初中人工智能课程教学初探
普丹
摘要：本文以校本教材中《基于机器学习的图像识别》一课的教学实践为例，结合学科核心素养，发掘基于真实情境的项目案例，探索在人工智能问题求解的过程中适度探究人工智能原理，发展计算思维的初中人工智能课程的教学策略。
关键词：初中;人工智能;图像识别;机器学习
中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2022）09-0050-02
近几年，虽然我国大部分地区展开了人工智能教育，但有些教师常将人工智能课程与人工智能技术混为一谈，课堂上只是体验各种人工智能技术，分享各种人工智能装备。那么，如何用符合初中生认知规律的方式，引导学生发现身边的人工智能技术，了解深奥的人工智能原理？如何帮助学生尝试用人工智能技术优化学习和生活环境？笔者在教学中不断思考，并以《基于机器学习的图像识别》一课为例进行了实践。
●教学目标设计
《基于机器学习的图像识别》一课的教学对象为七年级学生，他们求知欲强，具备一定的学习能力及分析问题的能力，能够在教师引导下进行归纳总结，但认知水平有一定差异，部分学生自制力较弱，注意力难以长时间集中。同时，学生虽然学习过图形化编程，在生活中也体验过人工智能软件或产品，但对人工智能核心技术知之甚少，再加上数学基础不足，对算法理解有很大难度。鉴于此，在教学过程中，教师应尽量把人工智能实现的过程可视化，并借助软件封装复杂算法，降低学习难度，加强个性化辅导。
根据信息技术学科核心素养，参考新课标人工智能初步模块学业要求，结合学生实际情况，笔者设计了如下教学目标：①观察、体验生活中的人工智能实例;建立图像识别的概念，感受科技发展给生活带来的改变;②通过猜想、讨论以及软硬结合的实验探究活动，了解机器学习的过程;③运用图形化编程软件编写程序，逐步掌握运用图像识别技术解决实际问题的方法，树立运用信息技术服务生活的意识;④通过对图像识别原理及构建分类器的过程进行反思，思考人工智能的局限性，发展批判性思维。
●教学资源准备
笔者基于现有资源和学情，设计了小投入低成本的普惠型人工智能教学活动。现阶段多款图形化编程软件均包含人工智能体验模块，笔者通过使用和筛选确定一款编程软件为载体，添加摄像头，开展人工智能教学活动。
●教学过程及策略应用
在“做中学”思想的指导下，笔者通过创设真实的生活情境，设计探究实践活动，引导学生自行建构知识的意义。采用图形化编程的方法降低程序设计门槛，分层教学，照顾到各个认知层次的学生。
1.创设真实情境，培养信息意识
教师运用“体验智能售货机”短视频，引导学生发现生活中的人工智能应用，聚焦运用人工智能技术解决实际问题，并将智能售货机贯穿于分析图像识别原理、编程实现的整个教学过程，进而培养学生的信息社会数字化胜任力。
2.運用动画图解的方法，解决教学重难点
本节课的学习核心为理解图像识别原理，分为建立图像识别概念、探究原理两部分。
首先，教师运用动画图解的方式，呈现人类识别物品的过程，即人通过观察寻找水果特征，再与脑海中的各种水果特征做对比，找到最接近的一类，做出判断，输出结果。学生结合生活经验，类比人类识别物品的过程，分析机器识别图像的过程，即获取图像→数据表示→特征提取→分辨类别。
接着，教师图解机器学习建立分类器进行图像识别的过程。计算机从大量数据中学习，寻找规律，提取特征，进行分类。同样的事物可以提取出各种不同的特征，以苹果为例，“红色、扁圆形、两端有凹陷、有果柄……”均为其特征，然而“颜色”这一特征可以很好地区分苹果和橙子，却很难区分出红苹果与红皮球，“两端有无凹陷和果柄”这一特征则可以有效地区分二者。通过图片直观对比，帮助学生理清“特征”与“有效特征”的概念区别，明确特征提取的过程是提取“有效特征”。把这些有效特征聚集在一起形成一个分类器。当有图片输入时，计算机就在分类器中寻找最接近的那一类，做出判断，输出结果。这样，运用动画图解的方式直观地分析特征提取及机器学习过程，突破教学难点。
3.采用软件封装复杂算法，为学生适度打开技术黑匣子
在编程软件中，机器学习模块仅需拍摄一定数量的图片就能自动提取图像特征，对图像进行分类。学生无需了解机器学习的复杂算法，就能理解图像识别中提取特征和分类辨别的思想。同时，亲自动手构建分类器模型，体会特征提取和测试模型过程，不但认识了机器学习过程，还进一步思考了影响模型性能的因素，进而更加深入地理解机器学习的过程。
4.图形化编程突出人工智能问题求解的过程，发展计算思维
本节课落脚点是使用人工智能技术解决现实生活中的问题，编程模拟搭建智能售货机的过程实际上就是表示和实现解决图像识别问题的算法。建立好的分类器模型在所使用的编程软件中封装为三块积木，教师首先解释这些积木的用途，随后对程序进行简要分析，最后学生编程模拟搭建智能售货机。编程过程中采用图形化编程方法，降低了程序设计语言的高门槛，营造充分的创造空间，让学生在发挥创意的同时发展计算思维。
5.合理看待人工智能技术，树立正确的人工智能观
教师设计总结反思环节，通过层层设问，如你制作的智能应用能准确识别物品吗？你制作的智能售货机还能销售其他商品吗？人工智能是否具有人类智能？引发学生对现阶段图像识别技术的发展水平、局限性及其本质进行思考，启发学生辩证地看待技术革新，理解新技术并能负责任地使用新技术解决问题，从而培养学生的信息社会责任。
6.低廉的装备降低人工智能课程开发成本
大部分开展人工智能课程的学校需要购买昂贵的配套装备，而本节课使用的软件为免费软件，硬件也仅添加摄像头，极大地降低了人工智能课程的开发成本，而低成本装备是人工智能课程得以实施的物质基础。
本文为陕西省教育科学“十三五”规划2020年度课题“基于课程融合的初中人工智能教学实践研究”（SGH20Y0097）阶段性研究成果。
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一、前言
自1956年“人工智能”这一概念被提出至今，人工智能的发展经历了数次热潮和低谷。近年来，随着信息技术的飞速发展，尤其是大数据、物联网和深度学习算法的日趋成熟，人工智能取得了长足的进步，其技术产品广泛应用到工农业生产、交通、医疗、安保、家庭生活等诸多方面，渗透并重构生产、分配、交换、消费等经济活动环节，形成从宏观到微观各领域的智能化新需求、新产品、新技术和新业态，改变人类生活方式甚至社会结构，实现社会生产力的整体飞跃。
在人工智能悄然走进千家万户的时代背景下，开展人工智能教育，是一项宜早不宜迟的教育责任。让学生更了解身边快速发展的技术，认识到技术发挥的巨大作用，形成智能化意识，对于他们确立正确的发展方向，更有效地运用人工智能技术提升学习的效果，更好地适应社会等，都具有极为重要的价值。
在基础教育领域，人工智能教育已受到一定重视。2003年印发的《高中信息技术课程标准（实验）》和2017年印发的《高中信息技术课程标准（2017版）》中，都将“人工智能初步”设定为选修模块，强调要加强人工智能教育。
2017年7月，国务院正式印发《新一代人工智能发展规划》，确立了新一代人工智能发展三步走的战略目标，人工智能的发展至此上升到国家战略层面。《规划》中明确指出人工智能已成为国际竞争的新焦点，应逐步开展全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程、逐步推广编程教育。
2017年12月，工信部印发了《促进新一代人工智能产业发展三年行动计划（2018-2020年）》。其中强调，人工智能具有显著的溢出效应，将进一步带动其他技术的进步，推动战略性新兴产业总体突破，正在成为推进供给侧结构性改革的新动能、振兴实体经济的新机遇、建设制造强国和网络强国的新引擎。
2018年4月，教育部发布关于印发《高等学校人工智能创新行动计划》的通知。《行动计划》提出，未来将形成“人工智能＋X”的复合专业培养新模式。《行动计划》还对中小学、高校等多层次教育体系提出要求，未来将在中小学阶段引入人工智能普及教育。
相关文件的颁布，为新时期的人工智能教育提供了方向引领和政策支持。在此背景下，各地根据实际情况，在小学和初中开设与高中、大学相衔接的人工智能地方课程，形成自下而上的教育体系，帮助学生了解技术给世界带来的深刻变革，在头脑中播下人工智能的种子。这对推动国家人工智能的发展，对拔尖创新人才的培养，对推进“中国制造2025”的实施，都具有特别的时代意义。
二、课程性质
在中小学开展人工智能教育，旨在为培养符合智能化社会需求的、具备良好计算思维和编程能力的创新人才奠定基础。一方面帮助中小学生了解人工智能对现代社会的影响，关注相关前沿知识，发展人工智能意识和信息伦理道德；另一方面帮助他们增长技术应用技能，激发利用人工智能技术创建美好世界的情感。
