人工智能在信息技术课堂中的应用研究

张锦燕 林素芳 马梦怡 李新晖

摘  要：针对中小学人工智能教育课程存在着内容碎片化、课时少、缺乏专业教师等问题，文章以佛山市中小学人工智能教育为研究对象，对教学内容、实施情况、师资水平及教学效果进行了实地调查，并结合国内外中小学人工智能教育现状进行了文献研究，从相关概念、技术体验与应用以及智能作品创造三方面提出了小学人工智能课程教学框架，并介绍了相应的人工智能课例。

关键词：人工智能;信息技术;核心素养;项目式教学

中图分类号：TP39;G434 文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）14-0177-05

Abstract： Aiming at the problems of fragmented content， lack of class hours and lack of professional teachers in the artificial intelligence education curriculum of primary and secondary schools， the paper takes the artificial intelligence education of primary and secondary schools in Foshan as the research object， makes a field investigation on the teaching content， implementation， teacher level and teaching effect， and makes a literature research in combination with the current situation of artificial intelligence education of primary and secondary schools at home and abroad. This paper puts forward the teaching framework of artificial intelligence course in primary school from three aspects： related concepts， technical experience and application and intelligent work creation， and introduces the corresponding artificial intelligence course examples.

Keywords： artificial intelligence; information technology; core literacy; project teaching

0  引  言

随着科技的创新与发展，“人脸识别”“语音合成”“语音识别”等人工智能产品逐渐进入大众视野，也逐渐应用于教育体系中。从2017年国务院印发的《新一代人工智能发展规划》，到2018年教育部印发的《高等学校人工智能创新行动计划》都可以看出，在中小学阶段加入人工智能教育是大势所趋，目的在于打造人工智能专业教育、职业教育和大学基础教育于一体的高校教育体系。但目前我国中小学人工智能教育还存在缺乏系统的课程标准、科学的内容体系以及专业的师资队伍等问题。基于此，本文以佛山市中小学人工智能教育为研究对象，进行实地调研，结合国内外中小学人工智能教育文献研究，从而提出小学人工智能课程框架以及进行人工智能课例的教学设计。

1  人工智能教育

人工智能教育指将人工智能（AI）与学习科学结合起来，是一门学习与人工智能相关的方法、理论、技术及应用系统的综合性学科[1]。人工智能教育的目的在于培养学生的创新意识、信息素养和计算思维等，在设计人工智能课程时需要将学生现有的知识背景与人工智能本身的知识体系相融合，合理安排教学内容，开展包括基本概念、技术应用与体验以及主流算法在内的系统化的人工智能课程，激发学生对人工智能的兴趣。

1.1  人工智能课程特征

1.1.1  综合性强

人工智能本身是一门交叉性学科，不仅涉及众多学科而且研究范畴广泛，需要据被一定的计算机基础和数理知识。中小学人工智能课程包括机器学习、智能机器人、计算机视觉、自然语言理解和知识获取等，而不同学段侧重点也有所不同，小学阶段重点在于感悟，让学生通过体验人工智能產品，直观了解人工智能对日常生活的影响，初步构建人工智能意识[2]。

1.1.2  技术性强

作为一门新兴学科，人工智能课程的教学内容随着研究的深入不断更新。人工智能技术包括云计算、物联网、大数据等内容，这类技术性强的学科，对于学生以及教师都是一种挑战。人工智能课程知识体系庞大，且不断更新，目前国内专业人工智能教师人才较少，教学难度高。

1.2  人工智能教育应用难点

1.2.1  系统学习难

在人工智能教育过程中，学生可通过人脸识别或增强现实等人工智能产品，产生真实学习体验，理解知识。但依托信息技术学科进行的小学人工智能教育，课程内容比较碎片化，缺乏系统的课程标准。例如佛山市小学人工智能课程包括语音合成、语音识别、图像识别、增强现实、人工智能编程等，且各个学校侧重点有所差异，导致开展人工智能系统学习较为困难[3]。

1.2.2  深入探究难

人工智能教育是基础教育改革的大力发展对象，人工智能本身的神秘感和科技感使学生充满好奇，但调查发现目前的信息技术教师对于人工智能相关知识（例如BP算法、语音识别、机器学习等）把握的还不够准确，无法带领学生深入探究[3]。

1.2.3  规范技术影响难

虽然教师在进行人工智能教学时可以为学生提供视频资料甚至是真实体验的机会，但人工智能技术的学习离不开网络以及一些技术的支持，这些技术是否会分散学生的注意力，如何利用技术提高教学效果也困扰着教育者们。

1.3  依托小学信息技术学科教学的人工智能课程设计思路

1.3.1  小学人工智能课程教导内容

2019年《中国互联网学习发展报告之人工智能教育（基础教育）领域》对人工智能教育小学阶段的目标能力、内容导向以及学习方式做出阐述，如表1所示 [4]。

1.3.2  小学人工智能课程框架

我国人工智能本科专业自2018年开始成立，第一批毕业生刚刚进入教学岗位，也就意味着目前中小学信息技术教师大多是信息技术专业或计算机专业出身，对于人工智能领域了解有限。考虑到小学生的认知水平、信息技术教师背景、人工智能课时较少以及人工智能本身内容体系等问题，参考广东省中山市某小学设计的基于“1+2”课程模式的小学《人工智能课程》[5]及多地区小学信息技术教材，笔者从相关概念、技术体验与应用以及创造人工智能作品三个方面设计小学人工智能课程框架，如图1所示。

