人工智能在小学信息技术课堂教学中实施的思考

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　　人工智能正以超出人们预想的速度迅猛发展。2017年国务院印发《新一代人工智能发展规划》，提出了“实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育，支持开展人工智能竞赛，鼓励进行形式多样的人工智能科普创作”。根据规划，在小学课堂中普及推广的人工智能相关教学，也必将是未来国家大力推动的主要教育形式，因此“人工智能”成为当下教育的热词。而当下，我们已迎来科技创新型社会，人工智能已经融入社会各行业和百姓生活中，人工智能教育已经迫在眉睫。人工智能教育要从青少年阶段抓起，为国家培育人工智能创新人才，要提高全民族的科学教育素质与生产创新意识。那么人工智能究竟要如何“去高端化”潜入小学信息技术课堂呢？笔者以自身对人工智能的理解与实践为例，浅析在人工智能火热的当下，如何缓缓地在小学信息技术课堂中实施人工智能教育。
　　● 人工智能的定义
　　众所周知，人工智能是一项多领域交叉学科，其主要涉及了哲学、认知科学、数学、神经生理学、心理学、计算机科学、信息论、控制论、不定性论等。正是源自丰富的学科基础，其关键技术主要包括知识图谱、计算机视觉、人机交互、生物特征识别、机器学习、自然语言处理和VR/AR等。其中机器学习是人工智能的核心，是计算机具有智能的根本途径，它专门研究计算机怎么模拟或实现人类的学习行为，以获取新的知识或技能，重新组织已有的知识结构，使之不断改善自身的性能。随着机器学习的逐步深入发展，延伸出深度学习这一新领域。那么，什么是深度学习呢？我们可以这样通俗地概括：深度学习神经网络模拟了人脑的神经结点，每个点实际上就是一个函数调节器，无数函数彼此交叉连接起来，就构成了一个神经网络。
　　深度学习的核心理念就是通过增加神经网络的层数来提高效率，将复杂的输入数据逐层抽象和简化，判定的层数越多，识别得也越准确。深度学习概念的提出，将原有的传统机器学习中需要告诉计算机判定条件，转变为计算机根据大量的图像对应空间分布的数据，根据语音或自然语言对应时间性分布数据，进行自主习得，从中找出规律，再进行精确识别。
　　大数据和深度学习是人工智能的两个标志，数据越大，在深度学习算法的计算下，效果就越好，为此我们可以从机器学习、训练、深度学习的思维方式去理解人工智能。那么，到底什么是人工智能？人工智能是研究人类智能活动的规律，构造具有一定智能的人工系统，研究如何让计算机去完成以往需要人的智力才能胜任的工作，也就是研究如何应用计算机的软硬件来模拟人类某些智能行为的基本理论、方法和技术。概而言之，对人工智能的定义大多可划分为四类，即机器“像人一样思考”“像人一样行动”“理性地思考”和“理性地行动”。既然人工智能的发展已经到了前所未有的高度，并且人工智能毫无疑问已经从我们生活的方方面面渗入我们的行为习惯，那么，面对飞速发展的人工智能，我们就应该在学校教育中将人工智能课程真正落地，让我们的孩子能在人工智能时代做好准备。
　　● 如何让人工智能在小学信息技术课堂中“走起”
　　其实人工智能涵盖的概念、理论高深、抽象，显然超出了小学生的接受能力，如何让人工智能教育和学习变得直观易懂呢？笔者曾带领团队撰写了适合小学生学习的人工智能低、中、高科普教材，该教材为小学生提供了人工智能知识体系，通俗易懂的人工智能科普小知识、小故事，让学生了解什么是人工智能，并通过经典的数学问题感知人工智能算法的魅力，通过动手搭建有趣的弱人工智能项目体验人工智能的趣味。总之，该教材让学生借助生活情境，学习人工智能相关知识，通过动手实践培养学生的计算思维、创新思维和动手实践能力。基于此，笔者认为，人工智能在小学信息技术课堂中真正落实，可从以下四个方面入手。
　　1.了解人工智能应用场景，增强学生学习兴趣
　　人工智能看著高大上，但实际上离我们的生活并不是那么遥远。在课程实施时，可带着学生用生活中最为常见的人工智能应用案例，挖掘学生在生活中不经意间就享受到人工智能的便捷，以此来了解人工智能中的图像识别、语言识别的应用场景，从而激发学生对人工智能的兴趣与求知欲。例如，飞速而起的智能手机，从原来的按键到如今的智能手机，从原来的密码解锁到现在的指纹解锁、刷脸解锁，从原来的货币购买方式到现在的连街边的小摊贩都支持的二维码付款，在实际应用场景中让学生感知人工智能图像识别的原理和快捷。又如，为什么“淘宝”每次推送的产品都是你想买的？为什么你看到的“美团”里面每道菜都是你想吃的？“滴滴”为什么能派一个距离你最近的司机？在教学中带领学生在生活应用中分析其原理，理解人工智能深度学习的魅力。总之，通过身边人工智能应用实例让学生了解人工智能基本原理，从中感知机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等人工智能的基本概念，对人工智能有个粗浅认知与理解。
　　2.注重创客教育实施，作为人工智能启蒙教育
