賈云 江蘇省蘇州實(shí)驗(yàn)中學(xué)

《中小學(xué)人工智能技術(shù)與工程素養(yǎng)框架》（以下簡稱《素養(yǎng)框架》）提出，人工智能技術(shù)需要培養(yǎng)學(xué)生從工程的角度學(xué)習(xí)、認(rèn)識和使用人工智能，并主動思考人工智能與人類、與社會的關(guān)系。[1]同時，在教科版高中信息技術(shù)教材（2019版）中，有大量的章節(jié)介紹了人工智能以及人工智能相關(guān)實(shí)現(xiàn)技術(shù)。因此，如何讓學(xué)生深刻理解、認(rèn)知、內(nèi)化人工智能相關(guān)知識，達(dá)成人工智能素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)，是本文的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。

● 人工智能素養(yǎng)的構(gòu)成及界定

本研究參考《素養(yǎng)框架》中對人工智能素養(yǎng)構(gòu)成的表述：人工智能技術(shù)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的過程是自然科學(xué)和社會科學(xué)的交叉應(yīng)用，尤其涉及人的思想、行為、能力等方面的內(nèi)容，其中滲透了倫理、道德、責(zé)任等相關(guān)問題，需要培養(yǎng)學(xué)生從工程的角度學(xué)習(xí)、認(rèn)識和使用人工智能，并主動思考人工智能與人類、與社會的關(guān)系。《素養(yǎng)框架》設(shè)計了人工智能與人類、人工智能與社會、人工智能技術(shù)、人工智能系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)4個領(lǐng)域的內(nèi)容（如圖1）。[2]

圖1 人工智能素養(yǎng)框架

在這一框架下，教師們需要同步思考：①人工智能與人類之間的關(guān)系；②人工智能對人類社會發(fā)展可能產(chǎn)生的深遠(yuǎn)影響；③人工智能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)及涉及的學(xué)科知識；④從系統(tǒng)工程的角度如何引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計、開發(fā)和測試人工智能應(yīng)用系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)問題解決的最優(yōu)化，提升學(xué)生解決復(fù)雜問題的能力以及創(chuàng)新思維等高階思維能力。

● 高中人工智能課程的設(shè)計思路與流程

根據(jù)《素養(yǎng)框架》的框架內(nèi)容及課程培養(yǎng)目標(biāo)，結(jié)合高中信息技術(shù)必修1以及選擇性必修4《人工智能初步》中的內(nèi)容，并參照實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為，要達(dá)成培養(yǎng)目標(biāo)，有關(guān)人工智能課程的設(shè)計要從人工智能的三要素——數(shù)據(jù)、算法、算力入手。

一是人工智能的根基是訓(xùn)練，正如人類要獲取一項(xiàng)新技能，就必須經(jīng)過不斷地訓(xùn)練，只有不斷地訓(xùn)練，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)才能總結(jié)出規(guī)律，并應(yīng)用到新的樣本上。所以，在課程的設(shè)計上要讓學(xué)生體會大量數(shù)據(jù)的作用以及如何通過訓(xùn)練總結(jié)規(guī)律。二是從數(shù)據(jù)分析中獲得規(guī)律，并利用規(guī)律對未知數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，要讓學(xué)生在解決問題的過程中體會算法是實(shí)現(xiàn)人工智能的根本途徑。三是在有了大數(shù)據(jù)和算法之后，需要不斷地訓(xùn)練，算力為人工智能提供了基本的計算能力的支撐，要讓學(xué)生體會算力對人工智能的關(guān)鍵作用。

根據(jù)課程設(shè)計思路，并結(jié)合實(shí)際教學(xué)過程，筆者認(rèn)為最適合使用的教學(xué)方法為項(xiàng)目式教學(xué)法，在教學(xué)過程中還原教學(xué)的本質(zhì)，讓學(xué)生在“做中學(xué)”。筆者對高中人工智能課程進(jìn)行了流程設(shè)計，具體如圖2所示。

圖2 高中人工智能課程的設(shè)計流程

● 面向人工智能素養(yǎng)培養(yǎng)的高中人工智能課程的設(shè)計實(shí)踐

“我為植物掛名牌”人工智能項(xiàng)目是在需要學(xué)生辨別植物名稱、習(xí)性，并為該植物做一首詩，掛上它的名牌的背景下進(jìn)行的。該教學(xué)案例通過識別圖片—理解機(jī)器學(xué)習(xí)—深度學(xué)習(xí)—明確人工智能三要素（數(shù)據(jù)、算法、算力），深刻理解人工智能技術(shù)原理—人工智能與人類的關(guān)系等環(huán)節(jié)，達(dá)成對人工智能素養(yǎng)的培養(yǎng)。

