当前高中开展人工智能教学的新思考

摘 要：为了满足国家对人工智能发展战略的需求，在高中阶段开展人工智能教育，对于促进该技术的普及与发展，发掘更多潜在的人才都具有重要的意义。本文首先分析当前最新的人工智能技术进展情况，再比较国内外的人工智能教育现状，从人工智能教育所需的基础知识、软硬件平台，应用演示着手，讨论了如何在高中开展人工智能教育，并提出了基于云平台的方法，实现人工智能教育在高中教学的开展。

关键词：人工智能；高中教学；新思考

一、 人工智能概述

人工智能技术在历史上曾经历过几次高潮和低谷。最近几年，随着芯片技术的提高，人工智能技术又迎来一个新的发展高潮期。人工智能的概念在不同的历史时期体现出不同的含义，在实现上也存在巨大的差别。传统的人工智能并不具备学习的能力，而机器学习实际上是在用大量数据和算法去“自我训练”，从而学会如何完成一项任务。人工神经网络是机器学习算法的一种，用计算机模仿人类的神经网络，实现机器学习的功能（如图一所示）。人工神经网络仿照人的神经元系统设计，从而具备一定的学习的能力，复杂的人工神经网络又称为深度学习。实际上，是人工神经网络和深度学习推动了今天人工智能技术的大爆发。人工智能、机器学习与深度学习的关系（如图二所示）。

二、 高中人工智能教育的必要性

当前，人工智能技术在一些特定领域取得应用。比较典型的应用包括人脸识别、语音识别，潜在的应用领域包括医疗、金融和自动驾驶等。我国政府已经把人工智能当成一项国家战略来发展，于2017年制定和发布了《新一代人工智能发展规划》。根据该计划，到2030年，我国的人工智能理论、技术与应用总体达到世界领先水平，成为世界主要人工智能创新中心。在《新一代人工智能发展规划》中，提出实施全民人工智能教育項目，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育，鼓励社会力量参与寓教于乐的编程教学软件、游戏的开发和推广。高中阶段设置人工智能相关课程，不仅可以提高学生对人工智能的兴趣，还可以为高等学校培养具有一定人工智能知识和素养的合格学生。然而，如何在高中阶段建设人工智能课程，尤其是面向当前深度学习和人工神经网络的人工智能课程，还面临诸多挑战。本文将在分析国内外人工智能教育现状的基础上，讨论如何在高中开展人工智能教育。

三、 国内外现状高中人工智能教育现状

早在2003年，教育部正式颁布普通高中技术课程标准（实验），首次在信息技术科目中设立了“人工智能初步”选修课程。无锡第一中学的《初识人工智能》课程，可以进行机器证明、模式识别、自然语言处理、人机博弈和智能机器人等内容的演示，但课时较少，只能实现普及知识的作用。福州第八中学的人工智能课程，教授基本的人工智能理论，使用Prolog语言进行教学与实践。从现有文献看，国内高中阶段的人工智能教学基于上一代的人工智能技术，其案例过于陈旧，与当前的人工智能发展状况不符合。传统的人工智能教育有时候过于重视竞赛，缺乏必要的课程建设，像机器人等教学难以深入课堂。2018年教育部公布了《普通高中课程方案和语文等学科课程标准（2017年版）》，在此次“新课标”改革中，正式将人工智能、物联网、大数据处理正式划入新课标。“人工智能”课程仍然作为选修课程。相比于2003版课标，此次公布的“新课标”中，在课程选择上仍然给予学生较大的选择空间，但提升了在编程、计算思维、算法方面的要求，以及人工智能、开源硬件、网络空间安全等知识面要求。

国外也有不少文献介绍在高中阶段展开人工智能教育。美国的德雷塞尔大学为高中阶段的机器学习开发了一套教学系统，基于简化的K均值聚类算法实现硬币、细菌分类等功能，结合讨论课程以加深学习与理解。卡内基梅隆大学面向高中学生开设人工智能的大学预科课程，有专门的网站提供包括参考的教材和资料，以及详细的可用案例。欧洲的部分地区也开展了面向高中的人工智能教育探索，其中分析了高中人工智能教育的可能性，提出高中的人工智能教育可以为大学的计算机专业提供大量的候选人才，也建议基于欧盟的相关教学推广机构来实现高中阶段的人工智能教育。

从国内外的文献看，在美国一些有条件的高中开设适合高中学生知识背景的机器学习课程，其主要面向优秀的学生，并作为大学的预备课程。中国的人工智能技术研究起步并不晚，也积累了一定的技术实力和人才储备。当前国内高中阶段的人工智能教育受思想认识、教材建设、教学教法、教学条件等因素制约外，师资也比较匮乏。另一方面，当前的人工智能技术更新很快，编程语言的发展很快，亟需更新课程。

四、 可行性分析

高中的人工智能教学，其主要目的应该是提高学生的人工智能知识素养，使学生通过学习实践，感受和增强人工智能的理念，初步掌握人工智能有关的技术原理，为以后提供学习的动力和方向；也使学生在以后遇到发展选择时能进行具备一定的思考和掌握能力。本文将从人工智能教育所需的基础知识、软硬件平台、应用演示着手，讨论如何在高中开展人工智能教育。

