開展人工智能課程面臨的主要困難及對策建議

李強 張超

摘? ?要：在中學(xué)階段開展人工智能課程面臨很多困難，學(xué)生需要一定的基礎(chǔ)，而教師也需要明確自己的課程邏輯。為了更順利地實施人工智能課程，在初中階段需要打好基礎(chǔ)，尤其是編程的基礎(chǔ)，還可以通過多種實踐的方式滲透人工智能的一些基本思想;在高中階段的人工智能課程可以通過構(gòu)建問題體系的方式來組織教學(xué)，將學(xué)習(xí)的邊界限制在對人工智能系統(tǒng)本身的認識上。

關(guān)鍵詞：人工智能;信息技術(shù);中學(xué)課程

中圖分類號：G622.3? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1009-010X（2022）18-0021-04

嚴格意義上的人工智能課程并不可以從零開始。具體而言，人工智能課程需要學(xué)生具有一定的數(shù)學(xué)、統(tǒng)計概率以及編程等方面的知識、技能作為基礎(chǔ)。比如，在《普通高中信息技術(shù)課程標準（2017年版2020年修訂）》中， “人工智能初步”作為選擇性必修的模塊4，因為需要大數(shù)據(jù)、編程算法與統(tǒng)計分析作為基礎(chǔ)或者拓展，所以與必修模塊1“數(shù)據(jù)與計算”、選擇性必修模塊1“數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)”以及選修模塊1“算法初步”等都有著密切的聯(lián)系，并且要求學(xué)生掌握諸如條件概率、線性回歸等數(shù)學(xué)知識。因此，就學(xué)生而言，當(dāng)前各普通高中在人工智能課程的實施過程中遇到的主要困難，就是學(xué)生的相關(guān)知識、技能的基礎(chǔ)不足。

同時，在高中新課標中，“人工智能初步”模塊所包括的絕大多數(shù)內(nèi)容還都不足以用于解決人工智能中涉及的實際問題，在教學(xué)中不易形成真實而有意義的實踐。因此，在高中階段的人工智能課程中，教師不易建立起一般課程那樣以解決問題為導(dǎo)向的知識結(jié)構(gòu)和授課體系。很多教師在授課過程中，對于如何形成整體的授課邏輯存在很大的困擾。對此，文章分別從初中和高中兩個階段談一談對策和建議。

一、初中階段要打好基礎(chǔ)

（一）初、高中信息技術(shù)課程是一個整體

因為人工智能課程需要較高的起點，所以我們可以將其與高中信息技術(shù)課程中的其他內(nèi)容以及與初中信息技術(shù)課程，甚至與小學(xué)信息技術(shù)課程，進行統(tǒng)籌規(guī)劃、銜接整合。

在整個中小學(xué)階段，人工智能課程都應(yīng)該作為信息技術(shù)課程的一個組成部分進行整體考慮。人工智能課程所需要的編程基礎(chǔ)以及形式化思考的能力，可以通過基礎(chǔ)的信息技術(shù)課程來加以培養(yǎng)。

（二）一定水平的編程教育是人工智能課程不可缺少的基礎(chǔ)

人工智能作為計算機科學(xué)的細分領(lǐng)域，任何人要進入這個領(lǐng)域，都需要在算法掌握以及算法的思維方式上滿足一定的要求。熟悉算法的表達形式，能理解算法，對于人工智能學(xué)習(xí)，即使是入門級的學(xué)習(xí)也是不可缺少的基礎(chǔ)。因此，對于人工智能課程而言，學(xué)生擁有編程的學(xué)習(xí)經(jīng)驗和實踐經(jīng)歷非常重要。

算法描述有自己的特點，比如步驟分離（細分）、機械執(zhí)行（自動化）和路徑確定（無歧義）等。因為算法具有這些與日常思維不太相同的特點，對于學(xué)生而言，學(xué)習(xí)算法需要有一個逐步接受、建立和發(fā)展的過程。因為算法思維方式的養(yǎng)成不可能一蹴而就，這需要一個系統(tǒng)性的、持續(xù)性的課程體系教育。

目前，越來越多的義務(wù)教育階段信息技術(shù)教科書中添加了圖形化編程的內(nèi)容。在義務(wù)教育階段，學(xué)生首先需要熟悉的是算法思考的形式和特點，然后才是具備建立初步算法的能力，最終形成一定的算法思維水平。這會為學(xué)生將來步入高中階段學(xué)習(xí)人工智能奠定較好的編程基礎(chǔ)。

（三）從編程到人工智能課程要合理規(guī)劃

在編程課程開展的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加開源硬件內(nèi)容以及人工智能應(yīng)用的體驗和開發(fā)，從而最終在義務(wù)教育階段形成一個完整的信息技術(shù)課程內(nèi)容體系，這將成為人工智能課程中一個良好的信息技術(shù)方面的基礎(chǔ)。

