高中人工智能课程实验教学资源建设探索

    吴靖 殷常鸿

    

    摘? 要 高中人工智能课程实验教学资源建设探索是一个全新的研究领域。首先梳理当前国内外相关研究的进展情况及存在的问题，然后在分析高中信息技术新课标内容的基础上，提炼出人工智能实验类别和典型应用场景，最后提出高中人工智能实验教学资源的建设方案。

    关键词 人工智能;高中人工智能课程;实验教学资源;核心素养;机器学习;计算思维;深度学习

    中图分类号：G632.3? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2019）23-0058-04

    1 引言

    近年来，随着信息技术及互联网技术的快速发展，人工智能已成为众多国家的国家战略，中国也不例外[1]。2016年10月，美国颁布《美国国家人工智能研究与发展战略规划》;2018年5月，欧盟发布《欧盟人工智能》标准。目前，中国已成为全球人工智能投融资规模最大的国家。2019年5月在北京召开《国际人工智能与教育大会》;2019年8月，科技部印发《国家新一代人工智能创新发展试验区建设工作指引》，可见人工智能的重要性。那么如何推进人工智能与教育的深度融合？除了在教育中推广和普及人工智能技术和产品的应用，以此来推动教育现代化、均衡化、高效化发展之外，更为关键的是培养具有开发、设计以及应用人工智能技术和产品的人才。而要实现这个目标的根本，是要在中小学引入人工智能课程，逐步提升学生的相关素养，为向高校及科研机构输送高质量的人工智能人才打下基础。

    2017年7月，国务院印发的《新一代人工智能发展规划》（国发〔2017〕35号）明确提出，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育，建设和完善人工智能科普基础设施[2]。这表明人工智能课程在中小学进入新的时代，不仅需要新理念、新内容，更需要新的教学环境。

    2017年底，教育部颁布《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》（下文简称“新课标”），人工智能作为选择性必修模块位列其中。作为一门以体验、实践为特色的学科，人工智能课程有必要开设实验课，让学生通过亲自体验、操作深化对知识的认知，理解抽象概念和算法的运行与实现过程，同时提升实践操作能力。为此，新课标也明确指出，要充分利用丰富的开源硬件和人工智能应用框架等资源，搭建面向实际生活的应用场景，即要配备数量合理、配置适当的实验设备，建设适应教学需要的数字化教学资源[3]。可以说，研究如何建设高中人工智能课程实验设备和数字化教学资源是具有前瞻性的举措，这正是本文的研究重点。

    2 相关研究现状

    人工智能的内涵? 要在中小学校有效发展人工智能，必须清楚人工智能的内涵。人工智能是指研究开发能够模拟、延伸和扩展人类智能的理论、方法、技術及应用系统的一门新的技术科学，研究目的是促使智能机器会听（语音识别、机器翻译等）、会看（图像识别、文字识别等）、会说（语音合成、人机对话等）、会思考（人机对弈、定理证明等）、会学习（机器学习、知识表示等）、会行动（机器人、自动驾驶汽车等）[4]。

    人工智能研究现状? 纵观国内外人工智能领域的研究，主要是进行基础研究和开发，大致分为学院派和市场派，研究的领域各有侧重，如表1所示。学院派侧重于人工智能在认知、生物学、智能领域方面的研究;市场派侧重于人工智能在生产生活领域应用的研究。根据教育部统计数据，国内有75所高校设置85个AI相关研究院或学院，共设立489个本科交叉学科点。2018年度，35所高校新增人工智能专业。为此，中小学尤其是高中必须开设人工智能基础课程，为向高校以及科研机构输送高质量的人工智能人才打下基础。

    高中人工智能课程定位? 新课标指出，通过学习，学生要了解人工智能的发展历程及概念，能描述典型人工智能算法的实现过程，能搭建简单的人工智能应用模块（计算思维），亲历设计与实现简单智能系统的基本过程与方法（数字化学习与创新），增强利用智能技术服务人类发展的责任感（信息意识、信息社会责任）。从以上表述可以看出，高中人工智能课程目标定位在信息技术核心素养的培养，特别是提升学生计算思维、数字化学习与创新能力。

