摘 要：為了滿足國(guó)家對(duì)人工智能發(fā)展戰(zhàn)略的需求，在高中階段開(kāi)展人工智能教育，對(duì)于促進(jìn)該技術(shù)的普及與發(fā)展，發(fā)掘更多潛在的人才都具有重要的意義。本文首先分析當(dāng)前最新的人工智能技術(shù)進(jìn)展情況，再比較國(guó)內(nèi)外的人工智能教育現(xiàn)狀，從人工智能教育所需的基礎(chǔ)知識(shí)、軟硬件平臺(tái)，應(yīng)用演示著手，討論了如何在高中開(kāi)展人工智能教育，并提出了基于云平臺(tái)的方法，實(shí)現(xiàn)人工智能教育在高中教學(xué)的開(kāi)展。

關(guān)鍵詞：人工智能；高中教學(xué)；新思考

一、 人工智能概述

人工智能技術(shù)在歷史上曾經(jīng)歷過(guò)幾次高潮和低谷。最近幾年，隨著芯片技術(shù)的提高，人工智能技術(shù)又迎來(lái)一個(gè)新的發(fā)展高潮期。人工智能的概念在不同的歷史時(shí)期體現(xiàn)出不同的含義，在實(shí)現(xiàn)上也存在巨大的差別。傳統(tǒng)的人工智能并不具備學(xué)習(xí)的能力，而機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)際上是在用大量數(shù)據(jù)和算法去“自我訓(xùn)練”，從而學(xué)會(huì)如何完成一項(xiàng)任務(wù)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是機(jī)器學(xué)習(xí)算法的一種，用計(jì)算機(jī)模仿人類的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)的功能（如圖一所示）。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿照人的神經(jīng)元系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從而具備一定的學(xué)習(xí)的能力，復(fù)雜的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)又稱為深度學(xué)習(xí)。實(shí)際上，是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)推動(dòng)了今天人工智能技術(shù)的大爆發(fā)。人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)的關(guān)系（如圖二所示）。

二、 高中人工智能教育的必要性

當(dāng)前，人工智能技術(shù)在一些特定領(lǐng)域取得應(yīng)用。比較典型的應(yīng)用包括人臉識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別，潛在的應(yīng)用領(lǐng)域包括醫(yī)療、金融和自動(dòng)駕駛等。我國(guó)政府已經(jīng)把人工智能當(dāng)成一項(xiàng)國(guó)家戰(zhàn)略來(lái)發(fā)展，于2017年制定和發(fā)布了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》。根據(jù)該計(jì)劃，到2030年，我國(guó)的人工智能理論、技術(shù)與應(yīng)用總體達(dá)到世界領(lǐng)先水平，成為世界主要人工智能創(chuàng)新中心。在《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中，提出實(shí)施全民人工智能教育項(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，鼓勵(lì)社會(huì)力量參與寓教于樂(lè)的編程教學(xué)軟件、游戲的開(kāi)發(fā)和推廣。高中階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，不僅可以提高學(xué)生對(duì)人工智能的興趣，還可以為高等學(xué)校培養(yǎng)具有一定人工智能知識(shí)和素養(yǎng)的合格學(xué)生。然而，如何在高中階段建設(shè)人工智能課程，尤其是面向當(dāng)前深度學(xué)習(xí)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工智能課程，還面臨諸多挑戰(zhàn)。本文將在分析國(guó)內(nèi)外人工智能教育現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，討論如何在高中開(kāi)展人工智能教育。

三、 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀高中人工智能教育現(xiàn)狀

早在2003年，教育部正式頒布普通高中技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)），首次在信息技術(shù)科目中設(shè)立了“人工智能初步”選修課程。無(wú)錫第一中學(xué)的《初識(shí)人工智能》課程，可以進(jìn)行機(jī)器證明、模式識(shí)別、自然語(yǔ)言處理、人機(jī)博弈和智能機(jī)器人等內(nèi)容的演示，但課時(shí)較少，只能實(shí)現(xiàn)普及知識(shí)的作用。福州第八中學(xué)的人工智能課程，教授基本的人工智能理論，使用Prolog語(yǔ)言進(jìn)行教學(xué)與實(shí)踐。從現(xiàn)有文獻(xiàn)看，國(guó)內(nèi)高中階段的人工智能教學(xué)基于上一代的人工智能技術(shù)，其案例過(guò)于陳舊，與當(dāng)前的人工智能發(fā)展?fàn)顩r不符合。傳統(tǒng)的人工智能教育有時(shí)候過(guò)于重視競(jìng)賽，缺乏必要的課程建設(shè)，像機(jī)器人等教學(xué)難以深入課堂。2018年教育部公布了《普通高中課程方案和語(yǔ)文等學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》，在此次“新課標(biāo)”改革中，正式將人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)處理正式劃入新課標(biāo)?！叭斯ぶ悄堋闭n程仍然作為選修課程。相比于2003版課標(biāo)，此次公布的“新課標(biāo)”中，在課程選擇上仍然給予學(xué)生較大的選擇空間，但提升了在編程、計(jì)算思維、算法方面的要求，以及人工智能、開(kāi)源硬件、網(wǎng)絡(luò)空間安全等知識(shí)面要求。

