高中人工智能课程设计与教学实践研究*

◆武小龙

0 引言

云计算、大数据、物联网、“互联网+”等技术的飞速发展，使得人工智能教育越来越成为国内外关注的焦点问题，人工智能技术在全球范围内快速兴起，正在深刻影响着社会的方方面面。教育部在多个文件中提出要实施人工智能教育，例如：2003 年颁布的《普通高中技术课程标准（实验）》中提出要在技术学科中开设“人工智能初步”模块；2018年颁布的《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》中进一步细化了人工智能、物联网、3D建模、开源硬件、数据与算法等内容；2018年发布的《教育信息化2.0行动计划》中提出要完善课程方案和课程标准，使中小学人工智能和编程课程内容能充分适应信息时代、智能时代发展需要[1]。高中作为基础教育与高等教育衔接的重要阶段，如何更好地推进我国高中阶段人工智能课程的开展与普及，是一个值得思考和研究的问题。

1 相关概念介绍

1.1 人工智能

1956年召开的达特茅斯会议正式提出人工智能（AI）概念之后，历经三次发展浪潮，人工智能已成为第四次工业革命的关键推动因素，成为各个国家发展的新战略和新方向，很多发达国家制定或颁布了相关的人工智能发展规划。人工智能实际上就是机器模拟人类认知能力的技术，或者使机器具有类似于人的智能的一门技术，因此，人工智能涉及很多跨学科的知识。2017 年7月，国务院印发《新一代人工智能发展规划》，明确指出应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，建设人工智能学科[2]。这也是我国首次从国家层面对人工智能的发展进行顶层设计与要求。

1.2 人工智能校本课程

国外对人工智能课程的开发相对较早，早在1999年，英国就把人工智能以校本选修课的形式列在中学的ICT课程中；美国各州根据实际情况或各自的教育目标，对人工智能课程及其教学也提出不同的要求[3]；日本也开设了人工智能相关课程，并规定人工智能的部分教学内容在高中第三学期为12级的学生开设，教学时间为10周。

我国人工智能产业经过十几年的发展，在机器人、信息技术、大数据、机器学习等领域取得卓越成果，已经形成良好的人工智能氛围。在中小学人工智能课程中，目前市面上的教材有汤晓鸥和陈玉坤主编的《人工智能基础（高中版）》，并在全国40多所高中进行人工智能课程的讲授，配套了商汤科技的实验平台。2018年7月，科大讯飞公司携手西北师范大学、北京师范大学出版社共同发布全球首本初中版人工智能教材，对人工智能在中小学的实施与课程规划进行前期探索。但是受教育资源不均衡的影响，每个学校要开齐开全这些课程都存在一定的困难，最主要的障碍是没有一个明确的课程标准。因此，利用网络资源，借鉴现有的课程资源，各学校开发出一套符合校情的人工智能课程势在必行。

2 面向高中的人工智能校本课程的设计

2.1 课程目标

根据多元智能理论和差异教育思想，高中人工智能课程开设的目的是提升学生智能素养和高阶能力，帮助学生建立起对人工智能理解和应用的能力，了解人工智能的发展历程及在教育、医疗、军事等方面的应用，通过Python语言的简单讲解，帮助学生快速了解实现人工智能的编程语言。如让学生了解人工智能是如何识别图片的，通过后面内容的讲解，让学生了解一些基础的算法，学会如何听声辨别，如何对视频进行行为分析，借助乐高、Arduino等开源硬件完成简单人工智能产品的创新设计和开发，充分利用丰富的开源框架和网络资源，搭建面向实际生活的应用场景解决方案，引导学生积极探究、大胆实践，激发学生的创新思维。

2.2 课程内容设计

基于此，设计并开发人工智能校本课程内容框架（图1），在内容安排上分为六章：首先介绍人工智能的演变历史、人工智能发展的浪潮和应用、数学危机、图灵机、算法的初步概念等内容，展示现实生活中人工智能的应用案例；第二章介绍Python编程基础，让学生初步了解可以实现人工智能算法的语言工具，快速入门；第三章以常见的三种的鸢尾花的分类为例，讲解机器学习的基本知识和一些常见的算法；第四章通过仿生学原理，描述卷积神经网络、深度学习的概念与基本特征，通过剖析具体案例和项目式学习，阐述智能技术应用的基本过程和实现原理；第五章介绍视频行为的一般识别模式；第六章是课程的实践，结合Python，指导学生做一些关于图像识别、线性回归、k-均值聚类的具体开发实践项目，供学生学习和设计。

