高中阶段人工智能教材内容设计研究

2019-08-02姚玉华陈仕品

中国教育信息化·高教职教 2019年6期

姚玉华陈仕品

摘要：人工智能时代的开启，使社会正在发生技术性的改变，为使学生能够更好地适应智能时代的生活与工作，对学生进行人工智能教育势在必行。当前我国在中学阶段围绕课程标准已初步建立了人工智能相关课程。但在教材的使用上还存在教材内容与课程标准要求不吻合，教材超纲，教材内容组织平铺直叙、缺乏实践设计等问题。因此需要在原有教材的基础上，针对课程标准设置适合中学生学习的教学内容。本文据此提出以信息技术新课标培养要求为中心，内容注重感知与体验，改变现有内容组织形式，注重理论与实践教学的人工智能教学内容设计，以使高中生能够切实通过教材的学习，达到信息技术新课标对于高中生的培养要求。

关键词：人工智能教材;课标要求;问题;内容设计

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2019）11-0042-05

一、引言

2017年7月，国务院发布《新一代人工智能发展规划》[1]，提出要在中小学设置人工智能相关课程，推广编程教育，实现人工智能教育的普及，以培养社会所需的人工智能领域人才。人工智能相关课程的建设开始在中学广泛推广，但由于当前人工智能课程建设相对于国外来说还处于起步阶段，标准教材的缺乏及教材适用性成为阻碍人工智能普及教育的主要原因。因此需要对教材建设进行再探索，根据加涅的教学设计理论，教材的编制，应该以课程目标作为指导。人工智能相关课程作为信息技术课程的几个选修模块（三维设计与创意、开源硬件项目设计、人工智能初步）呈现给学生，对于学生的培养要求遵循信息技术课程标准，包括信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任等素养的培养。其中与人工智能相关的模块要求学生能够通过课程学习，实现计算思维及创造力的培养，运用计算思维在不同的情境中解决问题，实现学习的保持与迁移。围绕课程标准，本文结合人工智能教育需要理论与实践相结合的特点，提出人工智能教材内容结构设计，以尝试解决当前教材存在的问题。

二、课程标准对中学人工智能教材的要求

《国家教育事业发展“十三五”规划》指出：国家课程标准是教材编写的依据，是国家管理和评价课程的基础。教材的编写应该符合课程标准的要求。“人工智能初步”作为《高中信息技术课程标准》的选修模块，在内容安排上应该遵循信息技术课程标准的要求。表现为：

1.内容围绕培养学生的计算思维设计

“计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。”[2]属于当下时代人类所需具有的思维，也是当前学生所应具有的核心素养之一。在信息技术领域，“具备计算思维的学生，能够采用计算机可以处理的方式界定问题、抽象特征、建立结构模型、合理组织数据;通过判断、分析与综合各种信息资源，合理的算法形成解决问题的方案;总结利用计算机解决问题的过程与方法，并将其迁移到与之相似的问题解决中”。[3]人工智能初步属于信息技术课程体系的一部分，将其融入到人工智能模块中，则是培养学生利用人工智能技术解决实际问题的思想和方法。因而对于人工智能模块教学内容的安排，考虑到高中生计算思维的培养，要求有具体的案例引入，以及人工智能核心算法和应用模块的学习，并结合程序设计与算法的内容，涉及简单智能系统搭建及应用的学习。

2.加大对于基础知识的学习与应用体验

与2012年的信息技术课程标准相比，2017年课标在人工智能初步模块新加入了人工智能基础，体现了当前《新一代人工智能发展规划》对于人工智能普及教育的要求。在基础教育阶段，《人工智能教育发展白皮书》[4]的调查结果显示，在中学阶段，超过大半的学生对人工智能的认知仅停留在理解层面，缺乏相应的体验与应用，缺乏对于人工智能核心算法和核心内容的体现。在此基础上，人工智能初步模块内容要求涉及人工智能的基本概念及特征，以及对于智能系统的应用体验、人工智能特定领域应用系统的开发工具和平台。学生通过这些知识的学习应能够对人工智能有一个准确的认知，并能够应用常用智能系统。

3.内容兼重理论与实践

“新课程标准强调构建具有时代特征的学习内容，兼重理论学习和实践应用，将知识建构、技能培养与思维发展融入到运用数字化工具解决问题和完成任务的过程中。”[5]人工智能课程的开展既需要学习理论基础，也需要学会运用理论知识动手解决实际问题。其问题要求来源于生活或是与生活相似的情境问题，以帮助学生在解决生活中遇到的问题的过程中，实现对理论知识的深度掌握，将理论与实践相结合。

