人工智能教育在初中信息科技课程中的初步探索

摘要：高中已逐步开设人工智能的相关课程，但初中的人工智能教育仍未起步。结合初中阶段增加人工智能教育的迫切性和可行性及课堂教学探索的思考，从认识A工环境的优势和局限、树立A工环境下信息鉴别的意识和形成A工环境下求解问题的思维三个方面呈现初中阶段人工智能教学的策略。

关键词：人工智能；图像识别；初中信息科技；Python

人工智能正在成为当前和未来信息科技的关键技术。2017年7月，国务院印发《新一代人工智能发展规划》，提出要在中小学阶段设置人工智能相关课程。2017年12月，《普通高中信息技术课程标准》颁布，该课标增加了传感器、物联网、大数据、人工智能、开源硬件等内容。在此背景下，上海的一些高中开始实践人工智能的教学，并逐步建立起学校的人工智能实验室，高中阶段人工智能教育拉开帷幕。同时，初中阶段如何承接，如何打好必要的学习基础，成了迫切需要研究的问题。

1、初中阶段增加人工智能教育的迫切性和可行性

1.1初中生急需学习有关人工智能的知识

在人工智能应用几乎无处不在的社会生活背景下，初中生对人工智能的“智能”从何而来有着强烈的兴趣，但是对人工智能是什么普遍存在误解；他们对人工智能应用的前景感到非常兴奋，但是对人工智能的应用究竟解决什么问题缺少思考；他们对最新的人工智能产品充满好奇，但是对身边的人工智能缺少感知和观察；他们乐于尝试和探索。

“黑科技”，但是对如何恰当高效地使用人工智能软件和硬件缺少经验，对如何看待人工智能程序的处理结果缺少思辨，对从何入手学习人工智能缺少路径和方法。对大部分中学生来说，他们的最终职业道路可能不是都成为人工智能的研究者或者工程师，而是进入其他行业，但在人工智能应用日趋广泛的当下，很多行业都将受益于人工智能的赋能，在初中阶段学习人工智能，有助于学生更系统更科学地认识人工智能，具备更好的人工智能理解力和创造力，能更好地适应在未来人工智能技术被普遍运用的社会。

1.2初中生有学习人工智能简单原理的基础

理解一些人工智能的简单原理，应用人工智能技术解决问题应该成为一项基础能力，能力的培养是一个循序渐进的学习和实践过程，在初中阶段开展人工智能的启蒙教育，既是未来的发展趋势，也是当下学生更好生活的现实需要。对人工智能的学习并非一定要等到高中信息技术课程再开始，初中生有了一定的使用经验，有了一定的数学基础，有了一些基本编程经验，这些是他们学习人工智能简单原理的基础，他们应该获得关于人工智能的更为准确而科学的认知，而非直觉理解状态，这样他们才能明白技术如何重塑我们的生活。正如语言是人和人交流的工具，程序是人和计算机、计算机和计算机之间沟通的工具，在初中开展人工智能教育，目的不仅仅是让学生了解人工智能的简单原理，更重要的是提升其逻辑思维能力，培养适应万物互联时代智能社会的新的思维方式。

1.3设计适合初中生学习的人工智能学习模块

当前人工智能教育的低龄走向已经是全球化趋势，相关的课程已经早早地进入了中学课堂。也有一些人反对人工智能教育的低龄渗透，他们认为人工智能编程的复杂性并非所有的孩子都可以接受，过早灌输对学生反而是不利的。这样的担忧不无道理，初中生的知识储备，确实还不足以支撑对一些原理的理解，而解决之道在于将人工智能学习领域复杂的知识体系，通过精心设计形成有序组织的知识结构，并将人工智能的学习分为多个层次，若将其分为四层，一级可以是对人工智能的简单原理和应用有所了解和体验；二级可以设定为掌握一些人工智能的基础知识和常用算法，从而可以运用它们解决问题；三级可以深入理解人工智能的模型和算法，能设计较为复杂的算法，或者工程实现上的改进和创新；四级可以是在人工智能的某些方向开展深入研究。初中阶段可在一级水平开展探索，让更多的学生在初中阶段就能对人工智能有一个科学的认识。