國(guó)外也有不少文獻(xiàn)介紹在高中階段展開(kāi)人工智能教育。美國(guó)的德雷塞爾大學(xué)為高中階段的機(jī)器學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)了一套教學(xué)系統(tǒng)，基于簡(jiǎn)化的K均值聚類算法實(shí)現(xiàn)硬幣、細(xì)菌分類等功能，結(jié)合討論課程以加深學(xué)習(xí)與理解?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)面向高中學(xué)生開(kāi)設(shè)人工智能的大學(xué)預(yù)科課程，有專門(mén)的網(wǎng)站提供包括參考的教材和資料，以及詳細(xì)的可用案例。歐洲的部分地區(qū)也開(kāi)展了面向高中的人工智能教育探索，其中分析了高中人工智能教育的可能性，提出高中的人工智能教育可以為大學(xué)的計(jì)算機(jī)專業(yè)提供大量的候選人才，也建議基于歐盟的相關(guān)教學(xué)推廣機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)高中階段的人工智能教育。

從國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)看，在美國(guó)一些有條件的高中開(kāi)設(shè)適合高中學(xué)生知識(shí)背景的機(jī)器學(xué)習(xí)課程，其主要面向優(yōu)秀的學(xué)生，并作為大學(xué)的預(yù)備課程。中國(guó)的人工智能技術(shù)研究起步并不晚，也積累了一定的技術(shù)實(shí)力和人才儲(chǔ)備。當(dāng)前國(guó)內(nèi)高中階段的人工智能教育受思想認(rèn)識(shí)、教材建設(shè)、教學(xué)教法、教學(xué)條件等因素制約外，師資也比較匱乏。另一方面，當(dāng)前的人工智能技術(shù)更新很快，編程語(yǔ)言的發(fā)展很快，亟需更新課程。

四、 可行性分析

高中的人工智能教學(xué)，其主要目的應(yīng)該是提高學(xué)生的人工智能知識(shí)素養(yǎng)，使學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)實(shí)踐，感受和增強(qiáng)人工智能的理念，初步掌握人工智能有關(guān)的技術(shù)原理，為以后提供學(xué)習(xí)的動(dòng)力和方向；也使學(xué)生在以后遇到發(fā)展選擇時(shí)能進(jìn)行具備一定的思考和掌握能力。本文將從人工智能教育所需的基礎(chǔ)知識(shí)、軟硬件平臺(tái)、應(yīng)用演示著手，討論如何在高中開(kāi)展人工智能教育。

五、 計(jì)算機(jī)編程基礎(chǔ)

高中的人工智能教育需要首先普及一定的計(jì)算機(jī)及編程原理。目前很多地區(qū)從小學(xué)開(kāi)始進(jìn)行計(jì)算機(jī)教育，到了高中階段，學(xué)生可以具備一定的基礎(chǔ)。當(dāng)前，機(jī)器學(xué)習(xí)中可以被使用的語(yǔ)言也有很多，常用的有MATLAB、Python、Java、C/C++等。這些語(yǔ)言中，C/C++或者Python是用得比較多的語(yǔ)言，尤其是Python語(yǔ)言其受歡迎程度較高，可以作為一種優(yōu)先選擇的編程語(yǔ)言。隨著計(jì)算機(jī)編程課程的普及，以后會(huì)有越來(lái)越多的高中學(xué)生具備一定編程能力，為實(shí)現(xiàn)人工智能教學(xué)打下良好的基礎(chǔ)。

六、 數(shù)學(xué)與邏輯基礎(chǔ)