4.考虑人文素养与社会责任的培养

信息社会责任作为普通高中信息技术课程的学科核心素养之一，越发受到重视。信息社会责任是指“信息社会中的个体在文化修养、道德规范以及行为自律等方面所应尽的责任”[6]。信息时代，信息社会责任是每一個公民都应具有的，只有具有社会责任感，才能促进社会的和谐发展。人工智能模块围绕信息社会责任的培养，要求学生能够了解人工智能的发展历程，客观认识智能技术对社会生活的影响。因而教材内容涉及人工智能发展、智能系统的应用体验、智能技术带来的伦理与道德挑战等。

三、当前教材存在的问题

2017年我国教育部发布了《2017版普通高中信息技术课程标准》[5]，正式将人工智能基础知识纳入了必修模块，并修改了人工智能初步模块。在此基础上，开发了第一本高中人工智能教材《人工智能基础》[7]。教材基本按照新课标准进行设计，共分为九章，采用“总—分—总”的结构，包括案例—概念—原理—实验;知识内容包括人工智能的概念与发展史、分类算法、深度神经网络学习、语音识别、图像识别、自然语言理解等知识模块的学习。在呈现形式上加入了许多图片帮助学生理解知识。该教材已在华东师大二附中、上海交通大学附中、清华大学附属中学、上海市市西中学等40所全国学校进行试点。总体来说，教材使用效果还有缺陷。人工智能基础教材虽已在一定程度上贯彻了新课标的要求，但与课标要求相比还存在以下问题：

1.知识点较难，存在超纲

当前的人工智能基础教材在贯彻课标要求的基础上，强调了人工智能技术原理及核心算法的学习（K值聚类、神经网络），同时涉及很多数学知识的补充（归一化指数函数、向量间卷积的数学描述）等，这些知识很多都属于大学专业课程学习内容，将其放在高中并没有考虑学生的认知发展特点。高中生由于高考的影响，也不可能花很多时间对其进行深入学习，因此并不适合大部分的学生学习，达不到课标对于人工智能普及教育的要求。围绕课程标准，更多应该是对人工智能技术原理及核心算法的了解，知道其大致工作原理即可。

2.教材组织形式单一，缺少实践设计

《人工智能基础》在教材的编排上强调了实践与理论相结合的要求，为了让学生动手操作建立了配套的教学实验平台，配合教材中的22套实验。这个实验平台对多种常用的算法进行便于高中生实验的API设计和封装，尽可能使普通中学生能完成实验，这个平台上使用的是Python语言。但在教材上，对于算法内容的选择偏难，也没有涉及相关的Python程序设计教学。同时教材基本上还停留在理论的学习上，教材内容多按照传统的平铺直叙基础积累式内容编排，没有考虑到实际操作的内容学习。缺乏对于智能系统学习的应用。使学生对该门课程的学习兴趣不高，未体现对学生计算思维的培养。

3.没有涉及智能技术的应用与体验

综观人工智能教材，可以发现教材内容多为“案例引入—概念讲解—技术原理”讲解三个过程。对于课标强调的对于知识的应用与体验并没有涉及，教材只停留在将案例引入而没有将案例中的知识进行迁移阶段。

四、教材内容的设计

2017年高中信息技术课程标准将“人工智能初步”选择性必修模块分为了三个主题，如图1所示。

文章以“人工智能初步”选择性必修模块的主题为教材知识块内容划分的主要依据，将教材内容主要分为三个模块，其中将人工智能基础与人工智能技术的发展与应用相结合，人工智能课程内容以感知与体验为主，高中生在对人工智能技术进行学习时，考虑到学生认知特点，对人工智能技术如机器学习、图像识别技术的学习应以感知与体验为主，对其技术实现原理，应用领域应以了解为主。基于此，文章将人工智能技术的发展与应用模块融合到人工智能基础模块，目的是让学生对人工智能有一个整体的把控和了解。对于简单的人工智能应用模块开发，需要涉及程序设计语言与算法的应用，算法是程序设计的灵魂，算法的正确性需要通过程序编写来验证，程学设计是算法的最终体现，二者相辅相成，不可分离。因此将本模块分成了简单智能系统、算法与程序设计两个部分。

