人工智能教学实践的四个策略

【摘 要】2017年国务院印发《新一代人工智能发展规划》，提出“在中小学阶段设置人工智能相关课程”，2019年下半年，青岛率先在中小学校开设人工智能课程。但在高中学段，由于课程难度、学业压力等原因，人工智能教育更多的是在信息技术课（个别章节涉及）、通用技术课（机器人模块）体现或渗透，人工智能社团活动或校本选修课作为补充来开展，为一部分有兴趣或特长的学生发展提供支撑。本文从高中信息技术课堂教学实践的角度，提出了人工智能教育教学的四个策略。

【关键词】信息技术；人工智能；教学实践；项目

【中图分类号】G434 【文献标识码】B

【论文编号】1671-7384（2024）07-060-02

人工智能是研究和开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新技术[1]，已经广泛应用在人类工作和生活的诸多方面。对于中学生，在日常学习生活中也会经常接触或使用一些人工智能产品，甚至个别学生对这些智能产品的应用特点、工作原理等有了一定的认知。

高中学生经过初中学段知识与技能的学习积累，日常生活又对人工智能技术有了基本的应用和认知体验，所以教师就可以设计与人工智能相关的项目，让学生进一步学习或探究，让学生在原有认知和理解的基础上，通过项目任务引领、搭建学习支架使其再往前迈进一小步，即剖析典型案例，探究人工智能算法的实现过程；搭建简单的人工智能应用模块，亲历设计与实现简单智能系统的基本过程与方法，从而达成中小学人工智能教育的基本目标。

设计探究活动，认识人工智能的重要作用

在初中信息科技课程中，学生已经接触到人工智能的基本概念和术语，高中信息技术课堂可以进一步剖析生活中的人工智能应用，让学生理解人工智能的特点、优势和能力边界，知道人工智能与社会的关系，激发学生探究人工智能技术的热情。

如在“数据与计算”模块学习数据的编码或采集时，对于文本型数据的采集，教师可以采用OCR识别、语音、手写等智能输入的形式，甚至可以设计OCR识别、语音或手写输入的活动环节，让学生体验这些智能输入方式的优点和不足，使其辩证地看待这些智能处理工具。在“信息系统与社会”模块学习信息系统的硬件和软件时，教师可在传统介绍计算机软硬件的基础上，融入移动端的软硬件、支持人工智能技术发展的软硬件，让学生站在更高的视野来审视支撑当前人工智能发展的源动力：数据+算法+算力。在学习传感与控制时，教师可以针对某一款机器人让学生展开软硬件剖析，设计学习活动让其辨识机器人智能的来源，从而引出传感器与智能控制的话题，深入学习其工作原理。通过类似的学习探究活动，最终让学生的智能体验与课堂上的原理探究联系起来，也使他们感受到人工智能技术在信息社会中的重要作用。

剖析典型案例，探究人工智能算法的实现

算法作为支撑人工智能技术发展的基石之一，是人工智能的核心和灵魂，包括多种方法和技术，如机器学习、机器推理和机器人技术等。人工智能正是借助算法、计算能力和数据“三驾马车”，因而具备了像人类一样学习、思考、辨别和决策的能力。由于人工智能算法本身的复杂性和多样性，高中信息技术课堂所能呈现的可能仅仅是其冰山一角，且人工智能算法需要经过教师过滤或简化处理，把适合学生层次水平的常见算法拿出来进行项目化学习或探究。

在“数据与计算”模块学习数据处理技术时，除了利用常规电子表格软件处理和Python第三方库处理数据外，教师还可以设计线性回归问题供学生探究，如已知若干名学生的数学和物理成绩数据，如何以某位学生的数学成绩来预测其物理成绩呢？两列数据的相关性问题在数学课上亦有涉及，信息技术课上可略去复杂的公式推导过程，使用Excel软件进行数据拟合，并用R的平方值来评判拟合效果。在学习算法的控制结构时，教师可提供人眼关键点（图1）的学习支架，让学生尝试解决稍显智能性的问题：如何判定一个人有没有闭眼？此时学生自然而然地想到通过计算P2、P3、P5、P6的纵坐标和P1、P4的横坐标来判断眼睛的睁开程度，如通过一个阈值1/2*[（y5+y6）-（y2+y3）]/（x4-x1）确定眼睛是睁开还是闭上的，这是算法的分支结构；更深入一些，如何判断疲劳驾驶呢？此时需要使用循环结构，在单位时间内不间断地监测视频中人的闭眼次数或闭眼时间（可用帧数来代替）是否达到某个阈值来判定。

图1 人眼关键点

利用人工智能开放平台，搭建简单智能系统

机器学习作为人工智能技术的核心内容，模型是其核心组件，是产生所谓智能的核心内容。事实上，当前有不少人工智能开放平台或模型供学习者借鉴使用，学生可以直接选用这些模型，也可以在开源框架下使用数据训练、调参生成自己的模型，在融入自己的想法或创意后，利用人工智能算法模型的预测功能，即可搭建出简单的拥有特定智能功能的程序或系统。

在学习“数据与计算”人工智能相关章节的时候，除了普及人工智能基础知识外，还可以设计搭建简单智能系统的项目探究活动，让学生经历利用开放模型进行智能设计的过程。以校园里已广泛应用的口罩检测助力抗击肺炎项目为例，教师可以在机房部署百度AI+OpenCV+speech项目环境，学生在百度AI开放平台上注册账号，获取人脸检测与属性分析的鉴权，然后以在线API或离线SDK的方式发送数据请求，再用Python知识处理返回的结果，即使用OpenCV读取本地图片或摄像头数据，发送到百度AI开放平台进行处理，再把平台返回数据中关于口罩检测的部分转换成语音提醒进行输出。在这个项目活动中，模型训练和算法都在服务器端，本地只是遵循格式要求发送和接收数据，再按照智能设计的目标，输出要预测的结果，即应用模型，这种模式也是中学生进行智能系统设计最可行的思路和方法。

面对机遇与挑战，增强合理利用智能技术的责任感

人工智能是通过智能机器延伸、增强人类改造自然和治理社会能力的新兴技术[2]，它当前的迅猛发展，是以大量数据为支撑的，而数据正是来源于人类的生产和生活，这就造成了AI大数据时代的隐私保护和数据安全的问题。如何兼顾人工智能技术发展和保护民众的数据隐私呢？此时除了健全法律法规、加强技术引导和个人道德约束外，还可以从技术层面保护大众的数据隐私。

在“数据与计算”或“信息系统与社会”模块学习数据或信息安全时，教师可以设计隐私计算的话题讨论，先由“百万富翁问题”（图灵奖得主、中科院院士姚期智提出）引发学生思考，而后抛出安全多方计算方案：如果没有可信的第三方，如何在不暴露个人月消费的前提下，计算出3位学生的平均月消费？教师组织学生进行小组讨论，学生可能会设计出各种各样的方案，各小组充分交流、质疑、改进，得出最优的计算方案，最终学生分组将方案用Python程序实现，从中获得利用技术手段保护数据隐私的成就感。

综上所述，若高中学校无法单独开设人工智能课程，则可以采用在信息技术课或通用技术课上渗透人工智能教学内容的方式，普及高中学段的人工智能教育。此时，教师需要转变思路，找到信息技术课程内容与人工智能知识技能的融合点，课堂上适当增加智能项目探究的比重，不断提升学生的人工智能技术素养。

参考文献

中华人民共和国教育部. 义务教育信息科技课程标准（2022年版）[S]. 北京： 北京师范大学出版社，2022： 39.

中华人民共和国教育部. 普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）[S]. 北京： 人民教育出版社，2020.