◎ 顧佳敏

人工智能正在成為當(dāng)前和未來信息科技的關(guān)鍵技術(shù)。2017年7月，國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出要在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程［1］。2017年12月，《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》頒布，該課標(biāo)增加了傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、開源硬件等內(nèi)容。在此背景下，上海的一些高中開始實(shí)踐人工智能的教學(xué)，并逐步建立起學(xué)校的人工智能實(shí)驗(yàn)室，高中階段人工智能教育拉開帷幕。同時，初中階段如何承接，如何打好必要的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，成了迫切需要研究的問題。

一、初中階段增加人工智能教育的迫切性和可行性

（一）初中生急需學(xué)習(xí)有關(guān)人工智能的知識

在人工智能應(yīng)用幾乎無處不在的社會生活背景下，初中生對人工智能的“智能”從何而來有著強(qiáng)烈的興趣，但是對人工智能是什么普遍存在誤解；他們對人工智能應(yīng)用的前景感到非常興奮，但是對人工智能的應(yīng)用究竟解決什么問題缺少思考；他們對最新的人工智能產(chǎn)品充滿好奇，但是對身邊的人工智能缺少感知和觀察；他們樂于嘗試和探索“黑科技”，但是對如何恰當(dāng)高效地使用人工智能軟件和硬件缺少經(jīng)驗(yàn)，對如何看待人工智能程序的處理結(jié)果缺少思辨，對從何入手學(xué)習(xí)人工智能缺少路徑和方法。對大部分中學(xué)生來說，他們的最終職業(yè)道路可能不是都成為人工智能的研究者或者工程師，而是進(jìn)入其他行業(yè)，但在人工智能應(yīng)用日趨廣泛的當(dāng)下，很多行業(yè)都將受益于人工智能的賦能，在初中階段學(xué)習(xí)人工智能，有助于學(xué)生更系統(tǒng)更科學(xué)地認(rèn)識人工智能，具備更好的人工智能理解力和創(chuàng)造力，能更好地適應(yīng)在未來人工智能技術(shù)被普遍運(yùn)用的社會。

（二）初中生有學(xué)習(xí)人工智能簡單原理的基礎(chǔ)

理解一些人工智能的簡單原理，應(yīng)用人工智能技術(shù)解決問題應(yīng)該成為一項(xiàng)基礎(chǔ)能力，能力的培養(yǎng)是一個循序漸進(jìn)的學(xué)習(xí)和實(shí)踐過程，在初中階段開展人工智能的啟蒙教育，既是未來的發(fā)展趨勢，也是當(dāng)下學(xué)生更好生活的現(xiàn)實(shí)需要。對人工智能的學(xué)習(xí)并非一定要等到高中信息技術(shù)課程再開始，初中生有了一定的使用經(jīng)驗(yàn)，有了一定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，有了一些基本編程經(jīng)驗(yàn)，這些是他們學(xué)習(xí)人工智能簡單原理的基礎(chǔ)，他們應(yīng)該獲得關(guān)于人工智能的更為準(zhǔn)確而科學(xué)的認(rèn)知，而非直覺理解狀態(tài)，這樣他們才能明白技術(shù)如何重塑我們的生活。正如語言是人和人交流的工具，程序是人和計(jì)算機(jī)、計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)之間溝通的工具，在初中開展人工智能教育，目的不僅僅是讓學(xué)生了解人工智能的簡單原理，更重要的是提升其邏輯思維能力，培養(yǎng)適應(yīng)萬物互聯(lián)時代智能社會的新的思維方式。