    关于课程内容，新课标确定为人工智能基础、简单智能系统开发、人工智能技术的发展与应用三部分。谢忠新博士在《中小学人工智能课程内容设计研究》中提出，高中人工智能课程内容定位在认识、体验人工智能，理解人工智能（深入分析各种技术），创造创新（实现人工智能）三个方面。艾伦教授认为，内容应该定位为在人工智能技术中使机器会看、会听、会说、会行动等方面的相关内容。

    高中人工智能课程实验教学资源建设现状? 在顾明远先生主编的《教育大词典》中，教学资源是指“支持教学活动的各种资源。分为人力资源和非人力资源，非人力资源包括各种媒体和各种教学辅助设施”。本研究中的教学资源特指为开展人工智能实验课程、优化实验过程、增强实验效果而涉及的各种教学媒体，主要包含实验设备、开发工具平台和数字化资源。

    从公开发表的论文来看，相关研究很少，大多集中在对高中人工智能课程的实施和教材编写方面。美国基础教育阶段人工智能课程具有很强的灵活性，常常与高校合作开办课程，如卡耐基·梅隆大学的暑期夏令营就曾为高中生提供智能机器人课程。该课程应用Tekkotsu这一开源的机器语言，为机器人提供程序框架。英国同样采用与高校协作的方式开展人工智能教学，高校为中小学搭建人工智能教学网站，并以远程培训的方式参与师生的讨论和答疑[5]。

    日本为了贯彻人工智能发展的国家战略，从基础教育改革入手，强化与人工智能等相关的学科教育，提高全民族人工智能应用能力，以从容应对人工智能时代的挑战。

    中国教育科学出版社、中国地图出版社等在2004—2006年间组织出版了我国第一批《人工智能初步》教材和配套资料。2018年，由华东师范大学慕课中心、商汤科技联合上海市多所高中的优秀教师共同编写的《人工智能基础（高中版）》教材发布，推出人工智能教学云平台，开发了众多资源包，目前在上海、青岛、常州的学校进行试点。中国人民大学附属中学2019年发起成立中国人工智能学会中小学工作委员会，提出的任务之一是构建课程资源共享平台。乌鲁木齐市第八十中学王玉老师尝试精选体验式资源、遴选专业化平台、利用开源资源进行人工智能教学的资源选择和使用。这些文献资料和实践为高中人工智能课程实验教学资源的研究提供了基础信息和研究依据。

    3 对国内现状的反思

    人工智能课程实验内容不明确? 虽然大多数文献都提到人工智能是实践性很强的课程，需要通过实验课为学生提供体验式学习环境，使学生在体验中主动建构知识，提升对算法的理解，在实验过程中自主、积极参与，实现深度学习，训练技术思维，但罕有文献对实验课的内容进行研究和分析。新课标虽然要求学生“知道人工智能应用系统大开发工具和平台……要搭建简单的应用模块，配置适当的环境、参数……进行智能系统的应用体验”，但并没有提出需要进行哪些实验，更没有对实验内容进行梳理和分析。

    人工智能课程实验教学资源缺少研究? 开展实验教学需要丰富的实验教学资源。目前市场上有很多体现人工智能的设备，网络上有丰富的人工智能开源平台和框架，也有科研机构和公司提供免费的体验平台，但鱼目混珠、真伪难辨。教学过程中常见的现状是高校人工智能实验资源不进行加工就在高中使用，资源起点高、难度大，学生难理解。如何在对高中人工智能新课标目标、内容和教学要求进行分析基础上，梳理出实验需求和实验内容，同时结合高中生的认知特点和现有基础，构建经济实用、数量适当、形式多样、方便使用、安全可靠、逻辑清晰的实验教学资源内容，迫在眉睫。

    4 高中人工智能课程实验内容分析

    华南师范大学钟柏昌教授在《高中信息技术必修课实验与实验室建设探索》一文中，将信息技术实验活动分为体验感悟类、程序设计类、硬件搭建类和科学探究类四种实验[6]。笔者通过对高中人工智能课程内容的分析，梳理出四类实验内容。

    体验感悟类? 通过对基于场景的人工智能设备和手机APP的体验和操作，了解人工智能在计算机视觉、语音技术、自然语言处理、机器学习等多方面的功能，在体验过程中学会观察分析各种技术的基本工作原理或流程，感受人工智能技术在学习、生活中的广泛应用。

