基于體驗(yàn)與實(shí)踐的人工智能教育

譚珊珊

自2017年國(guó)務(wù)院發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》以來(lái)，人工智能教育成為教育的熱點(diǎn)，《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》也明確將人工智能教育列入其中。下面，筆者以《中小學(xué)人工智能教育系列（人工智能高中版）》中的《文字識(shí)別：小區(qū)車牌識(shí)別》一課為例，在實(shí)踐中體驗(yàn)學(xué)習(xí)，利用數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境，探索在高中學(xué)段的人工智能教學(xué)。

● 在體驗(yàn)學(xué)習(xí)中突出實(shí)踐性符合當(dāng)下教與學(xué)的需求

體驗(yàn)學(xué)習(xí)是一種依靠學(xué)習(xí)共同體，讓小組成員間合作交流、探究思考，通過(guò)在設(shè)計(jì)的各種活動(dòng)中實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)各項(xiàng)知識(shí)和能力的一種學(xué)習(xí)方式。從高中信息技術(shù)教材來(lái)看，它對(duì)人工智能教學(xué)內(nèi)容的難度和深度要求不高，教師可在教學(xué)中選取貼近學(xué)生日常生活經(jīng)驗(yàn)的實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)踐中體驗(yàn)學(xué)習(xí)，進(jìn)而感受、理解并掌握人工智能的相關(guān)原理。因此，體驗(yàn)與實(shí)踐的教學(xué)形式適合當(dāng)下的教育改革。

● 數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境是體驗(yàn)實(shí)踐的保障條件

從杜威提出的“做中學(xué)”，到新一輪課程改革中提到的“知行合一”，無(wú)不注重實(shí)踐在教育中的重要性，同樣，任何教學(xué)方式的應(yīng)用都需要有一定的教學(xué)環(huán)境來(lái)保障。人工智能教育主要表現(xiàn)在機(jī)器模擬人類聽(tīng)、說(shuō)、讀、寫(xiě)等智慧能力的技術(shù)體現(xiàn)，教師需要準(zhǔn)備攝像頭、麥克風(fēng)、傳感器等執(zhí)行器，還要為學(xué)生提供收集數(shù)據(jù)、搭建模型、訓(xùn)練模型等實(shí)踐性體驗(yàn)的學(xué)習(xí)條件，所以，數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境在人工智能體驗(yàn)教育中是輔助學(xué)生理解相關(guān)知識(shí)、掌握相關(guān)原理，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)的保障條件。

● 在實(shí)踐體驗(yàn)的探究中發(fā)展學(xué)科素養(yǎng)能力

在實(shí)踐體驗(yàn)中持續(xù)探究的教學(xué)組織模式可設(shè)計(jì)以下模塊：一是通過(guò)數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺(tái)的體驗(yàn)探究，熟悉并掌握常見(jiàn)的人工智能工具，使用合適的工具解決實(shí)際問(wèn)題，掌握人工智能基礎(chǔ)知識(shí)與技能，發(fā)展人工智能意識(shí);二是通過(guò)圖像化編程實(shí)踐，將復(fù)雜的問(wèn)題分解為簡(jiǎn)單的問(wèn)題，將其化簡(jiǎn)為可計(jì)算的模型自動(dòng)執(zhí)行的操作，提高計(jì)算思維能力，并能夠?qū)⒔鉀Q問(wèn)題的方法遷移到其他問(wèn)題的解決中;三是在搭建智能機(jī)器人和分享總結(jié)中提升人工智能應(yīng)用與創(chuàng)新能力，認(rèn)識(shí)人工智能倫理，樹(shù)立人工智能社會(huì)責(zé)任意識(shí)。通過(guò)這種教學(xué)組織的模式能夠讓學(xué)生感悟人工智能技術(shù)與人、自然、社會(huì)的關(guān)系，把握數(shù)據(jù)、算法、系統(tǒng)和社會(huì)的關(guān)系，分辨人工智能技術(shù)的“善與惡”，形成技術(shù)安全和責(zé)任意識(shí)，提升技術(shù)倫理和道德意識(shí)。

● 學(xué)情分析

如今的高中生，在學(xué)科基礎(chǔ)上，通過(guò)義務(wù)教育階段的信息技術(shù)課程學(xué)習(xí)形成了一定的信息技術(shù)基礎(chǔ);在現(xiàn)實(shí)生活方面，感受過(guò)如指紋識(shí)別、人臉識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別等人工智能技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)人工智能技術(shù)有很大的學(xué)習(xí)興趣;在學(xué)習(xí)能力上，具有一定的獨(dú)立思考問(wèn)、合作探究的能力。不過(guò)，他們?cè)谌斯ぶ悄芟嚓P(guān)具體基礎(chǔ)知識(shí)、原理、方法、核心算法與應(yīng)用方面沒(méi)有任何基礎(chǔ)，所以，通過(guò)體驗(yàn)實(shí)踐的方式來(lái)了解人工智能相關(guān)的內(nèi)容體系符合當(dāng)前的學(xué)情需要。

