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摘要:在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程體現(xiàn)了國(guó)家對(duì)智能時(shí)代人才培養(yǎng)的高度重視。為使人工智能教育落地、有效，讓學(xué)生了解人工智能、實(shí)現(xiàn)原理、應(yīng)用領(lǐng)域；初步掌握計(jì)算機(jī)算法與編程，能夠使用編程語(yǔ)言進(jìn)行人工智能科普活動(dòng)實(shí)踐。探索人工智能普及教育各學(xué)段相關(guān)課程應(yīng)該以怎樣的形態(tài)存在，如何以最小的代價(jià)取得人工智能普及教育的最大效益。

關(guān)鍵詞:人工智能教育；計(jì)算思維；算法編程；最大效益

1引言

人工智能作為連接未來(lái)的教育，面向中小學(xué)進(jìn)行普及，很大程度上帶來(lái)的是邏輯思維能力的提升和思維方式的改變。當(dāng)今中小學(xué)人工智能教育已經(jīng)成為一個(gè)炙手可熱的話題，各類資源紛紛涌現(xiàn)：國(guó)家課程、校本課程和校內(nèi)教育活動(dòng)、相關(guān)學(xué)科競(jìng)賽活動(dòng)、校外培訓(xùn)機(jī)構(gòu)開展的相關(guān)教育活動(dòng)等。以人工智能為主題的各類教學(xué)內(nèi)容五花八門。信息技術(shù)教師要認(rèn)真解讀國(guó)務(wù)院頒發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育，鼓勵(lì)社會(huì)力量參與寓教于樂的編程教學(xué)軟件、游戲的開發(fā)和推廣[1]。以深入淺出、通俗易懂的教育方式，使學(xué)生理解人工智能教育與信息技術(shù)教育、編程教育與智能機(jī)器人教育的區(qū)別。探索通過選擇合理的AI編程語(yǔ)言和設(shè)計(jì)AI活動(dòng)情境，有效地實(shí)施人工智能教學(xué)，培育人工智能素養(yǎng)。展開計(jì)算與推理，模擬與拓展人類的認(rèn)知和思維的人工智能科普活動(dòng)，包括信息學(xué)、創(chuàng)意編程、智能設(shè)計(jì)、智能機(jī)器人項(xiàng)目。探索人工智能教育各學(xué)段相關(guān)課程存在的形態(tài)。構(gòu)建基礎(chǔ)教育人工智能課程內(nèi)容框架和知識(shí)體系。

2人工智能核心概念

2.1人工智能教育。中小學(xué)人工智能教育的目的不是讓學(xué)生做研究，而是要讓他們對(duì)人工智能產(chǎn)生興趣，進(jìn)而確立職業(yè)目標(biāo)，成長(zhǎng)為AI技術(shù)領(lǐng)域人才。中小學(xué)的人工智能教育中，要關(guān)注的不應(yīng)只是提供很多的硬件，而是應(yīng)該關(guān)注給青少年培育人工智能的核心素養(yǎng)。從感知、認(rèn)知、創(chuàng)新三個(gè)層次構(gòu)建在教學(xué)中的學(xué)習(xí)任務(wù)和效果達(dá)成。從經(jīng)歷認(rèn)識(shí)帶來(lái)對(duì)人工智能特征識(shí)別等方面的了解,幫助學(xué)生識(shí)別和分辨人工智能應(yīng)用、體驗(yàn)、理解、設(shè)計(jì)這一過程；從體驗(yàn)帶來(lái)對(duì)人工智能真實(shí)場(chǎng)景的了解,幫助學(xué)生內(nèi)化成為意識(shí)；從理解帶來(lái)概念、原理的分析,幫助學(xué)生深層理解,從而學(xué)會(huì)主動(dòng)選擇人工智能；從設(shè)計(jì)帶來(lái)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的真實(shí)應(yīng)用,幫助學(xué)生理解人工智能解決問題的方法設(shè)計(jì)。這樣可以達(dá)成從不同層面對(duì)人工智能的能力素養(yǎng)培養(yǎng)。

2.2計(jì)算思維培養(yǎng)模式。人工智能教育的核心是計(jì)算思維。目前人工智能研究五個(gè)方面：自然語(yǔ)言處理、計(jì)算機(jī)視覺、語(yǔ)音識(shí)別、專家系統(tǒng)以及智能機(jī)器人。計(jì)算與推理、機(jī)器學(xué)習(xí)、傳感與控制都與算法編程密不可分。算法編程是計(jì)算思維賦能的重要平臺(tái)。理解人工智能核心素養(yǎng)概念，清晰計(jì)算思維在中小學(xué)人工智能教育中的地位和作用，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和問題求解能力，達(dá)到人工智能教育課程的核心目標(biāo)。以此帶動(dòng)信息學(xué)競(jìng)賽、創(chuàng)意編程、創(chuàng)新AI作品、智能機(jī)器人的“四翼”蓬勃發(fā)展，培養(yǎng)出越來(lái)越多有創(chuàng)意、能創(chuàng)新、勇創(chuàng)業(yè)的新時(shí)代科技苗子。

