人工智能 遗传算法(人工智能遗传算法实验心得)

 

在国家政策的号召下，中小学人工智能教育近两年迅速成为社会各界讨论的热门话题，在实践领域也呈现出百舸争流的态势。在教育部审定的教材出版之前，市面上已出现了多个版本的人工智能教材，校外教育培训机构则竞相开办了各种人工智能培训班，教育装备展上，各类贴着人工智能标签的教育器材也蜂拥而至……

可以说，当前中小学人工智能教育被推上了风口，有着令人激动的发展前景，而该领域的鱼龙混杂和良莠不齐，却也令很多中小学教师无所适从。本文结合人大附中人工智能课程的实践经验，探讨分析中小学人工智能课程实施的几个关键问题。

一、课程设置

人工智能课程的设置与实施，必须坚持立德树人的课程价值取向，以培养具备良好信息素养的公民为目标，具体包括信息意识、计算思维、数字化学习与创新和信息社会责任等核心素养。

人大附中在人工智能课程的设置、实施和评估等过程中，一直围绕提升学生信息素养的目标开展，并开设了满足学生多元发展需求的课程（见表1）。其中，既有在《普通高中信息技术课程标准（2017年版） 》中规定的必修和选择性必修课程内容，也有校本选修、校本研修课程和研究性学习等内容。

表1 2018—2019学年人大附中人工智能课程设置

人大附中鼓励教师自主创新和跨学科融合，提倡将STEAM教育、创客教育和前沿科技等内容融入学校课程体系之中。因此，我校人工智能课程的内容均由教师自主研发完成，并结合教学实践情况和学科发展情况不断迭代更新。在课程开发过程中，教师还与数学、语文、生物学、化学等学科内容结合，开展了跨学科课程设计。

以校本选修课程机器学习——人工智能核心算法为例。这门课程难度很大，在大学中一般也是高年级本科生和研究生才能选修。经过几年的探索和开发，我校教师成功将这门课程引入高中课堂，并取得了良好的教学效果。

课程的教学主线围绕机器学习算法展开，主要内容为监督学习和无监督学习中的经典算法及人工神经网络、强化学习等前沿技术，囊括基础知识、基本工具和实践方法。教师通过循序渐进的算法讲解和项目实践，带领学生踏上人工智能之旅，紧跟学科发展前沿，培养计算思维和项目实践能力。

人大附中还开设了全国中等教育领域首个人工智能实验班，为实验班研发了人工智能与关于心智的生物学研修课程。这门课程由信息技术教师和生物教师通力合作，其总体设计是从生物学视角来解释人工智能的算法逻辑，包括从生 物学看终极算法、从计算机科学看认知神经科学、仿生人工智能、心智社会四大模块，旨在激发学生的创新热情，培养高阶跨学科思维，培育智能素养。

二、课程实施

在人工智能课程的日常教学实践中，人大附中的教师们探索出了能更好地促进学生发展和满足学生发展需要的教学模式，并逐渐形成了较为成熟的教学理念与做法。

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基于项目的教学

在实施人工智能课程的过程中，我们采用基于项目的学习方式，课程作业及考核多为解决实际问题的程序和项目，没有标准答案。这样一来，知识建构、技能培养与思维发展就能融入学生运用智能化工具解决问题的过程中。学生自己动手，在做中学，逐渐培养起主动学习、自主探究的意识，以及归纳、思考与展示的能力。

如在机器学习——人工智能核心算法课程中，每节课不仅有理论知识，还有实践操作内容。教师精心设计情境化、活动化、任务化的学习活动，让学生边学边做，增强了学习过程的体验性、实践性和整体性。

在进行到人工神经网络这一内容时，教师介绍其发展历史、原理、方法之后，再通过具体的手写数字识别项目，让学生修改教师给定的范例代码，形成新的网络结构，体会不同网络结构之间的差异，探索不同参数对结果的影响。这种课堂项目不仅能帮助学生更好地理解教学内容，还能启发学生思考，让他们产生自主探索的意愿，是教学中非常重要的一环。

课程的考核形式则是以大作业+课堂报告的形式进行。学生要将所学内容应用到实际的案例中去，最后在课堂上进行展示和汇报。学生最终完成了基于遗传算法的游戏人工智能开发、基于神经网络的影评文本分类、基于卷积神经网络的连续手写数字识别等项目。

