高中信息技术选择性必修《模块4：人工智能初步》中“人工智能基础”教学建议

张建彬

在普通高中信息技术课程中，选择性必修模块4“人工智能初步”承载了普及人工智能基础知识、激发学生学习兴趣、践行国家人工智能发展规划的重任。本文将针对第一部分“人工智能基础”，从课标要求、教材内容安排及教学实施建议三个方面进行探讨。

● 课标要求理解

1.课程结构

“人工智能基础”通过对学生身边的人工智能应用的分析引出人工智能的概念及特征;按照时间线从历史发展的角度来介绍人工智能的发展历程、主要流派、观点与典型应用。以人工智能在教育、金融等多个领域中的应用案例来让学生了解人工智能对社会与人们生活的影响。

2.内容要求

与本部分教学内容相关的课程标准要求为：

4.1 描述人工智能的概念与基本特征;知道人工智能的发展历程、典型应用与趋势。

4.6 辩证认识人工智能对人类社会未来发展的巨大价值和潜在的威胁，自觉维护和遵守人工智能社会化应用規范与法规。

其中，内容要求4.1完全对应“人工智能基础”部分。内容要求4.6除与第一部分“人工智能基础”相关，还与“人工智能技术的发展与应用”有所关联。对这项要求的落实，不同版本教材的安排有所不同，有的版本安排相对集中，有的则分散到不同章节中。

3.学业要求

课程标准中对“人工智能初步”的学业要求为：能描述人工智能的基本特征，会利用开源人工智能应用框架，搭建简单智能系统（计算思维）;了解人工智能的新进展、新应用，并能适当运用在学习和生活中（数字化学习与创新）;了解人工智能的发展历程，能客观认识智能技术对社会的影响（信息意识、信息社会责任）。

其中，“描述人工智能的基本特征”正是“人工智能基础”的学习目标之一。“了解人工智能的新进展、新应用，并能适当运用在学习和生活中”可以理解为让学生先了解当前的人工智能技术及应用，并能够利用这些技术和应用来解决学习和生活中的问题，如利用智能语音技术控制家中的电器、利用图片识别或文字识别技术来进行学习等。

“了解人工智能的发展历程”也是“人工智能基础”的重要内容之一，而且不应该仅是对重要的历史事件和技术进行了解，还应该对这些事件或技术在人工智能发展历程中起到的作用进行分析，从而进一步理解人工智能技术对社会的价值与影响，以及人工智能在发展过程中为什么会多次出现高潮与低谷。

● 教材内容分析

在教育部审定通过的与2017年版课程标准相对应的五个版本的教材中，“人工智能初步”的第一单元名称与“人工智能基础”有所区别，但主要内容基本相同，其中包含“人工智能的概念与特征”“人工智能发展历程”和“人工智能研究内容与应用”三部分内容，这正好与课程标准的要求相对应。在每个版本的教材中，第一单元的具体编排情况如表1所示。

● 教学目标的确定

根据课标要求、教材内容及学科核心素养的内容，本部分教学目标可以设定为以下几点：①理解人工智能的概念与基本特征。②了解人工智能的发展历程，能够分析人工智能发展过程中出现高潮和低谷的原因。③了解目前人工智能技术的主要研究内容及应用领域，知道典型应用，感受人工智能的价值。④通过体验探索，激发对人工智能的学习兴趣。

根据几年来新课程实施过程中积累的经验，在以上目标中，对于人工智能发展过程中出现高潮和低谷的原因的分析，以及运用人工智能技术解决生活中的实际问题，学生在学习过程中普遍感觉困难。

● 核心概念

1.人工智能

对于人工智能的概念，人们从不同层面给出过不同的定义，尚未达成统一。随着技术的不断发展，人工智能的概念也在逐渐完善。2017版课程标准将人工智能的概念表述为：“人工智能是通过智能机器延伸、增强人类改造自然和治理社会能力的新兴技术。”不同版本的教材对人工智能概念的表述也不尽相同，具体描述如表2所示。

在教学过程中，不是要求学生对人工智能的概念进行记忆，而是理解。其中的关键内容为：人工智能是让机器模拟、延伸和扩展人的智能的技术。这句话可以简单地理解为，让机器具有像人一样的“看”“听”“说”“感知”“行动”“思考”“学习”等能力。可以通过对具体案例的分析，将机器智能与人类智能进行类比的方式让学生学习与理解。

