【摘 要】2017年國(guó)務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出“在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程”，2019年下半年，青島率先在中小學(xué)校開(kāi)設(shè)人工智能課程。但在高中學(xué)段，由于課程難度、學(xué)業(yè)壓力等原因，人工智能教育更多的是在信息技術(shù)課（個(gè)別章節(jié)涉及）、通用技術(shù)課（機(jī)器人模塊）體現(xiàn)或滲透，人工智能社團(tuán)活動(dòng)或校本選修課作為補(bǔ)充來(lái)開(kāi)展，為一部分有興趣或特長(zhǎng)的學(xué)生發(fā)展提供支撐。本文從高中信息技術(shù)課堂教學(xué)實(shí)踐的角度，提出了人工智能教育教學(xué)的四個(gè)策略。

【關(guān)鍵詞】信息技術(shù)；人工智能；教學(xué)實(shí)踐；項(xiàng)目

【中圖分類號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【論文編號(hào)】1671-7384（2024）07-060-02

人工智能是研究和開(kāi)發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新技術(shù)[1]，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在人類工作和生活的諸多方面。對(duì)于中學(xué)生，在日常學(xué)習(xí)生活中也會(huì)經(jīng)常接觸或使用一些人工智能產(chǎn)品，甚至個(gè)別學(xué)生對(duì)這些智能產(chǎn)品的應(yīng)用特點(diǎn)、工作原理等有了一定的認(rèn)知。

高中學(xué)生經(jīng)過(guò)初中學(xué)段知識(shí)與技能的學(xué)習(xí)積累，日常生活又對(duì)人工智能技術(shù)有了基本的應(yīng)用和認(rèn)知體驗(yàn)，所以教師就可以設(shè)計(jì)與人工智能相關(guān)的項(xiàng)目，讓學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)或探究，讓學(xué)生在原有認(rèn)知和理解的基礎(chǔ)上，通過(guò)項(xiàng)目任務(wù)引領(lǐng)、搭建學(xué)習(xí)支架使其再往前邁進(jìn)一小步，即剖析典型案例，探究人工智能算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程；搭建簡(jiǎn)單的人工智能應(yīng)用模塊，親歷設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單智能系統(tǒng)的基本過(guò)程與方法，從而達(dá)成中小學(xué)人工智能教育的基本目標(biāo)。

設(shè)計(jì)探究活動(dòng)，認(rèn)識(shí)人工智能的重要作用

在初中信息科技課程中，學(xué)生已經(jīng)接觸到人工智能的基本概念和術(shù)語(yǔ)，高中信息技術(shù)課堂可以進(jìn)一步剖析生活中的人工智能應(yīng)用，讓學(xué)生理解人工智能的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)和能力邊界，知道人工智能與社會(huì)的關(guān)系，激發(fā)學(xué)生探究人工智能技術(shù)的熱情。

如在“數(shù)據(jù)與計(jì)算”模塊學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的編碼或采集時(shí)，對(duì)于文本型數(shù)據(jù)的采集，教師可以采用OCR識(shí)別、語(yǔ)音、手寫等智能輸入的形式，甚至可以設(shè)計(jì)OCR識(shí)別、語(yǔ)音或手寫輸入的活動(dòng)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生體驗(yàn)這些智能輸入方式的優(yōu)點(diǎn)和不足，使其辯證地看待這些智能處理工具。在“信息系統(tǒng)與社會(huì)”模塊學(xué)習(xí)信息系統(tǒng)的硬件和軟件時(shí)，教師可在傳統(tǒng)介紹計(jì)算機(jī)軟硬件的基礎(chǔ)上，融入移動(dòng)端的軟硬件、支持人工智能技術(shù)發(fā)展的軟硬件，讓學(xué)生站在更高的視野來(lái)審視支撐當(dāng)前人工智能發(fā)展的源動(dòng)力：數(shù)據(jù)+算法+算力。在學(xué)習(xí)傳感與控制時(shí)，教師可以針對(duì)某一款機(jī)器人讓學(xué)生展開(kāi)軟硬件剖析，設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動(dòng)讓其辨識(shí)機(jī)器人智能的來(lái)源，從而引出傳感器與智能控制的話題，深入學(xué)習(xí)其工作原理。通過(guò)類似的學(xué)習(xí)探究活動(dòng)，最終讓學(xué)生的智能體驗(yàn)與課堂上的原理探究聯(lián)系起來(lái)，也使他們感受到人工智能技術(shù)在信息社會(huì)中的重要作用。

