人工智能特色课程实践案例
一、 案例背景
教育部办公厅印发的《2019年教育信息化和网络安全工作要点》，明确提出坚持“育人为本、融合创新、系统推进、引领发展”的基本原则，深入落实《教育信息化“十三五”规划》和《教育信息化2.0行动计划》，积极推进“互联网+教育”，以教育信息化支撑和引领教育现代化。2020年8月，湖北省人民政府关于引发《湖北省新一代人工智能发展总体规划（2020—2030年）》的通知，积极推进基于教育大数据的智能产品与服务在教育教学、教育管理、教育评价等方面的全流程应用，推动教育模式变革和生态重构。推加快建设在线智能教室、智能实验室等智能学习空间。推进基于人工智能的精准化教学和个性化学习，推动智能教学助手和智能学伴应用，提高教与学的效率。开展智慧教育示范区创建和智能教育试点示范学校建设，支持武汉市建设国家智慧教育示范区。
在当前科技创新教育提质增速的背景下，虽然“人工智能”(AI)已经成为一个几乎人人皆知的概念，但对人工智能的定义还没有达成普遍共识，机器不一定需要像人一样思考才能获得智能，重点是让机器能够解决人脑所能解决的问题。
从人工智能在疫战的应用案例中，让学校了解算法在人工智能中的重要作用，明晰和强化了正确的科技素养价值理念，转变教育视角，形成新课改科技创新、创意教育的价值共识。
二、 案例方案
武汉市第四十九中学在校长吕向东“努力成就最好的自己”办学思想指导下，将培养学生的科技创新精神作为学校的主要教育方向。在智慧校园软硬件技术的支持下，学校成立了科技社团，按照学生兴趣和水平进行分组，现有软件编程、人工智能等项目供学生学习与实践。
我校以科技引领、人文立校，致力于创新教学方法、变革教学模式、树立科创特色，基于技术意识、创新设计、工程思维、图样表达、物化能力五方面的素养培养学生,在高校专家的指导下，着重培养学生科技创新和实践能力。同时大胆实践探索，建立了科技型和创新型师资梯队，对接新高考，并在高考中取得了丰硕的成果。
毛俊琪同学科技创新社团北斗无人车项目软件负责人，2020高考总分664，目前就读华中科技大学计算机学院
科技创新社团学生周紫鑫：偶尔的跌倒，阻止不了前进的执着；片刻的欢愉，加速更远的奔跑！
2019年我校科技创新社团Robomaster机器人项目彭睿同学通过机器人比赛成绩被美国弗吉尼亚理工全额奖学金录取，2020年我校科技创新社团北斗无人车项目嵌软负责人毛俊琪同学高考664分被华中科技大学计算机学院录取。
学校通过在课堂中介绍人工智能技术配合编程教学、算法实践等教学方式，让学生体验使用算法解决问题流程，增强学生利用信息技术解决实际问题的能力，激发学生学习兴趣。
三、 案例课程标准
学生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（如机器学习、自动翻译、人脸识别、自动驾驶等），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生活的影响（信息意识、信息社会责任）。
四、 案例目标
本案例旨在全面提升全体高中学生的信息素养。通过提供技术多样、资源丰富的数字化环境，帮助学生掌握数据、算法、信息系统、信息社会等学科大概念，了解信息系统的基本原理，认识信息系统在人类生产与生活中的重要价值，学会运用计算思维识别与分析问题，抽象、建模与设计系统性解决方案，理解信息社会特征，自觉遵循信息社会规范，在数字化学习与创新过程中形成对人与世界的多元理解力，负责、有效地参与到社会共同体中，成为数字化时代的合格中国公民。
五、 案例成果
我校2017年成为腾讯智慧校园全国示范校、武汉市创客教育联盟示范校之一，2018年成为教育部卫星导航联合研究中心指导项目《“智汇北斗”科普教育应用与实践》首批课题实验学校，2018年，我校被授予“湖北省知识产权教育试点学校”2019年被授予“全国青少年人工智能活动特色单位”，2020年我校被评为“全国航天特色学校”，被武汉市教育局、科技局评为“武汉市科普特色学校”。