2.人工智能的基本特征

对于人工智能的基本特征，大部分版本均采用了《人工智能标准化白皮书（2018版）》中对人工智能特征的描述：①由人类设计，为人类服务，其本质为计算，基础为数据。②能感知环境，能产生反应，能与人交互，能与人互补。③有适应特性，有学习能力，能演化迭代，可连接扩展。

3.人工智能发展的三个阶段

人工智能20世纪50年代诞生，由于算力、算法、数据多方面因素的影响，其在发展过程中经历了多次高潮与低谷。到目前为止，其发展过程大致可分为三个阶段：第一阶段（20世纪50年代到80年代），以符号推理为代表。第二阶段（20世纪80年代到90年代末），以专家系统为代表。第三阶段（21世纪初至今），以大数据和深度学习为代表。

4.人工智能的主要流派

人工智能在发展过程中，出现过符号主义、连接主义、行为主义、统计主义、仿真主义等多个流派，各个流派都取得过相关成就，也存在着局限性。

5.人工智能主要研究内容

目前，人工智能的主要研究内容包括知识表示、专家系统、人工神经网络、计算机视觉、智能语音、模式识别、自然语言处理、自动推理等。

6.人工智能应用

人工智能应用主要是指在教育、金融、交通、安防、医疗、生活等场景中的应用，如“智能家居”“智慧交通”“智慧教育”“智慧医疗”等。

● 教学建议

本部分教学主要涉及“人工智能的概念和基本特征”“人工智能发展历程”“人工智能研究内容与应用”三部分内容。

1.人工智能的概念和基本特征

人工智能的概念和基本特征既是重点也是难点，虽然教材中对人工智能的概念和特征进行了描述，但不建议直接给出相关描述，那样不便于学生理解。建议从学生身边的人工智能案例入手，选取一些学生生活中常见或者经常使用的人工智能产品或应用作为案例，如语音助手、智能音箱、扫地机器人等，让学生分析这些案例的功能、特点、价值等内容，思考其在解决问题的过程中与人类智能有哪些相似之处，以此来总结出人工智能的概念和基本特征。如果学生在总结人工智能的基本特征时存在困难，可以让学生阅读教材中的相关描述，然后利用这些特征对生活中的案例进行分析，以便对人工智能的特征有充分的理解。

在实践活动方面，建议通过体验环节让学生亲身体验一些常见的人工智能平台或产品。在激发学生学习兴趣的同时，可以让学生分析这些平台或产品模拟、延伸、扩展了人类的哪些智能，从哪些方面体现了人工智能的基本特征。在体验平台的选择上，如果有条件采用移动终端进行教学，可以让学生通过真实的人工智能产品（如智能音箱、带有人脸识别功能的智能摄像头等）或小程序来进行体验，这类程序功能相对较为全面，且具有一定的实用功能，学生在体验的同时，可以掌握其使用方法，以便在日常学习、生活中利用相关人工智能产品或应用解决实际问题。如果不具备进行真实产品体验的条件或无法通过移动端平台进行体验，可以通过人工智能企业提供的免费的人工智能体验平台开展教学，让学生进行体验操作。这类平台除简单体验外，还对技术的用途进行了描述，可以让学生进行阅读与思考。同时，此类平台往往提供了一些请求与返回的代码，可与程序设计内容相结合，供学生进行探究。总之，该部分建议通过案例分析、体验研究的形式，让学生理解人工智能的概念和基本特征。在此基础上，最好还能让学生掌握利用身边的人工智能产品或应用解决生活中的问题的基本方法。

多个版本的教材在这一部分都介绍了“图灵测试”这一判断机器是否具有智能的测试方法，教师可以寻找相应的平台供学生进行探究，因为目前尚未有真正意义上通过图灵测试的程序，所以此体验可能会让学生觉得机器不够智能，可以让学生思考机器无法通过图灵测试的原因，以及是否有改进方式，引发学生的思考。部分人认为人工智能软件“尤金·古斯特曼（Eugene Goostman）”于2014年通过了图灵测试，成为首个通过图灵测试的程序，可以让学生对此事件进行分析，给出自己的观点并说明理由。此处还可以介绍验证码与图灵测试的关系，让学生对人工智能知识的应用及价值有所感受和思考。