● 學(xué)習(xí)內(nèi)容分析

《中小學(xué)人工智能教育系列（人工智能高中版）》中的《文字識(shí)別：小區(qū)車牌識(shí)別》一課，要求掌握文字識(shí)別的工作原理，了解文字識(shí)別技術(shù)面臨的技術(shù)難題，辨析人工智能的倫理，從而解決人工智能場(chǎng)景問(wèn)題的思維活動(dòng)，并能廣泛遷移到信息社會(huì)的各個(gè)場(chǎng)景中，以此將知識(shí)建構(gòu)、技能培養(yǎng)與思維發(fā)展融入運(yùn)用數(shù)字化工具解決問(wèn)題和完成任務(wù)的過(guò)程中，形成在信息社會(huì)中運(yùn)用人工智能思維理解、分析、做事的關(guān)鍵能力，形成持續(xù)做正確的事的必備品格，形成一貫正確做事的價(jià)值觀念。

● 教學(xué)理念和方法

本節(jié)課主要使用在實(shí)踐中體驗(yàn)的教學(xué)方法。通過(guò)“新知引入→頭腦風(fēng)暴→體驗(yàn)探究→應(yīng)用分享→知識(shí)延伸”這一主線開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)。在以學(xué)習(xí)者為中心的實(shí)踐與反思中，習(xí)得知識(shí)與技能，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維、辯證分析、協(xié)作學(xué)習(xí)、交流表達(dá)等多項(xiàng)能力素養(yǎng)。設(shè)計(jì)中將人工智能素養(yǎng)中的意識(shí)、思維、方法、創(chuàng)新應(yīng)用、人工智能倫理融入教學(xué)過(guò)程，從人工智能技能、方法的培養(yǎng)，到意識(shí)、能力的培養(yǎng)，再到素養(yǎng)培育的實(shí)現(xiàn)，讓學(xué)生形成人工智能科學(xué)的思想方法。

● 教學(xué)過(guò)程

1.創(chuàng)設(shè)情境、頭腦風(fēng)暴發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

教師創(chuàng)設(shè)實(shí)踐中體驗(yàn)的教學(xué)情境，以車牌識(shí)別技術(shù)為主線，提出車牌識(shí)別技術(shù)現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的場(chǎng)景有哪些、車牌識(shí)別技術(shù)存在哪些風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題進(jìn)行討論，時(shí)間在5分鐘左右。學(xué)生小組頭腦風(fēng)暴，交流車牌識(shí)別在生活中的具體應(yīng)用，并發(fā)現(xiàn)其中的問(wèn)題。

將教學(xué)還原到具體的真實(shí)生活情境中，讓學(xué)生在討論中碰撞出對(duì)智能交通、智能安防、人工智能倫理簡(jiǎn)單的思考。在這個(gè)過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生交流、辯證分析問(wèn)題的能力素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)人工智能“意識(shí)、倫理”的素養(yǎng)培育。

2.體驗(yàn)與探究

教師借助數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺(tái)，通過(guò)“黑箱”封裝的學(xué)習(xí)模塊，讓學(xué)生體驗(yàn)車牌識(shí)別的過(guò)程。學(xué)生小組討論，深入分析車牌識(shí)別的原理。活動(dòng)時(shí)長(zhǎng)為15分鐘。

數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境構(gòu)建是8人一個(gè)小組，提供兩臺(tái)平板和兩臺(tái)智能機(jī)器人，學(xué)生先通過(guò)平板中的車牌識(shí)別的模塊體驗(yàn)過(guò)程，理解圖像識(shí)別和圖像分割的原理，再借助圖像化編程和智能機(jī)器人，總結(jié)并分享文字識(shí)別的工作原理，如圖1所示。

學(xué)生通過(guò)車牌識(shí)別技術(shù)與原理的操作，體驗(yàn)車牌識(shí)別的應(yīng)用場(chǎng)景，在探究推進(jìn)的過(guò)程中利用“黑箱”封裝的學(xué)習(xí)模塊，理解和剖析文字識(shí)別原理;小組在體驗(yàn)過(guò)程中，逐步梳理出結(jié)論和觀點(diǎn)，并利用智能機(jī)器人的語(yǔ)音功能完成知識(shí)“分享”，增加了人工智能教育本身智能的體現(xiàn)，也讓分享和交流更具有趣味性。此過(guò)程中的“黑箱”封裝學(xué)習(xí)模塊，讓技術(shù)工具成為學(xué)生自主化學(xué)習(xí)的表現(xiàn)工具，為學(xué)生提供了更加深刻理解、更多運(yùn)用知識(shí)、更多動(dòng)手創(chuàng)作的機(jī)會(huì)，使其成為自主學(xué)習(xí)的主人，為體驗(yàn)實(shí)踐增值加分。整個(gè)體驗(yàn)實(shí)踐過(guò)程，培養(yǎng)了學(xué)生小組協(xié)作、知識(shí)梳理、交流表達(dá)等關(guān)鍵能力，實(shí)現(xiàn)了人工智能“思維、方法”的素養(yǎng)培育，也突破教學(xué)中了解文字識(shí)別技術(shù)面臨的技術(shù)難點(diǎn)和辨析人工智能的倫理的重點(diǎn)。

