开展人工智能课程面临的主要困难及对策建议

李强 张超

摘   要：在中学阶段开展人工智能课程面临很多困难，学生需要一定的基础，而教师也需要明确自己的课程逻辑。为了更顺利地实施人工智能课程，在初中阶段需要打好基础，尤其是编程的基础，还可以通过多种实践的方式渗透人工智能的一些基本思想;在高中阶段的人工智能课程可以通过构建问题体系的方式来组织教学，将学习的边界限制在对人工智能系统本身的认识上。

关键词：人工智能;信息技术;中学课程

中图分类号：G622.3    文献标识码：A    文章编号：1009-010X（2022）18-0021-04

严格意义上的人工智能课程并不可以从零开始。具体而言，人工智能课程需要学生具有一定的数学、统计概率以及编程等方面的知识、技能作为基础。比如，在《普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）》中， “人工智能初步”作为选择性必修的模塊4，因为需要大数据、编程算法与统计分析作为基础或者拓展，所以与必修模块1“数据与计算”、选择性必修模块1“数据与数据结构”以及选修模块1“算法初步”等都有着密切的联系，并且要求学生掌握诸如条件概率、线性回归等数学知识。因此，就学生而言，当前各普通高中在人工智能课程的实施过程中遇到的主要困难，就是学生的相关知识、技能的基础不足。

同时，在高中新课标中，“人工智能初步”模块所包括的绝大多数内容还都不足以用于解决人工智能中涉及的实际问题，在教学中不易形成真实而有意义的实践。因此，在高中阶段的人工智能课程中，教师不易建立起一般课程那样以解决问题为导向的知识结构和授课体系。很多教师在授课过程中，对于如何形成整体的授课逻辑存在很大的困扰。对此，文章分别从初中和高中两个阶段谈一谈对策和建议。

一、初中阶段要打好基础

（一）初、高中信息技术课程是一个整体

因为人工智能课程需要较高的起点，所以我们可以将其与高中信息技术课程中的其他内容以及与初中信息技术课程，甚至与小学信息技术课程，进行统筹规划、衔接整合。

在整个中小学阶段，人工智能课程都应该作为信息技术课程的一个组成部分进行整体考虑。人工智能课程所需要的编程基础以及形式化思考的能力，可以通过基础的信息技术课程来加以培养。

（二）一定水平的编程教育是人工智能课程不可缺少的基础

人工智能作为计算机科学的细分领域，任何人要进入这个领域，都需要在算法掌握以及算法的思维方式上满足一定的要求。熟悉算法的表达形式，能理解算法，对于人工智能学习，即使是入门级的学习也是不可缺少的基础。因此，对于人工智能课程而言，学生拥有编程的学习经验和实践经历非常重要。

算法描述有自己的特点，比如步骤分离（细分）、机械执行（自动化）和路径确定（无歧义）等。因为算法具有这些与日常思维不太相同的特点，对于学生而言，学习算法需要有一个逐步接受、建立和发展的过程。因为算法思维方式的养成不可能一蹴而就，这需要一个系统性的、持续性的课程体系教育。

目前，越来越多的义务教育阶段信息技术教科书中添加了图形化编程的内容。在义务教育阶段，学生首先需要熟悉的是算法思考的形式和特点，然后才是具备建立初步算法的能力，最终形成一定的算法思维水平。这会为学生将来步入高中阶段学习人工智能奠定较好的编程基础。

（三）从编程到人工智能课程要合理规划

在编程课程开展的基础上，适当增加开源硬件内容以及人工智能应用的体验和开发，从而最终在义务教育阶段形成一个完整的信息技术课程内容体系，这将成为人工智能课程中一个良好的信息技术方面的基础。

如图1所示，是对中学信息技术课程与人工智能课程关系的简单分析。之所以将开源硬件和人工智能应用体验作为一般编程课程的拓展性内容放在了编程课程的内容里，是因为与人工智能领域相比，其更接近一般编程的范畴。

（四）在其他场景中应用人工智能比较基本的思想方法

人工智能是个后发领域，所以其中一些基础性概念或者策略是从其他领域中移植过来的。基于此，这些比较基本的思想方法可以在其原本的应用场景中直接进行学习和理解。

初中阶段学生初步具备了函数和统计概率的基础之后，教师通过创设一种需要统计的场景，就可以让学生接触了解人工智能课程中类似拟合、K均值、K近邻等原本在统计领域就很常用的方法。

人工智能课程中常用鸢尾花数据集作为示例来学习一些原理和算法。唐山市第三十五中学从鸢尾花数据集得到启发，设计了以下的实践探究活动，以便深入了解和区分蓝花鼠尾草和薰衣草。

1.在学校的劳动基地里，腾出两块空地，组织学生分别种植蓝花鼠尾草和薰衣草。

2.学生制定计划，从发芽开始每天测量各株植物的高度，叶子的宽度、长度，开花后花朵的长度、宽度等，形成一个类似鸢尾花数据集那样的蓝花鼠尾草和薰衣草数据集。

3.学生利用EXCEL将数据集中的数据形成散点分布图。其中类似植物高度变化的数据可以进行回归;类似同一时期叶子尺寸这样的数据则可以直观看到散点聚类的情况，从而形成对两种植物的特征理解。