（三）設(shè)計(jì)適合初中生學(xué)習(xí)的人工智能學(xué)習(xí)模塊

當(dāng)前人工智能教育的低齡走向已經(jīng)是全球化趨勢，相關(guān)的課程已經(jīng)早早地進(jìn)入了中學(xué)課堂。也有一些人反對人工智能教育的低齡滲透，他們認(rèn)為人工智能編程的復(fù)雜性并非所有的孩子都可以接受，過早灌輸對學(xué)生反而是不利的。這樣的擔(dān)憂不無道理，初中生的知識儲備，確實(shí)還不足以支撐對一些原理的理解，而解決之道在于將人工智能學(xué)習(xí)領(lǐng)域復(fù)雜的知識體系，通過精心設(shè)計(jì)形成有序組織的知識結(jié)構(gòu)，并將人工智能的學(xué)習(xí)分為多個層次，若將其分為四層，一級可以是對人工智能的簡單原理和應(yīng)用有所了解和體驗(yàn)；二級可以設(shè)定為掌握一些人工智能的基礎(chǔ)知識和常用算法，從而可以運(yùn)用它們解決問題；三級可以深入理解人工智能的模型和算法，能設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的算法，或者工程實(shí)現(xiàn)上的改進(jìn)和創(chuàng)新；四級可以是在人工智能的某些方向開展深入研究。初中階段可在一級水平開展探索，讓更多的學(xué)生在初中階段就能對人工智能有一個科學(xué)的認(rèn)識。

二、初中階段人工智能教育的課堂教學(xué)探索

筆者以“基于Python的人工智能圖像應(yīng)用體驗(yàn)——植物識別”一課為例，闡述自己的實(shí)踐與思考。

（一）從使用者的角度思考AI情境下的需求，認(rèn)識AI環(huán)境的優(yōu)勢和局限

美國著名情境認(rèn)知研究專家布朗、柯林斯和杜吉德認(rèn)為：“學(xué)習(xí)和思維都是基于情境的，知識必須在真實(shí)情境中呈現(xiàn)，在包含知識的真實(shí)場景和問題解決中呈現(xiàn)，才能激發(fā)學(xué)習(xí)者真正的認(rèn)知需要?！保?］所以課堂的情境設(shè)計(jì)需要充分考慮人工智能的特征和學(xué)生群體的特點(diǎn)，將學(xué)生帶入到AI環(huán)境中，從一個使用者的角度去思考和發(fā)現(xiàn)需求。沒有需求的人工智能應(yīng)用是毫無意義的。

項(xiàng)目設(shè)置了將學(xué)校吉祥物毛絨“小熊”進(jìn)行AI升級改造的情境，讓學(xué)生思考AI設(shè)計(jì)的實(shí)際需求，借助人工智能硬件的研究視頻啟發(fā)學(xué)生，暢想“小熊”可以增加哪些AI功能。通過人工智能基礎(chǔ)知識的鋪墊，讓學(xué)生將“小熊”的AI升級改造與人工智能相關(guān)的硬件聯(lián)系起來，引導(dǎo)學(xué)生理解實(shí)現(xiàn)AI功能的基本原理就是在硬件上編寫一段人工智能的程序，從而將需求聚焦在AI程序的實(shí)現(xiàn)過程和方法上。從功能暢想到功能實(shí)現(xiàn)，從功能實(shí)現(xiàn)到硬件載體，從硬件載體到人工智能程序，學(xué)生在情境中發(fā)現(xiàn)問題，在問題解決中尋找實(shí)現(xiàn)方法，從實(shí)現(xiàn)方法中尋找核心要素，由外在應(yīng)用到內(nèi)在代碼，由表及里地分析問題，感悟用AI解決問題的過程和方法，并在這個過程中提升邏輯思維能力。

人工智能本身就與現(xiàn)實(shí)生活的聯(lián)系非常緊密，但是現(xiàn)實(shí)生活場景與適合學(xué)生課堂探究的情境是不同的，需要剔除現(xiàn)實(shí)情境中與人工智能無關(guān)的因素，提取片段并精簡敘述，整合情境要素并以合適的問題作為載體，讓學(xué)生能聚焦思考范圍和明確要求。吉祥物“小熊”的AI升級改造可以從很多角度設(shè)計(jì)，本課先以AI圖像識別功能演示為基礎(chǔ)，再提出增加“小熊”AI功能的問題，設(shè)置了從“植物識別”到“圖像識別”，再擴(kuò)展到其他更廣泛的AI應(yīng)用的逐級遞進(jìn)和開放的探究線索。而問題究竟把學(xué)生引向何處也需精心設(shè)計(jì)，通過找準(zhǔn)學(xué)生的理解誤區(qū)，讓學(xué)生認(rèn)識AI的優(yōu)勢和局限，這對學(xué)生形成客觀而理性的技術(shù)觀十分重要。