3AI活動(dòng)課程建設(shè)

3.1AI課程的靈魂。人工智能課程的靈魂是計(jì)算思維。人工智能作為信息技術(shù)的前沿科學(xué)，始終以計(jì)算機(jī)產(chǎn)生人的智能、學(xué)習(xí)超過人的智能為目標(biāo)。中小學(xué)人工智能課程應(yīng)以逐步提升計(jì)算思維能力為目標(biāo)，導(dǎo)入項(xiàng)目活動(dòng)任務(wù)，從“情境導(dǎo)入、建構(gòu)項(xiàng)目任務(wù)、分治小問題、優(yōu)化問題解決的算法”等方面逐步展開課程實(shí)施。計(jì)算思維的創(chuàng)新發(fā)展必將促進(jìn)人工智能教育的蓬勃發(fā)展。

3.2算法編程的普及。在中小學(xué)階段，人工智能相關(guān)課程要滲透編程教育,鼓勵(lì)用算法編程提優(yōu)提質(zhì)智能機(jī)器人、創(chuàng)意電腦作品、益智游戲活動(dòng)水平，從而在活動(dòng)過程中理解人工智能核心素養(yǎng)概念，清晰計(jì)算思維在中小學(xué)人工智能教育中的地位和作用，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和問題求解能力，達(dá)到人工智能教育課程的核心目標(biāo)。開展人工智能教育要注重普及性,圍繞計(jì)算機(jī)算法、圖形化編程和Python等核心內(nèi)容，研究圖形化編程\Python\C++在不同學(xué)段（年齡）的適用性，使學(xué)生通過需求分析、構(gòu)思算法、設(shè)計(jì)流程、編寫程序和調(diào)試驗(yàn)證等過程來(lái)加深理解編程思維的方法與步驟。學(xué)生在知、情、意、行的動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)中，逐步提升認(rèn)知、決策與創(chuàng)新能力。算法語(yǔ)言的講授要考慮普及性和接受性，要淺顯易懂，操作簡(jiǎn)單明了，循序漸進(jìn)。通過降低教師的授課難度推進(jìn)算法語(yǔ)言課程的發(fā)展速度。

3.3分學(xué)段推進(jìn)。算法語(yǔ)言教學(xué)目標(biāo)是分學(xué)段實(shí)現(xiàn)的。推動(dòng)算法語(yǔ)言普及，力求做到“一馬平川”。小學(xué)低年級(jí)階段可以認(rèn)識(shí)圖形化編程、圖形化的指令積木搭建程序，從興趣出發(fā)，認(rèn)識(shí)人工智能，輔以體驗(yàn)機(jī)器學(xué)習(xí)、人臉識(shí)別、圖像識(shí)別人機(jī)交互和無(wú)人機(jī)等技術(shù)。三年級(jí)開始可以逐步掌握?qǐng)D形化編程，輔以掌握基本的語(yǔ)音識(shí)別、圖像識(shí)別、智能翻譯和手勢(shì)識(shí)別等圖形化編程工具。五、六年級(jí)可以初步掌握Python這種跨平臺(tái)的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，融入計(jì)算機(jī)算法促進(jìn)Python的學(xué)習(xí)。適當(dāng)增加語(yǔ)文閱讀與表達(dá)、數(shù)學(xué)游戲化學(xué)習(xí)、英語(yǔ)分級(jí)閱讀等方面的智能應(yīng)用。七、八年級(jí)可通過問題導(dǎo)向進(jìn)行項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，初步學(xué)會(huì)應(yīng)用Python代碼驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器人行為，提升AI創(chuàng)意編程、智能設(shè)計(jì)、智能機(jī)器人的競(jìng)技水平。各階段學(xué)有余力的學(xué)生可以進(jìn)行C++程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言的學(xué)習(xí)，深化計(jì)算思維能力的培養(yǎng)，參與信息學(xué)競(jìng)賽。通過中小學(xué)人工智能教育的學(xué)習(xí)，提高學(xué)生參與人工智能科普活動(dòng)創(chuàng)新源動(dòng)力和學(xué)習(xí)人工智能學(xué)習(xí)的興趣。

