王勇
天津市红桥区教师发展中心
摘要：中小学开展人工智能教育是时代发展的呼唤，是教育现代化的必然，更是学生个性化成长的需求。将人工智能教学引入中小学信息技术课中可以让学生了解前沿科技，开阔科学视野，掌握人工智能的基本工作原理与过程，培养学生的信息探索意识，面对新生事物需要探索一条可借鉴的教学模式，本文就人工智能的教学实践研究与大家分享。
关键字：信息技术；人工智能；核心素养
时代的进步推动科技创新和教育的跨越式发展，这其中信息化对时代的发展起着重要支撑和引领作用。做为社会的一员，在享受技术带来红利同时，我们的生活方式和思维方式都发生了明显的变革，大数据、云计算、5G、人工智能等新技术如影随行。2019年5月，习近平总书记向国际人工智能与教育大会致贺信中谈到：把握全球人工智能发展态势，找准突破口和主攻方向，培养大批具有创新能力和合作精神的人工智能高端人才。同年教育部要求将根据大中小学生的不同认知特点，让人工智能新技术、新知识进学科、进专业、进课程、进教材、进课堂，进学生头脑，让学生对人工智能有基本的意识、基本的概念、基本的素养、基本的兴趣。由此看出人工智能教育既是新一轮科技革命和产业变革机遇的战略问题，又是时代发展对教育提出新课题、新的研究方向。
一、核心概念界定
当前，人工智能教育有一系列相关概念，如人工智能教育、人工智能+教育、智能教育、机器人智能课程教育、AI教育、STEM智能创客教育等。虽然这些教育在内涵和形式上有所相似点，但是一般来说，可分为三类指向：
第一是人工智能专题教育，以提升人的人工智能素养的为目标的教育。主要指向人工智能学习层面，通过专题学习接受人工智能的教育，获取人工智能的知识，了解人工智能的原理，在体验与实践中学习人工智能的技术，并能将所学进行创新性解决实际问题。
第二是人工智能应用，这是对人工智能对教育的支撑，是把人工智能技术作为改进学校管理、教师教学和学生学习的技术支持和核心方式，以提高管理效能、提高教学效率、实现个性化精准学习，主要指向于人工智能应用层面，如基于人工智能技术的管理系统、辅助学生开展自适应学习与评测、作业批改、智慧校园建设与应用等。
第三种对于人工智能教育的理解则是对上述两种阐释的统整，既包括专题教育，更涵盖人工智能技术在教育教学和管理中的应用，实现了学习和应用的统一性。此外，由于人工智能教育还处在起步阶段，许多中小学和社会机构虽然都在尝试开设不同的与人工智能相关的课程，但存在着不少误区，如简单地把人工智能课程定义为计算机技术课程；把创客教育、STEAM教育等内容完全移植到人工智能教育课程名下；把人工智能课程窄化为编程语言课程等等。
本文的研究重点为人工智能专题教育。探讨在信息技术学科开展基于人工智能的研究，促进学生体验与感受、理解与应用，实践与创新等学科应用，促进学生在基于学科核心素养基础上提高认识，提升信息技术关键能力与素养形成。
二、国内研究综述
从2016年至今年，各地教育教研机构、中小学都尝试开展相关的教学研究，并取得一定经验。在中国知网的以“人工智能教学”为关键字检索，我们发现如下数据：人工智能相关文献从13篇猛增到358篇，与机器人和教学应用相比发展最为迅速。
近五年猛增的27倍变化说明人工智能的研究日益受到关注。但从另一份数据中，我们发现在中小学阶段开展人工智能的教学研究却是占比较弱，由此看出中小学段的人工智能教育还处于起萌阶段，与之相关的教学方法、教学策略等研究需要我们在实践中总结与梳理。
三、人工智能教育面临的挑战
人工智能专题教育是新生事物，大家对它的认知是从无到有，由浅入深，这一过程不是一帆风顺的，体现出曲折与前行并存，经历萌芽、发生、发展、成熟的发展过程。在当前关注的阶段，需要站在核心素养的角度、站在信息发展的角度，站在教学现状的基础上结合学生现有水平分析并确定人工智能教育的切入点，不能脱离实际，一刀切地武断方式去制定标准。
尤其是处在中小学生阶段，开展人工智能专题教育不能按照大学的标准去实施与评估，要思考中小学生的学习特点与实际能力，准确的定位才是人工智能教育的起点。
小学阶段要初步感知人工智能，体会人工智能如何进行“思考”；了解人工智能的发展历程和趋势，试着与人工智能做伙伴的视角展开新的探索。初中阶段要通过剖析具体案例，了解人工智能的核心，如数据、算法、算力；辩证认识人工智能对人类社会未来发展的巨大价值和潜在威胁；动手体验人工智能应用，分析和评估人工智能在生活中的应用，编创简易的人工智能作品。高中阶段要利用人工智能应用框架，搭建人工智能应用模块，知道特定领域人工智能应用系统的开发工具和开发平台，通过具体案例了解这些工具的特点、应用模式及局限性；在真实情境中，合理运用人工智能，创造性地解决问题，促进学科核心素养的良性发展。
四、人工智能专题教学的实施
正如前面所分析的人工智能专题教学不能做得太偏离学生实际，教师要善于从身边的人工智能事物入手，结合中小学认知水平和信息技术能力实际，设计好人工智能专题教学课程，让人工智能编程课程的实施真正落地。可以按三个阶段设计，既感知、理解、创新。