剖析典型案例，探究人工智能算法的實(shí)現(xiàn)

算法作為支撐人工智能技術(shù)發(fā)展的基石之一，是人工智能的核心和靈魂，包括多種方法和技術(shù)，如機(jī)器學(xué)習(xí)、機(jī)器推理和機(jī)器人技術(shù)等。人工智能正是借助算法、計(jì)算能力和數(shù)據(jù)“三駕馬車”，因而具備了像人類一樣學(xué)習(xí)、思考、辨別和決策的能力。由于人工智能算法本身的復(fù)雜性和多樣性，高中信息技術(shù)課堂所能呈現(xiàn)的可能僅僅是其冰山一角，且人工智能算法需要經(jīng)過(guò)教師過(guò)濾或簡(jiǎn)化處理，把適合學(xué)生層次水平的常見(jiàn)算法拿出來(lái)進(jìn)行項(xiàng)目化學(xué)習(xí)或探究。

在“數(shù)據(jù)與計(jì)算”模塊學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)時(shí)，除了利用常規(guī)電子表格軟件處理和Python第三方庫(kù)處理數(shù)據(jù)外，教師還可以設(shè)計(jì)線性回歸問(wèn)題供學(xué)生探究，如已知若干名學(xué)生的數(shù)學(xué)和物理成績(jī)數(shù)據(jù)，如何以某位學(xué)生的數(shù)學(xué)成績(jī)來(lái)預(yù)測(cè)其物理成績(jī)呢？?jī)闪袛?shù)據(jù)的相關(guān)性問(wèn)題在數(shù)學(xué)課上亦有涉及，信息技術(shù)課上可略去復(fù)雜的公式推導(dǎo)過(guò)程，使用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，并用R的平方值來(lái)評(píng)判擬合效果。在學(xué)習(xí)算法的控制結(jié)構(gòu)時(shí)，教師可提供人眼關(guān)鍵點(diǎn)（圖1）的學(xué)習(xí)支架，讓學(xué)生嘗試解決稍顯智能性的問(wèn)題：如何判定一個(gè)人有沒(méi)有閉眼？此時(shí)學(xué)生自然而然地想到通過(guò)計(jì)算P2、P3、P5、P6的縱坐標(biāo)和P1、P4的橫坐標(biāo)來(lái)判斷眼睛的睜開(kāi)程度，如通過(guò)一個(gè)閾值1/2*[（y5+y6）-（y2+y3）]/（x4-x1）確定眼睛是睜開(kāi)還是閉上的，這是算法的分支結(jié)構(gòu)；更深入一些，如何判斷疲勞駕駛呢？此時(shí)需要使用循環(huán)結(jié)構(gòu)，在單位時(shí)間內(nèi)不間斷地監(jiān)測(cè)視頻中人的閉眼次數(shù)或閉眼時(shí)間（可用幀數(shù)來(lái)代替）是否達(dá)到某個(gè)閾值來(lái)判定。

圖1 人眼關(guān)鍵點(diǎn)

利用人工智能開(kāi)放平臺(tái)，搭建簡(jiǎn)單智能系統(tǒng)

機(jī)器學(xué)習(xí)作為人工智能技術(shù)的核心內(nèi)容，模型是其核心組件，是產(chǎn)生所謂智能的核心內(nèi)容。事實(shí)上，當(dāng)前有不少人工智能開(kāi)放平臺(tái)或模型供學(xué)習(xí)者借鑒使用，學(xué)生可以直接選用這些模型，也可以在開(kāi)源框架下使用數(shù)據(jù)訓(xùn)練、調(diào)參生成自己的模型，在融入自己的想法或創(chuàng)意后，利用人工智能算法模型的預(yù)測(cè)功能，即可搭建出簡(jiǎn)單的擁有特定智能功能的程序或系統(tǒng)。

