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 说课课件 2023—2023学年教科版（2019）高中信息技术必修1
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中小学人工智能课程内容设计及实施案例分析
我国中小学人工智能教育取得飞速发展与瞩目成绩的同时，也存在以下几点主要问题。
其一，缺乏完善的课程体系，无论是国家课程还是校本课程，人工智能教育都是依托其他课程开展的，这导致了人工智能教育内容分量难以确定，目标难以明晰。横向来看，教学内容过于碎片化，学生难以构建相关知识体系；纵向来看，学段间的人工智能教育内容联系不够紧密，这既不利于学生循序渐进的知识与技能学习，也使得教师难以把握学情从而导致教学目标与教学效果之间的落差。此外，现阶段中小学人工智能教育的教材大多属于产品说明书或用户指南[4]。
二、中小学人工智能课程设计
表1中小学人工智能课程目标及内容架构
人工智能技术虽然复杂深奥，但是其应用广泛且贴近生活，知识内容间紧密联系，对学生而言并非是不可感知、无法构建的。以人工智能为依托培养学生的计算思维、智能素养也并非是难以实现的。教师如何设计人工智能课程内容以及课程间以何种方式组织就显得尤为重要。
（一）中小学人工智能课程内容设计案例
下面，以初中年级人工智能课程中的“智能灯”为例对中小学人工智能的课程内容设计做详细阐述。“智能灯”一课意在通过学生对于生活中常见情境下智能灯的设计了解其背后设计原理，能够通过模块化程序设计和python代码编写出智能灯的程序，激发学生对于人工智能在生活中应用的兴趣。“智能灯”课的具体课程内容设计如图1所示：
图1以“智能灯”为例的人工智能课程内容设计
1.问题提出，明确任务
问题提出：绿色、环保、节能、和谐是当今生活的主旋律，智能灯的出现深化了人类与灯光之间的关系。请同学们结合生活实际谈一谈你所了解的智能灯！
明确任务：明确智能灯的设计要求——内置监测外界光线强度传感器，当光敏值大于700时，灯自动打开，当光敏值小于700时，灯自动熄灭。
2.深入探究，设计展示
深入探究：请学生利用可视化工具，例如思维导图，深入理解智能灯的设计要求，分析其所需要的元器件并搭建其真实应用的简易场景。
设计展示：小组通过分工利用模块化程序语言和python语言对智能灯进行设计，调试形成小组作品，并对本组作品进行演示和分享，讨论这两种不同的计算机语言在应用时的异同之处。
3.总结反思，拓展提高
以思维导图的形式回顾智能灯设计的全过程。在实际生活中往往面临着更为复杂的情境，当外界光线昏暗，智能灯会自动给打开且不能自动关闭，这也造成了一种资源浪费。进而引发学生对智能灯更深入的思考，完善、改进作品设计，为之后的课程内容做好准备。
本案例从生活实际出发引发学生的学习兴趣，在内容设计过程中通过对可视化工具的利用帮助学生理清思维脉络，不仅重视学生对模块程序和计算机语言的学习利用，更是通过比较二者的语言风格加强学生对编程的深入理解，进而培养学生的计算思维。
（二）中小学人工智能课程组织案例
人工智能虽然是一个知识体系丰富的新兴技术领域，其内容架构设计包含人工智能基础、算法与编程、机器人与智能系统等多个模块。表面看起来是彼此独立、互不关联的内容，但实际上，无论是技术特点还是知识内容都是可联系、可互通的。忽视了课程内容间的联系、放弃将内容整合成为模块是无法将人工智能的原理与技术讲解透彻的，也无法将计算思维和智能的培养渗入课堂。因而，以综合任务为导向的模块化组织中小学人工智能课程不仅能够有效帮助学生构建人工智能知识体系，更有助于教师组织形式丰富、内容多样的系统课程，增加课堂趣味性、有效性。
以“模拟城市交通系统”为例组织相关课程内容。如图2所示，智能路灯、自动道闸、智能信号灯、环线巴士、无人加油站原本都是独立的课程内容，根据课程与生活实际的联系整合成模拟城市交通系统为主题的模块。教师利用5-10个课时实践此模块，引导学生设计完成模拟城市交通系统这个综合任务实践每课内容，帮助学生在体验人工智能的同时，创造性地应用人工智能解决实际问题。
图2“模拟城市交通系统”课程模块
三、中小学人工智能课程实施策略
（一）跨学科整合式教学