中小学人工智能是一门实践性课程。人工智能无疑是当前信息技术应用领域中最“杰出”的代表。中小学人工智能课程的实施，需要从贴近学生日常生活的人工智能技术出发，让学生通过动手动脑等实践活动，了解和掌握人工智能技术的原理、方法和技能，尝试提出新问题、新思路、新办法，达到发展创新意识和提高解决实际问题能力的目的。
中小学人工智能是一门综合性课程。人工智能科学除涉及信息科学外，还涉及到脑科学、神经科学、认知心理学等。人工智能技术包含计算硬件、大数据、各类算法等多领域技术知识，广泛应用于各行各业。人工智能课程的学习，需要将信息、技术、数学、艺术等多学科知识进行有效融合，运用观察、体验、实践等多样化的学习方式，以促进综合素养的发展和提升。在知识领域和能力发展方面都需要处理好“分”与“合”的关系，努力提升学生整体认识，促进能力全面发展。
中小学人工智能是一门发展性课程。人工智能的发展经历了多次跌宕起伏，每一次浪潮的到来无不伴随着技术的创新突破。当前人工智能正迎来难得的发展契机，蕴含着旺盛的生命力，并带来无限的可能。中小学人工课程需要与时俱进，和技术前进的步伐保持同步，在目标设定和内容设置上，应有一定的前瞻性、开放性、灵活性，同时也要有相对的稳定性。
三、课程目标
学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学生通过学科学习逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力。人工智能学科核心素养主要包括人工智能意识、技术创新思维和智慧社会责任。
1.人工智能意识
通过课程的学习，提升学生对人工智能技术的敏感度，让学生逐步形成如下认识：（1）人工智能技术的应用具有广泛性。人工智能的触角已经延伸到工农业生产和生活等很多领域。借助人工智能这个好帮手，可极大地提升学习工作效率，更高效地获取信息、处理信息、生成信息。要帮助学生认识到在许多智能化技术应用中，人工智能发挥了不可或缺的支撑作用。（2）人工智能技术尚不完善。人工智能还处于快速发展期，还需要人类不断开发和创新，拓展其应用领域并提升应用品质。（3）人工智能技术具有巨大潜力。人工智能正对世界方方面面产生着革命性的影响，很多传统技术手段难以解决的问题，可能在人工智能面前迎刃而解。
2.技术创新思维
人工智能技术的应用具有超出想象的创新空间，人工智能课程对促进学生创新思维的发展具有重要价值。通过课程学习，让学生认识到技术的发展永无止境，进而逐渐增强了解新技术的兴趣、探究新技术的热情、改善新技术的激情。引导学生学会观察、质疑、评价，辩证地看待技术的利弊，发现技术还存在的问题和不足。在此基础上，尽可能提出有价值的改进思路和建议，运用所学的人工智能知识和技术，积极探索、大胆想象，创造性地解决问题，形成具有创新特点的方案和作品。课程应着力让学生的技术创新思维成为思维的常态，为创新精神、创新能力的发展的奠定重要基础。
3.应用实践能力
人工智能课程作为一门实践性课程，有助于学生在应用人工智能技术过程中，增进对技术的亲切感、敏感性，逐步提升综合应用技术、驾驭技术的水平。让学生在动手、动脑的实践过程中，加深对所学知识的理解和掌握，学以致用、融会贯通。培养学生实事求是、严谨细致、精益求精、不畏困难的优良工作态度和作风，渗透工匠精神的传承。发展学生劳动观念、安全意识、合作意识，切实把培养社会主义建设者、接班人的长远目标融入当前的课程教学之中。同时，也为学生的人生规划、职业生涯发展规划等发挥一定作用。
4.智慧社会责任
通过课程学习，让学生认识到人工智能技术的应用，对智慧社会发展发挥着持续、强有力的推动作用。引导他们有志于运用人工智能技术促进国家的强盛、提高人民生活水平，服务于人类的发展。同时，感悟技术与人、自然、社会的关系，就人工智能技术对人、社会、环境的影响做出比较理性的分析，形成技术安全和责任意识，提升技术伦理和道理意识。在自己遵守智慧社会的道德的同时，增强维护社会信息安全责任，注意防范人工智能技术不合理应用造成的负面影响。
四、课程内容
（一）内容要求
内容一：通识知识
1.概念知识
了解人工智能的基本概念，知道人工智能与自动化、程序化的区别和联系。
认识人工智能技术的基本特征。
通过应用体验，认识“图灵测试”对于评测人工智能水平的作用。
知道人工智能的起源及发展历程，以及人工智能发展史上的一些重要科学家和影响人工智能发展的重大事件，认识到科技发展的曲折性和顽强的生命力。
通过观察和发现身边的生活实例，了解人工智能技术的广泛应用，感受人工智能应用给生活、学习带来的便利。
了解人工智能技术的主要研究领域。
认识人工智能对人类的影响，了解人工智能未来的发展趋势。
了解人工智能与人类智能相比的优势和局限。
认识人工智能对人类社会未来发展的巨大价值和潜在威胁。
初步形成运用人工智能解决问题的意识，以及应用人工智能的社会责任。
2.原理初步
结合具体案例的应用体验，了解专家系统，感受专家系统的应用价值。
了解人工智能原理中的核心算法，如策略树。
了解遗传算法程序通过自我学习选择上一代的优点。
了解大数据在日常生活中的应用。
了解机器学习的基本原理。
初步了解机器学习中的监督学习和强化学习原理。
初步了解机器翻译的原理。
了解蒙特卡洛树搜索和深度学习的其他应用。
知道贪婪算法在程序中的体现和生活中的应用。
了解神经网络的基本原理。
内容二：实践体验
1.基础应用
（1）图像识别
通过智能终端智能拍照，美颜软件美化头像，体验运用开放人工智能教育平台中的人脸识别服务。
体验智能识图软件在学科实践中的应用。
感受人脸识别、图像识别技术的便利，了解图像识别的应用领域。
体验AR（增强现实）和VR（虚拟现实）技术在学习和工作中的应用。
（2）文本识别
通过体验运用识别工具将文字图片转化为数字化文本的活动，掌握文本识别软件的使用。
体验手写输入法的使用，了解手写输入与文本识别原理的相同与不同之处。
（3）语音识别
学会使用贴近生活的智能语音技术工具，增进人工智能学习兴趣。
了解智能语音技术发展及其对社会生活的重要意义。
熟悉人工智能技术支持的人机交互方式。
（4）语音合成
体验利用语音合成技术将文本转化为特定的语音效果。
利用应用软件提取使用者的声音特征，模拟将文本信息转化为使用者的语音效果输出，体验语音合成技术的应用。
（5）机器翻译
尝试使用机器翻译技术，学会应用机器翻译帮助语言学习。
通过体验文字和语音的在线翻译及“翻译接龙小游戏”等活动，了解人工智能带来的便利。
初步认识机器翻译的优势与不足。
2.综合应用
（1）智能生活
了解人工智能在家庭生活中的应用，认识人工智能对改善生活品质的作用。
初步了解智能家居的工作原理。
通过设计未来家居增进对人工智能的理解，发展创新能力。
了解信息智能推送的工作原理。
了解当前常用的智能搜索，并掌握使用常用的搜索引擎帮助学习。
通过设计未来智能购物方案，了解导引系统和自动收费系统，初步理解相关知识，进一步体验人工智能带给人们生活的便利性。
（2）智慧城市
结合典型实例，了解人工智能在交通中的应用。
认识人工智能在无人驾驶中的应用，了解其应用原理。结合具体案例，了解无人驾驶技术的发展前景。
通过制定智能家庭出游方案，了解并运用导航系统、远程预定服务、ETCP业务，感受人工智能在智能出行中的作用及带给人们的生活上的便利。
了解智能安防系统中常用的防盗报警系统、视频监控报警系统、出入口控制报警系统。
（3）智能生产服务
了解人工智能在工业自动化生产中的应用，认识人工智能对工业生产存在巨大促进作用。
了解智能化农业生产，以及人工智能在促进农业现代化发展中的巨大应用潜力。
了解人工智能在物流领域的应用。
了解人工智能在金融领域的常见应用，如在线支付、无人银行等场景和技术。
了解人工智能在医疗服务中的应用。
尝试使用智能移动终端、PC机操作系统或智能应用平台中的智能助理功能。
了解教育机器人的一般功能，体会人工智能技术支持的学习与传统学习的差异，提高数字化学习与创新的意识和能力。
（4）其他方面
体验利用人工智能应用软件进行文章、诗歌、绘画、音乐等创作。
通过使用情感分析软件，认识情感分析技术及其应用价值，初步了解情感分析的技术原理。
了解人工智能在教育领域的应用。
了解人工智能在国防安全领域的应用。
内容三：创新应用
1.智能化编程
通过简单编程活动，初步了解计算机程序与人工智能技术的关系。
体验使用分支结构、语音识别、机器翻译等图形化编程积木编写程序。感受编程在人工智能开发中的作用。
初步学会运用系统化、智能化的思维方式设计程序，制作简单的物联网模型系统，理解远程控制电子设备的方法。
通过使用智能交通模拟程序，体会人工智能在解决交通拥堵问题中的潜力。
