人工智能 信息技术(人工智能信息技术发展方面的资料)

 

摘 要

开发中小学人工智能课程是我国《新一代人工智能发展规划》提出的基础教育课程建设的新课题。当前如何在初中信息科技基础型课程中开设人工智能课程尚处于探索中。

本文阐述了世界外国语中学在初中人工智能课程开发与实践过程中的思考，首先结合学科核心素养，确定学校初中人工智能课程的定位和目标，然后对初中人工智能课程内容结构进行分析，提出学生可体验的人工智能教学活动流程，最终总结出初中阶段开展人工智能教育课程的实践路径，以期为我国初中人工智能课程开发提供一定的参考。

2017 年国务院发布的《新一代人工智能发展规划》明确指出：要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，鼓励社会力量参与寓教于乐的编程教学软件、游戏的开发和推广。

2018 年颁布的全国高中信息技术课程标准在必修模块增加了人工智能的体验性学习内容，同时还设置了人工智能初步这一选择性必修模块。目前高校和一些中学在人工智能课程的探索方面十分积极，但同时也面临课程内容、教学方式、实验条件、学习资源、师资培训等方面的诸多困惑。人工智能课程在中学的开设存在较多困难，初中信息科技课程内开设人工智能启蒙课尚无可借鉴的经验，尤其在设计学生可体验的人工智能学习活动方面仍处于空白状态。

笔者所在学校以外语和计算机为特色，学校一直致力于探索与时俱进的信息科技学科教学，在本轮人工智能浪潮的发展背景下，为推进人工智能课程真正在初中落地实施，学校全力把握初中阶段开设人工智能课程的价值，设计适合初中生的人工智能课程，促进初中人工智能教学的研究和实践，并形成了新的亮点。

一、 课程开发立足核心素养的理念

课程建设既要符合国家创新人才培养的战略需求，又要尊重人工智能技术发展规律，与教育实际相结合，在有限的课时范围内达到最好的教育效果。

我校面向初中学生开发的人工智能课程，着眼于学生的信息技术学科素养，重在培养学生的计算思维能力，让学生参与到人工智能技术支持的沟通、合作、分享中，体验人工智能知识的建构，增强信息意识，理解人工智能技术对社会的影响，提高信息社会参与的责任感，从而具备较高的信息素养。

互联网小常识：网络管理系统一般由管理进程（Manager）、被管对象（MO）、代理进程（Agent）、管理信息库（MIB）和网络管理协议（SNMP和CMIP）五部分组成。

考虑到初中阶段学生的认知特点与人工智能学科自身的情况，课程目标的基本点定位在人工智能的启蒙学习与体验，即帮助初中生初步理解人工智能如何实现，通过学习活动，能获得对于包含人工智能在内的信息技术前沿应用的初步了解；能运用简单的人工智能技术解决实际问题，体验人工智能技术的丰富魅力，感受人工智能技术对学习与生活的重要作用；能增强人工智能技术使用的责任感。

基于这样的认识，学校邀请高校人工智能专家、教育专家、高新技术企业进行指导，结合学校实际情况，在七年级信息科技基础课程内进行人工智能课程开发，面向全体学生普及人工智能教育，增强学生的计算思维能力，全面提升学生的信息素养。

二、 课程设计聚焦计算思维培养

我校人工智能启蒙课程由三个主题组成（图1），分别是人工智能感知、人工智能语言、人工智能问题求解。

人工智能感知部分以丰富的人工智能应用实例，对学生进行兴趣引导，结合人工智能发展史、人工智能技术的行业应用、人工智能技术发展的讨论，让学生对人工智能的内涵有初步了解。人工智能语言部分是以Python 为例，了解一种人工智能语言的基本特点和程序结构，初步学会使用Python 语言设计程序，在程序设计中建构计算思维。人工智能问题求解部分利用Python 语言，借助第三方库，通过实验体验并尝试人工智能的应用，实现图像识别、文字识别和语音识别等功能。以上述主题为逻辑线索，初中人工智能启蒙课程的设计旨在让信息科技课堂与时俱进，帮助学生亲近、感受并初步探究人工智能。各主题对应的学习内容设计框架详见图2。

计算思维作为信息技术学科的一项核心素养，其教育内容超越了传统程序设计的代码编写，更强调在情境中培养学生利用信息技术学科方法解决问题的能力。

信息技术课程标准中计算思维能力的要求为：（1）通过抽象的方式表示数据；（2）设计算法，形成自动化解决问题的方案；（3）总结这种解决问题的方法，迁移至更宽泛的问题解决之中。根据计算思维的培养要求，结合人工智能教学内容的特点，学校设计出人工智能的教学流程（图3）。

整个教学流程有五大环节，分别是情境体验、需求分析、程序设计、调试拓展、分享交流，将计算思维的要求融于教学各环节，让学生能够更好地开展自主、协作和探究学习，掌握拓展并内化人工智能知识，达到计算思维培养的目标。

三、 课程实施建立多元化的实践路径

互联网小常识：BGP协议的工作过程：打开分组、更新分组、保活分组、通知分组。其基本过程是BGP发言人发出打开分组，相邻的BGP发言人发送保活分组响应，然后定期发送（每30s）发送保活分组以确认连接，当网络拓扑结构或流量发生变化时，发送更新分组以更新，可以一次删除多个路由表项，但是每次只能增加一个路由表项。