3.實(shí)踐操作與應(yīng)用分享

教師設(shè)計(jì)制作車牌識(shí)別機(jī)器人，體現(xiàn)實(shí)踐性。活動(dòng)時(shí)長(zhǎng)為15分鐘。每組學(xué)生兩套設(shè)備，一套利用圖像化編程制作車牌識(shí)別機(jī)器人，另一套運(yùn)用語(yǔ)音模塊梳理小組的觀點(diǎn)，并用智能機(jī)器人進(jìn)行分享。

通過(guò)使用圖形化編程的方式制作車牌識(shí)別機(jī)器人的實(shí)踐，能加深對(duì)文字識(shí)別技術(shù)原理的理解，并在設(shè)計(jì)實(shí)踐的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)文字識(shí)別技術(shù)面臨的技術(shù)難題。這種基于場(chǎng)景應(yīng)用的圖形化編程設(shè)計(jì)，能培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維能力，而且利用機(jī)器人“分享”和梳理學(xué)習(xí)觀點(diǎn)的方式，有利于學(xué)生建構(gòu)學(xué)科知識(shí)，培養(yǎng)邏輯思維能力。此環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了人工智能“創(chuàng)新、應(yīng)用”的素養(yǎng)培育，也有效突破了文字識(shí)別工作原理這一難點(diǎn)。

4.知識(shí)延伸與評(píng)價(jià)總結(jié)

教師拓展文字識(shí)別的其他應(yīng)用場(chǎng)景，總結(jié)原理、應(yīng)用、倫理，對(duì)小組活動(dòng)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。活動(dòng)時(shí)長(zhǎng)為5分鐘。學(xué)生完成小組評(píng)價(jià)表（如圖2）。

● 教學(xué)反思

在數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境中，學(xué)生以小組合作的方式，通過(guò)自主、探究、實(shí)踐、體驗(yàn)的學(xué)習(xí)過(guò)程掌握相應(yīng)的知識(shí)技能，生成學(xué)科核心素養(yǎng)。教師在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中講解時(shí)間不超過(guò)5分鐘，主要起到引導(dǎo)和啟發(fā)的作用，把課堂還給學(xué)生，突出了學(xué)生在體驗(yàn)實(shí)踐中的主體性。

創(chuàng)新之處：①教學(xué)方法中突出探究活動(dòng)中體驗(yàn)式學(xué)習(xí)的實(shí)踐。以學(xué)習(xí)者為中心，利用數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺(tái)中的車牌識(shí)別模塊，小組合作探究出文字識(shí)別的工作原理，從意識(shí)、思維維度培養(yǎng)了人工智能素養(yǎng)。②教學(xué)過(guò)程中突出編程操作對(duì)體驗(yàn)式學(xué)習(xí)的應(yīng)用。小組合作利用模塊化編程方式制作的車牌識(shí)別機(jī)器人，讓學(xué)生解決人工智能場(chǎng)景設(shè)計(jì)問(wèn)題，從思維、創(chuàng)新應(yīng)用維度培養(yǎng)了人工智能素養(yǎng)。③教學(xué)活動(dòng)中關(guān)注分享、評(píng)價(jià)對(duì)體驗(yàn)式學(xué)習(xí)的反思。在探究和編程環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了兩次分享與評(píng)價(jià)，學(xué)生利用機(jī)器人助理，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)中知識(shí)、技能、態(tài)度等反思性的梳理，解決了高中生不愛(ài)表達(dá)的問(wèn)題，培養(yǎng)了人工智能科學(xué)的思想方法。

不足之處：在以小組為單位的評(píng)價(jià)方式中忽視了個(gè)體的認(rèn)定，可考慮增加開(kāi)放式問(wèn)題，讓評(píng)價(jià)更加多元。另外，因數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺(tái)中未提供評(píng)價(jià)模塊，現(xiàn)階段采用的是紙質(zhì)評(píng)價(jià)方式，但存在不方便量化的問(wèn)題，這需要改變。

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本文系中央電化教育館課題項(xiàng)目“基于核心素養(yǎng)培育的高中校本資源開(kāi)發(fā)與應(yīng)用”[編號(hào)：教電（2021）01-024號(hào)]的研究成果。