《身边的人工智能》教学设计
钮洪斌
● 学科核心素养
主动关注信息技术发展中的新动向和新趋势，有意识地使用新技术处理信息。（信息意识）
总结利用计算机解决问题的过程与方法，并迁移到与之相关的其他问题解决中。（计算思维）
● 学习内容分析
近年来，人工智能技术已经广泛应用于各行各业，并将在社会生活中发挥越来越重要的作用。人工智能实际上是一种让机器模仿人类智能行为的技术，目前来说，人工智能主要模仿了人类的三种能力：模仿人类对周围环境的感知，包括视觉、听觉等，如人脸识别、语音控制;模仿人类动作，包括人类手、脚等的动作，如语音合成、自动驾驶;模仿理性思考，包括推理、决策和规划等，如下棋。xDing是一款基于Scratch2.0开发的图形化编程软件，集成了百度云AI模块，通过简单的图形化编程，就可以设计与制作出简单的人工智能作品。当前，实现人工智能的主流方法是机器学习，机器学习就是通过学习大量的数据，使计算机能模仿人类的智能行为。
● 学习者分析
本课学习者是小学五年级的学生，这个年龄段的学生好奇心强，易接受新鲜事物，喜欢交流和分享，在观察、分析、思考能力上都有非常好的表现。这个阶段的学生，也已经具备了一定的计算机操作技能，能够较熟练地操作一些常见的应用软件，能够比较熟练地使用Scratch设计出一些相对复杂的脚本，这些为xDing的使用提供了良好的基础。学生可能听说过人工智能，也有学生见过甚至使用过人工智能产品，但对于什么样的技术可以称为人工智能却无从回答，也不知道其中的实现原理。
● 学习目标
（1）体验人工智能产品，认识什么是人工智能。
（2）使用xDing搭建能够识图认物的人工智能作品。
（3）剖析人工智能作品，了解人工智能的基本实现原理。
（4）借助视频和交流，体验人工智能的典型应用。
● 教学过程
1.人机识物，认识人工智能
师：同学们，今天我们教室里多了许多植物。
活动1：人与APP共认植物。
（1）说一说：这些植物的名字叫什么。
（2）做一做：使用“形色”APP来识别植物。
平板实际上就是一台小型计算机，但“形色”等APP使它具有了本来人类才有的识图认物的能力，这种让机器模仿人类智能行为的技术就称为人工智能。我们现在常说的AI（Artificial Intelligence），就是指人工智能。今天，我们就一起来走进身边的人工智能。
设计意图：人工智能离小学生的生活并不遥远，但是想让小学生理解到底什么是人工智能还是比较困难的。为此，本环节先由学生自己识物，再通过“形色”APP拍照识物，让学生体验、感受这种人工智能产品的功能，从而明白人工智能就是一种让机器模仿人类智能行为的技术。
2.动手操作，尝试人工智能
师：这个APP很神奇吧。接下来，我们也来做一个人工智能作品。
活动2：使用xDing设计识图认物作品。
（1）打开“样例.sb2”，执行脚本，观察结果。
（2）打开“识别”控件中的下拉列表看一看，除了视频，还可以通过什么方式获取信息？除了能识别植物，还可以识别什么内容？
（3）获得识别内容后，脚本是如何执行的？
（4）修改脚本，设计一个自己的人工智能作品（如表1）。
小结：通过摄像头或者照片获取需要识别的内容，脚本对获取的内容进行识别分析，识别的结果通过广播反馈给角色，由角色输出识别的结果，模仿了人类通过视觉感知客观世界的能力。
设计意图：xDing是基于Scratch2.0开发的图形化编程软件，集成了百度云AI模块，可以实现人工智能产品的便捷开发。借助xDing软件，学生能够快速地把想法变为现实。为了降低学生从零开始进行程序设计的难度，采用“使用—修改—创作”这种教学思路，首先提供给学生一个完整的样例作品，在使用的过程中了解软件AI模块的功能与使用方法，再通过修改样例脚本实现自己的想法，学生在做的过程中思考做什么以及如何分步骤地做，体会利用人工智能技术解决实际问题的基本过程。