在图形化编程工具中使用智能游戏工具，体验编写无监督学习游戏的过程。
了解最简单的人工智能之线性回归的概念和作用，体会通过现有数据预测未来数据的思想。
通过对程序的调试，初步认识遗传算法的特点。
通过植物（如鸢尾花）的生物特征分类程序，体验智能机器学习中任务预测功能。
2.智能机器人开发
通过机器人组装、编程活动，了解传感器在智能机器人系统中的作用，了解视觉传感器与普通传感器在人工智能系统中的区别。
通过搭建避障移动机器人，感受启发式算法在智能机器人中的应用。
通过组装分拣机器人，感受视觉传感器在智能机器人中的应用。
通过组装和搭建智能浇花系统，了解智能农业生产控制系统。
通过设计制作循迹机器人和进行图形化编程控制机器人完成规定的任务，提升动手实践能力。
通过设计制作危险品检测机器人，并进行编程，控制机器人完成模拟危险品排查任务，体会人工智能在安全领域的应用价值。
（二）教学提示
人工智能课程的教学，在内容选择、难度把握上应符合学生认知水平，突出人工智能技术的体验实践。需要遵循学生认知规律，切合学生能力水平，采用探究发现等学习形式，将相关科学、信息技术、综合实践活动融入其中，追求STEAM教育。
1.遵循学生认知规律
教学中注意切合学生的认知特点，按照科学的逻辑顺序推进教学：由易到难、由简单到复杂、由体验到模仿、由模仿到创新、由感性到理性。突出学生的学习主体地位，贴近学生生活经验，考虑学生的学习喜好，让他们在玩中学，按照“体验—思考—实践—创新”的顺序开展教学。
2.切合学生能力水平
人工智能技术具有复杂性、综合性、前瞻性等特点，因此在教学中设置的问题情境、开展的实践活动、布置的开发任务，应注意切合学生的能力水平，充分考虑他们的知识基础和动手能力，避免盲目拔高，导致过于超出学生实际而“欲速则不达”。
3.追求STEAM教育
发掘技术与科学、人文相融合的典型案例，引导学生重视技术创新，弘扬科学精神。结合智能机器人、3D打印、创客教育等教学内容，开展STEAM综合教育，促进学生综合素质的提升。注重挖掘知识中蕴含的思想观念、人文精神，促进学生社会责任感，以及共同创造人类美好未来的情怀的发展。
4.关于通识知识内容的教学
（1）概念知识
根据学生的知识基础和理解、接受能力，合理地对教学内容进行取舍和替换，不求全面和系统。教学中应避免单向灌输，尽量通过创设情境，利用问题、任务，引导学生主动阅读和学习，并增强学习的趣味性。
（2）原理初步
由于中小学生的数学、科学、信息技术等学科相关知识相对欠缺，因此教学开展具有一定的挑战性。教学中应根据实际情况，选择适合学生认知水平的教学内容。教师应对相关内容弄懂弄透，深入浅出、形象生动地介绍给学生，并努力让学生在理解的基础上产生知识迁移。
5.关于实践体验内容的教学
体验、模仿是基础教育阶段最重要的学习方式，也是创新的基础和前提。重视学生对已有人工智能技术的体验应用，结合学生的天性，选择他们感兴趣的技术，让他们在玩中学，教师应多鼓励和引导他们“玩”出新花样，“玩”出新水平，在“玩”中获得新知识，发展新思维。
教学活动重点放在人工智能基础应用，综合应用内容限于条件以介绍为主。
6.关于创新应用内容的教学
（1）人工智能编程内容
编程是实现人工智能的关键基础，编程教育近年来也受到国家的重视和倡导。由于编程是信息技术国家课程的重要组成部分，人工智能课程教学受课时限制，不能也没有必要开展系统性的编程教学。所涉及的编程（包括机器人编程）应尽量直观化、便捷化，让大多数学生可以在模仿的基础上通过修改参数形成自己的程序。对于有兴趣和能力的同学，教师可指导他们在课外学习相关编程知识，以达到更理想的效果。
（2）智能机器人开发内容
人工智能的教学离不开智能化的硬件设备，围绕组装智能机器人开展教学是比较理想的教学方式。相关教学可适当与信息技术、劳动技术教学结合，培养学生的动脑设计和动手实践能力。同时给学生留有创造性空间，允许学生在外观、功能、效果等方面进行个性化设计，避免学生只是照方抓药地完成任务，而达不到体验人工智能价值、自主创新的目的。
（三）学业要求
1.人工智能通识知识
（1）概念知识
学生能够对人工智能的基本概念有所了解，初步把握人工智能的基本特征，知道人工智能的起源和发展历程。认识人工智能对个人生活和学习的重要作用，了解人工智能技术的主要研究领域（如机器学习、自然语言处理、计算机视觉、机器人等），知道人工智能的优势、局限及其发展趋势，认识人工智能对人类和社会发展的影响（人工智能意识、智慧社会责任）。
（2）原理初步
学生能够了解专家系统的原理及其作用，对策略树和遗传算法的概念有所了解。能够描述大数据在日常生活中的作用。对机器学习（如人工智能分类）和机器翻译的基本原理有了解。了解蒙特卡洛树搜索和深度学习的算法思想；知道贪婪算法的思想及其应用（人工智能意识、技术创新思维）。
2.人工智能技术实践体验
（1）基础应用
学生能够利用美颜软件对头像进行美化，会使用开放性人工智能平台中的人脸识别功能。认识增强现实技术的应用价值，以及人工智能的支撑作用。了解图像识别技术对科学实践和生活的影响。能够使用识别软件将包含文本的图片转为数字文本，对手写输入与文本识别的相同点和不同点有所认识。能够使用智能语音技术工具，认识人工智能技术支持的人机交互方式，了解语音识别技术对社会生活的意义。能利用语音合成技术将文本信息转化为语音效果输出，认识语音识别技术对社会生活的影响。掌握使用机器翻译技术帮助语言学习，能够描述机器翻译的优势和不足（应用实践能力、智慧社会责任）。
（2）综合应用
学生能够对智能家居的工作原理及信息智能推送的工作原理有初步了解。能设计未来家居，认识人工智能对生活品质的作用。会借助智能搜索提升自我学习，基本理解引导系统和自动收费系统相关知识。能够设计未来的智能购物方案，认识人工智能给生活学习带来的便利（人工智能意识、应用实践能力、技术创新思维）。
学生能够对无人驾驶技术及其实现的原理有所了解。能运用导航系统、远程预定服务、ETCP业务制定智能家庭出游方案，了解防盗报警系统、视频监控报警系统、出入口控制报警系统。能够对无人驾驶的发展前景有初步认识（人工智能意识、技术创新思维）。
学生能够了解人工智能在工业自动化、农业生产、物流领域、金融领域及医疗服务中的应用，认识人工智能对不同领域的影响（除了以上还包括对文章、诗歌、绘画、音乐创作等的影响）。能够借助人工智能技术支持学习，提高数字化学习与创新的意识和能力。了解人工智能对国家安全的重要作用（人工智能意识、智慧社会责任）。
3.人工智能创新应用
（1）智能化编程
学生能够对计算机程序和人工智能技术的关系有一定认识。能够使用图形化编程工具编写简单程序（如体验编写无监督学习游戏），通过调试遗传算法程序认识遗传算法的特点。能够设计简单的物联网模型程序。能认识二维数据和坐标的关系，对简单的人工智能线性回归的概念和作用有初步认识（技术创新思维、应用实践能力）。
（2）智能机器人开发
学生能够认识视觉传感器和普通传感器的区别，了解传感器在智能机器人系统中的作用，并能利用各种传感器搭建具有一定功能的智能机器人或智能系统。能够搭建避障移动机器人，理解启发式算法的原理。能够组装分拣机器人、智能浇花系统并制作循迹机器人、危险品检测机器人。能够利用图形化编程工具编程，控制机器人完成规定的任务，并认识人工智能在安全领域的应用价值（技术创新思维、应用实践能力）。
五、实施建议
（一）教材编写建议
1.教材编写原则
（1）思想性原则。全面贯彻党的教育方针，遵循国家的有关法律、法规和政策，坚持“以人为本、德育为先、能力为重、全面发展”。充分挖掘人工智能的教育价值，着眼学生的人工智能素养的发展，根据学生能力水平、兴趣喜好和发展需要，精选与国家的人才培养战略相吻合，有利于学生全面发展、长远发展的具有教育价值的内容，发展学生的核心素养。
（2）科学性原则。教材内容力求科学，得到较权威的论证。原理和数据等力求准确，得到广泛的认可和接受。教材编排要符合认知规律，循序渐进、螺旋上升。倡导的教学方法具有现代教育理念，提倡合作学习、自主学习、研究性学习、体验学习等。
（3）时代性原则。教材内容突出时代性，借鉴国际教材发展趋势，体现时代发展新要求、社会新变化和科学技术新进展。并能与时俱进，探索教材资源电子化新模式，及时更新教材内容，丰富课程资源。
（4）创新性原则。教材应着眼于创新型人才的培养，注重拓展学生思维，开阔学生视野，不满足于让学生对已有概念原理知识的接受，而是努力激发学生的创造潜能，让他们对已有人工智能技术进行开发性应用。
（5）适切性原则。人工智能学科属于信息技术发展前沿学科，学科课程体系中包含较多学生难以理解的知识、方法，教材的编写要充分考虑学生的身心发展水平和心理接受能力，既考虑学生已有的知识和经验，注意与有关课程的衔接，又难易适中、深广度合理。
