鈕洪斌

● 學(xué)科核心素養(yǎng)

主動關(guān)注信息技術(shù)發(fā)展中的新動向和新趨勢，有意識地使用新技術(shù)處理信息。（信息意識）

總結(jié)利用計算機解決問題的過程與方法，并遷移到與之相關(guān)的其他問題解決中。（計算思維）

● 學(xué)習(xí)內(nèi)容分析

近年來，人工智能技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，并將在社會生活中發(fā)揮越來越重要的作用。人工智能實際上是一種讓機器模仿人類智能行為的技術(shù)，目前來說，人工智能主要模仿了人類的三種能力：模仿人類對周圍環(huán)境的感知，包括視覺、聽覺等，如人臉識別、語音控制;模仿人類動作，包括人類手、腳等的動作，如語音合成、自動駕駛;模仿理性思考，包括推理、決策和規(guī)劃等，如下棋。xDing是一款基于Scratch2.0開發(fā)的圖形化編程軟件，集成了百度云AI模塊，通過簡單的圖形化編程，就可以設(shè)計與制作出簡單的人工智能作品。當前，實現(xiàn)人工智能的主流方法是機器學(xué)習(xí)，機器學(xué)習(xí)就是通過學(xué)習(xí)大量的數(shù)據(jù)，使計算機能模仿人類的智能行為。

● 學(xué)習(xí)者分析

本課學(xué)習(xí)者是小學(xué)五年級的學(xué)生，這個年齡段的學(xué)生好奇心強，易接受新鮮事物，喜歡交流和分享，在觀察、分析、思考能力上都有非常好的表現(xiàn)。這個階段的學(xué)生，也已經(jīng)具備了一定的計算機操作技能，能夠較熟練地操作一些常見的應(yīng)用軟件，能夠比較熟練地使用Scratch設(shè)計出一些相對復(fù)雜的腳本，這些為xDing的使用提供了良好的基礎(chǔ)。學(xué)生可能聽說過人工智能，也有學(xué)生見過甚至使用過人工智能產(chǎn)品，但對于什么樣的技術(shù)可以稱為人工智能卻無從回答，也不知道其中的實現(xiàn)原理。

● 學(xué)習(xí)目標

（1）體驗人工智能產(chǎn)品，認識什么是人工智能。

（2）使用xDing搭建能夠識圖認物的人工智能作品。

（3）剖析人工智能作品，了解人工智能的基本實現(xiàn)原理。

（4）借助視頻和交流，體驗人工智能的典型應(yīng)用。

● 教學(xué)過程

1.人機識物，認識人工智能

師：同學(xué)們，今天我們教室里多了許多植物。

活動1：人與APP共認植物。

（1）說一說：這些植物的名字叫什么。

（2）做一做：使用“形色”APP來識別植物。

平板實際上就是一臺小型計算機，但“形色”等APP使它具有了本來人類才有的識圖認物的能力，這種讓機器模仿人類智能行為的技術(shù)就稱為人工智能。我們現(xiàn)在常說的AI（Artificial Intelligence），就是指人工智能。今天，我們就一起來走進身邊的人工智能。

設(shè)計意圖：人工智能離小學(xué)生的生活并不遙遠，但是想讓小學(xué)生理解到底什么是人工智能還是比較困難的。為此，本環(huán)節(jié)先由學(xué)生自己識物，再通過“形色”APP拍照識物，讓學(xué)生體驗、感受這種人工智能產(chǎn)品的功能，從而明白人工智能就是一種讓機器模仿人類智能行為的技術(shù)。

2.動手操作，嘗試人工智能

師：這個APP很神奇吧。接下來，我們也來做一個人工智能作品。

活動2：使用xDing設(shè)計識圖認物作品。

（1）打開“樣例.sb2”，執(zhí)行腳本，觀察結(jié)果。

（2）打開“識別”控件中的下拉列表看一看，除了視頻，還可以通過什么方式獲取信息？除了能識別植物，還可以識別什么內(nèi)容？

（3）獲得識別內(nèi)容后，腳本是如何執(zhí)行的？

（4）修改腳本，設(shè)計一個自己的人工智能作品（如表1）。

小結(jié)：通過攝像頭或者照片獲取需要識別的內(nèi)容，腳本對獲取的內(nèi)容進行識別分析，識別的結(jié)果通過廣播反饋給角色，由角色輸出識別的結(jié)果，模仿了人類通過視覺感知客觀世界的能力。