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打破学校围墙

为开阔学生视野、把握人工智能技术发展前沿，教师们充分利用社会资源，为学生提供前往高校和企业交流学习、参加夏令营活动等机会，让学生通过实地考察来接触和了解学科发展前沿。

在研究性学习课程人工智能前沿应用与研究的实施过程中，我校教师就带领学生走出校园，到清华软件学院、清华大学自动化系、微软亚太研究院等高校和科研机构，让高中生与顶级人工智能专家面对面进行交流学习。

为了开展人工智能科普活动，营造积极的人工智能学习氛围，人大附中还联合澳门培正中学、清华大学人工智能研究院开展了人工智能周活动。活动内容包括专家讲座、人工智能与传统文化工作坊、人工智能教学研讨会、学生作品交流展示互动、高科技公司人工智能产品展示体验等。

此外，人大附中作为翱翔计划的培养基地之一，学生还能走进高校的实验室接受联合培养，开展研究性学习。我校每年都会推荐学生到清华大学与汽车系的本科生一起参加科技夏令营，实践体验大学里的无人驾驶小车项目。

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学生参与教学

在互联网时代，教师与学生的界限在逐渐模糊。学有专长的学生会组织社团、给学生做讲座、担任课程助教，甚至能给教师上课。

人大附中2018届早培班学生朱星宇就是一个典型的案例。他成绩优异，在学校开设的数据挖掘选修课中，接触到了深度学习算法，并为之深深着迷。从入门到精通，他只用了短短半年。

登峰杯数据挖掘比赛的全国一等奖开启了他的人工智能之路，随后他担任了学校两门人工智能课程的助教，将原本枯燥的人工神经网络讲得深入浅出，并且手把手指导同学实践。他组建了人大附中的人工智能社团，并给学生上课。

不仅如此，他还应邀为人大附中信息技术组的教师做了一场走进机器学习的讲座，从一个高中生的角度展示了自己对这个学科的理解。他所用的案例既幽默风趣，又贴近高中生活，让教师感到耳目一新。

他还加入清华大学天体物理中心的科研团队，开发了一套基于深度学习的光谱特征提取与分类程序，在速度上大幅超过了国家天文台现有的分类方法。

在人大附中，这样的案例还有许多。完善的课程体系和先进的教育教学理念为我校培养了一批又一批优秀学生，在人工智能相关领域取得优异成绩，并为他们未来的发展奠定坚实的基础。

三、开课保障

人大附中一贯重视科技教育，并从师资、课时和内容三个方面全力支持学校人工智能相关课程的开设。

互联网小常识：划分子网的三级地址结构为：网络号+子网号+主机号。

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师资保障

人大附中倡导专业的人做专业的事。信息技术教研组有13位专职信息技术教师，全部精力用于研究教学和支持学生发展，其中7位拥有博士学位。

此外，参与人工智能课程开发和实践的还有数学、语文、生物学、化学、通用技术等多个学科的教师，组建了一支强有力的人工智能教研团队，共同开展跨学科的人工智能教育实践。

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课时保障

人大附中近20年来一直鼓励教师开设选修课，并为选修课提供了足够的课时保障。每周周三到周五下午的4:30—5:50是学校的自由选修时段，学生可以根据自己的爱好，自由选修人工智能系列课程。

另外，人大附中高中学生每周五下午2:45—4:15安排了两节研究性学习课程，该时段有专门的教师指导学生开展人工智能方向的研究性学习。人大附中的拔尖创新人才早期培养项目实验班，每周会安排3节或6节研修课，让学生根据爱好开展基于项目的研究，其中也有人工智能类课程。

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课程内容保障

鉴于多年前出版的高中人工智能教材内容更多侧重于知识表示和专家系统，已不能满足目前高中教学的需要。我校人工智能课程的教学内容全部由教师自主开发完成。为保证教学效果，教师们还会不断更新课程中的内容和案例，使其保持最新状态。