2、初中阶段人工智能教育的课堂教学探索

笔者以“基于Python的人工智能图像应用体验——植物识别”一课为例，阐述自己的实践与思考。

2.1从使用者的角度思考AI情境下的需求，认识AI环境的优势和局限

美国著名情境认知研究专家布朗、柯林斯和杜吉德认为：“学习和思维都是基于情境的，知识必须在真实情境中呈现，在包含知识的真实场景和问题解决中呈现，才能激发学习者真正的认知需要。”2所以课堂的情境设计需要充分考虑人工智能的特征和学生群体的特点，将学生带入到AI环境中，从一个使用者的角度去思考和发现需求。没有需求的人工智能应用是毫无意义的。

项目设置了将学校吉祥物毛绒“小熊”进行AI升级改造的情境，让学生思考AI设计的实际需求，借助人工智能硬件的研究视频启发学生，畅想“小熊”可以增加哪些AI功能。通过人工智能基础知识的铺垫，让学生将“小熊”的AI升级改造与人工智能相关的硬件联系起来，引导学生理解实现AI功能的基本原理就是在硬件上编写一段人工智能的程序，从而将需求聚焦在AI程序的实现过程和方法上。从功能畅想到功能实现，从功能实现到硬件载体，从硬件载体到人工智能程序，学生在情境中发现问题，在问题解决中寻找实现方法，从实现方法中寻找核心要素，由外在应用到内在代码，由表及里地分析问题，感悟用AI解决问题的过程和方法，并在这个过程中提升逻辑思维能力。

人工智能本身就与现实生活的联系非常紧密，但是现实生活场景与适合学生课堂探究的J晴境是不同的，需要剔除现实情境中与人工智能无关的因素，提取片段并精简叙述，整合情境要素并以合适的问题作为载体，让学生能聚焦思考范围和明确要求。吉祥物“小熊”的AI升级改造可以从很多角度设计，本课先以AI图像识别功能演示为基础，再提出增加“小熊”AI功能的问题，设置了从“植物识别”到。

“图像识别”，再扩展到其他更广泛的AI应用的逐级递进和开放的探究线索。而问题究竟把学生引向何处也需精心设计，通过找准学生的理解误区，让学生认识AI的优势和局限，这对学生形成客观而理性的技术观十分重要。

2.2从创造者的视角体验AI问题的实现过程，树立AI信息的鉴别意识

对未来人工智能人才的需求，不仅仅应该满足于让学生成为熟练的使用者，而更应强调对技术深度的理解和创新，才能获得真正持久而深刻的技术创造能力。2018年9月，美国加利福尼亚州的教育委员会批准了当地有史以来第一个计算机科学课程标准，该项标准旨在帮助学生从被动的科技用户转变成与计算机互动的创造者及创新者。可见，成为人工智能的创造者逐步成为教育共识。但是让学生成为人工智能的创造者及创新者，实非易事，初中人工智能教育需要解决人工智能知识与学生知识储备之间的落差，可以使用以下三个教学策略。

一是弱化艰深晦涩的理论知识，侧重学生的个人体验3。在现实生活中，人们主动或被动地都在使用人工智能，所以对于大多数学生而言，站在用户的视角已经对人工智能的应用、相关产品有所体验，除了“俯视视角”外，应让学生转变角色，从创造者的视角给学生体验，“近距离”地认识人工智能，暂时回避了一些编程术语以及Python程序设计语言中的复杂语法规则。