    程序设计类? 通过对人工智能应用系统开发工具、平台的操作和实验，了解人工智能核心算法的具体内容，如启发式搜索、回归算法、卷积神经网络、K均值聚类算法等。并运用合理的算法形成解决问题的方案，熟悉人工智能技术应用的基本过程和实现原理，培养计算思维。运用人工智能应用框架进行人工智能应用场景的主题实验。操作的内容是通过编写作品实现其中1～2个场景，了解技术实现的一般过程。相关的主题有计算机视觉、语音技术、自然语言处理、机器学习等。

    硬件搭建类? 利用机器人、智能小车等人工智能设备，搭建简单的应用模块，配置適当的环境、参数和自然交互方式进行硬件拆卸与组装实验等。

    科学探究类? 通过人工智能科学探究类软件，进行课程相关的视频、图片、文本和应用案例学习，了解人工智能技术的典型应用;或开展人工智能应用现状和发展前景网络问卷调研，了解人工智能所面临的伦理及安全挑战，增强安全防护意识和责任感。

    5 实验设备与资源建设方案

    建设目标? 为高中人工智能课程实验操作内容的实施提供实验设备、开发工具平台和数字化资源，共同达成课程教学目标，促进学生信息技术课程核心素养的提升。

    建设原则? 由于人工智能技术迭代非常快，涉及的技术繁多，因此，实验设备需要尽可能展示人工智能多方面技术功能，增强学生对技能应用的真实体验感。实验设备配置应遵循的原则为：技术先进、扩展性强、操作简单、安全可控、符合高中生认知特点。

    现在的高中生都是在网络时代成长的数字原住民，认知方式呈现的特征为：图像及操作性技能优先、关注表层信息、分散注意力同时处理信息、高速激发相近的概念[7]。为此，实验资源建设要强调互动性和智能性，形式要以视频、软件和图像为主，资源要多样化、碎片化，应用平台工具要基于网络环境，体验类软件适合在平板电脑、智能手机上运行。

    建设内容

    一是体验感悟类。

    1）设备。考虑到成本、效果、环境等因素，可在学校配置的设备有智能音箱、智能门禁系统、校园安防智能监控系统等。此外，为运行人工智能APP或小程序，建议配置平板电脑或智能手机。

    2）资源。手机APP的日常化使用极大降低了学生体验人工智能的门槛，这些程序内容丰富、形式多样、趣味性强、易于上手。百度AI体验中心、腾讯AI体验中心、讯飞开放平台都提供机器学习、计算机视觉、语音识别等技术体

    验;美颜相机APP会自动标注出人像五官的关键点，精准定位需要美化的位置，处理方便、快捷、效果好;Siri是苹果手机的典型应用，有寻找联系人、定位、搜索、翻译等诸多功能。

    二是程序设计类。

    1）设备。为学生学习人工智能理论基础以及上机操作提供实践环境，包括网络环境和计算机终端。学生通过计算机终端安装并登录人工智能开发工具（平台）和应用框架，进行构建、分解算法思维等编程实践，分析各种技术的基本工作原理和流程，构造基于计算机的自动化方案。

    2）资源。主要通过程序设计和调试，让学生按照计算机求解问题的基本方式去考虑问题的求解，以便构建出相应的算法和基本程序等，以实现培养学生计算思维这一核心素养。

    ①Python。Python是一门计算机程序语言，操作简单、易于使用，符合高中生认知水平，能与其他常用AI算法一起使用。

    ②人工智能应用工具和平台。上文提及的百度AI体验中心和讯飞开放平台都免费提供语音识别、文字识别、图像审核等技术学习和技术包下载。其中百度EasyDL是一款定制模型训练和服务平台，技术起点低，只需简单的四步即可训练深度学习模型。学生也可以利用平台提供的开放技术和接口进行二次开发，创作新的人工智能作品。此外，商汤科技开发的教学实验平台SenseStudy包含25个实验包，学生上机操作就可以全面了解人工智能科技常见的应用场景和技术原理。