五、 计算机编程基础

高中的人工智能教育需要首先普及一定的计算机及编程原理。目前很多地区从小学开始进行计算机教育，到了高中阶段，学生可以具备一定的基础。当前，机器学习中可以被使用的语言也有很多，常用的有MATLAB、Python、Java、C/C++等。这些语言中，C/C++或者Python是用得比较多的语言，尤其是Python语言其受欢迎程度较高，可以作为一种优先选择的编程语言。随着计算机编程课程的普及，以后会有越来越多的高中学生具备一定编程能力，为实现人工智能教学打下良好的基础。

六、 数学与逻辑基础

数学与逻辑基础是掌握人工智能所需的另外基础知识。虽然实际应用的人工智能与机器学习往往要求较高的数学基础，但也有部分的机器学习算法可以通过简单的数学方法加以实现。比如当前基于神经网络的机器学习，更多地模仿人脑的行为，其数学知识可以比较简单。卷积神经网络中可以只用到简单的乘法、加法，相对来说这部分的数学要求也并不高。在高中阶段的教学中，对于简单的应用，甚至可以通过自己的努力实现神经网络设计，并进行简单的分类学习和识别学习。此外，人工智能中涉及一些逻辑操作，如与、或、非、异或等逻辑运算操作。这部分知识体系当前一般在大学的电子信息类专业课程进行讲授，这些基本的逻辑操作概念对于高中学生来说也不难掌握。总的来说，通过简单化、基本化以后，这部分知识对于高中学生的教学来说难度不大，不会影响人工智能的教学效果。

七、 软硬件硬件平台与应用演示

可以演示的教育平台是实现人工智能教学的重要组成部分，对培养学生的兴趣非常有帮助，演示平台包括软件和硬件两个部分组成。在上文的分析中指出，人工智能或者机器学习的核心部分可以使用简单的数学和逻辑基础来实现，但如果要实现基本的演示功能，整个人工智能程序里还需要包括大量的复杂程序。实际上，这些复杂的程序由特定的研究人员完成，一般的学习或者开发人员并不需要花很多的精力去重新完成这些功能，这些现有的软件又称为机器学习框架。这些机器学习框架，基本上都是开源的程序，网上有大量的资料。在人工智能教学中，机器学习框架可以认为是一种软件平台。

实现机器学习教学，还需要在一定的硬件平台。比较经济实用的硬件平台是通过云计算实现，比如腾讯和阿里云等都可以提供虚拟的计算机，在这种环境下安装机器学习的框架，会更方便经济。当前主要的人工机器学习包括图像分类、语音识别等。这些应用易懂、有趣，有大量的示例，在教学过程中可以获得大量现成的教学资源。

利用云计算平台，不依赖于特定的硬件平台，会更加方便机器学习教学的推广和应用。当前的人工智能人才还比较缺乏，一种比较好的方式是引入社会的机构，提供教学案例的开发和软硬件环境。当前高校里有很多的研究人员进行人工智能的研究，一些有条件的附属学校，可以利用这些资源进行人工智能教育的开展。由于国家还没有专门的人工智能技术相关的科普和推广机构，为了适应发展战略的要求，在这方面可以利用其他的社会资源，如高校的相关一些研究机构。

八、 结论

本文基于当前人工智能技术的最新发展，结合国家对人工智能发展战略的需求，讨论在高中阶段开展人工智能教育的问题。本文分析了当前最新的人工智能技术进展情况，比较了国内外的人工智能教育现状；从人工智能教育所需的基础知识、软硬件平台、应用演示着手，分析了高中开展人工智能教育的可行性方法，并提出了基于云计算平台，依托第三方机构的思路，实现人工智能教育在高中教学的开展，促进该技术的普及与发展，发掘更多潜在的人才。

参考文献：

[1]徐学良.工神经网络的发展及现状[J].微电子学，2017（2）.

[2]张剑平.中国高中的人工智能教育：现状、进展与意义，中国人工智能学会全国学术年会，2003.

[3]夏燕萍.《初识人工智能》教学设计与反思[J].中国电化教育，2007（11）.

[4]陈光.高中《人工智能初步》项目教学法的探索与实践[J].福建教育学院学报，2014（8）.

[5]張家华，张剑平.国内外中学人工智能课程的现状及其教学反思，中国教育技术协会信息技术教育专业委员会学术年会，2007.

[6]王斐.人工智能在中学教育教学中的应用现状分析[J].中国医学教育技术，2013（4）.

[7]黄柳青.中学机器人竞赛与教育的现状及对策[J].实验教学与仪器，2011（11）.

[8]S.D.Essinger，G.L.Rosen，An introduction to machine learning for students in secondaryeducation，Digital Signal Processing and Signal Processing Education Meeting（DSP/SPE），2011.

[9]Online，Available：http：//www.cs.cmu.edu/cs4hs/.

[10]R.Gavald，Machine Learning in Secondary Education，http：//www.sessinger.com/Publications/.

[11]Online，Available：http：//www.pascal-network.org/.

作者简介：

陈泓吉，浙江省台州市，天台县外国语学校。