如圖1所示，是對中學(xué)信息技術(shù)課程與人工智能課程關(guān)系的簡單分析。之所以將開源硬件和人工智能應(yīng)用體驗作為一般編程課程的拓展性內(nèi)容放在了編程課程的內(nèi)容里，是因為與人工智能領(lǐng)域相比，其更接近一般編程的范疇。

（四）在其他場景中應(yīng)用人工智能比較基本的思想方法

人工智能是個后發(fā)領(lǐng)域，所以其中一些基礎(chǔ)性概念或者策略是從其他領(lǐng)域中移植過來的。基于此，這些比較基本的思想方法可以在其原本的應(yīng)用場景中直接進行學(xué)習(xí)和理解。

初中階段學(xué)生初步具備了函數(shù)和統(tǒng)計概率的基礎(chǔ)之后，教師通過創(chuàng)設(shè)一種需要統(tǒng)計的場景，就可以讓學(xué)生接觸了解人工智能課程中類似擬合、K均值、K近鄰等原本在統(tǒng)計領(lǐng)域就很常用的方法。

人工智能課程中常用鳶尾花數(shù)據(jù)集作為示例來學(xué)習(xí)一些原理和算法。唐山市第三十五中學(xué)從鳶尾花數(shù)據(jù)集得到啟發(fā)，設(shè)計了以下的實踐探究活動，以便深入了解和區(qū)分藍花鼠尾草和薰衣草。

1.在學(xué)校的勞動基地里，騰出兩塊空地，組織學(xué)生分別種植藍花鼠尾草和薰衣草。

2.學(xué)生制定計劃，從發(fā)芽開始每天測量各株植物的高度，葉子的寬度、長度，開花后花朵的長度、寬度等，形成一個類似鳶尾花數(shù)據(jù)集那樣的藍花鼠尾草和薰衣草數(shù)據(jù)集。

3.學(xué)生利用EXCEL將數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)形成散點分布圖。其中類似植物高度變化的數(shù)據(jù)可以進行回歸;類似同一時期葉子尺寸這樣的數(shù)據(jù)則可以直觀看到散點聚類的情況，從而形成對兩種植物的特征理解。

4.學(xué)生充分觀察理解散點分布情況的基礎(chǔ)上，可以利用編程知識嘗試設(shè)計制作專門針對這兩種植物的分類小程序和當(dāng)前生長情況的評價小程序。

5.學(xué)生還可以利用這兩種植物制成手工作品，比如利用結(jié)出的種子做成香囊，利用植物的葉子做成粘貼畫，最后與勞動、測量、統(tǒng)計、程序設(shè)計等實踐成果一起舉辦展示活動。

學(xué)習(xí)具有階段性，初中信息技術(shù)課程面臨的主要任務(wù)之一就是為高中階段信息技術(shù)課程的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。具體就是在現(xiàn)有的課程框架內(nèi)提高編程教育的質(zhì)量，并逐步將開源硬件和人工智能的應(yīng)用加入到編程中來，同時在綜合實踐活動等課程的實施過程中接觸和應(yīng)用一些人工智能領(lǐng)域的基本思想和方法。

二、高中階段主要是以人工智能系統(tǒng)為核心建立認識

在高中信息技術(shù)教科書《人工智能初步》（人教地圖版）中，給出了若干個人工智能的定義：第一，“用機器（主要指計算機）模擬類似人類的某些智能活動和功能。”第二，“數(shù)字計算機或數(shù)字計算機控制的機器人在執(zhí)行智能生物體才有的一些任務(wù)上的能力。”第三，“人工智能是利用數(shù)字計算機或者數(shù)字計算機控制的模擬、延伸和擴展人的智能，感知環(huán)境、獲取知識并使用知識獲得最佳結(jié)果的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)。”

這些定義從各自的角度對人工智能進行了一定的解釋，但都直接或者間接地表明，人工智能的研究對象是以人工智能系統(tǒng)為核心，即人工智能領(lǐng)域是圍繞建立、改善和應(yīng)用人工智能系統(tǒng)而展開的。因此，高中階段的人工智能課程也應(yīng)以人工智能系統(tǒng)為核心組織教學(xué)內(nèi)容，這其中主要包括系統(tǒng)模型、實現(xiàn)策略、核心算法和系統(tǒng)應(yīng)用等。而教師可以引導(dǎo)學(xué)生從總體設(shè)計的角度對人工智能系統(tǒng)進行分析和認識，并具體考慮人工智能系統(tǒng)的一些重要組成以及可能用到的思想原理。