互联网小常识：邮件系统的工作过程如下：（1）用户使用客户端软件创建新邮件（2）客户端软件是SMTP协议将邮件发送到发方的邮件服务器；（3）发放邮件服务器使用STMP协议将邮件发送到接收方的邮件服务器，接收方的邮件服务器将收到的邮件存储在用户的邮箱中待用户处理（4）接受方客户端软件使用POP3/IMAP4协议从邮件服务器读取邮件。

由于学校人工智能课程多是自由选修课，要为学生提供丰富的选择，为此我们在内容组织方面做了细分，有的内容专门介绍机器学习算法，有的内容侧重于自然语言处理，有的内容聚焦于计算视觉，还有的内容专门针对数据挖掘等。

四、推广普及

教育部教师工作司司长任友群提出信息技术教育不应落下任何一个孩子。这其中也包括人工智能教育。在具体的实践中，我们发现中小学人工智能教育存在严重的资源不均衡问题。不均衡既体现在地区之间，也体现在名校和普通学校之间。如何打破这种不均衡性，将人工智能教育在全国更大范围内推广和普及，是目前实践层面面临的关键问题。我们认为，可从以下几个方面着手破局。

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共享中小学人工智能教育优质资源

优质教育资源是稀缺资源。中小学人工智能教育是新生事物，这方面的优质教育资源更加稀缺。很多中小学教师拿到教材后，由于没有好的经验和做法作为参照，课堂实施存在困难。优质教学案例的共享，则可以加快中小学人工智能教育的普及。对于大量不具备人工智能教育资源的中小学校来说，当务之急是为他们提供系统化的教学资源支持，并为他们搭建一个广泛的交流平台。

关于这点，中国人工智能学会中小学工委会已经付诸实践，搭建起了人工智能课程共享平台(http://www.weilaijiyin.com/)。人大附中率先将部分优质课程在该平台上共享出来，为推动人工智能教育在中国的普及贡献力量。

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构建智能化在线学习环境

人工智能教育和教育人工智能是两个相互联系又有所区别的概念。前者是把人工智能作为教育内容的教育教学工作；后者是把人工智能技术作为改进教育教学的技术支撑和核心方法。人工智能教育平台需要注入人工智能技术，逐步成长为一个教育人工智能平台。

教育人工智能平台最终要实现智慧教育，即千人千面、个性化自适应的智能教育。各地教务部门应积极推进智能校园建设，推动人工智能在教学、管理、资源建设等全流程应用；开发立体综合教学场、基于大数据的在线学习教育平台，开发智能教育助理，建立智能、快速、全面的教育分析系统；建立以学习者为中心的教育环境，提供精准推送的教育服务，实现教育定制化。

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建立中小学人工智能教育生态圈

我们要努力创建中小学人工智能教育生态圈，倡导师生共同参与课程建设，学校和企业共同提供支持，线上线下齐头并进。

师资雄厚的优质学校，有能力开设多门选修课供学生选择，就自主研发内容，开设人工智能课程。师资力量相对薄弱的学校，可以借助外部师资和课程，开设初级课程，本校教师跟班学习，配合做改进工作，让课程更好地在学校落地。

公立学校开设人工智能课程不能被企业牵着走，始终不能偏离课程标准和正确的育人理念。同样，公立学校也不必完全抵制企业提供的教具和平台，可以根据教学实施需要合理选用。

未来，我们需要构建集智能化平台、碎片化知识内容、教学微视频、教学课件、自动在线评测和在线师资于一体的智能化教学生态。学生根据智能推荐系统定制的个性化学习方案开展自学，同一间教室的学生可以学习不同的知识内容。

优质资源和师资通过智能平台共享给不同区域的师生，本地教师则成为教学的组织者和助教。这就让人工智能教育打破了时间和空间的限制，并使各学校能因地制宜，在专家的指导下，接地气地开设更适合自己学生的课程。

中小学人工智能教育的普及，需要社会公益组织更加有效地整合中小学科技创新教育的资源，更加广泛地凝聚全球合作伙伴，更加有力地争取各级政府和社会各界的支持，实现中小学人工智能教育的联动协同、优势互补与合作共赢。

（作者袁中果系中国人民大学附属中学信息技术教研组长、信息中心副主任；梁霄、武迪系中国人民大学附属中学教师）

文章来源：《中小学数字化教学》2019年第7期。文章有删减

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