人工智能教學實踐的四個策略

【摘 要】2017年國務院印發《新一代人工智能發展規劃》，提出“在中小學階段設置人工智能相關課程”，2019年下半年，青島率先在中小學校開設人工智能課程。但在高中學段，由于課程難度、學業壓力等原因，人工智能教育更多的是在信息技術課（個別章節涉及）、通用技術課（機器人模塊）體現或滲透，人工智能社團活動或校本選修課作為補充來開展，為一部分有興趣或特長的學生發展提供支撐。本文從高中信息技術課堂教學實踐的角度，提出了人工智能教育教學的四個策略。

【關鍵詞】信息技術；人工智能；教學實踐；項目

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】B

【論文編號】1671-7384（2024）07-060-02

人工智能是研究和開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新技術[1]，已經廣泛應用在人類工作和生活的諸多方面。對于中學生，在日常學習生活中也會經常接觸或使用一些人工智能產品，甚至個別學生對這些智能產品的應用特點、工作原理等有了一定的認知。

高中學生經過初中學段知識與技能的學習積累，日常生活又對人工智能技術有了基本的應用和認知體驗，所以教師就可以設計與人工智能相關的項目，讓學生進一步學習或探究，讓學生在原有認知和理解的基礎上，通過項目任務引領、搭建學習支架使其再往前邁進一小步，即剖析典型案例，探究人工智能算法的實現過程；搭建簡單的人工智能應用模塊，親歷設計與實現簡單智能系統的基本過程與方法，從而達成中小學人工智能教育的基本目標。

設計探究活動，認識人工智能的重要作用

在初中信息科技課程中，學生已經接觸到人工智能的基本概念和術語，高中信息技術課堂可以進一步剖析生活中的人工智能應用，讓學生理解人工智能的特點、優勢和能力邊界，知道人工智能與社會的關系，激發學生探究人工智能技術的熱情。

如在“數據與計算”模塊學習數據的編碼或采集時，對于文本型數據的采集，教師可以采用OCR識別、語音、手寫等智能輸入的形式，甚至可以設計OCR識別、語音或手寫輸入的活動環節，讓學生體驗這些智能輸入方式的優點和不足，使其辯證地看待這些智能處理工具。在“信息系統與社會”模塊學習信息系統的硬件和軟件時，教師可在傳統介紹計算機軟硬件的基礎上，融入移動端的軟硬件、支持人工智能技術發展的軟硬件，讓學生站在更高的視野來審視支撐當前人工智能發展的源動力：數據+算法+算力。在學習傳感與控制時，教師可以針對某一款機器人讓學生展開軟硬件剖析，設計學習活動讓其辨識機器人智能的來源，從而引出傳感器與智能控制的話題，深入學習其工作原理。通過類似的學習探究活動，最終讓學生的智能體驗與課堂上的原理探究聯系起來，也使他們感受到人工智能技術在信息社會中的重要作用。

剖析典型案例，探究人工智能算法的實現

算法作為支撐人工智能技術發展的基石之一，是人工智能的核心和靈魂，包括多種方法和技術，如機器學習、機器推理和機器人技術等。人工智能正是借助算法、計算能力和數據“三駕馬車”，因而具備了像人類一樣學習、思考、辨別和決策的能力。由于人工智能算法本身的復雜性和多樣性，高中信息技術課堂所能呈現的可能僅僅是其冰山一角，且人工智能算法需要經過教師過濾或簡化處理，把適合學生層次水平的常見算法拿出來進行項目化學習或探究。

