點(diǎn)講解在系統(tǒng)中用到的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與機(jī)器學(xué)習(xí)方法，及其如何實(shí)現(xiàn)了人臉識(shí)別與語(yǔ)音識(shí)別 ;再通過“人臉與語(yǔ)音數(shù)據(jù)的采集與標(biāo)注”“人臉識(shí)別模型的學(xué)習(xí)”“語(yǔ)音識(shí)別模型的學(xué)習(xí)”“人臉識(shí)別與語(yǔ)音識(shí)別模型在整體系統(tǒng)中的嵌入”子模塊指導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐。在每個(gè)子模塊的學(xué)習(xí)過程中，教師先講解相應(yīng)程序，學(xué)生在閱讀理解相關(guān)程序的基礎(chǔ)上編譯運(yùn)行程序，體驗(yàn)程序及其工作過程。最后教師隱藏程序的關(guān)鍵部分，讓學(xué)生編程實(shí)現(xiàn)。表2是教師設(shè)計(jì)的“完成語(yǔ)音識(shí)別應(yīng)用，學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)”一課的教學(xué)內(nèi)容與過程。

上述教學(xué)方式對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)要求較低，學(xué)生在動(dòng)手過程中能夠真切地感受到智能系統(tǒng)的工作原理，接受程度較高。

三、教學(xué)效果評(píng)價(jià)

本課程共有25個(gè)學(xué)生選課，均順利完成了學(xué)習(xí)過程，能形成對(duì)人工智能的總體認(rèn)識(shí)，理解智能系統(tǒng)及其背后的工作原理，并獲得初步的人工智能系統(tǒng)實(shí)踐能力，達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)本課程教學(xué)效果，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了學(xué)習(xí)效果調(diào)查問卷，讓學(xué)生以無記名方式作答，以了解學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)過程、學(xué)習(xí)效果及其對(duì)教學(xué)方法與內(nèi)容的認(rèn)識(shí)等情況。

我們共發(fā)出25份問卷，收回有效答卷24份，其回答情況如下。

第一，從學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)看，大多數(shù)學(xué)生（18/24=75%）是出于興趣選修本課程。

第二，從學(xué)習(xí)過程看，學(xué)生主要在課堂上學(xué)習(xí)，非課程時(shí)間學(xué)習(xí)較少，絕大多數(shù)學(xué)生在課前及課后花費(fèi)的時(shí)間少于30分鐘。這也符合高中科技選修課程的特點(diǎn)，畢竟學(xué)生在課下主要進(jìn)行主課的學(xué)習(xí)，因此要盡量在課堂上解決問題。

第三，從課堂學(xué)習(xí)看，只有極個(gè)別學(xué)生（1/24=4%）跟不上教師的教學(xué)進(jìn)度，少量學(xué)生（8/24=33%）能完全跟上教師的教學(xué)進(jìn)度，多數(shù)學(xué)生（63%）則介于二者之間。

第四，從對(duì)知識(shí)的掌握程度看，少數(shù)學(xué)生（6/24=25%）在理論和實(shí)驗(yàn)上均掌握不佳，能完全掌握的學(xué)生數(shù)量最多（9/24=38%），還有16%的學(xué)生僅掌握理論，21%的學(xué)生僅掌握實(shí)驗(yàn)。

第五，從學(xué)生對(duì)教學(xué)方法與過程的感受看，本課程“在實(shí)踐中學(xué)習(xí)”的方法以及“先構(gòu)建總體知識(shí)框架再逐漸深入學(xué)習(xí)和實(shí)踐”的方法受到了大多數(shù)學(xué)生的歡迎（反映在第10～12題的回答上），學(xué)生也希望教學(xué)更多地側(cè)重于實(shí)驗(yàn)操作（第14題，18/24=75%）。而在授課方式上，選擇“先講理論，再進(jìn)行實(shí)踐”與“實(shí)踐和理論穿插進(jìn)行”的學(xué)生數(shù)大體相當(dāng)（5∶7），這說明學(xué)生在實(shí)踐時(shí)還是需要理論指導(dǎo)的，教師先進(jìn)行必要的基礎(chǔ)理論知識(shí)的講解，再在實(shí)踐中穿插理論教學(xué)是較好的教學(xué)方法。

總體上看，本課程確定的學(xué)習(xí)方法是符合高中生特點(diǎn)和人工智能普及教育要求的，在學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)不是很理想的情況下（編程基礎(chǔ)較好的學(xué)生僅占29%，第7題），仍能使大多數(shù)學(xué)生順利完成學(xué)習(xí)，達(dá)成預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。

四、結(jié)論

本文介紹了本研究團(tuán)隊(duì)對(duì)高中人工智能普及課程教學(xué)的思考與實(shí)踐。幫助學(xué)生建構(gòu)人工智能核心思想與方法，通過綜合實(shí)踐驅(qū)動(dòng)教學(xué)過程，是我們開展人工智能教學(xué)的兩個(gè)指導(dǎo)思想。基于這兩個(gè)指導(dǎo)思想，研究團(tuán)隊(duì)確定了教學(xué)內(nèi)容與方法，進(jìn)行了實(shí)際教學(xué)，最后通過觀察學(xué)生表現(xiàn)及調(diào)查問卷形式對(duì)教學(xué)效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示，該課程的實(shí)施達(dá)到了預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)，對(duì)于在高中階段以社團(tuán)選修課形式開展人工智能普及教育有一定的參考價(jià)值。

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[4] 劉峽壁，馬霄虹，高一軒.人工智能 ：機(jī)器學(xué)習(xí)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2020.

（作者劉峽壁系北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師;陳文香系北京市第六十五中學(xué)科技中心主任;李海花系北京市第六十五中學(xué)信息技術(shù)教師;苑春穎系北京市第六十五中學(xué)信息技術(shù)教師）

責(zé)任編輯：牟艷娜