2.教材内容的选择
（1）教材内容板块分类。教材内容包括三个板块：①通识知识。结合具体应用案例，介绍人工智能通识性知识，包括起源发展、应用领域、基本原理算法等；②实践体验。采用项目学习、任务驱动方式，让学生亲手实践、亲身体验人工智能技术；③应用创新。调动学生的想象力、创造力，让他们结合自身兴趣和需求，对已有软硬件（如开源的程序模块、机器人设备等）加以改造、优化和完善，追求创新性应用。
（2）合理设置各板块内容。
通识知识内容。将知识的学习寓于活动、问题、思考之中，避免流于平铺直叙的介绍和讲解，而是采用灵活多样、生动形象的呈现方式。要求编写者充分把握学生的认知特点，加强对相关内容的深入理解和创新加工。
实践体验内容。选择与学生生活实际和学科学习有一定关联，同时又适当高于日常应用，具有趣味性、探究性的人工智能技术，让学生尝试、体验、改造，有深度、有品质地参与到技术的应用中。
应用创新内容。围绕智能化编程和智能机器人的设计、制造，设置水平切合学生实际的软硬件开发任务，让学生通过动手、动脑，创造具有个性化特点的人工智能产品。
（3）合理控制深广度和难易度。由于人工智能技术还处于快速发展阶段，存在很多动态变化和不确定的因素，教材教学内容不应追求全面、系统，而是侧重一些相对成熟的技术和应用。同时，应具有一定的前瞻性和开放性，避免出现狭隘的结论和武断的看法或观点。再有，分析教师和学生的信息技术、通用技术水平，设置合理的难易度，避免过于浅显或过于高深，并兼顾不同地域教学水平、教学设施的差异。为高中继续学习人工智能奠定初步的基础。
（4）关于编程教育内容。编程是人工智能教学的重要组成部分，但考虑学生能力水平实际，不宜强化编程的系统学习，否则一方面可能冲淡人工智能的主题，另一方面限于篇幅和课时也难以达到编程教育的目的。合理的做法是根据需要让学生结合样例和开源模块，通过容量不大的编程达到创新人工智能应用的目的。需要深入、系统学习编程的学生，在课外自主学习完成。
（5）关于人工智能原理知识。对于人工智能技术原理知识的教学，适当向学生打开人工智能的“黑盒子”。但要把握合理的度，避免走两个极端：一是完全不向学生介绍原理，导致学生学习之后仍然是人工智能的“门外汉”，只是机械、被动地应用，不能真正在头脑中埋下“人工智能”的种子；一是过多介绍原理或复杂的算法，导致过分加重学生学习负担，使他们对人工智能望而却步。编者应在吃透原理的前提下，切合学生的知识基础和理解能力，采用比喻、举例等方式，深入浅出地引导学生理解其中的科学道理。
3.内容编排与呈现
（1）循序渐进，螺旋上升。关注学生的认知发展规律，根据学生的知识水平、生活经验、理解能力，将三个板块内容合理切分到不同册次，但册与册之间存在清晰的逻辑关联性，让学生的知识、能力、情感等方面的发展螺旋上升。
同一册教材的各章节，以及各册次教材相关内容，都有或显或隐的线索。通常包括两种线索，一是学科知识的发展，一是学生能力的发展。
（2）设置数量合理、灵活多样的栏目。设置一定数量、类型多样的栏目，使主干和分支内容能够灵活呈现和科学组织，便于教师根据师生特点和需要个性化组织教学，切实起到引领、支持教学的作用。
（3）注重情境、活动和问题的整体设计。设置有利于调动学生学习欲望、与学习内容密切相关的情境，将情境、活动和问题解决融为一体，注重学生自主建构、实践探究和问题解决，促进学习方式的转变。学习内容尽量贴近学生的生活、学习实际，能激发学生的求知欲，满足学生的兴趣喜好。寓教于乐，让学生在比较轻松愉悦的氛围中学习和实践。
（4）重视教材助读系统的设计。结合学生的身心发展规律，对前言、提示、注解、附录等助读学习辅助材料进行科学、系统、合理的设计，促进学生自主学习。
（5）注重教材的物理形态设计。教材应开本恰当，装帧良好，易于保存和阅读；纸质、纸张颜色具有视觉美感；版面设计清爽美观、疏密得当；文本与图表等搭配符合学生身心健康要求，体现艺术性；有统一的风格、标识、卡通形象等。
（6）注重研究创新，打造教材个性化风格。研究先行，把教材的开发置于研究基础之上，将研究的积淀转化为教材成果。要避免教材低水平重复开发，努力使教材易读、易学、易教、生动、有内涵，特色鲜明。在修订和优化时，注意吸纳优秀的教学成果到教材中。
（二）教学资源建设建议
1.建设原则
（1）立体化原则。教材、硬件、软件共同支撑人工智能教学的开展，三者构成立体化的课程资源，多个维度高度融合，全面覆盖课程教学需要。
（2）适切性原则。综合考虑教学开展的课时、经济成本、场地成本等因素，开发的软硬件资源尽量贴近教学需要，操作简便。考虑中小学课时、教师和学生的实际情况，以“适用好用”、有条件的地区“适度超前”为原则，因地制宜，精心筛选。教学资源要切实为教育教学服务，注重标准化、规范化、科学化、有效性，体现中小学教育教学特点，满足教育教学要求。
（3）自主性原则。立足中国实情，吸纳国际先进经验，鼓励使用国内自主研发的产品。鼓励学校和教师、学生根据教学需要，自主开发具有校本特色的教学资源。
（4）创新性原则。注重已有资源的创新性应用，注重发掘资源的创新教育价值，注重资源的创新性开发。所选用资源需要适应时代发展，动态更新。
2.建设内容
（1）开发教材辅助材料。在教科书的基础上，编写教学参考书、学生活动手册、学生阅读材料等，为教学提供全方位、立体化的支持。
开发教材培训资料。人工智能教学具有挑战性，需要给教师提供培训和指导，可开发纸质或数字化的培训资源，包含对课程标准和教材内容的理解、对相关知识的扩充、对教材中任务活动开展的建议，以及可参考借鉴的案例等。
开发数字化教材。条件具备的情况下，建议开发与纸质教材配套的数字化教材，将数字化教学素材、资源整合其中，以实现教材的立体化建设，促进数字化教学的深入开展，提升教学的质量。
（2）开发教材配套资源。包括知识性视频、微课案例、数字化阅读材料等，以拓宽学生的学习视野，为教师教学和学生自主学习提供支持。以资源包的方式整体提供给师生使用。
（3）开发硬件资源。开发有助于学生动手实践的硬件设备，如支持学生编程的智能机器人，利用3D打印设备制造特别器材设施，具有特殊功能的电子集成线路板、元器件等兼容性好、灵活性高的硬件资源。
（4）提供开源性网络（软件）资源。合理引用、加工人工智能机构提供的开源或有应用接口的人工智能网站、APP软件，形成适用于师生智能终端的资源。
（5）构建人工智能教学环境。整合已有教学资源或者新建人工智能教学功能场室，突出人工智能教育特色，满足人工智能教育教学的需要。同时注重人工智能文化氛围建设，熏陶师生的人工智能意识。
（6）建设网络教学平台。鼓励具备条件的地区根据教学需要建设区域性的人工智能课程网络教学平台，为教师学生提供资讯服务和教育教学资源支持。
（7）开发社会教育资源。加强与高等院校、科研院所、相关企业的联系，设立一批人工智能校外学习基地或实践基地，吸纳教育教学适用的软硬件教学资源，探索全社会合作育人的途径和机制。
（三）教学实施建议
教学是学校实现课程目标的主要途径，教师的角色转换和学生学习方式的改善是实施有效教学的关键，是课程改革成功的保证。为实现本课程目标，结合课程的设计思想和教学实际，提出如下教学建议：
1.围绕核心素养目标开展教学
在教学过程中，要重视对学生进行技术思想和方法的学习指导，围绕人工智能意识、技术创新思维和智慧社会责任开展教学。在教学中，应避免过度强调对事实性知识的机械记忆，教师要精心挑选一些贴近学生学习生活实际、体现人工智技术核心的应用实例，引导学生体验、领悟人工智能技术思想和方法，实现人工智能教育的价值。
2.创新学生主体的多元教学方式
针对不同的学习内容，考虑学生差异，灵活采用自学、模仿、试验、合作、体验、探究等各种教学和学习方式，引导学生通过阅读、观察、应用、设计、编程、组装、改造、思考、讨论、展示等活动，促进学生在教师指导下主动地、富有个性地学习。培养学生的智能意识和实践能力，让学生体验人工智能相关技术在不同领域中的应用，提高学生利用人工智能解决实际问题的能力。
中小学人工智能课程与其他课程有一定的区别，学习的内容涉及面广，有一定的难度。可以通过体验和实践、动手与动脑、模仿与创新相结合，让学生在实践中加深对相关技术知识的理解。
此外，对于高年段的学生，可以尝试采取项目学习，立足学生的学习、生活和未来工作实际，培养学生规划、设计，以及解决实际问题的能力，改变以往的教学过于偏重接受性学习的倾向，促进课内外的沟通，加强学生学习的自主性，提高学生的数字化学习与创新能力。
3.注重多技术整合应用