二是重视对程序代码的理解。Python语言是理解和实现人工智能的载体，为让学生尽快打开人工智能实现过程的“黑箱”，项目实施过程中，提供给学生一段语法正确，但顺序有错的程序，学生尝试通过阅读代码及注释，猜测每块代码的作用。在此基础上进行理解和测试，然后调整代码块顺序，实现植物识别程序，从而体验如何借助AI接口实现人工智能的过程，并在问题的求解过程中引导学生阅读、观察、猜测和理解接口反馈的结果，如植物名称、置信度等。

三是注重鉴别与验证。在程序的实现中，学生通过关键语句的填写、修改部分参数的方式来完善程序。在修改、调试、观察、比对和猜测中，学生不仅体验基于AI问题的实现过程，也了解了反馈信息的构成和置信度的作用。借助课堂活动，不仅提升学生对AI反馈信息的敏感度，而且增强学生对人工智能运行结果的鉴别和分析意识。从创造者的角度获得实现人工智能程序设计的成功体验，激发学生学习的自信和兴趣。

2.3从体验者的视角树立运用AI工具的意识，形成AI环境下求解问题的思维

在2018世界人工智能大会上，专家认为“一个真正‘AI化的公司’是三维一体的。它首先要具备AI思维，其次要拥有AI能力，第三还要遵循AI方面的伦理。”其中提到的AI思维是指需要基于万物互联、人工智能的环境下去思考问题。在笔者看来，不仅这些公司需要“AI思维”，每一个人都需要能在AI环境下思考。对于初中生而言，站在使用者的角度畅想了“小熊”可以增加的AI功能、从创造者的视角体验了植物识别程序的实现过程后，结合初中生的知识体系，帮助学生形成运用AI工具解决现实问题的思维，可以使用以下两个教学策略。

一是梳理用AI解决问题的流程。教师通过提问引导学生关注程序实现的过程：导入图像，识别模块；设置用户，验证信息；输入图像；调用植物，识别功能。引导学生参考信息处理的一般过程(输入、处理、输出)，总结基本流程，首先程序要识别植物必须要先获取图像，然后使用植物识别的功能，最后把识别的结果输出。结合Python导入“aip库”和设置用户验证信息两个环节，形成了基于学生认知的，用Python借助“aip库”实现植物识别程序的过程。

二是尝试迁移知识。参考植物识别的过程，学生在学习单(见表1)的指引下，对代码尝试修改，迁移知识并运用在其他图像识别的程序上。从而将植物识别程序的实现过程推广至图像识别程序的实现过程：导入图像识别模块，设置用户验证信息，输入图像，调用图像识别功能，输出结果。

通过上述环节，学生结合已经掌握的信息处理的一般过程：输入、处理、输出，在体验植物识别程序的实现后，关注实现过程中和AI有关的部分，在动手实践和分享讨论中，形成学生能够理解的，借助AI工具实现图像识别程序的过程，从而逐步树立和形成运用AI工具解决现实问题的意识和思维。相对于纯粹的知识、技能的传授，在体验后对思想方法的感悟，对学生未来人生的影响将会是更为深远的。

总之，人工智能是一个非常热门的话题，围绕人工智能开展的教育教学实践层出不穷，但时代总是不断发展变化的，笔者期望借助Python的程序实现，回归学科本质，从创造者的视角了解计算机处理问题的过程。与此同时，培养学生的创新意识和信息环境下自主学习的能力，从而提升学生的学科素养。未来人工智能将无处不在，及早让学生适应AI环境，找到学习人工智能的方法尤为重要，对学生而言，只有把握适应未来的能力，才能更好地在未来发展。对初中生而言，人工智能教育最重要的是能够为他们带来乐趣的同时提升计算思维。

参考文献：

[1]中华人民共和国国务院新一代人工智能发展规划[Z]2017-7-8.

[2]祝智庭，钟志贤.信息化教学模式：理论建构与实践例说[M]北京：教育科学出版社，2005.

[3]王楠.高中人工智能课程背后的冷思考[J]教育家，2018(29).