图1 人工智能校本课程内容框架图

因为人工智能的很多知识已超出高中甚至本科的范围，所以在讲授过程中要注重定性，如果内容过于简单，学生会不感兴趣；如果内容过于复杂，学生会丧失兴趣。因此，教师要善于设计情境化、活动化、任务化的学习活动，引导学生建立数据的可视图，确立学生学习主体地位，让学生直观、深入地对一些概念性、步骤性的东西进行理解，以增强学习过程的体验性、实践性和整体性。同时，通过课堂“重原理、调代码、改参数”的实践方式，让学生能看懂代码、了解算法原理和思想。

2.3 评价策略的设计

智能时代，高中生已具备初步的计算思维和信息化理论基础，具有一定的问题解决和实践创新能力。在评价策略上，要突出课堂学习目标的达成度，依据学生的变化和本课教学的特色，从教学观念系统和操作系统两方面进行反思。学生可以小组为单位，提交课堂总结反思，对所学知识进行理解和探究，通过自评、互评等多种形式的评价加深对所学内容的理解。

3 人工智能课程KNN算法教学活动设计

环节一：课堂引入（5分钟）

【教师活动】简单回顾机器学习概念，通过具体案例让学生思考如何解决问题，简要介绍分类的原理，引出“物以类聚”的思想。

【学生活动】回顾上节课学习内容，分组思考并回答上一节课程学习过的回归算法的原理。

环节二：探究学习（20分钟）

【教师活动】

1）通过对鸢尾花及鸢尾花数据集的案例引出K 近邻算法，让学生带着问题探究并讨论K 近邻算法的关键是什么，K 的取值对结果有什么影响。

2）演示demo算法演示网站。

3）让学生探究sklearn库中的KNN 算法代码。

【学生活动】

1）体验算法演示。

2）思考后回答教师提出的问题。

环节三：作业与拓展学习设计（10分钟）

【教师活动】

1）分析总结KNN 算法的优缺点。

2）通过学习群观察学生的学习效果。

【学生活动】通过互评分享自己的成果。

环节四：实践与素养提升训练（5分钟）

【教师活动】

1）给出训练实际数据集，让学生判断在二维情况下的KNN 算法应用。

2）提出问题：N 维空间，距离如何计算？

3）要求学生以小组为单位，提交课堂总结反思。

【学生活动】对所学知识进行理解和探究，可以加深对课程的理解，同时以小组为单位进行交流。

4 人工智能校本课程教学策略

4.1 任务驱动，自主探究

目前大多数学校的人工智能课程开展主要以机器人竞赛和编程教育的形式存在，前者多停留在简单的实体安装和操作层次，后者大多是以参加信息学竞赛为目的而接受系列的算法学习，更多的是强调编程技能。因此，在实际教学中，高中人工智能校本课程可以分为理论和实践操作两部分，其中理论教学主要采取课堂教授的形式，实践教学则在相应实验室完成。人工智能校本课程的内容可以采用任务驱动式教学法进行教学，通过分组讲解与讨论、自主探究，通过课堂“重原理、调代码、改参数”的实践方式，让学生能看懂代码、了解思想。

4.2 注重实践，了解算法原理

人工智能学科其实就是概率论、统计学等各种数学理论的综合体现，学生在高中数学的学习中要掌握概率、统计、算法的一些基础知识，这就可以与人工智能相互促进。对于编程语言来说，以Python 来学习人工智能具有得天独厚的优势。Python作为一种面向对象的程序设计语言，配置容易、简单易学、语法简洁，可以多平台运行，有丰富的第三方库。Python 非常适合高中生用作人工智能入门编程语言，比如利用turtle库就可以绘制出二次函数图像、求解物理和数学习题，也能用于金融、大数据分析等领域。

4.3 以赛促教，鼓励学生参加各种竞赛

2019年2月，教育部公示一份面向全国中小学生的竞赛活动名单，其中“全国青少年创意编程与智能设计大赛”“中国青少年机器人竞赛”“全国青少年人工智能创新挑战赛”“全国青少年电子信息智能创新大赛”等活动，都涉及人工智能与科技创新活动，是以赛促教的良好平台，应鼓励学生积极参加。

5 结束语

作为人工智能校本课程的一种探索和尝试，开设人工智能课程对于培养学生高阶思维和智能素养的作用与意义重大，学生已经可以运用所学来解释计算机如何识别猫与狗，实现机器学习和深度学习。在西部地区普通高中阶段探索开设人工智能校本课程，虽然面临一系列困难，但是作为关系到国家未来发展的一项基础科学，普及人工智能知识是每个学校应该进行的一项探索。要综合考虑学校的硬软件基础、学生能力水平、师资力量等各个影响因素，进行合理规划和设计，因地制宜地设计符合本地或本校的课程内容和教学资源库。该模式在教学实践中还存在不足之处，需要在后续研究中深入探索。