（二）從創(chuàng)造者的視角體驗(yàn)AI問題的實(shí)現(xiàn)過程，樹立AI信息的鑒別意識

對未來人工智能人才的需求，不僅僅應(yīng)該滿足于讓學(xué)生成為熟練的使用者，而更應(yīng)強(qiáng)調(diào)對技術(shù)深度的理解和創(chuàng)新，才能獲得真正持久而深刻的技術(shù)創(chuàng)造能力。2018年9月，美國加利福尼亞州的教育委員會批準(zhǔn)了當(dāng)?shù)赜惺芬詠淼谝粋€計(jì)算機(jī)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)，該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)旨在幫助學(xué)生從被動的科技用戶轉(zhuǎn)變成與計(jì)算機(jī)互動的創(chuàng)造者及創(chuàng)新者?？梢姡蔀槿斯ぶ悄艿膭?chuàng)造者逐步成為教育共識。但是讓學(xué)生成為人工智能的創(chuàng)造者及創(chuàng)新者，實(shí)非易事，初中人工智能教育需要解決人工智能知識與學(xué)生知識儲備之間的落差，可以使用以下三個教學(xué)策略。

一是弱化艱深晦澀的理論知識，側(cè)重學(xué)生的個人體驗(yàn)［3］。在現(xiàn)實(shí)生活中，人們主動或被動地都在使用人工智能，所以對于大多數(shù)學(xué)生而言，站在用戶的視角已經(jīng)對人工智能的應(yīng)用、相關(guān)產(chǎn)品有所體驗(yàn)，除了“俯視視角”外，應(yīng)讓學(xué)生轉(zhuǎn)變角色，從創(chuàng)造者的視角給學(xué)生體驗(yàn)，“近距離”地認(rèn)識人工智能，暫時回避了一些編程術(shù)語以及Python程序設(shè)計(jì)語言中的復(fù)雜語法規(guī)則。

二是重視對程序代碼的理解。Python語言是理解和實(shí)現(xiàn)人工智能的載體，為讓學(xué)生盡快打開人工智能實(shí)現(xiàn)過程的“黑箱”，項(xiàng)目實(shí)施過程中，提供給學(xué)生一段語法正確，但順序有錯的程序，學(xué)生嘗試通過閱讀代碼及注釋，猜測每塊代碼的作用。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行理解和測試，然后調(diào)整代碼塊順序，實(shí)現(xiàn)植物識別程序，從而體驗(yàn)如何借助AI接口實(shí)現(xiàn)人工智能的過程，并在問題的求解過程中引導(dǎo)學(xué)生閱讀、觀察、猜測和理解接口反饋的結(jié)果，如植物名稱、置信度等。

三是注重鑒別與驗(yàn)證。在程序的實(shí)現(xiàn)中，學(xué)生通過關(guān)鍵語句的填寫、修改部分參數(shù)的方式來完善程序。在修改、調(diào)試、觀察、比對和猜測中，學(xué)生不僅體驗(yàn)基于AI問題的實(shí)現(xiàn)過程，也了解了反饋信息的構(gòu)成和置信度的作用。借助課堂活動，不僅提升學(xué)生對AI反饋信息的敏感度，而且增強(qiáng)學(xué)生對人工智能運(yùn)行結(jié)果的鑒別和分析意識。從創(chuàng)造者的角度獲得實(shí)現(xiàn)人工智能程序設(shè)計(jì)的成功體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的自信和興趣。