1.目標(biāo)制訂

學(xué)生完成對所選植物掛名牌的任務(wù)，在達(dá)成總?cè)蝿?wù)的過程中通過自主探究理解人工智能技術(shù)原理，并在此過程中學(xué)會交流與分享，培養(yǎng)合作探究精神。

2.情境創(chuàng)設(shè)

結(jié)合學(xué)校實(shí)際，在新校區(qū)啟用后，校園里栽種了許多植物，老師收集了許多不認(rèn)識的植物照片，需要同學(xué)們分組挑選照片幫助老師完成植物的辨別，并為其做首詩。

3.活動探究

（1）圖片識別，初識人工智能

教師提供幾個圖片在線識別平臺作為腳手架，讓學(xué)生嘗試選擇平臺進(jìn)行識別。

學(xué)生分組選擇自己喜歡的圖片和平臺進(jìn)行識別，教師引導(dǎo)學(xué)生思考這些軟件識別植物的過程。

①在完成小活動的過程中，教師適時提問：平臺識別的準(zhǔn)確度是100%嗎？學(xué)生通過實(shí)際操作發(fā)現(xiàn)，平臺并不能完全準(zhǔn)確地識別植物。根據(jù)軟件識別植物的過程，學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)，通過增加特征點(diǎn)，或者增加更多的圖片，讓機(jī)器學(xué)習(xí)大量的數(shù)據(jù)，進(jìn)行自我訓(xùn)練，總結(jié)規(guī)律，輸出結(jié)果。此時，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注數(shù)據(jù)在人工智能中的重要作用及機(jī)器自我完善的相關(guān)知識。

②通過手動設(shè)計特征點(diǎn)讓機(jī)器在大量的數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)、完善，在一定程度上能夠解決問題，但是也達(dá)到了一定的瓶頸。此時引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)，可以讓機(jī)器自己學(xué)習(xí)特征點(diǎn)，學(xué)習(xí)樣本數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律和表示層次，實(shí)現(xiàn)自我學(xué)習(xí)，由機(jī)器學(xué)習(xí)走向深度學(xué)習(xí)。

從機(jī)器學(xué)習(xí)到深度學(xué)習(xí)，從線性回歸、邏輯回歸、決策樹、樸素貝葉斯等算法到遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，算法的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)是讓機(jī)器具有智能的根本途徑。而算力是通過對信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)結(jié)果輸出的計算能力，它也是人工智能技術(shù)的本質(zhì)內(nèi)容。

（2）AI作詩，再探人工智能

通過人工智能平臺生成詩歌，為自己喜歡的植物作詩。學(xué)生通過作詩發(fā)現(xiàn)有些詩詞很優(yōu)美，有些詩詞語句不通，有些詩詞雖然通順但還缺少穩(wěn)定的情感表達(dá)。

在圖片識別的過程中，學(xué)生體會到從機(jī)器學(xué)習(xí)到深度學(xué)習(xí)，人工智能在逐步研究人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，人工智能技術(shù)也在不斷地完善。但是，我國的人工智能發(fā)展還處在弱人工智能階段，其不具備自身的獨(dú)立意志，行動實(shí)現(xiàn)的是設(shè)計者或者使用者的意志。

（3）交流討論，辨析人工智能

人工智能在生活中的很多領(lǐng)域閃閃發(fā)光，有人提出了對人工智能的一些擔(dān)憂：人類的一些職業(yè)是否會被人工智能取代？人們是否會因此失業(yè)？人工智能會帶來一系列的社會問題嗎？

學(xué)生根據(jù)課堂上所做的活動并結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)，辯證認(rèn)識人工智能。

4.活動評價

學(xué)生對自己所做活動的過程和結(jié)果進(jìn)行交流與評價，講解探究過程的思路、方法以及遇到的問題和解決問題的方法。教師對學(xué)生的探究過程和探究結(jié)果進(jìn)行評價。

● 思考與總結(jié)

人工智能在生活中十分常見，如何讓學(xué)生深刻理解人工智能，把握人工智能技術(shù)的關(guān)鍵要素，培養(yǎng)學(xué)生的人工智能素養(yǎng)是一線教師需要思考的問題。本研究從課堂實(shí)時效果來看，學(xué)生參與度高，能夠在項(xiàng)目探究的過程中結(jié)合教師的引導(dǎo)體會出實(shí)現(xiàn)人工智能的三要素，并辨析出人工智能與人類及社會的辯證關(guān)系，從一定程度上來講能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的人工智能素養(yǎng)。