    ③深度学习框架。常见的人工智能开源框架有Google开发的TensorFlow，Facebook人工智能研究院提供的开源PyTorch，还有用于快速构建深度学习原型的高层神经网络库Keras。这些资源适合对人工智能有浓厚兴趣、数学基础好、编程能力强的高中生学习研究。

    三是硬件搭建类。此类设备是学生进行拆卸、组装、调试和展示的设备。学生通过硬件模块化编程，配置适当的环境、参数及自然交互方式等，搭建简单AI应用。有条件的学校可以配置无人驾驶小车，通过学生对小车的拼装搭建和数据采集训练，使得小车可以完成自动巡航、避障等功能。此类资源建设内容参考程序设计类。

    四是科学探究类，以资源建设为主。

    1）提供丰富的学习资源，包括高中人工智能课程的教学媒体素材、文献资料、视频课程，还包括调查、统计等学习工具。

    2）提供个性化的学习资源。依托学习者风格、学习偏好测量量表的结果，对学习者行为进行分析并进行精准画像，推送个性化资源，实现智慧学习和因材施教。

    这类软件可以依托MOOC等已有的网络学习平台，也可以针对学习需求进行定制开发。

    建设途径

    1）政府采购。人工智能实验教学资源需要根据学生人数和课程实验需求，经过需求分析、市场调研、专家论证等环节，提出明确的硬件设备名称、功能需求、参数要求、数量和预算。根据各级财政的相关政策，使用财政性资金购买国有资产需要经过政府采购;达到公开招标数额标准的采购项目，应采用公开招标方式。为提高采购绩效，确保购买到好产品和服务，建议采用综合评分法进行评标。

    2）学校自筹。体验感悟类软件、程序设计类的Python软件、深度学习框架等资源大多可以在网络上免费获取和使用。教师可以根据课程和实验教学的需要，多角度创新使用以服务教学。

    3）公益资助。一些人工智能企业为展示企业技术和拓展业务，常搭建一些人工智能实景应用场馆，还有企业希望开展公益活动反哺教育。有条件的学校可以与人工智能设备相关企业合作，让学生有机会免费实地体验、实践，或接受企业资助。

    6 结语

    作为一项全新的研究课题，高中阶段进行人工智能实验课程资源建设如同新课程实施一样，需要经过多年实践和改进。本文是笔者多年一线工作经验的提炼和总结，具有一定的代表性和实践意义。针对资源建设的研究道路还很长，有关实验资源的建设策略、标准规范、使用培训等方面均需要进一步思考和尝试。相信随着人工智能技术的发展，会给研究带来新的发展机遇，同时会有更多的研究机构、企业、学校参与到实践中，共同提升高中人工智能实验教学资源建设的广度和深度。

    参考文獻

    [1]王慧媞.发展人工智能已成全球之势[J].人民论坛，

    2018（2）：20-21.

    [2]国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知[EB/OL].[2017-07-20].http：//www.gov.cn/zhengce/content/

    2017-07/20/content_5211996.htm.

    [3]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）[S].北京：人民教育出版社，2018.

    [4]谭铁牛.人工智能的历史、现状和未来[J].网信军民融合，2019（2）：10-15.

    [5]陈凯泉，何瑶，仲国强.人工智能视域下的信息素养内涵转型及AI教育目标定位：兼论基础教育阶段AI课程与教学实施路径[J].远程教育杂志，2018（1）：61-71.

    [6]钟柏昌.高中信息技术必修课实验与实验室建设探索[J].中国电化教育，2019（3）：16-21.

    [7]杨现民，赵鑫硕，陈世超.“互联网+”时代数字教育资源的建设与发展[J].中国电化教育，2017（10）：51-59.

    基金项目：本文为江苏省高校哲学社会科学研究课题“基于云的教育装备绩效评价研究”（项目编号：2016SJB880148）以及中国教育装备研究院2017年度课题“大数据背景下教育装备综合绩效统计评价的理论方法及应用研究”（项目编号：CEFR16005R02）

    的阶段性研究成果。

    作者：吴靖，常州市虹景中学副校长，中学高级教师，研究方向为教育装备建设、应用;殷常鸿，江苏理工学院，副教授，南京师范大学在读博士，研究方向为学习科学、教育装备理论与应用（213000）。