設(shè)計意圖：xDing是基于Scratch2.0開發(fā)的圖形化編程軟件，集成了百度云AI模塊，可以實現(xiàn)人工智能產(chǎn)品的便捷開發(fā)。借助xDing軟件，學(xué)生能夠快速地把想法變?yōu)楝F(xiàn)實。為了降低學(xué)生從零開始進行程序設(shè)計的難度，采用“使用—修改—創(chuàng)作”這種教學(xué)思路，首先提供給學(xué)生一個完整的樣例作品，在使用的過程中了解軟件AI模塊的功能與使用方法，再通過修改樣例腳本實現(xiàn)自己的想法，學(xué)生在做的過程中思考做什么以及如何分步驟地做，體會利用人工智能技術(shù)解決實際問題的基本過程。

3.剖析作品，理解人工智能

師：借助xDing，我們實現(xiàn)了識圖認物的人工智能作品。那么，計算機是如何做到模仿人類識物的智能行為的呢？

活動3：探究人工智能的基本實現(xiàn)原理。

（1）觀看微視頻，思考：機器是如何獲得認知能力的？在貓狗識別應(yīng)用中，機器學(xué)習(xí)的內(nèi)容是什么？

小結(jié)：機器可以像人類一樣通過學(xué)習(xí)來獲得能力。機器通過不斷地看圖進行學(xué)習(xí)，從而提高自己的識圖能力。圖片是一種數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式，所以，從本質(zhì)上來說，機器學(xué)習(xí)是一種向數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)的方法。

（2）使用百度的EasyDL定制貓狗識別的圖像分類模型，校驗學(xué)習(xí)不同數(shù)量圖片的貓狗識別智能模型，比較它們的識別能力（如表2）。

小結(jié)：訓(xùn)練的數(shù)據(jù)量越大，圖像的識別率越高。

設(shè)計意圖：學(xué)生帶著問題觀看視頻，通過視頻的動態(tài)演繹，將抽象、不易理解的知識生動、形象地展示給學(xué)生，幫助學(xué)生理解機器學(xué)習(xí)是人工智能的核心，是使機器具有智能的重要途徑，從而建立起對機器學(xué)習(xí)的初步認識。借助百度的EasyDL定制化圖像識別模型，學(xué)生通過校驗不同數(shù)據(jù)量的模型，可以發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練的數(shù)據(jù)量越大，圖像的識別率越高，進而認識到機器通過學(xué)習(xí)大量的數(shù)據(jù)，建立基于數(shù)據(jù)分析的模型，通過這個模型，機器可以對新問題做出預(yù)判，也就是說，機器具有了與人類類似的智能。

4.暢談交流，感受人工智能應(yīng)用

師：人工智能應(yīng)用已經(jīng)深入到我們學(xué)習(xí)、生活的方方面面，為我們帶來了便利。

活動4：暢談人工智能應(yīng)用。

（1）自主觀看微視頻，說一說：視頻中人工智能技術(shù)主要模仿了人類哪方面的能力？（如上頁表3）

小結(jié)：人工智能實際上就是讓計算機模仿人類的三種能力：第一是模仿感知，是對周圍環(huán)境的感知，包括視覺、聽覺等，如人臉識別、語音控制;第二是模仿動作，包括人類手、腳等的動作，如語音合成、自動駕駛;第三是模仿理性思考，包括推理、決策和規(guī)劃等，如下棋。