人工智能课程屬于一门理论与实践相结合的综合类课程，其课程内容包括多个学科知识的交叉。针对当前人工智能教材所存在的问题，以信息技术课程标准中的核心素养培养为目的，结合“人工智能初步”主题类型，在原有人工智能基础教材的基础上，对高中人工智能教材内容结构进行了研究，如图2所示。

文章将高中人工智能教材按照课程标准分为人工智能基础、算法与Python程序设计、智能系统三部分，以新课标要求（人文素养与社会责任、计算思维、理论与实践结合、感知与体验为重）作为教材建构的总要求，提出了每一个部分的主要内容。其中四个部分主要按照线性顺序排列，上一部分的学习为下一部分的学习打下基础。

一是人工智能基础部分，主要包括人工智能概念、基本特征、发展历程、应用领域、发展趋势的学习，如表1所示。作为高中生来说，已经具有了相应的抽象思维能力及学习自控力，能对抽象、乏味的概念进行学习。将人工智能基础知识的学习作为人工智能课程的开端，既能让学生对人工智能有一个整体把握，也为激发学生学习本门课程的兴趣打下基础。其次让学生了解人工智能发展历程，使其客观面对人工智能技术给人类带来的便利及潜在的威胁，以达到培养学生人文素养与社会责任的目的。对于课程内容的学习，为使学生有更深刻、更有趣的体验，可选用一些人工智能产品让学生感受人工智能，增加学生对于人工智能的体验与认识。

根据加涅的教学设计理论，教学内容的选择与教学目标息息相关。目标决定着内容的选择范围与方向。围绕“人工智能初步”模块课程目标，将其融入教材的每一部分，“人工智能基础模块”应达到以下目标。

（1）相关领域人工智能产品的体验与使用，描述人工智能的概念及基本特征，了解人工智能的发展历程及趋势。

（2）了解人工智能对社会既会带来巨大价值，也会带来潜在风险这一客观现实。

（3）了解知识表示的基本方法。

二是算法与Python程序设计部分。课标在必修模块“数据与计算”中已明确提到了要掌握一种基本的程序设计语言，对于高中生，通过编程与算法解决简单问题，已成学生必须掌握的一种技能。算法是解决问题的计算方法，是编写程序的模型，在对人工智能有一个大致的了解并对人工智能相关程序模块进行学习之后，学生对于人工智能核心算法的学习将会更加容易。同时算法对于问题的解决是一步一步进行的，有开始和结果。对于算法的学习有助于学生计算思维的养成。周以真教授首先提出计算思维的概念，认为计算思维是：“运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计、以及人类行为理解等涵盖计算机科学之广度的一系列思维活动。”[8]它是一种解决复杂问题的思维方式，与利用算法解决问题的方式类似。考虑到高中生的接受水平，对于人工智能核心算法的学习应集中在简单算法学习上，主要是为大学算法学习打基础，因此可以掌握一两种人工智能核心算法如启发式搜索、决策树。其次是了解当前常用的人工智能技术（自然语言理解、图像识别、语音识别）的工作原理，清楚算法的是如何起作用的，并通过体验相关智能产品，感知人工智能技术。

Python程序语言在人工智能中的作用越发得到重视，是目前公认的最适合人工智能的编程语言，在人工智能上使用Python具有“优质的文档”、“平台无关”、“可以在现在每一个*nix版本上使用”、“更加方便易学”、“设计好、快速、坚固、可移植、可扩展”[9]等特点。高中生掌握Python语言对于学习人工智能非常重要，将Python程序语言放在人工智能教材进行学习，有助于学生将Python与人工智能相结合。借助于必修模块程序设计学习基础，文章认为Python程序设计模块需要涉及包括Python编程学习，同时为了对学生的计算思维进行培养，教材应强调该部分的实践活动设计，主要以实际案例引入，让学生发现问题，提出方案，并通过相应的程序设计解决问题。

该部分内容目标如下（如表2所示）：

（1）描述算法、启发式搜索概念，了解算法的基本类型。

（2）掌握Python基本语法，学会一两种Python库的使用。

（3）分析具体实例，了解启发式搜索等人工智能核心算法，利用算法与程序设计解决实际问题。

三是对简单智能系统的学习，主要是对所学知识的检验，是对知识的一种综合运用。教材应提供给学生一些典型智能系统实例（AlphaGo、深蓝等），让学生对智能系统有一个大致了解，知道智能系统搭建的方法，并提供一些人工智能应用实例，以激发学生自行搭建智能系统的兴趣。结合选择性必修模块对于开源项目硬件的学习及人工智能应用框架资源，设置相关实验，让学生根据实际生活场景，通过合作学习，自行设计智能系统，解决实际问题。因此在智能系统部分，应涉及理论与实践的学习，主要是实践。其中理论部分应包括智能系统设计方法、智能系统应用实例分析以及对智能系统实现原理的了解。而实践部分应结合前三个部分的知识学习，将其融合，以任务驱动的方式实现。