人工智能是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。它的涉及领域除了计算机科学外，更包括了生物学、心理学等。跨学科的整合能够将数学、生物、神经科学等多学科知识与人工智能知识相融合、渗透。在这个过程中，教师不仅能够利用其他学科知识帮助学生理解人工智能知识内容，更利用其他学科思维帮助学生培养计算思维的核心素养。跨学科整合式的教学是将人工智能学科与其他相关学科进行融合，以项目形式实践课程内容，利用人工智能技术创造性地解决实际生活问题。以“机器视觉”一课为例设计如下，这一课中，教师将人工智能中机器视觉的知识与神经科学相结合（如图3），以人是如何看到事物的为导入，进而类比解释机器是如何“看到”事物的。该教学设计在渗透了脑科学知识的基础上，帮助学生联系生活实际体验人工智能的应用与价值。
图3“机器视觉”与神经科学知识融合
（二）情境游戏化教学
由于中小学学生的认知水平存在局限性和差异性，以及人工智能领域知识特性，学生难以通过讲授和演示直接理解课程内容。人工智能技术的发展也为创设情境提供了条件，教师完全可以利用人工智能技术的应用反哺课堂教学，帮助学生增强学习的体验感，对人工智能技术形成直观、形象的理解。借助游戏化的角色、模式以及元素，为学生提供丰富、有趣的学习内容；通过机制、增益等策略，能够丰富学习者的经历和体验，同时提高学习者在活动中的参与率和巩固率[9]。因而，将情境的创设与游戏化学习相结合，有利于增强人工智能教学课堂的趣味性、个性化。例如东南大学举办的人工智能为主题的夏令活动中实施的“火灾演练”，要求学生扮演消防员在模拟灭火行动中完成救援。创设的火灾情境融合机器人小车巡线、FPV第一视角等教学内容。氛围营造、综合竞赛及消防员的角色扮演都极大激发了学生的课堂兴趣及参与感。该项目在实践中得到了学生与教师的一致肯定。该设计能够帮助学生将人工智能知识与生活实际相联系，建构开源硬件的知识体系。鼓励学生在游戏化式轻松的教学环境中大胆创新。从而达到培养学生核心素养与创新能力的目标。
表2“火灾演练”项目内容
面向中小学开展人工智能课程有利于学生了解现代科技发展、适应未来生活有着重要的意义。目前，我国中小学人工智能教育尚在探索发展阶段，无论是课程内容的设计还是其组织方式、或是教学策略均未成型，本研究希望借以案例的分析，促进研究者对中小学人工智能课程设计广泛、深入的思考。
参考文献
[1]国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知[EB/OL].
[2]教育部关于印发《教育信息化2.0行动计划》的通知
[3][7]谢忠新,曹杨璐,李盈.中小学人工智能课程内容设计探究[J].中国电化教育,2019(4):17-22.
[4]徐多,胡卫星,赵苗苗.困境与破局:我国机器人教育的研究与发展[J].现代教育技术,2017,27(10):94-99.
[5]周邵锦,王帆.K-12人工智能教育的逻辑思考:学生智慧生成之路——兼论K-12人工智能教材[J].现代教育技
术,2019,29(4):12-18.
[6]解月光,杨鑫,付海东.高中学生信息技术学科核心素养的描述与分级[J].中国电化教育,2017(5):8-14.
[8]李德毅.AI——人类社会发展的加速器[J].智能系统学报,2017,(5):583-589.
[9]祝智庭,魏非.教育信息化2.0:智能教育启程,智慧教育领航[J].电化教育研究,2018,39(9):5-16.
东南大学百研工坊：21世纪是我国创新型人才培养的关键期。东南大学百研工坊（儿童发展与教育研究所）结合信息技术、生物医学工程、脑科学技术，进行青少年科学素养的国际比较研究和学生核心概念掌握水平的评测系统的研究与开发，我们的目标是：（1）面向中小学学生综合能力发展的steam研究；（2）通过实证教育研究，探究科学素养的本质及有效的培养途径；（3）将科学素养的传统评测方法与现代信息技术相结合，探究基于ECD模型的学生科学素养评测方法研究；（4）运用ERP、EEG和眼动等脑科学技术，开展对学生核心概念熟练掌握程度的评测研究。
责编：罗培
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《走进人工智能》教学设计
《走进人工智能》教学设计
在教学工作者实际的教学活动中，通常需要准备好一份教学设计，教学设计是实现教学目标的计划性和决策性活动。怎样写教学设计才更能起到其作用呢？下面是小编收集整理的《走进人工智能》教学设计，欢迎大家借鉴与参考，希望对大家有所帮助。
教材分析：