（2）你能從人工智能模仿的人的能力出發(fā)，說一說你身邊的人工智能應(yīng)用嗎？

設(shè)計意圖：不管是科幻片中的智能機器人，還是生活中的智能產(chǎn)品，雖然形狀千奇百怪，有些甚至是計算機程序，但它們都有一個共同的特點，就是模仿人的某種智能行為——能看、能聽、能說話、能行動、會思考，5個微視頻給出了在生活中實際應(yīng)用的例子，引導(dǎo)學(xué)生在思考的基礎(chǔ)上，學(xué)會從以上5個維度來學(xué)習(xí)和體驗人工智能的用途，激發(fā)學(xué)生認識更多的人工智能應(yīng)用。

5.思維導(dǎo)圖（如下圖），建構(gòu)人工智能

師：今天這節(jié)課，我們初步感知了身邊的人工智能，人工智能技術(shù)就是讓機器模仿人類智能行為的技術(shù)。當前，實現(xiàn)人工智能的主流方法是機器學(xué)習(xí)，通過大量的數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)，使機器能看、能聽、會說話、模仿動作、會思考。

設(shè)計意圖：思維導(dǎo)圖，簡單地說就是一種運用集中與發(fā)散的思維，對學(xué)習(xí)的知識點進行集中歸納與應(yīng)用的有效工具。思維導(dǎo)圖可以清晰形象地呈現(xiàn)出各部分知識間的脈絡(luò)關(guān)系，有助于學(xué)生從整體上把握知識，完成知識的建構(gòu)。

● 教學(xué)反思

從1956年首次提出“人工智能”這一概念以來，人工智能已深入到我們的日常生活的方方面面，但是，當向?qū)W生提問“什么是人工智能”“你知道哪些應(yīng)用屬于人工智能”等問題時，他們都回答不上來，而當我向他們舉了一些身邊的例子如蘋果的siri、百度音箱等之后，他們又一個接一個地搶著回答，課堂氣氛立馬活躍起來了。為什么會出現(xiàn)這樣的情況呢？這是因為，學(xué)生天生排斥生澀的文字，即使文字并不長，能夠記住這些信息，但并沒有理解其內(nèi)涵。因此，把“形色”APP與人類識圖認物的能力進行類比，運用通俗易懂、形象生動的語言能夠幫助學(xué)生初步構(gòu)建起人工智能的概念。

這種概括性的描述，只能幫助學(xué)生大體上了解人工智能。實際上，人工智能實現(xiàn)的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)，必須經(jīng)過大數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)才能讓機器模仿人類的某些能力。在探究人工智能的基本實現(xiàn)原理過程中，通過兩個問題激發(fā)學(xué)生的思考：①機器是如何獲得認知能力的？機器又是如何進行學(xué)習(xí)的？②在貓狗識別應(yīng)用中，機器學(xué)習(xí)的內(nèi)容是什么？兩個問題如果是直接提問，即使閱讀了教材中的材料，學(xué)生也說不清楚為什么。這是因為，對于抽象的概念，單純講授無法激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，通過觀看形象生動的視頻，就有了不一樣的效果。但是，開始我提供的是一個近4分鐘的視頻，學(xué)生在觀看視頻之后的回答效果非常不好，可以說絕大多數(shù)學(xué)生都無法準確地找到問題的答案。為了提高學(xué)生的注意力，我把視頻分割成兩個較短的視頻，每個視頻只有1分鐘，并且依次呈現(xiàn)，同時在第二個小問題中注意強調(diào)問題的范圍，這對學(xué)生來說就相對容易多了。因此，在使用微視頻輔助教學(xué)時，必須對視頻進行適當?shù)牟眉?，以保證內(nèi)容集中、不分散，引導(dǎo)思考的問題指向也要明確，這樣才能更好地突破教學(xué)中的難點。

點 ?評

人工智能作為引領(lǐng)未來的戰(zhàn)略性新興技術(shù)，正在深刻影響著社會的方方面面，也將深刻改變我們的生產(chǎn)生活方式。為應(yīng)對人工智能發(fā)展給教育帶來的機遇和挑戰(zhàn)，近年來，一些主要發(fā)達國家（或教育組織）開始在中小學(xué)推進人工智能教育。2018年4月，教育部印發(fā)了《教育信息化2.0行動計劃》，也明確提出要完善課程方案和課程標準，充實適應(yīng)信息時代、智能時代發(fā)展需要的人工智能和編程課程內(nèi)容。