人工智能技术处于现代技术中的前沿，与物联网、云计算、大数据等技术紧密联系，在教学中既可以成为学习内容，又可以作为学习工具。要积极创设条件，整合多种技术，利用各种应用平台，培养学生使用现代工具解决技术问题的意识和基本能力；要利用网络技术进行技术合作与交互式技术学习，以改善学习方式，提高学习的有效性；要鼓励学生通过动手实践来打破对新技术的神秘感、恐惧感，形成对新技术的亲近感，改变教和学的方式，降低学习技术的难度，提高学习技术的效率。
4.创设智能化教学环境
人工智能教育的开展需要依托于多种教学平台、系统、软硬件资源的支撑，学校应尽量配置必要的计算机、移动智能终端、网络设备、智能机器人、传感器和各种应用人工智能教育软硬件平台，有条件的可设立人工智能实验室，为人工智能教学的顺利开展创设良好环境，提供有力保障。
5.加强教学研究与培训
人工智能课程具有理念新、内容多、难度大、发展快等特点，实施过程中会遇到各种各样的问题和困难。教师应结合本地区实际情况，针对教学具体问题，通过自学、讨论、听课、公开展示、课题研究、教学评比等各种形式，加强对教学内容的深入理解、掌握，合理制定教学目标，把握好教学深度、难度。学校（或校际）应建立技术教研组，组织教师开展教学经验和研究成果的交流，促进课程资源的开发，提高教师的教学能力。
（四）教学评价建议
教学评价是人工智能课程教学的有机组成部分，评价的主要目的是促进学生的学习，改善教师的教学，完善课程方案的设计。对学生的评价应基于人工智能学科核心素养展开。本课程要求突出评价对学生的发展价值，强调评价对学生学习的激励、诊断和促进作用，发挥评价的导向功能。
1.综合运用多种评价方式
人工智能课程内容类别多样，学习方式多样，单一的评价方式难以有效反映学生整体学习状况。建议采用成长记录袋、作品评价、合作交流与经验分享、小组竞赛等多种方式对学生学习成就进行综合评价。课上练习可以与课后作业相结合，根据实际需要加入适量的学生综合实践、作品设计与制作、社会调查、作品展示等内容。
2.开展表现性评价
表现性评价是把对学生在真实情境中完成某项任务或任务群时所表现出的语言、文字、创造和实践能力的评定，也指对学生在具体的学习过程中，所表现出的学习态度、努力程度以及问题解决能力的评定。表现性评价比较适合于评定学生应用知识、整合学科内容，以及决策、交流、合作等能力。
人工智能课程的表现性评价可采用如下方式：对日常学习中的态度、参与度、习惯等表现评价；对开放式问题的思考、回答评价；对成果的实际操作过程及展示的评价；对高层次学力状况的“思考能力、判断能力、表现能力”的评价等。
3.终结性评价与过程性评价有机结合
人工智能课程的教学目标重在激发学生学习兴趣，重视体验、实践、应用、创新。学生的学习过程也是评价的重要依据，因此，对学生的学业评价可以采用终结性评价与过程性评价相结合的方式，既重结果又看过程，将学生在学习活动中的活动成果和各种表现一并作为评定学生发展状况的重要依据。提倡采用质性评价方式，避免将评价简化为分数或等级。
4.评价主体多元化，发挥评价激励作用
采用多元主体评价方式，开展学生自评、互评及教师评价（也可适当吸纳学生家长参与）。突出评价的激励作用，用评价引导学生学会认知，学会思考，学会创造。对学生作品的评价要重视设计的思路和过程，不要简单评价作品的优劣，最好能提出中肯的改进建议。在评价学生作品时，评价标准应在学生制作之前就予以明确，并突出展现学生学习成就。评价标准中的具体要求可灵活把握，根据作品内容、作品规模、学生能力状况等实际情况适当进行调整。
来源：网络
转自：图灵人工智能
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/阅读下一篇/返回网易首页下载网易新闻客户端《人工智能导论》教学大纲（含课程思政内容）
05
教学内容和课时安排（含课程思政内容）
（一）课程学时分配
（二）课程思政参考内容
（三）课程教学内容与重点难点
第1章人工智能导引
教学目的：了解人工智能的概念、学习人工智能的目的和意义、应用；了解人工智能的分支。
教学内容：人工智能的概念、应用场合；人工智能的分支。
重点难点：重点是了解人工智能的分支，难点是人工智能各个分支之间的关系。
第2章Python基础知识
教学目的：了解Python在不同环境下的安装；熟练使用python的基本编程，包括各种数据结构；掌握第三方模块的安装和使用，文件的读写；掌握NumPy包的熟练使用；掌握Python的绘图基础。
教学内容：编程基础（列表、元组及字典、基本语句；函数）；模块的安装与使用；文件的读写；NumPy的使用；Python的绘图基础。
重点难点：重点是使用Python进行相关的编程，如NumPy的编程，绘图基础等。难点是使用NumPy进行较为复杂的开发与绘图。
第3章机器学习初步
教学目的：了解机器学习的概念、其与人工智能的关系、机器学习的分类；了解数据预处理与特征工程，包括数据清洗、数据变化、过滤、特征工程；熟练使用Sklearn包；熟练使用回归分析。掌握聚类的基本原理与常见的聚类算法。
教学内容：机器学习及其工作流程；机器学习的分类；数据预处理与特征工程；Sklearn库的使用；逻辑回归分类和线性回归预测；聚类的原理与K-Means聚类算法。
重点难点：重点是机器学习的流程与Sklearn的实践。难点是聚类算法及其调优。
第4章自然语言处理
教学目的：了解自然语言处理的概念；掌握文本分词与词汇还原的方法；掌握文本分块与词袋模型；熟练使用TF-IDF算法，并据此构建文档类别预测器。
教学内容：自然语言处理的概念；文本分词与词汇还原；文本分块与词袋模型；文档类别预测；语义分析器；主题模型。
重点难点：重点是文本分词及其文档类别判断的方法。难点是语义分析器的理解与实现。
教学目的：了解处理语音信号的方式，可视化处理的过程；掌握处理语音信号的的相关技术；能够独立建立一个英文的语音识别系统。
教学内容：处理语音信号；可视化音频信号；音频信号从时域转换到频域；生成音频信号的方法；提取语音特征；构建语音识别系统。
重点难点：重点是语音特征的提取策略和方法；难点是构建语音识别系统，尤其是适当结合深度学习机制进行语音信号的识别。
第6章计算机视觉
教学目的：了解什么是计算机视觉,掌握安装流行的计算机视觉库—OpenCV。了解利用帧间差分法检测视频中的移动部分。掌握使用色彩空间和背景差分法来跟踪对象,使用CAMShift算法来构建一个目标跟踪器,并学习光流的基本知识。熟悉人脸检测的相关概念,构造一个人脸检测和跟踪器。
教学内容：计算机视觉的概念；OpenCV介绍；视频中移动物体检测方法；目标跟踪器的构建；基于光流的跟踪；Harr级联和积分图；人脸检测与跟踪。
重点难点：重点是熟悉基于OpenCV进行的各种视觉处理方法，为进一步深入视觉学习奠定基础。难点是人脸检测和跟踪，尤其是复杂的场景，如戴口罩情况下。
第7章人工神经网络
教学目的：了解什么是人工神经网络，熟悉如何建立人工神经网络；了解感知器，掌握基于感知器构建一个分类器；掌握单层和多层神经网络；掌握循环神经网路。
教学内容：神经网络的概念；建立和训练人工神经网络；感知器；构建单层人工神经网络和多层人工神经网络；循环人工神经网络；构建光学字符识别引擎。
重点难点：重点是熟悉构建单层、多层以及循环神经网络；难点是神经网络的使用，如利用神经网络来构建一个光学自负识别引擎。
第8章强化学习与深度学习
教学目的：掌握强化学习的概念及其表现；了解深度学习以及卷积神经网络；熟练使用卷积神经网络构建简单的应用。
教学内容：强化学习的概念；深度学习的概念；卷积神经网络；利用卷积神经网络建立图像分类器。
重点难点：重点是深度学习及其使用；难点是利用卷积神经网络进行实际的应用开发，尤其是其可解释性问题是需要学生简单了解的。
第9章区块链
教学目的：了解区块链的基本概念；掌握区块链和人工智能的关系；了解如何利用人工智能技术对区块链进一步优化。
教学内容：区块链概念；人工智能与区块链；在区块链中使用朴素贝叶斯；优化区块链。
重点难点：重点是区块链概念的理解，产生的原因的深入分析；难点是如何充分的利用区块链技术进行多方向（领域）融合的设计与开发，包括在教育领域、知识产权保护等等。
第10章人工智能算法
教学目的：了解人工智能常用的启发式算法；掌握其基本的思想方法；掌握遗传算法、模拟退火算法、蚁群算法等。
教学内容：启发式搜索算法；遗传算法；模拟退火算法；蚁群算法。
重点难点：重点是掌握典型的启发式算法，如遗传算法、模拟退火等；难点是这些算法优化的特定目标和适用的场景；同时，也希望同学能够探索一些其它的启发式算法，并进一步比较分析，这也是本章的另一个难点。
06
课程教学方法
本课程教学采用以多媒体教学为主，以板书为辅的教学方式，并加强图示教学和实例教学以增强学生的学习兴趣并加深学生对重点知识以及理论与实际工程问题相结合的理解。