數(shù)學(xué)與邏輯基礎(chǔ)是掌握人工智能所需的另外基礎(chǔ)知識(shí)。雖然實(shí)際應(yīng)用的人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)往往要求較高的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，但也有部分的機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)方法加以實(shí)現(xiàn)。比如當(dāng)前基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器學(xué)習(xí)，更多地模仿人腦的行為，其數(shù)學(xué)知識(shí)可以比較簡(jiǎn)單。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中可以只用到簡(jiǎn)單的乘法、加法，相對(duì)來(lái)說(shuō)這部分的數(shù)學(xué)要求也并不高。在高中階段的教學(xué)中，對(duì)于簡(jiǎn)單的應(yīng)用，甚至可以通過(guò)自己的努力實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的分類學(xué)習(xí)和識(shí)別學(xué)習(xí)。此外，人工智能中涉及一些邏輯操作，如與、或、非、異或等邏輯運(yùn)算操作。這部分知識(shí)體系當(dāng)前一般在大學(xué)的電子信息類專業(yè)課程進(jìn)行講授，這些基本的邏輯操作概念對(duì)于高中學(xué)生來(lái)說(shuō)也不難掌握?？偟膩?lái)說(shuō)，通過(guò)簡(jiǎn)單化、基本化以后，這部分知識(shí)對(duì)于高中學(xué)生的教學(xué)來(lái)說(shuō)難度不大，不會(huì)影響人工智能的教學(xué)效果。

七、 軟硬件硬件平臺(tái)與應(yīng)用演示

可以演示的教育平臺(tái)是實(shí)現(xiàn)人工智能教學(xué)的重要組成部分，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的興趣非常有幫助，演示平臺(tái)包括軟件和硬件兩個(gè)部分組成。在上文的分析中指出，人工智能或者機(jī)器學(xué)習(xí)的核心部分可以使用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)和邏輯基礎(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但如果要實(shí)現(xiàn)基本的演示功能，整個(gè)人工智能程序里還需要包括大量的復(fù)雜程序。實(shí)際上，這些復(fù)雜的程序由特定的研究人員完成，一般的學(xué)習(xí)或者開(kāi)發(fā)人員并不需要花很多的精力去重新完成這些功能，這些現(xiàn)有的軟件又稱為機(jī)器學(xué)習(xí)框架。這些機(jī)器學(xué)習(xí)框架，基本上都是開(kāi)源的程序，網(wǎng)上有大量的資料。在人工智能教學(xué)中，機(jī)器學(xué)習(xí)框架可以認(rèn)為是一種軟件平臺(tái)。

實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)教學(xué)，還需要在一定的硬件平臺(tái)。比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的硬件平臺(tái)是通過(guò)云計(jì)算實(shí)現(xiàn)，比如騰訊和阿里云等都可以提供虛擬的計(jì)算機(jī)，在這種環(huán)境下安裝機(jī)器學(xué)習(xí)的框架，會(huì)更方便經(jīng)濟(jì)。當(dāng)前主要的人工機(jī)器學(xué)習(xí)包括圖像分類、語(yǔ)音識(shí)別等。這些應(yīng)用易懂、有趣，有大量的示例，在教學(xué)過(guò)程中可以獲得大量現(xiàn)成的教學(xué)資源。

利用云計(jì)算平臺(tái)，不依賴于特定的硬件平臺(tái)，會(huì)更加方便機(jī)器學(xué)習(xí)教學(xué)的推廣和應(yīng)用。當(dāng)前的人工智能人才還比較缺乏，一種比較好的方式是引入社會(huì)的機(jī)構(gòu)，提供教學(xué)案例的開(kāi)發(fā)和軟硬件環(huán)境。當(dāng)前高校里有很多的研究人員進(jìn)行人工智能的研究，一些有條件的附屬學(xué)校，可以利用這些資源進(jìn)行人工智能教育的開(kāi)展。由于國(guó)家還沒(méi)有專門(mén)的人工智能技術(shù)相關(guān)的科普和推廣機(jī)構(gòu)，為了適應(yīng)發(fā)展戰(zhàn)略的要求，在這方面可以利用其他的社會(huì)資源，如高校的相關(guān)一些研究機(jī)構(gòu)。

八、 結(jié)論

本文基于當(dāng)前人工智能技術(shù)的最新發(fā)展，結(jié)合國(guó)家對(duì)人工智能發(fā)展戰(zhàn)略的需求，討論在高中階段開(kāi)展人工智能教育的問(wèn)題。本文分析了當(dāng)前最新的人工智能技術(shù)進(jìn)展情況，比較了國(guó)內(nèi)外的人工智能教育現(xiàn)狀；從人工智能教育所需的基礎(chǔ)知識(shí)、軟硬件平臺(tái)、應(yīng)用演示著手，分析了高中開(kāi)展人工智能教育的可行性方法，并提出了基于云計(jì)算平臺(tái)，依托第三方機(jī)構(gòu)的思路，實(shí)現(xiàn)人工智能教育在高中教學(xué)的開(kāi)展，促進(jìn)該技術(shù)的普及與發(fā)展，發(fā)掘更多潛在的人才。

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作者簡(jiǎn)介：

陳泓吉，浙江省臺(tái)州市，天臺(tái)縣外國(guó)語(yǔ)學(xué)校。