本节课是初中九年级信息技术第八章《走进人工智能》中的内容。人工智能在生活中已经无处不在，它深刻影响着我们的生活。越来越低的计算成本、科学家梦寐以求的海量数据，推动了“机器学习”的飞速发展，特别是深度学习的广泛应用，模式识别、自动驾驶、机器翻译、智能机器人等应用无处不在。本节内容在机器人、物联网的基础之上，旨在让学生了解人工智能的起源与历史，感人工智能带给我们生活的便利，学会正确对待人工智能。
学情分析：
本课面对的教学对象是初中九年级的学生，对知识的获取已经开始由感性认识提升到理性认识，已经具有一定的研究能力，探究新知的欲望也比较强烈，在日常的学习和生活中，也或多或少的接触过人工智能技术的应用，对这项技术充满好奇。但是，他们对人工智能的了解更多的停留在日常学习和生活中的所见所闻，对人工智能的起源和概念缺乏系统的理解。
设计理念：
本节是人工智能基础知识的教学，着重采用讲授法、体验法、讨论学习等方式，为了激发学生学习的兴趣，本人改变传统的教学，教师带领进入三个馆：能量加油馆、智能体验馆、全民辩论馆，以此来走进人工智能。其中智能体验馆中通过三个体验活动：机器翻译--中英互译，人机大战之“五子棋大战”，人机对话---和siri聊天，通过这种体验的方式，让学生在一种愉快轻松的氛围中，丰富对人工智能的认知与理解，了解身边的人工智能技术。感受人工智能神奇以及带给生活的便利，初步树立为科技做贡献的理想。也通过辩论赛的方式，引导学生树立正确对待人工智能的意识，理解人与人工智能应该以怎样的.关系相处。
教学目标：
知识与技能
（1）了解人工智能的历史、概念。
（2）了解人工智能在生活中的运用。
过程与方法
教师带领进入三个馆：能量加馆、智能体验馆、全民辩论馆，以此来走进人工智能，其中智能体验馆中通过三个体验活动：机器翻译--中英互译，人机大战之“五子棋大战”，人机对话---和siri聊天，通过这种体验的方式，了解身边的人工智能技术，丰富对人工智能的认识与理解。
情感态度与价值观
（1）通过体验身边的人工智能技术，感受人工智能神奇以及带给生活的便利，初步树立为科技做贡献的理想。
（2）通过全民辩论，正确对待人工智能，理解人与人工智能应该以怎样的关系相处。
教学过程：
一：片段回忆之引入人工智能
二：能量加油馆之初识人工智能
师：为了走进人工智能，老师将带领大家走进三个馆，他们分别是能量加油馆、智能体验馆、全民辩论馆。首先我们进入能量加油馆-初识人工智能，增长自己的知识储备，为自加加油。
师：请同学们观看视频《人工智能的诞生》回答问题―――“被认为是人工智能”学科诞生的标志是哪次历史事件？
学生代表发言：略
师：人工智能已经走进我们的生活，成为我们生活必不可少的一部分，那么根据你们已经了解的知识，谈谈什么是人工智能？
学生代表发言：略
师：同学们，你们身边有哪些人工智能呢？
学生代表发言：略
师：刚刚大家分享了很多人工智能的案例，说得非常好，可见人工智能为我们的生活提供了极大的便利。
三：智能体验馆之体验人工智能
刚刚我们进入的是能量加油馆，获取一些知识给自己的能量加加油，接下来，我们一起走进第二个馆：智能体验馆，一起来体验人工智能，体验馆里面又分为三个馆，首先进入体验馆1：机器翻译-中英互译：请同学们利用你们手中的平板，打开百度翻译，并完成《智能体验馆体验记录单》馆1的内容。
学生：体验人工智能，完成记录单。
师：大家来分享一下你们的战果，思考翻译软件适合在什么情况下使用？
下面我们进入体验馆2：人机大战之五子棋大战，请同学们推荐一名选手上台，与电脑pk五子棋。其他同学观战并思考：你认为该同学输棋或赢棋的主要原因是什么？
接下来，进入馆3：人机对话---和siri聊天，请记录你们的聊天记录，并与同学们分享。
四：全民辩论馆之正确对待人工智能
师：最后我们进入小组辩论馆：人和人工智能谁更厉害？
生：进行辩论。
师：人与人工智能，究竟谁更聪明？有同学认为：人不如人工智能聪明，究其原因是之前AlphaGo击败了专业围棋手。当然也有人认为：人比人工智能聪明，抛出的理由是人工智能都是人制造出来的，理所当然是人比人工智能聪明。大家辩论很激烈，各自有各自的看法。
教师提出希冀：不管怎样，老师希望同学们热爱科学积极探索、发展、创新，让机器成为人类的得力助手和合作伙伴，用人自己创造的智慧更好地为人类服务。
师：课后留两个问题给大家思考:
1、人类与人工智能应该是一种怎样的关系？
2、我们坐着时光机来到了二十六世纪……这一天的我会怎么生活呢？
同学们，人工智能探索永无止境，期待大家将来的研究……下课！
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