人工智能科普教育探究——以初中“语音合成”课为例

赵飞龙 钟 锟 刘 敏

（科大讯飞股份有限公司，安徽合肥 230088）

引言

人工智能技术正深刻地影响着人类社会，多个国家已将人工智能列为提升国家竞争力的重大战略。如2016年1月，日本在《第五期（2016～2020年度）科学技术基本计划》中提出了超智能社会5.0战略；2016年10月，美国先后发布《为人工智能的未来做好准备》、《国家人工智能研发战略规划》，制定了美国人工智能的发展路线和战略；2017年1月，英国发布《人工智能：未来决策制定的机遇与影响》，论述了如何利用英国在人工智能领域的优势来增强国力。

在此背景下，完善人工智能人才培养体系、提升全民的人工智能素养，可为把握人工智能发展的重大历史机遇提供源动力。2017年7月，国务院在印发的《新一代人工智能发展规划》中指出要“把高端人才队伍建设作为人工智能发展的重中之重，坚持培养和引进相结合，完善人工智能教育体系，加强人才储备和梯队建设”，并“实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育”[1]。由此可见，中小学人工智能科普教育的开展，已成为我国人工智能重大战略落地的重要手段。

一 人工智能科普教育与人工智能素养

科普教育是把人类已经掌握的科学技术知识（包括科学思想、观念、方法、精神等），通过多种形式和渠道，广泛地传播到国民中去，从而促进社会精神文明和物质文明的发展，它是促进“科教兴国”战略实施的必经之路[2]。人工智能科普教育是将人工智能技术知识通过教授、体验、应用等手段，让学习者掌握基本的人工智能知识，具备初步的人工智能能力。人工智能科普教育不仅要为高校和社会输送人工智能专业人才，更应注重提升学生的人工智能素养——人工智能素养是科学素养的重要组成部分，而科学精神和实践创新是学生发展核心素养的重要内容，因此要培育人才、提升学生的发展核心素养，其重中之重在于培养学生的人工智能素养。

培养学生人工智能素养的核心目标，在于培养学生的以下能力：①人工智能鉴赏力——人工智能具有一定的抽象性、复杂性和多面性，在科普教育中可通过体验、操作等方式，让学生对人工智能进行感性认识、理性欣赏和价值评判；②人工智能理解力——深化学生对人工智能的支撑技术、构成及特征、基本原理、应用价值等知识理解及知识迁移能力；③人工智能应用力——通过采取项目式学习的方式，培养学生在实践中利用人工智能解决问题及实践创新能力。

二 人工智能科普教育的特点及价值

国务院办公厅在印发的《全民科学素质行动计划纲要实施方案（2016-2020年）》中强调：“以科普信息化为核心，推动实现科普理念和科普内容、表达方式、传播方式、组织动员、运行和运营机制等服务模式的全面创新。”[3]基于此，本研究认为人工智能科普教育也应进行全面创新，形成以下特点：①引入趣味化。中小学生的学习特点要求科普内容具有趣味性，以激发学生的学习兴趣。②知识生活化。由于学生与科普内容进行直接接触的机会较少，故容易造成认知困难，而通过人工智能技术将科普内容与学生的生活实际相关联，就可以适当降低学习难度。③原理可视化。科普内容中复杂的原理知识与学生的现有认知匹配难度较大，因此在原理知识的讲解过程中宜多采取可视化的方式来呈现，并可适当增加人机交互的内容。④活动外显化。在人工智能科普教育中采取项目式学习的方式，并通过外显的机器人、硬件设备等即时支持相关的学习活动，吸引学生注意力，并培养学生的动手操作能力。⑤成果分享化。活动结束之后进行经验总结与成果分享，能够有效提升学生对科普内容的理解与表达能力。