01

初中人工智能教育课程的成效关键在于教师

课程建设的主体是教师，教师首先要具备人工智能知识与技能方面的专业素养，才能设计出适合初中生的课程，这对信息科技教师而言是一种新的挑战。学校信息科技教研组在人工智能课程建设过程中，组内教师开展了多渠道的人工智能研究和实践，包括人工智能相关资料的收集与学习交流、研讨课教学实践、开发人工智能教材等多种形式。

学校还定期邀请高校人工智能专家、教育专家、高新技术企业等来校指导，让教研组五位教师得以站在时代前沿、学术前沿开展课程建设。在课程开发与实践的过程中，教师们对于新技术学习与教学实践热情高涨，新技术敏感度和教学能力不断提升，学校人工智能课程得以有效实施。

02

设计实用人工智能实践活动，以实践促理解

学校开展的人工智能主要有两方面的学习内容，一是人工智能理论方面，二是人工智能实践方面。无论哪方面的学习内容，都有不少枯燥难懂的概念和逻辑，要使人工智能教学能贴近学生认知，充分调动学生对人工智能学习的兴趣，就要把知识从抽象的理论中提取出来，设计理论与实践相结合的活动，在活动中学习与掌握人工智能相关的知识与技能，使人工智能课程看起来更加贴近实际、贴近生活。

为了引导学生学习人工智能理论方面的知识，教师在课堂中会联系生活中的AI 相关产品，让学生通过产品体验、观察记录、头脑风暴、概括提炼等步骤，将人工智能抽象化的概念转化为具体形象的内容加以呈现，引导学生在实践中获得概念性知识。

例如有一节课是基于Python 的人工智能图像应用体验——植物识别，在教学中了解人工智能实现图像识别的一般过程是一个学习难点，为此教师设计了三个体验活动，让学生通过调整代码块的顺序实现植物识别程序；通过阅读植物识别接口的反馈内容，了解从输出结果中明确提取信息的方法；通过互动讨论，知道Python 实现植物识别的一般过程。三个体验活动完成后再通过讨论，将Python 实现植物识别的过程递推至实现图像识别程序的一般过程，增进学生对实现图像识别程序一般过程的认识。

对于人工智能实践方面的一些专业名词，如Python 的变量、函数，图像识别的运算、置信度等，对初中学生来说，其抽象思维能力有限，尚不足以理解，在实践时会产生各种问题，教师主要采用类比的方法将这些概念具体化，通过生动的体验与实践，让学生从特定的情境、学习经历中获得知识的建构。

例如可以将储蓄罐与Python 的变量进行类比，演示存入钱币的过程，请学生观察储蓄罐存钱的过程，分析存钱过程中钱币值的变化过程以及变化产生的原因。这样通过类比的方法有助于帮助学生理解变量的概念及其作用，更好地应用变量来实现程序的功能。

03

重视人工智能问题求解的过程，渗透计算思维

初中人工智能教学的主要目的是让学生体验到人工智能给自己的生活带来的改变，并能把人工智能应用到日常生活中。教师基于学校人工智能启蒙课程，设定教学流程为：情境体验—需求分析—程序设计—调试拓展—分享交流，每次活动开始时，请学生观察并体验人工智能产品的使用，或人工智能程序要实现的功能，尝试用自己的话描述出来，借此过程与学生一起讨论产品或程序的功能，提出问题并确定活动探究目标。

活动目标确定之后，针对问题开展小组讨论，尝试将一个复杂的问题分解成若干个简单的问题，从而简化解决问题的思路，理清具体实践的步骤。然后再通过一系列的自主或合作探究活动，把自己的想法通过计算机程序进行表达，借此引发学生对人工智能相关知识的深层次思考，提升学生的思维品质。

例如基于Python 的人工智能图像应用体验——植物识别的教学过程设计，首先从可以给学校吉祥物世外熊增加哪些AI 功能的情境话题讨论引入；再明确本课学习需求，即以植物识别为例实现Python 程序。

学生先借助Python 的aip库实现植物识别的过程，再对代码的输出语句进行修改、调试，观察输出内容和输出语句之间的关系，实现匹配可能性最高的植物名称，以及置信度的提取。课堂最后通过对世外熊AI 功能的畅想，探讨图像识别背后的原理。整个教学过程中通过对问题的层层抽象，将隐性知识显性化，思维过程可视化，不断对学生的计算思维进行强化和训练，使学生的思维能力得到提升。

04

挖掘人工智能教育的学科德育，促进学科育人

随着人工智能的迅速发展，初中人工智能课程的开发适应时代发展需要而生，在符合学生认识能力的基础上，选择与学生生活和学习关联度较高的人工智能知识与技能作为课程内容，发展学生利用信息技术解决问题能力的同时，还要特别关注挖掘人工智能教育的育人功能，引导学生从发明者、使用者、受众者三个角度来分析人工智能技术与人的关系，通过共情的方法让学生更加设身处地地辨析其中蕴含的道德和安全问题，关注人工智能发展所带来的人文问题，对于人工智能创新所产生的新观念和新事物，能抱有积极学习的态度，保有理性判断和负责行动的能力，从而培养学生良好的信息道德，使初中人工智能课程走向过程育人。

（本文为上海高校立德树人人文社会科学重点研究基地——上海市信息科技教育教学研究基地2019 年阶段性研究成果）

本文作者：陈　勇上海市世界外国语中学

原文刊载于《教育传播与技术》2019年第2期

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