1、教师课堂讲授：基本概念和核心知识内容的传授，由主讲教师完成。
2、课堂讨论：要求学生以小组的形式对所学的知识点进行现场讨论。
3、MOOC：对课程的一些知识点采用国内外知名专家学者的视频公开课进行知识的传授。
4、SPOC：对于授课难点问题尤其是实际运用的问题时，采用翻转课堂的形式积极引导学生的参与意识，提高学生的创新能力。
5、学生/项目组讲授/表达：学生小组讨论，对于常识性的知识点的表达，提高学生的沟通和表达能力。
07
课程学习资源
1.教材
《人工智能导论（Python版）微课视频版》
ISBN：978-7-302-57239-8
作者：姜春茂
定价：49元
｜学习资源｜
500分钟视频、PPT课件、示例源码、习题答案。返回搜狐，查看更多
人工智能将如何改变学校教育怎样融入课堂未来学生该如何抉择，未来教育该何去何从
学生学习更加自主
人工智能改变教育的最终目的和指向是实现每位学生学习的个性化和自主化。古代的教育依赖的是年长者对年轻一代的口耳相传，私塾制、师徒制下的个性化教育，只是少数人的专利。造纸术、活字印刷术以书籍的发明，让知识的普及、学校教育的普及有了可能。伴随着班级授课制的产生，现代学校制度得以确立，这才使得每个人都有机会接受学校教育，这在教育史上是一个巨大的进步。教育的内容、形式、节奏，按学生年龄分班，以课时为准，整齐划一，标准一致。可以看出，过往的岁月中，教育经历了少数人的个性化教育（主要体现为教育中的师徒制和私塾制）到多数人的标准化教育（主要体现为班级授课制度和现代学校制度）。这其中，既离不开制度变革的保障，更需要有技术的支持。随着移动互联网等现代信息技术的发展，教育将迎来多数人个性化教育阶段。如果说中国古代的因材施教的理想体现在少数学生身上，那么，移动互联网等现代信息技术、尤其是人工智能技术的发展将使得对多数人、乃至对每一个人的因材施教成为可能。丰富的在线资源、智能的诊断与推送等，使得学生可以自主和个性化地学习。当今的学校教育已经开始体现这一特点，并将在未来得到进一步发展。
教师工作将更具人性和创造性
人工智能技术的发展将极大地解放教师在认知领域的教学与评价工作，如事实性知识、概念性知识以及部分程序性知识的教学都可以由机器来完成。学生作业的自动批改，在线学习的智能支持和服务等，这些都可以通过技术来解决，甚至技术解决问题的效率要远远高于教师。微课视频可以让学生反复观看，智能诊断系统对学生作业的批改的效率、反馈的及时性等远远高于教师。所以，人工智能的运用可以将教师从大量的重复性机械劳动中解放出来。这样教师就有了更多时间和学生进行个性化的交流与沟通，组织学生参加更多的活动，进行更有效的教学设计等，充分发挥教师作为人的不可被替代的作用与功能。从知识分类的角度而言，认知领域的教学交给机器，让教师有更多的时间从事情感态度价值观领域教育以及动作技能领域的教与学。从我国古代教师的“传道”“授业”“解惑”的角色而言，“传道”“授业”的功能部分可以由人工智能来替代，“解惑”等更具创造性、更具有人性的工作，需要教师做得更多、更好。
课堂教学更多实践和体验
人工智能时代学生学习打破了时空限制，随时随地均可在线自主学习。那么将师生聚集在一起的课堂教学有哪些不可替代的功能，就成了一个重要课题。和学生在线自主学习不同，师生面对面的课堂教学，应有更多的实践和体验、更多的活动和交流。未来学校课堂可能会有诸多形式，翻转课堂应是其中一种。基于学生课前在导学任务单帮助下的在线自学，来到师生面对面的课堂上，更多可能性将得以展开，人文社科类的课堂，师生、生生之间可以有更多针对问题的深度研讨；物理化学等实验类的课堂，学生可以有更多的时间开展探究实验；音乐美术类的艺术课堂上，师生可以有更多的时间进行艺术鉴赏和创作；语言类的课堂上，学生可以有更多的时间进行口语对话练习。与此同时，基于学生在线的自主学习，学校可以组织更多的社会实践，开展更多的活动，丰富和深化学生的学习体验，让学生的学习更加自主，更加主动活泼，学习内容更加综合，切实改变当前课堂上学生被动学习为主、知识接受为主的现状等，这是人工智能改变课堂教学的重要方向。
教学管理更富弹性和灵活性
和上述移动互联时代学生学习时空的改变相一致的是，学校的教学管理需要更加灵活、更具弹性。每节课不一定是现在的40分钟，每天也未必是7节课。学习论早就指出，针对特定的内容，为了达到特定的掌握程度，每个学生所需要的学习时间是不一样的，有的学生10分钟即可掌握，有的学生需要30分钟。掌握是一个常量，学习时间则是变量，当然学习的变量还包括学习的材料、学习者个人的天赋以及学习的形式等。以往在特定的教室内，在统一的时间内学习统一的内容，进行同样的评价的班级授课制度，在历史上，对于满足大工业时代对大批受过教育的人才的需求，作出过巨大的贡献。但是针对不同的学生个体，班级授课制这种整齐划一的教学管理制度，也越来越暴露出其不能满足学生个性化学习需求的弊端。人工智能时代的教学管理需要更具弹性，基于学生学习的需求和掌握程度进行调整。目前美国日益增多的虚拟学校，在这方面做出了诸多尝试，即拉长教学管理单位的周期，学校以学时、掌握程度即学分考核学生，至于学生在什么时间学习、每次学习多长时间，则由学生自主决定。
教学评价更加多元和客观
评价是检查并促进学习的重要方式，利用人工智能技术改善学习评价，尤其是诊断性的学习评价，是人工智能之于教育最具潜力的领域之一，当前人工智能技术也催生了诸多智能诊断产业。和学生学习自主性相一致，在人工智能技术的帮助下，人工智能平台随时主动收集、自动抓取学生学习的各个数据点，形成针对所有学生和每个学生的数据集。基于特定的分析模型，平台快速及时地对每个学生的学习形成诊断评估报告，并给予个性化的学习资源和发展建议，切实做到一个学生一把尺子、一个学生多把尺子，促进学生做最好的自我，改变一把尺子评价所有学生的现状，让评价更为科学、客观和及时。
综上，以人工智能为代表的现代信息技术将在学习形式、教学形式、教学任务、教学管理、教学评价等五个方面深刻改变中小学目前的现状。这些改变在有的学校已经发生，有的学校还缺乏应有的回应。未来已来，将去未去，当前教育界一方面对信息化与人工智能充满期待，期待着信息化与人工智能能引领教育的一场新变革，另一方面，却面对眼前的、自己面临的变革畏手畏脚，害怕变革带来眼前利益的失去。
（本文转自搜狐教育。经作者授权转发。教师博雅：选摘自《上海教育》2018年6A本文版权归“教师博雅”所有，版权及合作请联系“教师博雅”，邮箱；hijiaoshiboya@163.com）
人工智能教育怎样融入中学课堂
作者｜陈玉琨
来源｜中国教育报
近年来，人工智能领域发展持续升温，人才短缺现状受到关注。国务院于2017年7月发布的《新一代人工智能发展规划》提出，“实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程”，为人工智能教育赋予了新的任务。
近日，我国第一本面向中学生的人工智能教材——《人工智能基础（高中版）》正式发布。人工智能课程进入了高中课堂。这本教材具有哪些特点？中小学教师、学生应该为人工智能教育进课堂做哪些准备？中学阶段人工智能教育与大学有何不同，其开展的必要性是什么？带着问题，记者专访了教材主编之一，华东师范大学终身教授、慕课中心主任陈玉琨。
人工智能教材走进中学课堂
记者：您与汤晓鸥教授共同主编出版了国内第一本中学人工智能教材，出版这本教材的背景是什么？
陈玉琨：人工智能（ArtificialIntelligence）正在全球迅速崛起，已经影响了我们生活的方方面面。不久前，阿尔法狗（AlphaGo）和阿尔法狗元（AlphaGoZero）以无可争辩的能力战胜了李世石、柯洁等人类围棋高手，名噪一时；30多种语言的互译超乎人的想象；在攻克癌症的领域，人工智能也大显身手……人们因此真正感受到人工智能时代已经到来，它改变我们生活的节奏会越来越快。
2017年7月，国务院发布《新一代人工智能发展规划》，特别强调“加快人工智能创新应用”。文件要求：“利用智能技术加快推动人才培养模式、教学方法改革，构建包含智能学习、交互式学习的新型教育体系”“实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程”，这给人工智能教育提出了新的任务。
记者：该教材目前的使用情况及使用计划如何？
陈玉琨：在《人工智能基础（高中版）》编写过程中，上海市西中学已采用选修课形式开设了相关课程，受到学生的欢迎。截至教材发布时，全国有40余所知名高中加入了华东师范大学慕课中心“人工智能教育实验基地校”，目前还有更多的高中期望加入，他们对人工智能课程的开设抱有极大热情。
