面向人工智能素养培养的高中人工智能课程的设计与实施——以“我为植物挂名牌”教学为例

贾云 江苏省苏州实验中学

《中小学人工智能技术与工程素养框架》（以下简称《素养框架》）提出，人工智能技术需要培养学生从工程的角度学习、认识和使用人工智能，并主动思考人工智能与人类、与社会的关系。[1]同时，在教科版高中信息技术教材（2019版）中，有大量的章节介绍了人工智能以及人工智能相关实现技术。因此，如何让学生深刻理解、认知、内化人工智能相关知识，达成人工智能素养的培养目标，是本文的出发点和落脚点。

● 人工智能素养的构成及界定

本研究参考《素养框架》中对人工智能素养构成的表述：人工智能技术转化为产品的过程是自然科学和社会科学的交叉应用，尤其涉及人的思想、行为、能力等方面的内容，其中渗透了伦理、道德、责任等相关问题，需要培养学生从工程的角度学习、认识和使用人工智能，并主动思考人工智能与人类、与社会的关系。《素养框架》设计了人工智能与人类、人工智能与社会、人工智能技术、人工智能系统设计与开发4个领域的内容（如图1）。[2]

图1 人工智能素养框架

在这一框架下，教师们需要同步思考：①人工智能与人类之间的关系；②人工智能对人类社会发展可能产生的深远影响；③人工智能实现的关键技术及涉及的学科知识；④从系统工程的角度如何引导学生设计、开发和测试人工智能应用系统，以实现问题解决的最优化，提升学生解决复杂问题的能力以及创新思维等高阶思维能力。

● 高中人工智能课程的设计思路与流程

根据《素养框架》的框架内容及课程培养目标，结合高中信息技术必修1以及选择性必修4《人工智能初步》中的内容，并参照实践经验，笔者认为，要达成培养目标，有关人工智能课程的设计要从人工智能的三要素——数据、算法、算力入手。

一是人工智能的根基是训练，正如人类要获取一项新技能，就必须经过不断地训练，只有不断地训练，神经网络才能总结出规律，并应用到新的样本上。所以，在课程的设计上要让学生体会大量数据的作用以及如何通过训练总结规律。二是从数据分析中获得规律，并利用规律对未知数据进行预测，要让学生在解决问题的过程中体会算法是实现人工智能的根本途径。三是在有了大数据和算法之后，需要不断地训练，算力为人工智能提供了基本的计算能力的支撑，要让学生体会算力对人工智能的关键作用。

根据课程设计思路，并结合实际教学过程，笔者认为最适合使用的教学方法为项目式教学法，在教学过程中还原教学的本质，让学生在“做中学”。笔者对高中人工智能课程进行了流程设计，具体如图2所示。

图2 高中人工智能课程的设计流程

● 面向人工智能素养培养的高中人工智能课程的设计实践

“我为植物挂名牌”人工智能项目是在需要学生辨别植物名称、习性，并为该植物做一首诗，挂上它的名牌的背景下进行的。该教学案例通过识别图片—理解机器学习—深度学习—明确人工智能三要素（数据、算法、算力），深刻理解人工智能技术原理—人工智能与人类的关系等环节，达成对人工智能素养的培养。

1.目标制订

学生完成对所选植物挂名牌的任务，在达成总任务的过程中通过自主探究理解人工智能技术原理，并在此过程中学会交流与分享，培养合作探究精神。

2.情境创设

结合学校实际，在新校区启用后，校园里栽种了许多植物，老师收集了许多不认识的植物照片，需要同学们分组挑选照片帮助老师完成植物的辨别，并为其做首诗。

3.活动探究

（1）图片识别，初识人工智能

教师提供几个图片在线识别平台作为脚手架，让学生尝试选择平台进行识别。

学生分组选择自己喜欢的图片和平台进行识别，教师引导学生思考这些软件识别植物的过程。

①在完成小活动的过程中，教师适时提问：平台识别的准确度是100%吗？学生通过实际操作发现，平台并不能完全准确地识别植物。根据软件识别植物的过程，学生可以发现，通过增加特征点，或者增加更多的图片，让机器学习大量的数据，进行自我训练，总结规律，输出结果。此时，引导学生关注数据在人工智能中的重要作用及机器自我完善的相关知识。

②通过手动设计特征点让机器在大量的数据中学习、完善，在一定程度上能够解决问题，但是也达到了一定的瓶颈。此时引导学生发现，可以让机器自己学习特征点，学习样本数据的内在规律和表示层次，实现自我学习，由机器学习走向深度学习。

从机器学习到深度学习，从线性回归、逻辑回归、决策树、朴素贝叶斯等算法到递归神经网络、卷积神经网络等，算法的设计与实现是让机器具有智能的根本途径。而算力是通过对信息数据进行处理，实现目标结果输出的计算能力，它也是人工智能技术的本质内容。

（2）AI作诗，再探人工智能

通过人工智能平台生成诗歌，为自己喜欢的植物作诗。学生通过作诗发现有些诗词很优美，有些诗词语句不通，有些诗词虽然通顺但还缺少稳定的情感表达。

在图片识别的过程中，学生体会到从机器学习到深度学习，人工智能在逐步研究人脑的神经网络，人工智能技术也在不断地完善。但是，我国的人工智能发展还处在弱人工智能阶段，其不具备自身的独立意志，行动实现的是设计者或者使用者的意志。

（3）交流讨论，辨析人工智能

人工智能在生活中的很多领域闪闪发光，有人提出了对人工智能的一些担忧：人类的一些职业是否会被人工智能取代？人们是否会因此失业？人工智能会带来一系列的社会问题吗？

学生根据课堂上所做的活动并结合生活经验，辩证认识人工智能。

4.活动评价

学生对自己所做活动的过程和结果进行交流与评价，讲解探究过程的思路、方法以及遇到的问题和解决问题的方法。教师对学生的探究过程和探究结果进行评价。

● 思考与总结

人工智能在生活中十分常见，如何让学生深刻理解人工智能，把握人工智能技术的关键要素，培养学生的人工智能素养是一线教师需要思考的问题。本研究从课堂实时效果来看，学生参与度高，能够在项目探究的过程中结合教师的引导体会出实现人工智能的三要素，并辨析出人工智能与人类及社会的辩证关系，从一定程度上来讲能够有效培养学生的人工智能素养。