3.剖析作品，理解人工智能
师：借助xDing，我们实现了识图认物的人工智能作品。那么，计算机是如何做到模仿人类识物的智能行为的呢？
活动3：探究人工智能的基本实现原理。
（1）观看微视频，思考：机器是如何获得认知能力的？在猫狗识别应用中，机器学习的内容是什么？
小结：机器可以像人类一樣通过学习来获得能力。机器通过不断地看图进行学习，从而提高自己的识图能力。图片是一种数据表现形式，所以，从本质上来说，机器学习是一种向数据学习的方法。
（2）使用百度的EasyDL定制猫狗识别的图像分类模型，校验学习不同数量图片的猫狗识别智能模型，比较它们的识别能力（如表2）。
小结：训练的数据量越大，图像的识别率越高。
设计意图：学生带着问题观看视频，通过视频的动态演绎，将抽象、不易理解的知识生动、形象地展示给学生，帮助学生理解机器学习是人工智能的核心，是使机器具有智能的重要途径，从而建立起对机器学习的初步认识。借助百度的EasyDL定制化图像识别模型，学生通过校验不同数据量的模型，可以发现训练的数据量越大，图像的识别率越高，进而认识到机器通过学习大量的数据，建立基于数据分析的模型，通过这个模型，机器可以对新问题做出预判，也就是说，机器具有了与人类类似的智能。
4.畅谈交流，感受人工智能应用
师：人工智能应用已经深入到我们学习、生活的方方面面，为我们带来了便利。
活动4：畅谈人工智能应用。
（1）自主观看微视频，说一说：视频中人工智能技术主要模仿了人类哪方面的能力？（如上页表3）
小结：人工智能实际上就是让计算机模仿人类的三种能力：第一是模仿感知，是对周围环境的感知，包括视觉、听觉等，如人脸识别、语音控制;第二是模仿动作，包括人类手、脚等的动作，如语音合成、自动驾驶;第三是模仿理性思考，包括推理、决策和规划等，如下棋。
（2）你能从人工智能模仿的人的能力出发，说一说你身边的人工智能应用吗？
设计意图：不管是科幻片中的智能机器人，还是生活中的智能产品，虽然形状千奇百怪，有些甚至是计算机程序，但它们都有一个共同的特点，就是模仿人的某种智能行为——能看、能听、能说话、能行动、会思考，5个微视频给出了在生活中实际应用的例子，引导学生在思考的基础上，学会从以上5个维度来学习和体验人工智能的用途，激发学生认识更多的人工智能应用。
5.思维导图（如下图），建构人工智能
师：今天这节课，我们初步感知了身边的人工智能，人工智能技术就是让机器模仿人类智能行为的技术。当前，实现人工智能的主流方法是机器学习，通过大量的数据学习，使机器能看、能听、会说话、模仿动作、会思考。
设计意图：思维导图，简单地说就是一种运用集中与发散的思维，对学习的知识点进行集中归纳与应用的有效工具。思维导图可以清晰形象地呈现出各部分知识间的脉络关系，有助于学生从整体上把握知识，完成知识的建构。
● 教学反思
从1956年首次提出“人工智能”这一概念以来，人工智能已深入到我们的日常生活的方方面面，但是，当向学生提问“什么是人工智能”“你知道哪些应用属于人工智能”等问题时，他们都回答不上来，而当我向他们举了一些身边的例子如苹果的siri、百度音箱等之后，他们又一个接一个地抢着回答，课堂气氛立马活跃起来了。为什么会出现这样的情况呢？这是因为，学生天生排斥生涩的文字，即使文字并不长，能够记住这些信息，但并没有理解其内涵。因此，把“形色”APP与人类识图认物的能力进行类比，运用通俗易懂、形象生动的语言能够帮助学生初步构建起人工智能的概念。