陈晓伟等[4]认为，应用现代教育技术，实现多媒体教学，具有可组合、可扩充的特点，与培养学生思维的扩散性思维形成完美的结合。而开展人工智能科普教育，有利于培养中小学生的思维——这对于中小学生的个人成长和未来发展来说十分重要。此外，由于我国人工智能尖端人才储备还远远不能满足市场的需求，故通过各种手段培育人工智能创新型人才和先进型技术团队，已成为很多高校和各大企业的工作方向。而人工智能科普教育的实施，能够在中小学阶段培养大量的基础型人工智能人才，这就为高校和企业的人工智能人才输入提供了丰富的选择。

三 人工智能科普教育教学模式的构建

本研究认为，人工智能科普教育应注重以学生为中心，强调学生学习的主动性，避免以教师为中心的知识灌输，这方面可以借鉴余胜泉等[5]提出的基于建构主义的教学设计模式——他们强调建构主义的教学设计要发挥学习者在学习过程中的主动性和建构性，并根据初级学习和高级学习划分，提出了自上而下的教学设计思想和知识结构网络的概念，重视“情景”、“协作”在教学中的重要作用。与此同时，人工智能科普教育还应突出以实践体验为核心的项目式学习，从能力提升、实践应用的角度为学生学习提供支持，这方面可以参考邵征锋等[6]提出的基于电子书包的PBL教学模式——他们强调让学生通过电子书包，亲身参与新知识发现的过程，发挥学生的主动性、积极性，在合作、探索的过程中去发现新知识，从而更深刻地理解知识的内在属性、更好地建构个体的知识结构。在基于建构主义的教学设计模式和基于电子书包的PBL教学模式的指导下，本研究构建了集教学目标、教学活动、教学工具于一体的人工智能科普教育教学模式，如图1所示。

图1 人工智能科普教育教学模式

在人工智能科普教育教学模式中，教学目标分为“知识与技能”、“过程与方法”和“情感、态度、价值观”三个维度，以培养学生习得人工智能的基础知识与技能，采用相关方法进行人工智能知识与技能的理解、运用与迁移，进而升华为人工智能伦理等。教学活动按照体现人工智能科普教育之特点的要求进行流程设计。在教学工具中，网络资源、课件资源和素材库可为教师提供多种选择，便于教师在进行教学引入与知识讲解时联系生活实际，并趣味化呈现课程内容；认知工具如交互式小程序、微课、Flash动画等能够对复杂的过程和原理进行可视化展示，便于学生理解；编程工具针对小、初、高不同学段提供Scratch和Python的编程环境，通过对人工智能接口的灵活调用实现对知识的迁移应用；协同工具支持小组式的分布式编程与小组交流功能，为项目式学习提供支持；存储工具能够对学生小组作品进行记录和留存，为后续过程性评价和终结性评价提供依据；评价工具通过对过程性数据的跟踪和分析，了解学生参与项目的学习成果质量和合作情况，对学生的学习效果进行综合评价。

四 人工智能科普教育教学模式的实践案例

本研究以2018年2月人工智能课程体系中初一年级的“语音合成”课在苏州D学校的实践为例，对人工智能科普教育教学模式进行了应用。“语音合成”课的教学目标如表1所示。为达到既定的教学目标，“语音合成”课首先通过与学生生活实际相关的高德地图导航、智能客服等引入问题，然后对语音合成的概念、原理进行讲解和可视化演示，再通过调用语音合成模块、结合编程练习与机器人操作进行项目设计与实践，最后明晰语音合成在生活中的应用价值，并对技术本身的伦理与道德进行反思和评价。根据人工智能科普教育教学模式相关教学活动的设计，“语音合成”课的具体教学流程如下：

1 问题引入，学习激趣

①问题引入：教师播放高德地图导航中王俊凯说话的声音，向学生提问：这些是机器在说话还是王俊凯在说话？引导学生得出答案：这是机器的声音。

②学习激趣：播放语音合成视频，利用语音合成技术制作奥巴马声音输出的视频材料，播放“欢迎同学们学习本节课”的视频内容。

表1 “语音合成”课的教学目标

2 联系生活，知识传授

①联系生活：教师向学生提问：“你们遇到过机器说话的场景有哪些？”引导学生注意录音机的声音、广播的声音、微信读书、叫号系统等在导航、智能客服、在线阅读、听力制卷、餐饮服务等场景中的应用，并判断哪些为语音合成、哪些为人类录制。