新建人工智能实验室
我校拟抓住此次武汉市建设国家智慧教育示范区东风，进一步加强我校人工智能教育和智慧教室的建设工作，全力推进科创教育发展，推动形成全社会重视的科创育人环境，让每个孩子都具有科学思维和创新能力，让有天赋的孩子能享受极智的人工智能盛宴，让区内的教育工作者逐渐具备科创教育能力，让未来的智造者脱颖而出。培养热爱人工智能教育的教育者，热爱人工智能探索创新的学生，从而构建一体化的科创教育生态圈。力争将我校打造成为全省乃至全国具有智慧教育示范学校，成为武汉市的兄弟学校的标杆。
彭睿获Robomaster亚军&江明奕同学获评青山区科创达人
刘明刚老师获邀参加各项活动
我校配有有专门的人工智能师资支持，分别来自各大学科的高级、中级教师参与其中，开设了《Robomaster机器人》、《3D打印》、《创客教育》等课程，带领学校参加各项培训和竞赛，多次获奖。
刘明刚老师、王涛老师带队参加人工智能研学
刘明刚老师指导学生设计无人车
郑华强老师在3D实验室指导学生3D建模
陆航老师展示编程无人机
52 探秘人工智能（教案）
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1、5.2探秘人工智能从人机对战开篇，介绍启发式搜索及人工智能基础知识，从揭示AlphaGo核心算法入手，展示人工智能领域的软硬件关键技术。遵循AI学科的主流观点和体系，突出当前成就；内容上强调与信息技术学科核心概念与核心素养直接关联，并尽可能采用直观的方法描述智能算法及其实现过程；通过实践性强、操作性强的实例，重在理解、体验人工智能应用；通过剖析典型案例阐述智能技术社会化应用的巨大价值以及随之带来的伦理、安全、法律等不同层面上的复杂问题。本项目主要包含“认识人工智能”和“揭秘智能算法”两个任务。任务一主要是了解人工智能的相关概念和应用领域；任务二主要是探究人工智能的相关算法。本节目标为：通过
2、人工智能典型案例，了解人工智能技术的相关概念与应用领域；通过人工智能实际应用实例，了解人工智能技术发展的新趋势，认识人工智能在信息社会中的重要作用。1.教学重点:了解人工智能的应用领域与发展趋势。2.教学难点:了解人工智能的相关算法。教师准备：打开微机，投影机，课件。学生准备：结合课本提前预习。教学过程教师活动学生活动设计意图导入5分钟学生阅读教材中的任务一。教师提出问题：在我们的生活和学习中，你见过哪些人工智能应用？然后以图片的形式展示人工智能的具体应用。学生阅读，思考，观看。引导学生了解人工智能的应用。任务一回顾人类与人工智能的几次对战，可以感受到人工智能技术的飞速发展。请搜集相关信
3、息，并完善表5.2.1。学生上网搜索人工智能的相关内容并填写表格。让学生了解人工智能的实际应用。讲授新知：启发式搜索盲目搜索教师讲授启发式搜索和盲目搜索的概念。启发式搜索：它在搜索过程中加入估价函数等启发信息，不断自动调整搜索方向，加速求解进程。盲目搜索：按预定的控制策略进行搜索，而不考虑问题本身特性的搜索，称为盲目搜索。这种搜索一般适用于求解比较简单的问题。学生听讲。让学生理解新的概念。教师讲解八数码问题：在一个3*3的方棋盘上放上1，2，3，4，5，6，7，8八个数，每个数码占一格，且有一个空格，这些数码可以在棋盘上由初始局面向目标局面移动，其移动规则是：与空格相邻的数码方格可以移入空格
4、。学生认真听讲并思考。控制策略不同，解决方案移动的步数也不相同，引导学生对搜索策略的思考。任务二请同学们设计一份迷宫图，并表述自己的启发式搜索方案。从起点出发记录走1步能到的点、走2步能走的点、走3步能走的点从出口出发记录走1步能到的点、走2步能到的点、走3步能到的点当从起点出发的点集和从出口回退的点集有交集时，可行路径就找到了。合理即可学生思考并完成任务。让学生通过实际的任务进一步理解启发式搜索。讲授新知：人工智能请同学们阅读教材128-129页，并上网搜索相关内容，填写表格5.2.2。之后教师讲解：人工智能：利用数字计算机或者数字计算机控制的机器模拟、延伸和扩展人的智能，感知环境，获取知识