在“數據與計算”模塊學習數據處理技術時，除了利用常規電子表格軟件處理和Python第三方庫處理數據外，教師還可以設計線性回歸問題供學生探究，如已知若干名學生的數學和物理成績數據，如何以某位學生的數學成績來預測其物理成績呢？兩列數據的相關性問題在數學課上亦有涉及，信息技術課上可略去復雜的公式推導過程，使用Excel軟件進行數據擬合，并用R的平方值來評判擬合效果。在學習算法的控制結構時，教師可提供人眼關鍵點（圖1）的學習支架，讓學生嘗試解決稍顯智能性的問題：如何判定一個人有沒有閉眼？此時學生自然而然地想到通過計算P2、P3、P5、P6的縱坐標和P1、P4的橫坐標來判斷眼睛的睜開程度，如通過一個閾值1/2*[（y5+y6）-（y2+y3）]/（x4-x1）確定眼睛是睜開還是閉上的，這是算法的分支結構；更深入一些，如何判斷疲勞駕駛呢？此時需要使用循環結構，在單位時間內不間斷地監測視頻中人的閉眼次數或閉眼時間（可用幀數來代替）是否達到某個閾值來判定。

圖1 人眼關鍵點

利用人工智能開放平臺，搭建簡單智能系統

機器學習作為人工智能技術的核心內容，模型是其核心組件，是產生所謂智能的核心內容。事實上，當前有不少人工智能開放平臺或模型供學習者借鑒使用，學生可以直接選用這些模型，也可以在開源框架下使用數據訓練、調參生成自己的模型，在融入自己的想法或創意后，利用人工智能算法模型的預測功能，即可搭建出簡單的擁有特定智能功能的程序或系統。

在學習“數據與計算”人工智能相關章節的時候，除了普及人工智能基礎知識外，還可以設計搭建簡單智能系統的項目探究活動，讓學生經歷利用開放模型進行智能設計的過程。以校園里已廣泛應用的口罩檢測助力抗擊肺炎項目為例，教師可以在機房部署百度AI+OpenCV+speech項目環境，學生在百度AI開放平臺上注冊賬號，獲取人臉檢測與屬性分析的鑒權，然后以在線API或離線SDK的方式發送數據請求，再用Python知識處理返回的結果，即使用OpenCV讀取本地圖片或攝像頭數據，發送到百度AI開放平臺進行處理，再把平臺返回數據中關于口罩檢測的部分轉換成語音提醒進行輸出。在這個項目活動中，模型訓練和算法都在服務器端，本地只是遵循格式要求發送和接收數據，再按照智能設計的目標，輸出要預測的結果，即應用模型，這種模式也是中學生進行智能系統設計最可行的思路和方法。

面對機遇與挑戰，增強合理利用智能技術的責任感

人工智能是通過智能機器延伸、增強人類改造自然和治理社會能力的新興技術[2]，它當前的迅猛發展，是以大量數據為支撐的，而數據正是來源于人類的生產和生活，這就造成了AI大數據時代的隱私保護和數據安全的問題。如何兼顧人工智能技術發展和保護民眾的數據隱私呢？此時除了健全法律法規、加強技術引導和個人道德約束外，還可以從技術層面保護大眾的數據隱私。

在“數據與計算”或“信息系統與社會”模塊學習數據或信息安全時，教師可以設計隱私計算的話題討論，先由“百萬富翁問題”（圖靈獎得主、中科院院士姚期智提出）引發學生思考，而后拋出安全多方計算方案：如果沒有可信的第三方，如何在不暴露個人月消費的前提下，計算出3位學生的平均月消費？教師組織學生進行小組討論，學生可能會設計出各種各樣的方案，各小組充分交流、質疑、改進，得出最優的計算方案，最終學生分組將方案用Python程序實現，從中獲得利用技術手段保護數據隱私的成就感。

綜上所述，若高中學校無法單獨開設人工智能課程，則可以采用在信息技術課或通用技術課上滲透人工智能教學內容的方式，普及高中學段的人工智能教育。此時，教師需要轉變思路，找到信息技術課程內容與人工智能知識技能的融合點，課堂上適當增加智能項目探究的比重，不斷提升學生的人工智能技術素養。

參考文獻

中華人民共和國教育部. 義務教育信息科技課程標準（2022年版）[S]. 北京： 北京師范大學出版社，2022： 39.

中華人民共和國教育部. 普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）[S]. 北京： 人民教育出版社，2020.