②知识传授：教师讲授语音合成概念，即语音合成（Speech Synthesis 或 Text To Speech）是通过机械的、电子的方法产生人造语音的技术。

3 可视化支持，理解原理

教师通过可视化的图例演示，让学生理解语音合成的基本原理为语料采集、文本切割、拼接重组。语音合成基本原理的可视化图例如图2所示。

图2 语音合成基本原理的可视化图例

4 编程练习，实践操作

①编程练习：分小组练习，学生通过编程软件调用语音合成的可视化模块，体验用不同人物语音合成任意文字的过程，利用编程实现不同语音的合成对话。

②实践操作：各小组将本小组编写的程序发送至机器人，调试并形成小组作品。

5 作品分享，总结提升

①作品分享：各小组对本组作品进行演示和分享。小组作品举例：小乐的奶奶特别喜欢看书，但随着年龄的增大，她的视力越来越差，因此小乐经常读书给奶奶听。但不久后小乐要出国读书，无法继续陪伴在奶奶身边给她读书，于是小乐通过语音合成的方式，不仅为奶奶读各种各样的书，还将自己平常没有说出口的爱和感谢话告诉奶奶。

②总结提升：在实际生活中，语音合成技术一方面可以解决盲人的读书需求，但另一方面也有可能被坏人用于电话诈骗等犯罪行为。因此，学生应清楚地认识如何正确、负责任地使用该技术。

最后，本研究针对“语音合成”课的教学设计与实施效果，对一线教师进行了访谈，得到了积极的反馈。如苏州D学校老师上课后表示：“语音合成是一个比较有趣的主题，教学通过以演示体验和探究活动为主的形式，帮助学生了解语音合成的原理，能引发学生的兴趣，并给学生带来了一定的视听冲击”。此后，广州H学校也开设了“语音合成”课，其信息技术主任表示：“语音合成调用了人工智能技术和现场录说的教具，对那些有创作和表达欲望的人来说是一个很好的帮手。人工智能技术不是为了取代人，而是帮助老师更好地上课、学生更好地学习。”

五 中小学人工智能科普教育体系的搭建

人工智能科普教育教学模式在中小学的落地与推广，需从课程体系、学习环境、配套教具、师资队伍等方面入手进行体系化设计：

1 课程体系设计遵循五大原则

①课程体系应具备衔接性。中小学人工智能课程应着眼于长远发展，考虑课程内容与大学相关专业课程之间的衔接，形成从人工智能基础教育到人工智能高等教育的课程梯度。②课程体系应具备科学性。中小学要搭建比较科学合理的学习“脚手架”，如设计人工智能科普、智能语音、计算机视觉、自然语言处理、大数据等模块，引导学生系统化学习课程内容。③课程体系应具备层次性。课程内容层次由低到高可分为概念认知、初步体验、基础训练、合作创作等，以推动学生学习的不断深入。④课程体系应具备情境性。课程内容应与学生的日常生活场景相结合，以吸引学生的注意力，并便于学生理解、消化。⑤课程体系应具备实践性。课程内容应设置形式多样的项目实践活动，吸引学生通过动手操作来应用、迁移相关的知识和技术。

