居曉波

【摘 要】本文從人工智能認(rèn)知、AI研學(xué)規(guī)劃、AI賦能編程教育三方面來探討人工智能生態(tài)下如何開展編程創(chuàng)新教育。在人工智能的助力下，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維、設(shè)計(jì)思維、工程思維，培育適應(yīng)終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】人工智能；編程；創(chuàng)新教育；核心素養(yǎng)

【中圖分類號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2018）02、03-0067-03

2017年7月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出逐步開展全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程、逐步推廣編程教育。

下面從人工智能認(rèn)知、AI研學(xué)規(guī)劃、AI賦能編程教育三方面來描繪人工智能視域下的編程教育愿景。

人工智能認(rèn)知

人工智能的發(fā)展經(jīng)歷了計(jì)算智能、感知智能、認(rèn)知智能三個(gè)階段，算法、大數(shù)據(jù)與計(jì)算力是發(fā)展人工智能的三大要素 （圖1） 。

大數(shù)據(jù)可以分為結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化三種，具有容量大、種類多、速度快、價(jià)值密度低等特點(diǎn)。大數(shù)據(jù)處理、融合與分析技術(shù)的發(fā)展驅(qū)動(dòng)了AI的成長(zhǎng)與發(fā)育。GPU、FPGA等的出現(xiàn)大幅提升了硬件的計(jì)算力， 為人工智能的發(fā)展提供了有力的支撐。GPU（圖形處理器）具備大規(guī)模并行計(jì)算的能力，可以更高效地處理龐大的數(shù)據(jù)，經(jīng)常被運(yùn)用在當(dāng)前最前沿的人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法中。FPGA （現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）是專用集成電路領(lǐng)域中的一種半定制電路，可編程、可升級(jí)、可迭代，被廣泛地應(yīng)用于人工智能領(lǐng)域。硬件的發(fā)展為人工智能的發(fā)展提供了有效的保障，而算法是人工智能發(fā)展的核心環(huán)節(jié)。

青少年要從前沿科技中得到深層滋養(yǎng)，從而由信息與技術(shù)的被動(dòng)消費(fèi)者逐步轉(zhuǎn)化成為生產(chǎn)者。

AI研學(xué)規(guī)劃

人工智能視域下的研學(xué)規(guī)劃可以從體驗(yàn)起步，通過應(yīng)用、分析，達(dá)到智造之巔，學(xué)習(xí)過程如圖2所示，認(rèn)知難度逐級(jí)遞增。

體驗(yàn)階段從輕度體驗(yàn)入門，學(xué)生可以嘗試使用谷歌 Assistant、微軟Cortana、蘋果 Siri、亞馬遜 Alexa等智能助理，辨析它們的語境意識(shí)，并從網(wǎng)絡(luò)搜索、喚醒、貼士通知、非功能性聊天等視角做出功能對(duì)比。

在輕體驗(yàn)之后，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注身邊日益成熟的、個(gè)性化反饋的教、學(xué)、練、測(cè)、評(píng)智能生態(tài)圈（自適應(yīng)學(xué)習(xí)、人工智能助手、信息管理系統(tǒng)、機(jī)器人助手等），開展沉浸體驗(yàn)，深度感悟AI特點(diǎn)。

應(yīng)用階段將可視化編程與智能硬件結(jié)合，以Scratch為代表的積木拼搭式的程序設(shè)計(jì)工具使學(xué)生不必拘泥于算法、語法的束縛，可進(jìn)行有效的信息化表達(dá)和數(shù)字化創(chuàng)作。學(xué)生通過創(chuàng)作具有個(gè)性的科技作品，想象建模，經(jīng)歷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與創(chuàng)作的實(shí)踐過程與方法，強(qiáng)化計(jì)算概念、計(jì)算觀念，加強(qiáng)計(jì)算實(shí)踐，發(fā)展設(shè)計(jì)思維、計(jì)算思維。例如學(xué)生通過創(chuàng)作“智慧游樂園”作品，軟件編程結(jié)合電子積木、多種傳感器以及智能機(jī)器人，綜合運(yùn)用多種學(xué)科的知識(shí)。

學(xué)生理解抽象的算法時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到思維瓶頸，為了突破算法學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，分析階段將神經(jīng)元模塊作為人工智能課程的教學(xué)工具之一。從初級(jí)的單層感知機(jī)的線性分類逐步過渡到線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)乃至更復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由易到難地推進(jìn)研學(xué)路徑，來幫助學(xué)生理解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作原理。在應(yīng)用型的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)反饋和校準(zhǔn)，從而形成“學(xué)習(xí)”的過程。神經(jīng)元接收到輸入信號(hào)后，通過一個(gè)給定的函數(shù)對(duì)輸入信號(hào)加權(quán)并進(jìn)行分析從而得到輸出，現(xiàn)在的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)普遍采用前向計(jì)算、反向傳播方法訓(xùn)練。

青少年在智造階段可以研學(xué)廣受歡迎的人工智能編程語言——Python，Python簡(jiǎn)潔實(shí)用、效率很高、易于理解和維護(hù)。

AI賦能編程教育

《2017地平線報(bào)告·基礎(chǔ)教育版》將人工智能列為未來4-5年長(zhǎng)期采用的技術(shù)，人工智能對(duì)教育的影響 SWOT分析如圖3所示。百度、騰訊、科大訊飛等公司紛紛對(duì)人工智能應(yīng)用展開布局，建設(shè)人工智能開放創(chuàng)新平臺(tái)。學(xué)生可以逐漸嘗試連通企業(yè)級(jí)人工智能環(huán)境，如調(diào)用智能語音API完成個(gè)性化的智能語音應(yīng)用開發(fā)、解析圖像識(shí)別智能應(yīng)用來理解深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遷移學(xué)習(xí)和經(jīng)典算法。

在人工智能的助力下，編程創(chuàng)新活動(dòng)更自適應(yīng)地根據(jù)個(gè)性需求來解決具有現(xiàn)實(shí)價(jià)值的問題，學(xué)生綜合運(yùn)用和發(fā)展計(jì)算思維、設(shè)計(jì)思維、工程思維。計(jì)算思維既是三大科學(xué)思維之一，又與信息意識(shí)、數(shù)字化實(shí)踐力、信息社會(huì)責(zé)任共同被列為信息技術(shù)學(xué)科的核心素養(yǎng)。相較于心理學(xué)范疇的邏輯思維，計(jì)算思維與信息時(shí)代、智能時(shí)代高度相關(guān)，更具有時(shí)代性與指向性。另一方面，計(jì)算思維與學(xué)科知識(shí)相融合，思維的培養(yǎng)在知識(shí)的支撐下更為扎實(shí)、有效。人工智能為具有結(jié)構(gòu)化的優(yōu)質(zhì)資源與模式化的優(yōu)秀經(jīng)驗(yàn)編程學(xué)習(xí)生態(tài)圈賦能，學(xué)生通過需求分析、構(gòu)思假設(shè)、驗(yàn)證實(shí)施、檢驗(yàn)優(yōu)化等過程來加深理解設(shè)計(jì)思維的方法與步驟，關(guān)注用戶導(dǎo)向、綜合考慮技術(shù)可行性、人的需求等因素，快速地根據(jù)智能化數(shù)據(jù)分析和推送做出調(diào)整、修正與二次開發(fā)。與此同時(shí)，學(xué)生在知、情、意、行的動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)中，運(yùn)用籌劃性的工程思維合理地根據(jù)智能實(shí)時(shí)反饋來安排與實(shí)施工程設(shè)計(jì)流程，逐步提升認(rèn)知、決策與創(chuàng)新能力。

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