让学生爱上AI的方法

林思强

摘要：义务教育阶段人工智能教育经过近几年的发展，已取得了不错的成效，但人工智能学科的知识很多都比较抽象枯燥难懂，那么如何提高人工智能课堂教学的有效性，培养学生对人工智能学习的兴趣呢？针对此问题，本文从教学内容、教学平台、教学范式的选择三个方面简述了具体做法。

关键词：人工智能;教学内容;教学平台;教学范式

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2022）09-0047-03

“人工智能”是一门跨学科的课程，包含了符号学、数理逻辑、神经网络、遗传算法、知识表示和推理、模式识别、机器学习等方面的知识，内容枯燥难懂，仅适合少数有特长的学生。那么，如何让学生了解人工智能领域的基础理论知识，体验目前人工智能的前沿技术，扩大知识面，培养其对人工智能学习的兴趣呢？针对此问题笔者进行了如下探索。

● 初中人工智能教学内容选择

当前，中小学阶段人工智能的教学内容主要有以下两个方面：一是将机器人、自动控制、编程、传感器、3D打印等都纳入到人工智能教学内容中，这种将传统的自动化与人工智能相混淆的教学内容，易使学生对人工智能理解产生偏差;二是简单地把大学或高中的人工智能教学内容下放，教学内容偏理论和纯代码编程，内容枯燥难懂，对大多数学生而言缺少吸引力，甚至会使学生对人工智能的学习失去兴趣。

经过尝试，笔者选择图形化编程软件作为人工智能教学的平台，将人工智能技术原理与平台中的人工智能模块结合，以此作为教学的主要内容，其中包括机器视觉和自然语言处理两个部分。这样的内容定位，可以避免就原理讲人工智能的情况出现，且学生可以通过人工智能平台实践人工智能项目，建立从理论到实践的完整学习链，符合现阶段的认识规律。

● 初中人工智能课堂教学平台选择

目前，国内各创客厂商都推出了自己的图形化编程平台，各IT大型企业都建设了自己的人工智能平台。虽然平台很多，但功能基本相同，这给教学带来了选择困难。笔者经过比较，针对零编程基础的学生，选择慧编程平台开展人工智能教学;针对有一定编程基础的学生，选择kittenblock平台开展人工智能教学;在人工智能社团开展项目式学习时，则选择百度easyDL平台。

● 初中人工智能课堂教学范式选择

人工智能是一门交叉学科，教学中会涉及很多专业术语，在讲授人工智能的原理过程中这些术语如果反复出现，会造成学生认知超负荷，使得课堂变得无趣。那么，如何既让学生能理解人工智能的原理，又让课堂生动有趣呢？下面，笔者以机器学习原理讲解为例，探讨人工智能课堂教学的一般范式。

1.创设情境

对于抽象的人工智能知识来说，在课堂教学的起始阶段创设情境是十分必要的。因为人工智能的技术在生活中的很多场景有应用到，但是学生并不了解，这样的生活情境导入，往往最容易激发学生的好奇心、认知冲突和求知欲。

例如，在“人工智能之机器学习”一课中，笔者在课堂导入部分创设了如下情境：①如何找出哪个明星最像自己？设问：大家想不想知道哪个明星长得最像你？演示：微信“搜一搜”功能。②猜照片中的明星是谁？设问：这位大明星大家认识吗？如果不认识，用他们的照片怎么找到他们的介绍资料呢？教师演示百度搜图找人物的功能，并总结：不管认人还是语言，背后都有机器学习技术在支持，这就是今天要学习的主题——机器学习初探。

通过情境的创设，学生充分感受到生活中处处都有人工智能，从生活经验中发现问题，找到认知盲区，激发了学习内部动机，效果良好。

2.揭示人的智能原理

人工智能本质上是模拟人的智能，因此技术原理多是模仿人的智能，而人的智能过程学生都有经验，比较好理解，所以可以先解释人的智能原理，再迁移到人工智能的原理。下面，列举人的学习过程的原理讲解具体说明。

教师播放电影《超能查派》的片段，引导学生思考这是否是真正的机器学习，为人的学习原理揭示打开思路。并提问：视频中的机器人如何学习watch和chicken這两个词语？

生：反复听、看、触摸……

师：机器人其实就是模仿人类小时候牙牙学语的场景，当我们学习说话时，父母会拿一件物品告诉我们这是什么，如手表，然后让我们反复看、听、触摸，让物品的印象进入大脑，这个印象称为模型，有了模型后，当下一次再看到手表时我们就会说出这件物品的名称，这是人的学习过程。从上面的分析，我们能否得出这样一个结论，我们是否认识一件物品，关键看大脑中是否有这个物品的模型。模型是怎么获得的呢？（提示：回顾电影片段中学习认识手表的过程）