表2 人工智能创新实验室功能分区

2 构建沉浸式的智慧学习环境

黄荣怀等[7]认为，在传感技术、网络技术、富媒体技术及人工智能技术充分发展的信息时代，教室应是一种能优化教学内容呈现、便利学习资源获取、促进课堂交互开展、具有情景感知和环境管理功能的新型教室，这种教室被称为智慧教室。由于智慧教室是一种典型的智慧学习环境的物化，故中小学进行人工智能科普教育时，可以建设一种沉浸式的智慧学习环境——人工智能创新实验室。具体来说，人工智能创新实验室遵循学习金字塔（Learning Pyramid）理论[8]进行功能分区，包括文化科普区（听讲与阅读）、技术体验区（视听与演示）、互动教学区（交流与讨论）、实验操作区（演练与操作）、分享展示区（展示与演讲）以及仪器设备区（存放与管理），如表2所示。

3 完善与课程体系配套的实验器材及其应用

中小学进行人工智能科普教育时，应完善与课程体系配套的实验器材，为学生提供封装后的人工智能技术模块和接口，并结合人工智能课程内容，针对不同学段的学生提供相应的可视化编程语言和计算机程序设计语言，引导学生完成对人工智能知识与技术的学习。以高中为例，可通过Python语言和人工智能开放接口，让学生根据课程内容调用云端技术和服务。程序调试后通过无线或蓝牙传输代码，促使具备多传感器的机器人执行相应指令。外设的机器人应配备语音、图像、感知、运动等各类传感器，让学生获得对人工智能技术的可视化和立体化体验。

4 培养具有较强人工智能教学实践能力的师资队伍

作为教学系统要素之一的教师信息技术能力，对于促进教育信息化进程、转变学习方式、培养创新性人才等方面具有不可替代的作用[9]。为进一步落实相关政策和要求，《教育部教师工作司2018年工作要点》指出：“支持部分学校引入人工智能教学实验，推动教师主动适应信息技术变革”[10]。具体来说，培训内容应从人工智能科普教育对教师的要求出发，将人工智能技术与教学场景相结合，突出针对性，强调实用性；应注重教师创新意识和实践能力的培养，推动新技术与教师专业发展的有机融合，提升教师的新技术应用能力。此外，学校可以通过组织专家讲座、教师研学等活动，提升教师的人工智能教学与实践能力。

从微观上来说，中小学人工智能科普教育体系的搭建，不仅能帮助学生立体化学习并应用人工智能的知识与技术、提升人工智能素养，而且为教师提供了广阔的职业发展空间、助推教师增强创新意识并提升新技术的应用能力。从宏观上来说，中小学人工智能科普教育体系的搭建，不仅有利于中小学系统化开展人工智能科普教育，并由此增强学校的科技软实力，而且为国家培养人工智能创新型人才提供了基础支撑。目前，人工智能科普教育教学模式还有待在更大的范围内进行实践，中小学人工智能科普教育体系也有待进一步完善。希望教育工作者和各机构继续努力，共同推动人工智能科普教育在中小学的可持续发展。

[1]国务院.新一代人工智能发展规划[OL].

[2]牛红艳.青少年科普教育活动的实践与探索[J].图书馆建设,2007,(3):17-19.

[3]国务院办公厅.全民科学素质行动计划纲要实施方案(2016-2020年)[OL].

[4]陈晓伟,胡菁.浅谈现代教育技术环境下学生创新能力的培养[J].现代教育技术,2011,(6):142-144.

[5]余胜泉,杨晓娟,何克抗.基于建构主义的教学设计模式[J].电化教育研究,2000,(12):7-13.

[6]邵征锋,张文兰,李喆.基于电子书包的PBL教学模式应用探究——以小学数学课为例[J].现代教育技术,2016,(5):37-43.

[7]黄荣怀,胡永斌,杨俊锋,等.智慧教室的概念及特征[J].开放教育研究,2012,(2):22-27.

[8]成小娟,张文兰,李宝.电子书包在小学语文阅读教学中的应用模式及成效研究——基于学习成效金字塔理论的视角[J].中国远程教育,2017,(4):57-64、78.

[9]吴军其,罗攀,沈红云.中小学教师信息技术能力培训策略研究综述[J].电化教育研究,2016,(1):123-128.

[10]教育部教师工作司.教育部教师工作司2018年工作要点[OL].