（三）從體驗(yàn)者的視角樹立運(yùn)用AI工具的意識，形成AI環(huán)境下求解問題的思維

在2018世界人工智能大會上，專家認(rèn)為“一個真正‘AI化的公司’是三維一體的。它首先要具備AI思維，其次要擁有AI能力，第三還要遵循AI方面的倫理?！逼渲刑岬降腁I思維是指需要基于萬物互聯(lián)、人工智能的環(huán)境下去思考問題。在筆者看來，不僅這些公司需要“AI思維”，每一個人都需要能在AI環(huán)境下思考。對于初中生而言，站在使用者的角度暢想了“小熊”可以增加的AI功能、從創(chuàng)造者的視角體驗(yàn)了植物識別程序的實(shí)現(xiàn)過程后，結(jié)合初中生的知識體系，幫助學(xué)生形成運(yùn)用AI工具解決現(xiàn)實(shí)問題的思維，可以使用以下兩個教學(xué)策略。

一是梳理用AI解決問題的流程。教師通過提問引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注程序?qū)崿F(xiàn)的過程：導(dǎo)入圖像，識別模塊；設(shè)置用戶，驗(yàn)證信息；輸入圖像；調(diào)用植物，識別功能。引導(dǎo)學(xué)生參考信息處理的一般過程（輸入、處理、輸出），總結(jié)基本流程，首先程序要識別植物必須要先獲取圖像，然后使用植物識別的功能，最后把識別的結(jié)果輸出。結(jié)合Python導(dǎo)入“aip庫”和設(shè)置用戶驗(yàn)證信息兩個環(huán)節(jié)，形成了基于學(xué)生認(rèn)知的，用Python借助“aip庫”實(shí)現(xiàn)植物識別程序的過程。

二是嘗試遷移知識。參考植物識別的過程，學(xué)生在學(xué)習(xí)單（見表1）的指引下，對代碼嘗試修改，遷移知識并運(yùn)用在其他圖像識別的程序上。從而將植物識別程序的實(shí)現(xiàn)過程推廣至圖像識別程序的實(shí)現(xiàn)過程：導(dǎo)入圖像識別模塊，設(shè)置用戶驗(yàn)證信息，輸入圖像，調(diào)用圖像識別功能，輸出結(jié)果。

表1 “aip庫”圖像識別接口信息（部分）

通過上述環(huán)節(jié)，學(xué)生結(jié)合已經(jīng)掌握的信息處理的一般過程：輸入、處理、輸出，在體驗(yàn)植物識別程序的實(shí)現(xiàn)后，關(guān)注實(shí)現(xiàn)過程中和AI有關(guān)的部分，在動手實(shí)踐和分享討論中，形成學(xué)生能夠理解的，借助AI工具實(shí)現(xiàn)圖像識別程序的過程，從而逐步樹立和形成運(yùn)用AI工具解決現(xiàn)實(shí)問題的意識和思維。相對于純粹的知識、技能的傳授，在體驗(yàn)后對思想方法的感悟，對學(xué)生未來人生的影響將會是更為深遠(yuǎn)的。

總之，人工智能是一個非常熱門的話題，圍繞人工智能開展的教育教學(xué)實(shí)踐層出不窮，但時代總是不斷發(fā)展變化的，筆者期望借助Python的程序?qū)崿F(xiàn)，回歸學(xué)科本質(zhì)，從創(chuàng)造者的視角了解計(jì)算機(jī)處理問題的過程。與此同時，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和信息環(huán)境下自主學(xué)習(xí)的能力，從而提升學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。未來人工智能將無處不在，及早讓學(xué)生適應(yīng)AI環(huán)境，找到學(xué)習(xí)人工智能的方法尤為重要，對學(xué)生而言，只有把握適應(yīng)未來的能力，才能更好地在未來發(fā)展。對初中生而言，人工智能教育最重要的是能夠?yàn)樗麄儙順啡さ耐瑫r提升計(jì)算思維。