生：眼睛看耳朵听、找寻手表特征、记住特征……

师：模型的建立，必须通过五官感知，然后寻找特征，记忆模型，再用模型去预测判断新事物，当有新的事物出现，无法判断或判断出错时，重复上述流程。了解了人的学习过程，那么机器学习过程呢？

对于专业术语的加工处理从上面的教学例子中可以归纳以下三种方法：①用多媒体素材呈现专业术语的应用实例，唤醒学生的记忆，为专业术语的讲解提前打开思路;②将专业术语与生活实例相类比;③将专业术语通俗化表达。

3.揭示人工智能的原理

有了之前的人的智能原理的分析，接下来就可以迁移到人工智能的原理的理解上，人工智能的原理分析同样也会存在专业术语的抽象难懂问题，这时也可以利用上述三种方法降低认知难度。同时，还可以借助可视化的工具或素材，形成多感官感知，帮助学生理解。例如，在揭示机器学习的过程时可以采用以下方法。

师：（展示谷歌机器学习的可视化平台，如下图，演示学习模型）首先，分别给三个模型起名称，这样机器就会知道它是苹果、梨、橘子，接下来开始让机器训练学习：①把苹果放在镜头前让摄像头感知，让计算机看到苹果;②学习环节，点击训练动作按钮开始学习;③不断地转动苹果采集苹果的图像样本，提取特征、训练模型，当样本量足够多的时候，完成苹果模型的训练。为什么要转动苹果？

生：训练机器、认识苹果……

师：人看到的是现实事物，计算机采集的图像是数据。不同的角度采集到的苹果图像，其数据特征是完全不一样的。所以要有足够的数据样本特征，训练出来的模型才足够准确。

教师开始下一个水果模型——梨的训练，并强调梨的模型训练同苹果，引导学生回忆训练学习的三个步骤。

师：机器已经学习了苹果和梨的模型。为了验证学习的效果，接下来要检测一下机器学会了没有。（非训练集测试）

互动体验：请两位学生上台来训练橘子的模型，并检测学习效果。

师：实验中，计算机成功识别了三种水果，其背后都有建立模型，并通过模型来预测判断。计算机建立模型的过程与人建立模型的过程相似。

4.应用人工智能技术

通过前面的学习，学生虽然了解了人工智能原理，但还是会有疑问：在课堂调查中出现的人工智能应用场景是怎么用上机器学习技术的呢？对于初中阶段的学生来说，了解技术原理及其技术的应用方法就算达成目标。因此，在课堂教学中如果硬件条件允许，可让学生体验技术的应用方法。技术的应用也应该建立在一定的解决问题的情境下，这样基于问题解决的学习才更有意义。因此，教师可以借助“猜拳小达人”游戏来创建解决问题情境，帮助学生体验应用机器学习建立模型和应用模型的方法。具体做法如下。

师：同学们都喜欢玩游戏，接下来我们体验一个应用机器学习技术的小游戏——猜拳小达人，与计算机比猜拳，看看你能不能赢？（学生上台与计算机比猜拳）计算机每次都能赢是什么原因呢？

生：因为计算机准确判断出我的手势。准确判断的背后，就是有三种手势的模型。

师：接下来，我们设计制作一个属于自己的猜拳小达人游戏。首先，要完成石头、剪刀、布模型的建立。（教师演示操作流程）

学生完成作品，教师展示学生成果，引导学生思考：如何提高识别准确率？

互动归纳小结：编程实现机器学习模型的建构，即“准备环境→分类命名→训练模型→测试模型”。

拓展任务：引导学生发散思维，思考利用机器学习技术还能解决生活中的哪些问题。

语音交互、文字识别、图像识别、人体识别、自然语言处理等人工智能技术的应用都可以用到类似“猜拳小达人”游戏项目的问题情境，让学生在完成项目的过程中利用编程实现人工智能技术解决问题，体验在完成项目问题解决过程中带来的成功感，让每位学生都爱上人工智能。

● 结束语

初中阶段人工智能教学一定要注意基于学生的认知特點，对现行教材的内容进行取舍，并根据学生的层次差异，选择相适应的平台。同时，在具体实施教学过程中，还要对教学内容进行打磨和加工，注重从人的智能向人工智能的知识迁移，特别是对专业术语的通俗化表达，能够让人工智能课堂教学变得更有效。

本文系福州市教育科学研究“十三五”规划2020年度立项课题“晋安区义务教育阶段人工智能主题教学设计与实践研究”阶段性成果，课题立项编号：FZ2020GH061。