（一）感知阶段
感知阶段主要通过体验人工智能设备或装置，使学生初步认知人工智能。如智能音箱、智能手环等，当学生亲自用语音与智能音箱对话时、欣赏歌曲时、了解百科知识时……，油然而生地对人工智能的神秘增添兴趣，激发科学兴趣、零距离感受人工智能科技魅力。对于一些不适宜现场展示的人工智能新产品，如人脸识别购物结算、自动驾驶汽车等……，教师可以用播放视频的方式让学生感受人工智能的神奇与功能。如语言识别、图像识别、面部识别等（见右图）。
（二）理解阶段
人工智能作为一种技术也有具有等级之分，可分弱人工智能（Weak AI）、强人工智能（Strong AI）、超人工智能（Superintelligence）。不同等级的人工智能可以进行的操作也不尽相同。而适应于中小学教育层次人工智能必定是简单、轻便、图形化、模块化的弱人工智能，或称为轻量化人工智能，这样才能成为学习研究的对象，能够让学生体验和应用，如语音识别、机器翻译、视觉侦测、人脸识别等人工智能技术，为以后的深层次的人工智能技术研究打下基础。
初识人工智能的学生可能理解为：人工智能是让人觉得不可思议的计算机程序，人工智能便是机器能够完成人们不认为机器能胜任的事。随着接触的深入，认为人工智能是与人们考虑方法类似的计算机程序，或者是能遵照思维里的逻辑规律进行考虑的程序，真实模拟人脑的运作，能够匹敌人类智慧的智能机器。而人工智能中最为关键的算力与算法，因此有些观点认为人工智能是会学习的计算机程序，如围棋中的人工智能代表AlphaGo，就是通过深度学习一举成名的人工智能代表，“无学习，不AI”，这几乎成了人工智能研讨在今天的中心指导思维。人工智能的下一步发展便是依据对环境的感知，代替人类做出合理的举动，如人工智能汽车。
（三）创作阶段
学生通过感知阶段、理解阶段，对人工智能有了解，不再依从于外形，而是看到人工智能的“本质”，其核心是通过传感器收集信息，再与已存储的信息进行检索比较，以确定其特征，并做出相应的反馈或动作。存储的信息库越庞大所做出的判断越精准，而判断的时长取决于算力的优化程度。在此基础上，借助学生已掌握的编程语言，设计创作人工智能的作品就水到渠成。下面以人工智能语音为例进行分析。
1.需求分析
制作一个智能音箱，可以通过语音唤醒，还能查询天气情况，然后用音箱播报天气。首先是分解需求，将大问题划分为小问题，这是培养学生的计算思维。让学生把任务逐个分解，然后对每一个小的任务逐步解决。一是考虑需要什么硬件设备（音箱和麦克风），二是需要达到哪些功能（唤醒、查询、播报）。
2.制定算法
对项目任务进行分析之后，确定重点解决唤醒、查询和播报的人工智能设计。以唤醒为例制定算法及流程图。当程序运行时，麦克风采集语音，如果语音中包含“小智”的词语，那么程序运行一个分支，使电脑音箱发出“主人您好，有什么需求”的声音，提示主人发出下一条指令（见右图）
。
同样，学生可以分析如何获取气温的数据，怎样进行反馈给主人，绘制流程图，明确算法。这些专题活动中，极大地调动学生的研究潜能，激发创造与创新的乐趣，感悟人工智能不再神秘，是可以触手可及的。
3.方案实施
在需求分析与制定算法的基础上，确定完成这一项目需要使用慧编程软件进行产品开发实践。学生小组为单位讨论实践方案，完成界面设计。在流程图基础上，调出人工智能模块并编写程序、试运行效果、调试修正错误，记录调试过程中遇到的问题和解决方案。例如，怎样获取天津的气温情况。在小组讨论研究后，发现使用慧编程中的“气象数据”能够解决这一问题。
4.展示交流
展示交流是学习的重要环节，不仅展示小组的研究成果，还可以相互启发、思维相互碰撞，在组与组的交流展示中获得再次创作的灵感，学生感受到自己设计的作品应用到生活环境之中，体现设计服务于生活的理念，以此让学生体会用自己的手创造美好生活的意义。
5.拓展提升
在完成项目作品的基础上，教师可以适当拓展项目内容，学生也可以创新作品功能，拓展项目任务，学生按照解决上一个项目“气温智能播报”的方法来进一步进行探究，解决更深层次的问题，再次感悟人工智能的工作原理。关于人工智能的专题教学活动还有许多案例，指导学生开展相关研究的模式也可以更为细化，如下图。
五、结语
人工智能的相关教育教学研究是一条值得研究的领域，虽然这一领域涉及多门学科，但从信息技术学科角度看，有许多优势可言，因此我们要站在学科核心素养的高度审视教学行为。不是使学生会做几件人工智能的作品为终极目标，而是要将人工智能教学当做载体，探究在人工智能教育课程实施过程中，影响学生计算思维发展的因素，建立以学科核心素养为重点的人工智能教育教学策略方法，培养学生的科学素养，勇于探究的逻辑思维、科学素养，将中小学人工智能教育推向更高的层次。
参考文献
[1]张珊珊.中小学开展人工智能教育的挑战、重点和策略[J].中国电化教育,2020,(11):67-72.
[2]曹杨璐.面向计算思维培养的人工智能教学模式构建与实践[J].中小学信息技术教育 2020,(11):64-67.