2.人工智能发展历程与趋势

此部分在几个版本的教材中都是按照人工智能发展历程的时间线来进行介绍的，主要包括人工智能发展历程中的三个阶段以及每个阶段的主要观点、典型事件、技术与应用。建议先向学生介绍不同时期的典型技术与应用（符号推理、专家系统、机器学习、神经网络、深度学习等），结合计算机及互联网、物联网的相关知识，分析它们在当时的优势与不足，然后让学生利用这些知识来分析与思考人工智能发展历程中多次出现高潮和低谷的原因，充分理解技术对社会的影响，技术发展与社会、经济发展之间的联系，以及技术在发展过程中的跌宕起伏。

此内容多为历史事件、相关观点、技术方面的叙述，较难设计实践活动。如果能够找到人工智能发展过程中出现过的重要应用，如Eliza、推理程序、专家系统、早期语音识别程序等，可以让学生进行体验，并与现在的相关应用进行对比，结合当时及现在的技术环境，感受与體会某项技术及应用在特定时期的优势与局限性。这部分内容还可以设计查阅资料等任务，让学生进行自主探究，以报告的形式向学生讲述人工智能的发展历程。

对于人工智能的现状，可以让学生结合自身生活向同学们进行介绍，同时可以提供一些前沿技术的相关资料供学生进行阅读学习，以便对目前人工智能技术的发展情况有所了解。对于人工智能技术的发展趋势与未来，因为是一个不确定性内容，可以以“人工智能未来畅想”为主题，组织学生进行讨论与交流，培养学生的创新意识;也可以让学生阅读一些科幻小说或观看一些科幻电影，谈一谈里面的哪些内容在未来可能会实现。

3.人工智能研究内容与应用

此部分在教材中属于陈述性知识，用文字和图片介绍了人工智能的主要研究内容，以及人工智能技术在人们日常工作、生活中的应用场景及价值，包括教育、医疗、交通、金融、农业等多个场景。如果只阅读教材，学生很难理解人工智能技术对人们生活的影响。对于主要研究内容，可以采用体验的方式让学生进行自主探究，在体验的过程中，思考这些技术可以用于哪些场景，能够解决什么问题，在解决问题的过程中，具有哪些优势，存在哪些不足。然后，教师可以通过视频的形式向学生展示身边的人工智能应用案例，让学生有感性认识。最后以项目学习的方式，请学生挑选一个自己感兴趣的领域，自主查阅资料，并结合生活经验，以考察、采访、体验等多种形式开展探究活动，然后进行展示交流，让学生进一步了解人工智能在各个领域中的应用，感受人工智能的价值。

总之，第一单元的内容大部分为文字性介绍，能够动手实践的内容相对较少，教师应该提供给学生可以进行体验的平台，让学生进行充分体验，激发学习兴趣。同时，多设计思考题目引发思考，并以项目调查、汇报的形式组织教学，做到以学生为主体。本单元的内容根据教学组织形式，建议课时数为3～5课时。

● 评价方式

“人工智能基础”涉及的内容较难让学生做出能够进行客观评价的作品，如果以项目的方式开展教学，可以让学生制作多媒体作品，以此方式呈现研究成果，并通过交流、展示、演讲的形式向大家介绍自己对学习内容的理解，这时可以采用过程性评价与终结性评价相结合的方式进行评价。对学生在搜索素材、制作多媒体作品、交流展示等各个环节的表现，都可以从积极性、参与度、完成度等方面进行评价，最终的多媒体作品及交流展示可以从内容的科学性、完整性、创新性、展示效果等方面进行评价。如果涉及到小组学习，还可以从小组合作的角度给予评价。在学生进行探究学习的过程中，教师可以设计学案与问题，如“通过体验与探索，你认为智能语音技术能够用在什么地方？解决什么问题？”“人工智能在发展过程中为什么会出现多次高潮与低谷？”等，让学生带着问题去体验和探索，通过学生对问题的回答，评价学生对相关内容是否理解。

“人工智能基础”作为起始单元，承载着激发学生学习兴趣、理清基本概念、感受人工智能价值的任务，在教学过程中，应尽量避免平铺直叙地讲述，而应多设计体验、探究、思考、交流等环节，让学生参与其中，通过实践探究、梳理总结的方式进行学习，为后续内容的学习奠定基础。