我们希望由点到面、辐射全国去推广这本教材，以40所人工智能实验基地校引领全国高中，推动我国高中教育信息化与智能化的发展；同时开发《人工智能基础（高中版）》的线上版本，取得线上线下结合、动手动脑并重、间接知识掌握与直接知识获得相统一的高中教育新经验。
记者：从中学教育角度而言，该教材的出版会对人工智能学科的建设和发展起到哪些作用？
陈玉琨：该教材以“手脑结合”为主要学习方式，注重间接知识与直接知识的融合，在给学生提供必要的基础知识后，特别设计了22个实验，需要学生动手去做。我们作为教材的编者特别希望学生在学习过程中能发挥出独特的想象力，设计出在高中阶段有限时间内能完成的项目，并动手将其转化为独具特色的作品，在这一过程中享受到创造的无穷乐趣。
教材，尤其是中学与大学的理科教材，是以概念、原理及其相互关系的阐述为主要内容的，它已经隐去了这些概念与原理是如何被科学家所发现的、它们在现实生活中有哪些用处等内容。而这些概念与原理及其相互关系的阐述就被称为“间接知识”。学习者不可能重复科学家所有的发现过程，所以“间接知识”的传授有重要的价值，但如果在教学过程中能让学生了解这些概念、原理及其相互关系是如何被发现的，它们在现实世界中有哪些作用，不仅会让教材变得更加生动、让学生的学习兴趣更加高涨，同时也会让学生的思维与创造能力得到有效提升。
该教材不仅重视人工智能原理的介绍，更注重这些原理在生活中的运用。从这个角度来说，该教材的出版对其他学科的建设有示范与启示意义。
人工智能课程对教育提出新挑战
记者：您认为中学阶段人工智能学科的教学目标应该如何定位？教师又应该如何开展具体教学？
陈玉琨：这本教材的重点在于普及人工智能的原理与技术，希望引起学生对人工智能学习的兴趣。当然，我们也期望能为高等学校培养一批人工智能领域的拔尖人才奠定基础。
如前所述，我们更希望通过本教材的教学，创造出能将“间接知识”与“直接知识”相融合的教学经验，促进我国课程与教学的改革，这也是我们希望教师在教学过程中特别注意的，这一经验的创造需要一线教师的艰苦努力。
记者：开设人工智能课程是否会对教师的教学水平和知识结构提出新的挑战？中学教师应该如何应对？
陈玉琨：人工智能是近几年刚刚引起人们高度关注的领域。客观地说，中学教师在该领域的知识储备是不足的。不过，在一个学习型社会，知识储备不足不是最重要的问题，只要教师有进一步学习的愿望和能力就行。
为帮助教师克服知识储备不足的问题，华东师范大学慕课中心近期将举办“人工智能教师研修班”，首先培养一批人工智能种子教师，希望以他们为引领，逐步提升我国教师总体的人工智能素养。
记者：与物理、化学、计算机等学科相比，人工智能课程是否对学生已有的知识储备提出了新的要求？学生如何学好这门课程？
陈玉琨：在我国中学，物理、化学与计算机等学科的教学都遵循“循序渐进”的原则，这一模式已经成为学校教育的常态。然而，人工智能领域的学术与技术含量极高，尤其是一些算法需要用到高等数学的知识，这已经超出了高中生掌握的数学知识范畴，有些甚至超出了大学本科的范畴。为了帮助学生深入了解和掌握人工智能的原理，本教材对这部分算法只做定性介绍，其定量部分留待学生日后钻研。这些算法已在相关教学实验平台上开放，供学生动手时调用。
教材的设计充分考虑了“循序渐进”与“留有余地”两者之间的平衡。所谓“留有余地”就是给一些对人工智能特别感兴趣的学生留有拓展学习的余地，就是给一些有奇思妙想的学生异想天开留有余地，就是给不同的学生留有各种不同的发展空间。
我们认为兴趣是最好的老师，异想天开是创造真正的开始，学习同一本教材不必也不可能收获同样的结果。因此，编者特别鼓励学生在学习过程中进行师生之间、生生之间的互动，相互质疑、挑战。教师能够引导学生提出具有挑战性的问题是教学的成功，学生能问倒老师是学习的真正开始。
记者：大约在15年前，计算机基础作为选修课进入了中学课堂，而今天，人工智能也来到了中学课堂。您如何看待“在中学教育阶段开展新兴技术课程”这一现象？
陈玉琨：信息技术走进课堂，为提升学生信息素养发挥了很大的作用，也为今天人工智能课程进入中小学奠定了基础，因为人工智能是以互联网、大数据和云计算为基础的。国务院《新一代人工智能发展规划》谈及人工智能教育时，也特别强调“在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育，鼓励社会力量参与寓教于乐的编程教学软件、游戏的开发和推广”。
人工智能教材应适合学生年龄特点
记者：高等教育阶段人工智能学科的教学应该如何开展，与该课程在中学的教学有哪些相同和不同之处？
陈玉琨：在编写教材的过程中，编写组除特别强调教材的原创性与科学性外，还特别关注教材的可学性。对于教材来说，可学性是编写成功的重要指标。
可学性在学习论的意义上包括三方面含义：第一，在特定的年龄阶段与知识基础上可学。同样是《人工智能基础》，高中版与初中版会有很大不同，因为学生的知识储备不同、理解能力不同。第二，在规定的时间内可学。学生在特定的学段，其学时总是有限的，在学习人工智能课程的同时，还有很多其他课程等着他们，他们需要在学习人工智能与其他课程之间找到恰当的平衡。如果他们有更多的时间，当然他们就能学得更多、更好。第三，大多数学生可学，而不是仅有2%至3%的“精英”或者在该领域有天赋的学生可学。
在充分考虑现实情况的基础上，本教材力求做到适合学生的年龄特点、通俗易懂、图文并茂、生动活泼。概括来说，中小学人工智能课程的学习，感性成分会多一些，而在高等学校，尤其是在高等学校人工智能专业，学习需要更深入、抽象，因而也更理性。中小学学生学习人工智能重在“手脑并重”，而高校学生一定要把学习与研究结合起来。
陈玉琨教授介绍——
陈玉琨，华东师范大学首批终身教授、博士生导师。曾任校务委员会副主任、教育科学学院院长、教育管理学院院长、公共管理学院院长、教育部中学校长培训中心主任。现任华东师范大学考试与评价研究院院长、国际慕课研究中心主任、教育学部学术委员会主任。社会与学术兼职包括国务院学位委员会公共管理学科评议组成员、全国教育干部培训专家委员会主任委员等。1989－1990年作为高级访问学者赴荷兰吐温蒂大学访学，1992－1993年赴美国哥伦比亚大学师范学院访学。1995年获国务院特殊津贴，1998年被评为“全国模范教师”，1999年由国家人事部授予“有突出贡献的中青年学者”称号，同年入选教育部跨世纪优秀人才培养计划，2000年获上海市“我最喜爱的好老师”金奖，2003年获上海市职工职业道德十佳标兵称号，2011年入选上海市领军人才，2013年荣获上海市教书育人楷模称号。
成果展示：校长培训、教育管理、教育评价。著有《教育评价学》（获全国教科一等奖）、《发展性教育质量保障的理论与操作》（获教育部哲社二等奖）、《一流学校的建设》、《慕课与翻转课堂导论》、《基础教育慕课与翻转课堂问答录》等著作20余部，论文等150余篇。
科研项目：上海市重大攻关课题：《招生制度改革研究》；上海市教委教研室委托项目：《深化绿色指标研究》；合肥市教育局、上海市教委教研室委托项目：《中小学生学业质量绿色指标评价》。
教授课程：数字化时代的教育变革；慕课从1.0走向2.0；教育评价学；一流学校建设；学校教育质量保障。
延伸阅读——
人工智能时代，未来学生如何抉择，未来教育何去何从？斯坦福大学专家这样说——
原创｜蒋里
作者系美国斯坦福大学人工智能、机器人和未来教育项目执行主任，斯坦福全球创新设计联盟联席主席。
人工智能技术突飞猛进，未来学生该如何抉择，未来教育该何去何从——
斯坦福大学的未来教育探索
现今，人工智能机器人技术的发展突飞猛进，也许就在接下来的10到20年内，人类的许多工作将由具有人工智能的机器人来取代。这不仅包括劳动密集型工作，如司机和工厂工人，还包括很多看来相对安全的工作，比如法律和技术写作。
根据牛津大学的一份调查报告，现在美国市面上的工作有47%会被人工智能机器人代替，而这个比例在中国高达77%。未来20年，谁将承受来自人工智能机器人领域的一次次冲击呢？毫无疑问，是目前在校的学生，其中包括了今天的小学生、初中生及高中生。当这批学生告别学校，踏入社会，迎接他们的不一定是社会善意的接纳，而很有可能是各式各样的机器人将他们无情地刷下历史舞台。
未来的学生该如何抉择，未来的教育该何去何从，这都是我们今天需要思考的问题。
唤起学生对未来教育的思考
为了应对人工智能机器人领域的飞速发展，今年年初，我在美国斯坦福大学开设了一门全新的课程——“人工智能、机器人与未来教育的设计”。这门课得到了斯坦福工程学院和教育学院很多教授的大力支持。开设这门课的目的是唤起斯坦福大学、美国学术界和斯坦福大学的研究生群体对未来教育的思考，同时挖掘能适应即将到来的人工智能机器人时代的最佳教育方法。