这种概括性的描述，只能帮助学生大体上了解人工智能。实际上，人工智能实现的基础是数据，必须经过大数据的学习才能让机器模仿人类的某些能力。在探究人工智能的基本实现原理过程中，通过两个问题激发学生的思考：①机器是如何获得认知能力的？机器又是如何进行学习的？②在猫狗识别应用中，机器学习的内容是什么？两个问题如果是直接提问，即使阅读了教材中的材料，学生也说不清楚为什么。这是因为，对于抽象的概念，单纯讲授无法激发学生的学习兴趣，通过观看形象生动的视频，就有了不一样的效果。但是，开始我提供的是一个近4分钟的视频，学生在观看视频之后的回答效果非常不好，可以说绝大多数学生都无法准确地找到问题的答案。为了提高学生的注意力，我把视频分割成两个较短的视频，每个视频只有1分钟，并且依次呈现，同时在第二个小问题中注意强调问题的范围，这对学生来说就相对容易多了。因此，在使用微视频辅助教学时，必须对视频进行适当的裁剪，以保证内容集中、不分散，引导思考的问题指向也要明确，这样才能更好地突破教学中的难点。
点 ?评
人工智能作为引领未来的战略性新兴技术，正在深刻影響着社会的方方面面，也将深刻改变我们的生产生活方式。为应对人工智能发展给教育带来的机遇和挑战，近年来，一些主要发达国家（或教育组织）开始在中小学推进人工智能教育。2018年4月，教育部印发了《教育信息化2.0行动计划》，也明确提出要完善课程方案和课程标准，充实适应信息时代、智能时代发展需要的人工智能和编程课程内容。
在小学阶段开展人工智能教育，应在尊重学生认知发展规律的基础上，科学地设计课程内容，仔细选择可操作的学习路径。本课作为小学阶段人工智能的起始课，主要任务是帮助学生对人工智能形成一个总括性的认识。具体来说，要解决什么是人工智能、人工智能可以做什么，怎么实现人工智能，机器何以能够智能三个方面的问题。
关于什么是人工智能，有着许多不同的表述，“通过机器模仿人类的智能行为的技术”是一种被广泛接受的说法。传统的概念教学更多的是采用“讲授—复述”的方法进行，由于缺少必要的体验，学生只是停留在概念文本的识记上，并没有形成有意义的知识组织。本课首先设计了“人与APP共认植物”的活动，抓住“形色”APP能够识别植物这一功能，让学生感受人工智能可以让机器“看”，发现机器被赋予了人类才有的识图认物的能力，揭示出人工智能的概念。在此基础上，活动4结合学生的认知能力和经验，通过微视频列举了人工智能模仿人类智能行为的典型应用，人脸识别让机器会看，语音识别让机器会听，AI主播让机器会说，自动驾驶让机器会动，阿尔法狗让机器会思考，从看、听、说、动、思5个维度深入地进行拓展加工，进一步建立小学生对人工智能的认识和感悟。
知识的学习还必须与技术实践结合起来，运用于社会实际问题的解决，从而形成良好的认知结构。活动2引导学生借助xDing这个简单的图形化编程工具，设计识图认物人工智能作品，首先通过使用样例作品，思考做什么、如何分步骤做，再通过修改样例脚本实现自己的想法。学生在亲身参考创作活动的过程中，感受人工智能技术的无穷魅力，进而思考如何利用人工智能解决问题。
虽然人工智能技术已经广泛应用于各个行业，但由于学生对当前人工智能发展的真实水平知之甚少，加之受科幻电影的影响，以及一些知名科学家的警告，一些学生难免会对人工智能产生恐惧心理。这就要求我们的教学不能止步于“是什么”“做什么”“怎么做”，更要引导学生积极思考“为什么”。实际上，人工智能技术几经沉浮，当前的人工智能技术大多数是通过机器学习来实现的，它所依据的数学基础是概率统计与优化理论。本课使用百度EasyDL定制猫狗识别的图像分类模型，引导学生通过校验不同数据量的猫狗智能模型，比较它们的识别能力，可以发现训练的数据量越大，图像的识别率越高，进而对机器何以智能这一核心问题形成一个正确的理解——人工智能并不神秘，它主要依靠数据赋能，从本质上来说，就是一种以数据为中心或数据驱动的问题求解方式。有了这些认识，学生就能够更为客观地认识人工智能及其与人和社会的关系。
本文系江苏省教育科学“十二五”规划2015年度课题“基于活动理论的信息技术教学设计研究”（项目编号：D/2015/02/405）研究成果。