在學(xué)習(xí)“數(shù)據(jù)與計(jì)算”人工智能相關(guān)章節(jié)的時(shí)候，除了普及人工智能基礎(chǔ)知識(shí)外，還可以設(shè)計(jì)搭建簡(jiǎn)單智能系統(tǒng)的項(xiàng)目探究活動(dòng)，讓學(xué)生經(jīng)歷利用開(kāi)放模型進(jìn)行智能設(shè)計(jì)的過(guò)程。以校園里已廣泛應(yīng)用的口罩檢測(cè)助力抗擊肺炎項(xiàng)目為例，教師可以在機(jī)房部署百度AI+OpenCV+speech項(xiàng)目環(huán)境，學(xué)生在百度AI開(kāi)放平臺(tái)上注冊(cè)賬號(hào)，獲取人臉檢測(cè)與屬性分析的鑒權(quán)，然后以在線API或離線SDK的方式發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，再用Python知識(shí)處理返回的結(jié)果，即使用OpenCV讀取本地圖片或攝像頭數(shù)據(jù)，發(fā)送到百度AI開(kāi)放平臺(tái)進(jìn)行處理，再把平臺(tái)返回?cái)?shù)據(jù)中關(guān)于口罩檢測(cè)的部分轉(zhuǎn)換成語(yǔ)音提醒進(jìn)行輸出。在這個(gè)項(xiàng)目活動(dòng)中，模型訓(xùn)練和算法都在服務(wù)器端，本地只是遵循格式要求發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，再按照智能設(shè)計(jì)的目標(biāo)，輸出要預(yù)測(cè)的結(jié)果，即應(yīng)用模型，這種模式也是中學(xué)生進(jìn)行智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)最可行的思路和方法。

面對(duì)機(jī)遇與挑戰(zhàn)，增強(qiáng)合理利用智能技術(shù)的責(zé)任感

人工智能是通過(guò)智能機(jī)器延伸、增強(qiáng)人類改造自然和治理社會(huì)能力的新興技術(shù)[2]，它當(dāng)前的迅猛發(fā)展，是以大量數(shù)據(jù)為支撐的，而數(shù)據(jù)正是來(lái)源于人類的生產(chǎn)和生活，這就造成了AI大數(shù)據(jù)時(shí)代的隱私保護(hù)和數(shù)據(jù)安全的問(wèn)題。如何兼顧人工智能技術(shù)發(fā)展和保護(hù)民眾的數(shù)據(jù)隱私呢？此時(shí)除了健全法律法規(guī)、加強(qiáng)技術(shù)引導(dǎo)和個(gè)人道德約束外，還可以從技術(shù)層面保護(hù)大眾的數(shù)據(jù)隱私。

在“數(shù)據(jù)與計(jì)算”或“信息系統(tǒng)與社會(huì)”模塊學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)或信息安全時(shí)，教師可以設(shè)計(jì)隱私計(jì)算的話題討論，先由“百萬(wàn)富翁問(wèn)題”（圖靈獎(jiǎng)得主、中科院院士姚期智提出）引發(fā)學(xué)生思考，而后拋出安全多方計(jì)算方案：如果沒(méi)有可信的第三方，如何在不暴露個(gè)人月消費(fèi)的前提下，計(jì)算出3位學(xué)生的平均月消費(fèi)？教師組織學(xué)生進(jìn)行小組討論，學(xué)生可能會(huì)設(shè)計(jì)出各種各樣的方案，各小組充分交流、質(zhì)疑、改進(jìn)，得出最優(yōu)的計(jì)算方案，最終學(xué)生分組將方案用Python程序?qū)崿F(xiàn)，從中獲得利用技術(shù)手段保護(hù)數(shù)據(jù)隱私的成就感。

綜上所述，若高中學(xué)校無(wú)法單獨(dú)開(kāi)設(shè)人工智能課程，則可以采用在信息技術(shù)課或通用技術(shù)課上滲透人工智能教學(xué)內(nèi)容的方式，普及高中學(xué)段的人工智能教育。此時(shí)，教師需要轉(zhuǎn)變思路，找到信息技術(shù)課程內(nèi)容與人工智能知識(shí)技能的融合點(diǎn)，課堂上適當(dāng)增加智能項(xiàng)目探究的比重，不斷提升學(xué)生的人工智能技術(shù)素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)

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中華人民共和國(guó)教育部. 普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）[S]. 北京： 人民教育出版社，2020.