该部分内容目标如下（如表3所示）：

（1）体验常用的智能系统，描述智能系统的概念及典型应用，了解简单智能系统的设计方法。

（2）分析典型的智能系统，清楚智能系统的基本组成结构及实现原理。

（3）剖析具体智能系统实例，掌握一两种常用人工智能开源框架，学会利用开源人工智能框架搭建人工智能应用模块，亲历设计简单的人工智能系统。

四是对于人工智能基础、算法与Python程序设计、智能系统三部分的学习效果最终应该通过实际问题的解决过程来体现。《新一代人工智能发展规划》[10]强调在中小学阶段开展人工智能普及教育，其目的是为了借助于人工智能教学，提高学生的自主学习能力、实践创新能力、数据分析能力、自我认知能力、情感处理能力，弥补当前教学存在的学无所用缺陷。因此对于人工智能教材的研究应注意学生问题解决能力的培养，注重理论与实践的结合。对于人工智能基础、算法与程序设计、智能系统三个部分的学习效果最终都应该在实际问题解决中体现出来。问题解决的过程既是对知识的重现，也是对知识的再学习与重构，问题解决的好坏实质是对学习成果的检验。在中学开展人工智能教育的目的是为了使学生适应智能化的社会，能够在智能化社会中生存。因此中学人工智能教材中问题案例的选择应该是实际生活中真实存在的问题。采用的案例应该是实际生活中存在的案例或经过简化的生活情景。学生在解决实际问题的过程中，通过算法与编程实现计算思维的培养，通过搭建简单智能系统解决相关领域问题，实现对学生信息社会责任与信息意识的培养。学生所学知识内容应该与实际生活挂钩，对于教材内容的选择，文章认为应该以实际问题或案例导入，通过任务驱动式的教学模式结构来组织教材内容。让学生在解决问题的过程中学习知识，以典型的实际案例作为分析材料，如苹果公司的Siri语音识别系统。帮助学生理解和学习人工智能相关知识，能够真正实现学以致用。

新课标提出人工智能教育应该注重理论与实践的结合。对于当前人工智能教材内容存在的平铺直叙基础积累式的编排形式，并不能满足中学人工智能教育所要达到的目的。因此需要改变当前的教材内容编排方式，以满足学生进行实践活动的需要。任务驱动式教学模式，改变了传统的以教为主的教学模式，是指“将所要学习的新知识隐含在一个或几個任务之中，学生通过对所提的任务进行分析、讨论、明确它大体涉及哪些知识，在老师的指导帮助下找出解决问题的方法，最后通过任务的完成而实现对所学知识的意义建构”。[11]这种模式有助于对学生自主学习能力以及创新能力的培养，满足了人工智能课程实践活动课的需要。因此对于教材的内容编排，可按照任务驱动教学模式的结构进行组织。将传统的以平铺直叙基础积累式的内容编排改为“兴趣导入（生活情景创设）—提出任务（提出具体问题、问题细化、案例分析）—尝试练习、交流体会、学习提高、操作练习（引出实践活动内容，激发学生动手操作）—评价小结（知识总结、课后反思）”的编排设置。[12]

五、反思

中学人工智能教材的开发还处于起步阶段，对中学人工智能教材的研究多为探索。人工智能教学内容的选择比较多样，多由学校自主开发或选择，还没有形成一套比较完整的适合中学生学习的人工智能教材。对于人工智能教材的开发目前更为迫切的是建立一个统一的标准体系，并根据标准体系进行统一的人工智能教材编制。本文基于高中信息技术课程标准，对高中人工智能教材作了一点探究。当前信息技术课程标准中关于人工智能的教学目标和内容选择仅在人工智能初步模块有所体现，并没有就中学人工智能课程体系单独设置课程标准，人工智能初步模块教学内容的选择更多倾向于学生计算思维的培养，在信息社会责任及信息意识方面的培养较少，因此，对于人工智能教材的开发还需要政府层面及相关专家的支持。