在小學(xué)階段開展人工智能教育，應(yīng)在尊重學(xué)生認知發(fā)展規(guī)律的基礎(chǔ)上，科學(xué)地設(shè)計課程內(nèi)容，仔細選擇可操作的學(xué)習(xí)路徑。本課作為小學(xué)階段人工智能的起始課，主要任務(wù)是幫助學(xué)生對人工智能形成一個總括性的認識。具體來說，要解決什么是人工智能、人工智能可以做什么，怎么實現(xiàn)人工智能，機器何以能夠智能三個方面的問題。

關(guān)于什么是人工智能，有著許多不同的表述，“通過機器模仿人類的智能行為的技術(shù)”是一種被廣泛接受的說法。傳統(tǒng)的概念教學(xué)更多的是采用“講授—復(fù)述”的方法進行，由于缺少必要的體驗，學(xué)生只是停留在概念文本的識記上，并沒有形成有意義的知識組織。本課首先設(shè)計了“人與APP共認植物”的活動，抓住“形色”APP能夠識別植物這一功能，讓學(xué)生感受人工智能可以讓機器“看”，發(fā)現(xiàn)機器被賦予了人類才有的識圖認物的能力，揭示出人工智能的概念。在此基礎(chǔ)上，活動4結(jié)合學(xué)生的認知能力和經(jīng)驗，通過微視頻列舉了人工智能模仿人類智能行為的典型應(yīng)用，人臉識別讓機器會看，語音識別讓機器會聽，AI主播讓機器會說，自動駕駛讓機器會動，阿爾法狗讓機器會思考，從看、聽、說、動、思5個維度深入地進行拓展加工，進一步建立小學(xué)生對人工智能的認識和感悟。

知識的學(xué)習(xí)還必須與技術(shù)實踐結(jié)合起來，運用于社會實際問題的解決，從而形成良好的認知結(jié)構(gòu)?；顒?引導(dǎo)學(xué)生借助xDing這個簡單的圖形化編程工具，設(shè)計識圖認物人工智能作品，首先通過使用樣例作品，思考做什么、如何分步驟做，再通過修改樣例腳本實現(xiàn)自己的想法。學(xué)生在親身參考創(chuàng)作活動的過程中，感受人工智能技術(shù)的無窮魅力，進而思考如何利用人工智能解決問題。

雖然人工智能技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)，但由于學(xué)生對當前人工智能發(fā)展的真實水平知之甚少，加之受科幻電影的影響，以及一些知名科學(xué)家的警告，一些學(xué)生難免會對人工智能產(chǎn)生恐懼心理。這就要求我們的教學(xué)不能止步于“是什么”“做什么”“怎么做”，更要引導(dǎo)學(xué)生積極思考“為什么”。實際上，人工智能技術(shù)幾經(jīng)沉浮，當前的人工智能技術(shù)大多數(shù)是通過機器學(xué)習(xí)來實現(xiàn)的，它所依據(jù)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是概率統(tǒng)計與優(yōu)化理論。本課使用百度EasyDL定制貓狗識別的圖像分類模型，引導(dǎo)學(xué)生通過校驗不同數(shù)據(jù)量的貓狗智能模型，比較它們的識別能力，可以發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練的數(shù)據(jù)量越大，圖像的識別率越高，進而對機器何以智能這一核心問題形成一個正確的理解——人工智能并不神秘，它主要依靠數(shù)據(jù)賦能，從本質(zhì)上來說，就是一種以數(shù)據(jù)為中心或數(shù)據(jù)驅(qū)動的問題求解方式。有了這些認識，學(xué)生就能夠更為客觀地認識人工智能及其與人和社會的關(guān)系。

本文系江蘇省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2015年度課題“基于活動理論的信息技術(shù)教學(xué)設(shè)計研究”（項目編號：D/2015/02/405）研究成果。