未来教育的设计，这个大课题不是单单靠教育学院就能完成的，而是一个多学科交叉的研究项目。“人工智能、机器人与未来教育的设计”这门课程结合了人工智能、机器人、创新设计与教育四个领域。这门课程一开课就成为斯坦福大学创新设计方向最受欢迎的研究生课程。而且，选课的学生中有1/3来自工程学院，1/3来自教育学院，1/3来自商学院、法学院和医学院等其他学院，因此这门课是斯坦福大学学生构成最为多元化的课程之一。这也是我们最想看到的局面——学生构成的多样化给了这个课堂更多碰撞的火花。
这么多不同专业的学生在一个教室里一起上课，就创造了一个很好的机会，让他们之间产生很多的“化学反应”。因为每个人的知识背景不一样，所以他们在团队协作一个项目的时候，能够碰撞出很多新的想法。课堂上，不少斯坦福教授、访问学者也来旁听，组成了一个非常特殊的听课群体。
与此同时，这个开放式的课堂还引入了更新鲜的血液——给课程中的每个小组团队加入一名初中生或者高中生。这些初中和高中生都是我从硅谷的中学里面选拔出来的尖子生。因为，未来教育的改革必然是整个教育系统的事，而研究生虽然能对知识有一个整体的把握，但他们却未必了解目前青少年学生的关注焦点。在这个飞速发展的时代，每隔3至5年，人与人之间就会产生代沟。因此，中学生加入研究生团队一起协作，能够为他们带来很多新的想法与创意，也让团队的思维能更接地气。这门课的小组团队可谓是极致的多元化，一个典型的4人小组通常是这样组成的：一位斯坦福大学的访问学者或教授，一名斯坦福大学工程学院的研究生，一名斯坦福大学教育学院的研究生或者商学院研究生，再加一名优秀的初中生或高中生。
最后，除了那些正式选课的研究生以外，这门课还专门给了那些中学生机会，让他们可以在课堂上演示自己的项目。这些项目主题包括全球气候变化、深度神经网络、用新的科技方法重新设计牛顿运动定律教学方案等。
推动多样化教学的现代教育
作为“人工智能、机器人与未来教育的设计”这门课程的主讲人，为了让课程内容更加丰富，我在向学生教授人工智能、机器人、创新设计、未来教育等全面知识的同时，还邀请到了十位相关领域国际前沿的大师来到课堂上和学生们面对面地交流，其中包括了人工智能、机器人领域、创新设计领域以及教育领域等各行的泰斗级人物。
西蒂亚·布雷泽尔（CynthiaBreazeal）博士是我邀请到课上来分享的第一位嘉宾。她是美国麻省理工学院（MIT）媒体实验室（MediaLab）的个人机器人实验室创始人，也是世界公认的社交机器人、人机交互和人工智能的先驱。她创造的Jibo、Kismet、Leonardo、Nexi等机器人闻名世界。其中，美国《时代周刊》评选的2017年度25大最佳发明榜单中，领衔登上《时代周刊》杂志封面的，便是她设计的全球首款家庭社交机器人Jibo。布雷泽尔认为，人机交互方式的不断变迁，给学生的互动式教学带来了更多的可能，而且在现在的大数据环境下，在线教育会是未来开展个性化教学的重要突破点，具有人工智能的机器人会在中间充当重要角色。
斯坦福大学教育研究院的首席技术官和副院长保罗·金（PaulKim）博士也被邀请到课堂上。保罗·金致力于通过人工智能和信息技术促进教育行业的发展，他在为学生们作的题为“未来教育的创新及第四次工业革命”的报告讲道，现在很多公司都在准备利用人工智能和机器人技术改变我们传统的教育模式，而我们现存的教育系统在未来的10—20年时间里会受到人工智能和机器人技术的猛烈冲击。这是一个巨大的挑战，也是一个巨大的机遇。如果我们正确、认真面对，会有很好的未来，但是如果我们消极回避，不做改变，那么现在的在校学生就有可能成为牺牲品。保罗·金创立了斯坦福微笑项目（SmileProgram），利用人工智能技术，通过学生所提出的问题来评价学生的学习程度。保罗·金的研究成果现在已经在全世界多个国家和地区普及。
斯坦福大学工程学院的弗莱彻·琼斯（FletcherJones）博士和马克·卡库斯基（MarkCutkosky）博士也有相同的看法。他们跟大家讲述如何利用“基于项目的学习”给斯坦福的本科生上机器人的课程。弗莱彻·琼斯认为，在未来，或许一些复杂的体力劳动难以被替代，因为机器人在传感器和驱动器上的局限性决定了要完全达到人类物理上的灵活性还有很长的路要走，但是简单重复的脑力劳动力肯定岌岌可危。因此，创造性和动手能力的培养非常关键。
对于那些未来即将被人工智能机器人取代的职业和行业，美国资深风险投资人茹蒂娜·塞瑟瑞（RudinaSeseri）也在课堂上提出了她的观点。她不仅谈到了未来10—20年，机器人和人工智能技术对我们社会的颠覆性作用，还给学生分享了她在人工智能、机器人和教育方面的投资心得。茹蒂娜·塞瑟瑞是哈佛大学创新实验室的顾问，也是美国麻省理工学院“MITX项目”理事会的主席。
因为一直很看重现代学生创新设计思维能力的培养，因为流水线般的人才必然无法满足未来新时代的需求，所以，我邀请到了斯坦福大学设计研究中心的创始主任莱瑞·雷弗（LarryLeifer）博士。他可以说是斯坦福大学创新设计的鼻祖。他从20世纪70年代就在斯坦福大学任教，把斯坦福大学的创新设计推向了高潮。他非常重视未来的教育，认为未来教育最为重要的就是创新思维的培养，而斯坦福大学的创新设计思维方法论就是其中很重要的一个部分。
奔驰北美研究院（MBRDNA）的首席执行官兼总裁飞利浦·思高斯达（PhilippSkogstad）博士也非常注重学生的创造力。他认为，“以知识点积累为目的的现行教育体制已经过时了，已经无法适应新的在人工智能和机器人技术推动下的时代了。因此一个学生的平均绩点（GPA）在我们招聘的时候往往是最不被注意的部分，我们最在乎的是这个学生做过什么项目和从中体现出来的创造性和领导力。”对于未来的教育系统，他表示，如何让学生培养出机器人和人工智能不具备的能力才是关键，比如提出问题的能力、分析问题的能力、解决问题的能力、创造力以及创新力。他给学生分享了奔驰北美研究院如何挑选适合未来的人才，从他的角度分析了未来教育的走向。
除此之外，一同参与课程的还有斯坦福大学教育学院的罗朴尚（PrashantLoyalka）博士、美国优质学校之一的哈克学校（HarkerSchool）的校长布瑞恩·雅格（BrianYager）先生、美国康奈尔大学信息科学助理教授马尔特·荣格（MalteJung）博士和一位非常特殊的大师级人物——来自于好莱坞的马克·塞特拉基（MarkSetrakian）。
为什么邀请这么多不同领域的大师过来参与到我的课程进行碰撞？因为未来的教育绝不仅仅是单一学科能够解决的问题，它必然涉及多种学科的交叉，需要多个领域的团队来配合协作才能给出最佳的解决方案。
改变大规模基础教育模式
目前全世界通行的基础教育中的大规模教育模式，最初起源于普鲁士的集体士兵培训。引进到美国后，在19世纪后期逐渐成形并大规模发展。它先后得到了卡耐基、摩根、范德堡和福特的资助，从美国麻省开始推广到美国各州。为了规范教育内容，1892年，十人委员会成立，他们不仅提供了高中主要科目的分类和主要内容，而且还建议了中等教育应该是12年。至此，美国的基础教育体系形成，这个模式被推广到了全世界。
100多年过去了，我们的教育系统仍旧沿袭了当初的模式。然而，1892年的社会与现在是截然不同的两种处境。曾经，人类为了迎合第二次工业革命，制定了这样的学校大规模教育体系，培养出一大批流水线般的人才。而今，面对即将到来的人工智能时代，我们是否该深思，当前世界上的学校大规模集体教育体系是否还能像当初那样成功？
美国劳工部的研究报告指出，目前正在上小学的学生，他们未来要从事的所有工作里有65%还没有出现。那么我们还能通过这种教育体系有效培养出胜任那些还没有被发明的工作岗位的人才吗？
或许，很难。
如今，我们身处人工智能、机器人、大数据的环境下，时代背景已远非100多年前的社会可比。对于即将到来的人工智能机器人时代，人类的智慧与创造力将会显得尤为重要，所以当前的大规模教育体系必将进行变革。我们需要逐步完善当前的教育系统，让学生能够在新的教育体系中不断学习与未来智能时代相匹配的核心技能，比如想象力、创造力、人工智能思维、设计思维以及解决开放式问题的能力。
4月9日召开的博鳌亚洲论坛2018年年会的“未来的生产”分论坛上，多名企业家对于未来的发展也给出了一致的观点：不断学习创新，拥抱新变化，才不会被新时代抛弃。教育界也应该具备危机意识和改革意识，将眼光放长远，着重培养学生的专业技能和“与人工智能机器人有区别”的核心能力。
只有把未来教育与人工智能相结合，才是当代学生拥抱即将到来的人工智能时代的最佳出路。
（文章来源：中国教育新闻网-中国教育报2018年7月6日第5版，版名：环球周刊。本期编辑：彭诗韵。）返回搜狐，查看更多