（一）從總體設(shè)計的角度對人工智能系統(tǒng)建立認識

如果把人工智能系統(tǒng)看作是一個用以實現(xiàn)特定目的的計算機系統(tǒng)，那么前述的定義對于理解、設(shè)計和實現(xiàn)這個系統(tǒng)的幫助就不是很直接。結(jié)合《統(tǒng)計學(xué)習(xí)方法》（李航）以及《Python深度學(xué)習(xí)》（佛朗索瓦·肖萊），從人工智能系統(tǒng)原型的角度可以得到這樣一個大致的定義：

人工智能系統(tǒng)是指這樣一類計算機系統(tǒng)，它們以算法的形式，通過一些可行的方法和約束條件，以期建立起一個關(guān)系模型，從而將輸入數(shù)據(jù)和預(yù)期結(jié)果對應(yīng)起來。

如圖2所示，是根據(jù)《統(tǒng)計學(xué)習(xí)方法》中對監(jiān)督學(xué)習(xí)模型的描述修改后得到的人工智能系統(tǒng)和人工智能應(yīng)用系統(tǒng)的模型，體現(xiàn)了人工智能系統(tǒng)的總體設(shè)計思想。教師通過上面這個人工智能系統(tǒng)的模型，基本可以使學(xué)生理解人工智能系統(tǒng)與一般計算機程序的區(qū)別。從人工智能的角度講，就是要找到人工智能系統(tǒng)這一類計算機程序的特征，從而讓學(xué)生對人工智能系統(tǒng)有一個總的認識和思考。

在這里，人工智能系統(tǒng)與人工智能應(yīng)用系統(tǒng)作了區(qū)分。人工智能系統(tǒng)就好像一座生產(chǎn)汽車的工廠，可以生產(chǎn)汽車，而人工智能應(yīng)用系統(tǒng)就像已經(jīng)生成出來的汽車，可以利用其做一些事情，比如將汽車作為上下班的交通工具。不能說某人會駕駛汽車甚至?xí)蘩砥嚕驼f他理解了汽車制造。《人工智能初步》的內(nèi)容就好像是汽車制造初步，即使是初步，也比學(xué)開汽車對汽車的認識全面和深入得多。

（二）從已有的經(jīng)驗出發(fā)，構(gòu)建問題體系，分析人工智能系統(tǒng)

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展歷史告訴人們，不僅問題的答案是知識，問題本身也代表著知識。當(dāng)人們對涉及整體的一個具體因素產(chǎn)生疑問的時候，就已經(jīng)開始意識到這個具體因素對整體的意義了。如果學(xué)生基于經(jīng)驗或者在腦海中對汽車的運動過程進行思想實驗，就很有可能會提出疑問，運動的汽車如何才能及時停下來，而產(chǎn)生這個疑問也就是學(xué)生意識到了汽車需要這樣的一個剎車的機制;即使到最后學(xué)生也不知道剎車機制到底是怎么實現(xiàn)的，但他們對汽車制造也有了更多的認識。

通過類似的方式去認識人工智能系統(tǒng)，就將對人工智能系統(tǒng)的學(xué)習(xí)限制在了對系統(tǒng)本身的認識上，這種認識是基于經(jīng)驗或者合理的分析，而不是深入每一個組成部分的實現(xiàn)原理。

當(dāng)然，這需要聯(lián)系學(xué)生已有的解決其他問題的經(jīng)驗，具備對問題進行分解、化歸、遷移等這些基本的能力，以及在頭腦中進行思維實驗的能力。因而，前期信息技術(shù)課程中各種素養(yǎng)的培養(yǎng)，尤其是對計算思維的培養(yǎng)，在這里就會顯得至關(guān)重要。這個過程中還是會涉及一些原理性的知識，比如貝葉斯公式、回歸等;還包括一些比較具體的實例，比如決策樹的實現(xiàn)原理，深度學(xué)習(xí)的基本原理等;甚至包括一些非常具體的算法，比如啟發(fā)式搜索、比如線性回歸。但是涉及這些知識的目的不是為了實實在在地去解決具體問題，而是為了指明解決問題的方向，或者是幫助理解人工智能的初心。

如圖3所示，是結(jié)合《人工智能初步》第二單元以及《統(tǒng)計學(xué)習(xí)方法》的一些內(nèi)容粗略構(gòu)建的問題體系。因為本人在人工智能領(lǐng)域?qū)W識有限，如果有錯漏之處還請諒解。

總結(jié)起來，高中人工智能課程的總體思路就是在不深入人工智能這個大海的前提下，能以問題的形式對人工智能系統(tǒng)的一些方面有所了解。就讓可愛的學(xué)生們懷著對人工智能的好奇與憧憬進入大學(xué)，在那里繼續(xù)學(xué)習(xí)和實踐人工智能課程。

參考文獻：

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