4教學(xué)實(shí)施策略

4.1從娃娃做起。鄧小平提出的“計(jì)算機(jī)普及要從娃娃做起”，為中國(guó)的計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展鋪墊了道路。在智能時(shí)代的今天，要培養(yǎng)智能時(shí)代的合格公民。人工智能教育普及要從娃娃抓起，為學(xué)生終身學(xué)習(xí)和發(fā)展奠定基礎(chǔ)。廣泛搜集國(guó)內(nèi)外人工智能教育及國(guó)家對(duì)人工智能人才的培養(yǎng)方式，在中小學(xué)構(gòu)建人工智能教育模式，從娃娃開始培養(yǎng)人工智能技術(shù)方面的人才。4.2編程學(xué)習(xí)生態(tài)鏈蓋茨說過：“應(yīng)該讓孩子們從小就學(xué)習(xí)編程，這與學(xué)習(xí)語(yǔ)言一樣重要，它能培養(yǎng)孩子們的創(chuàng)新性新方法，學(xué)習(xí)解決問題的技能。”從人工智能認(rèn)知、人工智能科普、人工智能賦能編程教育三方面來(lái)探討人工智能生態(tài)下如何構(gòu)建編程學(xué)習(xí)生態(tài)鏈，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維、設(shè)計(jì)思維、工程思維，培育適應(yīng)終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的核心素養(yǎng)[2]。在線學(xué)習(xí)教育開展計(jì)算思維教育，平衡教育資源，把創(chuàng)造性學(xué)習(xí)螺旋和游戲化教學(xué)理念融合到開展人工智能啟蒙教育中，讓學(xué)生運(yùn)用算法抽象模型，進(jìn)行一些自主探究實(shí)踐。

4.3一核四翼展開教學(xué)。以“一核四翼”展開實(shí)效性研究，在計(jì)算思維的培養(yǎng)過程中開展計(jì)算思維培養(yǎng)與人工智能教育的研究探索。4.3.1算法編程優(yōu)先機(jī)器學(xué)習(xí)是人工智能領(lǐng)域的熱點(diǎn)。機(jī)器學(xué)習(xí)算法正是其它算法的延伸。通過算法編程，才能模擬或拓展人類的認(rèn)知和思維的機(jī)器學(xué)習(xí)。中小學(xué)開展的信息學(xué)競(jìng)賽、AI創(chuàng)意編程、智能設(shè)計(jì)、智能機(jī)器人項(xiàng)目等人工智能活動(dòng)都是以算法編程為基礎(chǔ)。4.3.2四翼為載體“四翼”為載體，展開計(jì)算或推理，模擬或拓展人類的認(rèn)知和思維的AI活動(dòng)。理解傳感、運(yùn)動(dòng)、控制知識(shí)，并能夠用于人工智能科普實(shí)踐；理解人工智能算法基礎(chǔ)，能用數(shù)學(xué)建模、算法編程工具等體驗(yàn)人工智能工程問題；培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力、設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手實(shí)踐能力、溝通協(xié)作能力；培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和工程思維[3]。