4.学生充分观察理解散点分布情况的基础上，可以利用编程知识尝试设计制作专门针对这两种植物的分类小程序和当前生长情况的评价小程序。

5.学生还可以利用这两种植物制成手工作品，比如利用结出的种子做成香囊，利用植物的叶子做成粘贴画，最后与劳动、测量、统计、程序设计等实践成果一起举办展示活动。

学习具有阶段性，初中信息技术课程面临的主要任务之一就是为高中阶段信息技术课程的学习打好基础。具体就是在现有的课程框架内提高编程教育的质量，并逐步将开源硬件和人工智能的应用加入到编程中来，同时在综合实践活动等课程的实施过程中接触和应用一些人工智能领域的基本思想和方法。

二、高中阶段主要是以人工智能系统为核心建立认识

在高中信息技术教科书《人工智能初步》（人教地图版）中，给出了若干个人工智能的定义：第一，“用机器（主要指计算机）模拟类似人类的某些智能活动和功能。”第二，“数字计算机或数字计算机控制的机器人在执行智能生物体才有的一些任务上的能力。”第三，“人工智能是利用数字计算机或者数字计算机控制的模拟、延伸和扩展人的智能，感知环境、获取知识并使用知识获得最佳结果的理论、方法、技术及应用系统。”

这些定义从各自的角度对人工智能进行了一定的解释，但都直接或者间接地表明，人工智能的研究对象是以人工智能系统为核心，即人工智能领域是围绕建立、改善和应用人工智能系统而展开的。因此，高中阶段的人工智能课程也应以人工智能系统为核心组织教学内容，这其中主要包括系統模型、实现策略、核心算法和系统应用等。而教师可以引导学生从总体设计的角度对人工智能系统进行分析和认识，并具体考虑人工智能系统的一些重要组成以及可能用到的思想原理。

（一）从总体设计的角度对人工智能系统建立认识

如果把人工智能系统看作是一个用以实现特定目的的计算机系统，那么前述的定义对于理解、设计和实现这个系统的帮助就不是很直接。结合《统计学习方法》（李航）以及《Python深度学习》（佛朗索瓦·肖莱），从人工智能系统原型的角度可以得到这样一个大致的定义：

人工智能系统是指这样一类计算机系统，它们以算法的形式，通过一些可行的方法和约束条件，以期建立起一个关系模型，从而将输入数据和预期结果对应起来。

如图2所示，是根据《统计学习方法》中对监督学习模型的描述修改后得到的人工智能系统和人工智能应用系统的模型，体现了人工智能系统的总体设计思想。教师通过上面这个人工智能系统的模型，基本可以使学生理解人工智能系统与一般计算机程序的区别。从人工智能的角度讲，就是要找到人工智能系统这一类计算机程序的特征，从而让学生对人工智能系统有一个总的认识和思考。

在这里，人工智能系统与人工智能应用系统作了区分。人工智能系统就好像一座生产汽车的工厂，可以生产汽车，而人工智能应用系统就像已经生成出来的汽车，可以利用其做一些事情，比如将汽车作为上下班的交通工具。不能说某人会驾驶汽车甚至会修理汽车，就说他理解了汽车制造。《人工智能初步》的内容就好像是汽车制造初步，即使是初步，也比学开汽车对汽车的认识全面和深入得多。

（二）从已有的经验出发，构建问题体系，分析人工智能系统

科学技术的发展历史告诉人们，不仅问题的答案是知识，问题本身也代表着知识。当人们对涉及整体的一个具体因素产生疑问的时候，就已经开始意识到这个具体因素对整体的意义了。如果学生基于经验或者在脑海中对汽车的运动过程进行思想实验，就很有可能会提出疑问，运动的汽车如何才能及时停下来，而产生这个疑问也就是学生意识到了汽车需要这样的一个刹车的机制;即使到最后学生也不知道刹车机制到底是怎么实现的，但他们对汽车制造也有了更多的认识。

通过类似的方式去认识人工智能系统，就将对人工智能系统的学习限制在了对系统本身的认识上，这种认识是基于经验或者合理的分析，而不是深入每一个组成部分的实现原理。

当然，这需要联系学生已有的解决其他问题的经验，具备对问题进行分解、化归、迁移等这些基本的能力，以及在头脑中进行思维实验的能力。因而，前期信息技术课程中各种素养的培养，尤其是对计算思维的培养，在这里就会显得至关重要。这个过程中还是会涉及一些原理性的知识，比如贝叶斯公式、回归等;还包括一些比较具体的实例，比如决策树的实现原理，深度学习的基本原理等;甚至包括一些非常具体的算法，比如启发式搜索、比如线性回归。但是涉及这些知识的目的不是为了实实在在地去解决具体问题，而是为了指明解决问题的方向，或者是帮助理解人工智能的初心。

如图3所示，是结合《人工智能初步》第二单元以及《统计学习方法》的一些内容粗略构建的问题体系。因为本人在人工智能领域学识有限，如果有错漏之处还请谅解。

总结起来，高中人工智能课程的总体思路就是在不深入人工智能这个大海的前提下，能以问题的形式对人工智能系统的一些方面有所了解。就让可爱的学生们怀着对人工智能的好奇与憧憬进入大学，在那里继续学习和实践人工智能课程。

参考文献：

[1]余燕芳，李   艺.基于计算思维的项目式教学课程构建与应用研究———以高中信息技术课程《人工智能初步》为例[J].远程教育杂志，2020，（01）：95～103.

[2]李   锋，高淑印.信息技术（普通高中教科书 选择性必修四 2019年6月第1版）[M].北京：人民教育出版社 中国地图出版社，2020.

[3]李   航.统计学习方法（2019年5月第2版）[M].北京：清华大学出版社，2021.

[4]（美）佛朗索瓦·肖莱.Python深度学习[M].北京：人民邮电出版社，2021.