2  “语音识别”教学课例设计

2.1  教学内容

本课例选自佛山市信息技术教材五年级下册第4课《语音识别》，教学内容主要是编程猫IDE的“语音识别”指令。以“讯飞语音识别体验”导入激发学生学习兴趣，教师示范编写“识别中英文”程序，通过“翻译小助手”“智能家具”等拓展训练加深人工智能“语音识别”指令的记忆。

2.2  课例整体设计

教学方法：项目式教学。

活动准备：PPT课件、编程猫IDE、讯飞开放平台、活动评价量表。

划分小组：按照学生的学习能力及信息技术知识掌握情况进行异质分组，3人一组，小组讨论，进行任务分工。

2.2.1  第一阶段

教师活动：通过讯飞平台带领学生体验智能语音识别，激发学生的学习兴趣，如图2所示。

学生活动：体验“讯飞语音识别”，感受人工智能魅力。

设计意图：带领学生进行真实“语音识别”体验，通过有趣的智能语音激发学生对人工智能的兴趣，并让学生意识到人工智能正在步入我们的生活。

2.2.2  第二阶段

教师活动：通过将编程猫IDE识别语句与询问语句进行对比，带领学生认识编程猫相关语音识别指令。具体语句如图3所示，差异对比如表3所示。教师示范识别中文程序如图4所示。

学生活动：观摩教师示范，小组合作完成“识别英文”程序如图5所示。

设计意图：通过编程猫IDE相关语句对比，让学生认识在编程猫IDE“声音”指令集的语音选择、文字转换语音等语音识别指令。并通过教师示范以及学生自主实践，熟悉相关指令的使用，为后续小组合作学习打下基础。

教师活动：布置分组任务，各小组任选一种项目主题，或自定主题，利用编程猫IDE完成“人工智能语音识别作品”的设计与制作。

项目主题：

（1）翻译小助手。想象一个情境，你在外国旅游，需要向一位说英文的外国人问路，但是你的英语口语不太好，需要借助翻译小助手将你说的中文翻译成英文给外国人看，而且，很遗憾的是，你的英语听力也不太好，为了能清楚理解外国友人说话的内容，这个翻译小助手还需要帮助你把对方说的话翻译成中文。你能设计一个这样的翻译小助手吗？尝试一下吧！

（2）智能家具。目前，我们操控机器的方式一般都是通过按键，机器接收到不同按键被按下的信息，就做出相应的反应。现在，我们发现机器能“听懂”我们讲话了，是不是可以不用手动只要说说话就能控制机器了呢？現在，市面上一些智能家具正是利用这个语音识别功能呢！我们也动手设计一款智能家具吧！

学生活动：小组讨论并设计作品。

设计意图：在利用编程作品制作培养学生的计算思维的同时树立学生的人工智能观念，将人工智能教育融入现有小学信息技术课程及编程教育中。

2.2.3  第三阶段

学生活动：各小组展示作品，进行解说，并对其他小组作品及小组成员表现进行评分。组间评价如表4所示，组内互评如表5所示。

3  结  论

本文依托小学信息技术学科、地方性小学《信息技术》教材和信息技术新课标，从相关概念、技术体验与应用以及创造人工智能电脑作品三方面设计小学人工智能课程框架。并基于项目式教学原理，以五年级信息技术“语音识别”为例，依托编程猫IDE，设计面向计算思维的以“人工智能”为主题的小学信息技术课例，为人工智能走进小学信息技术课堂提供参考。

参考文献：

[1] 梁迎丽，刘陈.人工智能教育应用的现状分析、典型特征与发展趋势 [J].中国电化教育，2018（3）：24-30.

[2] 谢忠新，曹杨璐，李盈.中小学人工智能课程内容设计探究 [J].中国电化教育，2019（4）：17-22.

[3] 胡胜华.佛山市中小学人工智能教育现状及发展路径 [J].中国教育信息化，2021（2）：40-43.

[4] 教育部教育管理信息中心，百度文库.2019年中国互联网学习发展报告：人工智能教育（基础教育）领域 [M].北京：清华大学出版社，2019.

[5] 许明伟，陈明宏.基于“1+2”课程模式的人工智能教育课程设计与实施——以区域校本课程《小学人工智能入门》为例 [J].教育信息技术，2021（3）：31-34.

作者简介：张锦燕（1998—），女，汉族，安徽安庆人，硕士研究生在读，研究方向：智能实验教学、人工智能教育、虚拟现实教育;林素芳（1995—），女，汉族，广东汕尾人，硕士研究生在读，研究方向：人工智能教育、智能实验教学;马梦怡（1996—），女，汉族，山西晋中人，硕士研究生在读，研究方向：人工智能教育、中等教育;李新晖（1961—），男，汉族，江西南昌人，硕士生导师，副教授，硕士研究生，研究方向：计算机软件及计算机应用、教育理论与教育管理、智慧教育。