4.4教學(xué)技藝。算法是程序設(shè)計(jì)的靈魂。算法教學(xué)是程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言教學(xué)的基礎(chǔ)。程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言教學(xué)是算法教學(xué)的必要的延續(xù)。4.4.1淺入深出算法是解決問題的方法和步驟，是一種數(shù)學(xué)建模。教師在程序教學(xué)中要遵循淺入深出原則，通過問題分析理解簡(jiǎn)單特例的解決，減輕對(duì)算法的畏難感，漸漸深入、步步推算、數(shù)學(xué)歸納形成算法。讓學(xué)生對(duì)算法和程序設(shè)計(jì)有一個(gè)感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)的經(jīng)歷，以降低學(xué)習(xí)的難度。例如，解決“一猴子登臺(tái)階，一步上一階，也可以一步上二階。登完N級(jí)臺(tái)階共有多少種不同走法？”該問題的算法，從簡(jiǎn)單規(guī)模入手：n=1時(shí)，有1種走法；n=2時(shí)，有2種走法；n=3呢？樸素的枚舉有3種走法；n=k呢？讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)規(guī)律（f(k)=f(k−1)+f(k−2)），進(jìn)而激發(fā)學(xué)生建立算法的興趣。經(jīng)歷了實(shí)驗(yàn)、嘗試、歸納證明等階段逐漸形成建立在簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上的算法（重復(fù)執(zhí)行：a=a+b,b=a+b），并用程序去實(shí)現(xiàn)（見圖1），讓學(xué)生體驗(yàn)成功的喜悅。4.4.2融合數(shù)學(xué)知識(shí)計(jì)算機(jī)算法和數(shù)學(xué)算法是有區(qū)別的，但又密不可分。因此教師在教學(xué)過程中，可以從學(xué)生熟悉的或感興趣的數(shù)學(xué)問題出發(fā)，進(jìn)行算法與程序設(shè)計(jì)教學(xué)。從解決“反向輸出三位數(shù)”這個(gè)問題的算法可以看出，因?yàn)閷W(xué)生有數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，所以容易寫出如下算法Python代碼：m=int(input("輸入一個(gè)三位數(shù):"))a=m//100;#求百位數(shù)ab=(m%100)//10;#求十位數(shù)bc=(m%100)%10;#求個(gè)位數(shù)cprint("%d%d%d"%(c,b,a))但從計(jì)算機(jī)算法角度考慮，優(yōu)選以下的算法：m=int(input("輸入一個(gè)三位數(shù):"))a=m%10#分離個(gè)位數(shù)am=m//10#右移一位求新的mb=m%10#分離個(gè)位數(shù)bm=m//10#右移一位求新的mc=m%10#分離個(gè)位數(shù)cm=m//10#右移一位求新的m=0print("%d%d%d"%(a,b,c))分析該算法第2第3行的語(yǔ)句，基本上是重復(fù)寫了三遍。最大優(yōu)點(diǎn)是：逐位分離數(shù)字，容易移植到循環(huán)體中。通過“n=n*10+a”逐步收集分離數(shù)a,最終反向輸出多位數(shù)。這充分體現(xiàn)了算法的嚴(yán)謹(jǐn)性、多樣性、優(yōu)劣性。4.4.3引導(dǎo)自主創(chuàng)新“學(xué)起于思，思源于疑”，學(xué)生探索知識(shí)的思維過程總是從問題開始，又在解決問題中得到發(fā)展和創(chuàng)新。算法與編程教學(xué)過程中，學(xué)生在教師創(chuàng)設(shè)的情境下，動(dòng)手動(dòng)腦，探索對(duì)知識(shí)的理解[4]，尋找客觀規(guī)律，建構(gòu)算法，自始至終參與這一探索過程，并對(duì)已解決的問題尋求新的算法，不斷發(fā)展創(chuàng)新能力。例如，對(duì)于圖2幾何圖案，引導(dǎo)學(xué)生囿于二重循環(huán)for（圖3），不斷創(chuàng)新算法以解決一類問題。4.4.4合作學(xué)習(xí)教師在算法設(shè)計(jì)教學(xué)中多設(shè)計(jì)一些學(xué)生互相配合完成的目標(biāo)任務(wù)，增進(jìn)學(xué)生的合作意識(shí)，培養(yǎng)他們的團(tuán)隊(duì)精神[5]。例如，圖2（3）的菱形圖案的算法建立，可以組織合作學(xué)習(xí)小組，共同挖掘現(xiàn)有數(shù)學(xué)知識(shí)，探討基于圖3算法框架的數(shù)學(xué)模型。坐標(biāo)法：在菱形中心建立直角坐標(biāo)系，如圖4所示。這樣很容易引發(fā)出算法參考代碼：foriinrange(-k,k+1):forjinrange(20+abs(i)):print('',end='')forjinrange(n-2*abs(i)):print('*',end='')print()對(duì)學(xué)生來(lái)說，也可以引導(dǎo)他們應(yīng)用解析法來(lái)共同完成該任務(wù)的新算法。算法的探究無(wú)止境，積極引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，在不斷應(yīng)用知識(shí)遷移、不斷進(jìn)行創(chuàng)新的同時(shí)提高教師自身的信息素養(yǎng)水平[6]。教師不僅是計(jì)算機(jī)學(xué)科的基本概念、基本知識(shí)和基本操作的傳授者,更重要的是成為學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)知識(shí)、掌握計(jì)算機(jī)能力的引導(dǎo)者和領(lǐng)路人。

5結(jié)束語(yǔ)

本文主要探討的價(jià)值在于：讓學(xué)生了解人工智能的概念、應(yīng)用方向以及實(shí)現(xiàn)原理；理解計(jì)算機(jī)編程知識(shí)，能夠使用編程語(yǔ)言提升人工智能科普活動(dòng)的品質(zhì)。探索人工智能教育形態(tài)支撐計(jì)算思維培養(yǎng)的目標(biāo)；探索人工智能教育與信息技術(shù)教育、編程教育、智能機(jī)器人教育、STEM教育、創(chuàng)客教育的關(guān)系；探索人工智能普及教育各學(xué)段相關(guān)課程應(yīng)該以怎樣的形態(tài)存在；如何以最小的代價(jià)，取得人工智能普及教育的最大效益。

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作者:林進(jìn)東 單位:福建省福州第十八中學(xué)