5、并使用知识获得最佳结果的理论、方法、技术及应用系统。弱人工智能：实现特定功能的专用智能设备，不能真正实现推理和解决问题。强人工智能：真正能思考、有知觉、有自我意识的人类级别的智能机器。学生阅读教材，上网查找相关内容，填表5.2.2。让学生进一步理解人工智能的具体应用。介绍“阿尔法围棋”的关键技术。“阿尔法围棋”的核心系统属于基于神经网络的深度学习,即模拟人脑神经网络,通过大量数据分析学习了三千万盘职业棋手的棋谱,再通过增强学习的方法自我博奕,寻找比基础棋谱更多的打点来击败对手。学生听讲。让学生理解AlpahGo战胜人的关键原理。介绍“机器学习”。给学生演示游戏“plane.exe”,并将该游戏
6、下发至学生机。机器学习是当前人工智能的核心技术之一，目的是使计算机能模拟或实现人类的学习行为，获取新的知识或技能，重新组织己有的知识结构，从而不断完善自身的性能。学生认真听讲，并操作老师下发的游戏。让学生理解“机器学习”的深刻内涵。同时给教学增加趣味性。讲授“神经网络”。它是目前人工智能领域的研究热点之一，是一种模拟动物神经网络行为特征，进行并行信息处理的算法模型。BP(backpropagation)神经网络是目前应用最广泛的的算法，它是一种按照误差逆向传播算法训练的多层前馈神经网络，其结构可表示为：学生听讲。让学生理解神经网络结构中的“输入层，隐藏层，输出层”这种结构。讲授“神经元芯片”
7、。2016年中科院发布了寒武纪神经元芯片。学生认真听讲，并上网搜索目前研发成功的神经元芯片，填写表格5.2.3。让学生了解神经元芯片的发展情况。讲授“智能传感器”。智能传感器是具有信息处理功能的传感器。它属于人工智能的神经末梢，用于感知外界环境，未来高敏度、高精度、高可靠性、微型化、集成化将是智能传感器的发展趋势。学生听讲。让学生了解智能传感器及其应用。课堂小结2分钟老师带领着学生一起回顾本节课的知识。1.了解人工智能技术的相关概念与应用领域。2.了解人工智能技术的发展趋势。3.认识人工智能在信息社会中的重要作用。再次巩固本堂课的知识，体现教学的完整性。以下为教案中提到的相关内容：表
8、5.2.1时间机器对战实录1996深蓝（DeepBlue）战胜国际象棋世界冠军加里卡斯帕罗夫（GarryKasparov）2011沃森（IBMWaston）在综艺节目危险边缘中战胜了最高奖金得主和连胜纪录保持者2016阿尔法围棋（AlphaGo）战胜世界围棋冠军李世石2017准星数学高考机器人（AI-MATHS）在单独的考场进行高考数学考试，考场内服务器切断外部网络连接，在公证机构和媒体的“监考”之下，仅凭自身的人工智能程序解题，通过打印机输出答案。高考机器人将在两个小时的考试时间内，同时作答多份试卷。2017Aidam智能教育机器人通过现场直播的方式与6名高考状元同台PK，分别解答2
9、017年高考数学试题，完成包括客观题和主观题在内的整张试卷，并按照评分标准得出最终成绩。2018状元（Champion）AI机器人挑战高考作文，并击败了数位作家。表5.2.2功能人工智能体现形式儿童及病人陪伴健康伴侣机器人、聊天机器人、家政机器人、智能家居搬家公司重体力劳动搬家机器人、物流机器人环境测试水下机器人、特种极限机器人、矿业机器人虚拟现实、增强现实、混合现实VR一体机自动驾驶自动驾驶汽车工业制作焊接机器人、喷涂机器人、加工机器人无人机救援无人直升机、无人飞艇智能终端智能手机、智能手表、智能手环表5.2.3公司名称神经元芯片的名称特点英特尔Loihi整个芯片上共有超过13万个神经元和1.3亿个突触连接，能够根据环境变化即时编程，进行“自学习”IBMTrueNorth可以实时模拟大脑处理信息的过程韩国纳沛斯半导体公司NM500训练和学习第7页共7页
52 探秘人工智能（教案）
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