　　创客教育是创客文化与教育的结合，是基于学生兴趣，以项目学习的方式，使用数字化工具，倡导造物，鼓励分享，培养跨学科解决问题能力、团队协作能力和创新能力的一种素质教育。人工智能和创客教育最大的特征是“创新”，从教育本身来讲，创客与人工智能教育都是多学科融合的领域，由于综合了数学、物理、机械原理、电子传感器、计算机软硬件及人工智能等众多前沿技术，通过这方面的学习有助于培养学生的综合素质。另外，分析能力、创造能力、实践能力这三力的均衡发展对学生的发展起着重要的作用，而创客与人工智能教育的学习恰好是培养这三力的理想平台。而处在小学阶段的学生，由于其知识储备与认知能力不足，对人工智能深奥的算法、抽象的建模还不能理解，可将创客教育作为人工智能的启蒙教育，通过创客教育让学生创造出弱人工智能项目，从中培养学生的创新思维与批判性思维，提升学生分析问题和解决问题能力。
　　3.构建小学生编程教育体系，注重学生编程思维培养
　　芬兰教育部长说过：“在未来，如果你的孩子懂编程，他就是未来世界的创造者;如果他不懂，他只是使用者。”随着人工智能发展越来越深入，AI将与我们日常生活的所有方面都交织在一起，编程将成为人类与计算机沟通的工具，也将变得越来越重要。在可见的未来，“编程”将如今天的数学、英语一样，成为每个受过教育的人都必须具备的基本素质，它是未来人工智能时代的基础。就人工智能目前应用领域来说，神经网络算法和机器学习算法占据了主流地位，正是因为这些算法，人工智能才能变得如此“聪明”，所以算法对于人工智能的发展至关重要，而算法是编程学习的重要内容。 　　基于以上思考，根据小学生各个发展阶段的学习特点，笔者梳理了一套编程教育体系，该体系从Level 1到Level 5一共有五个阶段。
　　（1）第一阶段以游戏化情境为主，作为儿童编程入门语言学习，这种图形化编程方式适合零基础的儿童学习。主要是在具体的情境下，以游戏化、图形化的表现和拖拽方式完成编程的核心逻辑，主要针对一、二年级学生学习。
　　（2）第二阶段着重于Scratch图形化编程的使用，初步掌握Scratch 中的基本模块，认识程序设计的基本构结，用编程的方法去解决一些问题，主要针对三年级学生学习。
　　（3）第三阶段以项目学习为主，在具体任务中提出问题、需求分析、整体架构，搭建与纠错，测试与评估，从而掌握重复、判断、变量等相关知识，主要针对四年级学生学习。
　　（4）第四阶段为算法学习，涉及循环、列表、分治、递归、冒泡等相关知识，可以把一些经典的数学奥数问题，如植树问题、农夫过河问题、鸡兔同笼，以及画出科赫雪花、二叉树、谢尔宾斯基三角形等图形，将递归、分治、冒泡思想融入其中，掌握各种算法的应用场合，主要针对五年级学生学习。
　　（5）第五阶段为编程机器人学习，通过各类编程图形化语言编写指令，与各类开源硬件相结合，实现创意性编程机器人的组合动作来实现各种创意，主要针对六年级学生学习。
　　4.寻找适合的学习载体，让创编人工智能实例成为可能
　　很多创客器材厂商对现有产品进行了升级改造，将人工智能元素融入到产品中，如mDesigner3、小猫科技、思泰姆的奇乐方和创造栗无人驾驶等，学生利用它们可以创作出很多弱人工智能项目。同时，它们各自已开设了较为完整的课程体系、智能编程平台、智能硬件等，让学生通过循序渐进的人工智能课程学习，体验图像识别技术、语音识别技术、大数据应用，以及人工智能算法、建模的过程。例如，在小猫科技中，基于时下火爆的Scratch3.0图形化框架软件平台，Kittenblock打通并支持Arduino、Micro：bit等开源硬件的编程运行，在软硬结合的初衷上，不断地将人工智能等黑科技打通呈现直观的、易用的学习环境。其中它用到了TensorFlow算法，TensorFlow是由Google开发的一个基于深度学习神经网络的通用化机器学习系统，它是世界上最受欢迎的开源机器学习框架，它具有快速、灵活并适合产品级大规模应用等特点，让每个开发者和研究者都能方便地使用人工智能来解决多样化的挑战。同样对小学生而言，也可以創作基于人工智能算法的游戏，如“石头、剪刀、布”游戏，一旦系统成功地建立好模型，系统进行模型训练后，你无论如何机智，玩“石头、剪刀、布”游戏不可能胜过电脑。在该游戏制作过程中，学生将自然地感知深度学习的含义，真切地了解算法与建模在游戏创作中的作用。又如，美科AI模块也可以做很多IA的案例，如学生喜欢的人脸识别游戏，以摄像头为媒介获取人像进行识别，通过自己的动手创作，在瞬间能判断出自己性别、年龄、肤色和表情，深感图像识别与大数据分析的原理。
　　为此，人工智能进入课堂，我们必须构建深入浅出的知识体系，其特点是融科学性、先进性及趣味性于一体，让学生在快乐、充满好奇的环境中学习人工智能的基本知识与概念，通过解决实际问题的过程学习编程，学会算法，在造智项目中培养他们的创新思维与动手实践能力，为学生了解掌握国际最前沿人工智能科技打下坚实基础。
　　● 如何破解人工智能师资难题
　　让人工智能融入中小学课堂，助推国民科学创新素质，为国家的人工智能发展培育种子力量，是我们每一位教育工作者应担起的社会责任。作为创新人才培养质量的保障，人工智能师资培养是关键。但现实情况是，中小学校的人工智能专业教师紧缺。为此，加强AI师资培育，致力于打造体系化的人工智能教师培训课程，构建覆盖全面的人工智能教师队伍，引领人工智能课程教学模式革新，实施从基础教育开始的未来AI人才培养计划，培养多维度、多梯次的人工智能复合型人才是教育行政部门须着力推进的工作。
　　总之，人工智能成为全球关注的焦点，同时它也成为改变人类未来生活的重要方式，人工智能在未来的竞争将集中体现在人才竞争上。要在人工智能大时代中占有一席之地，必须要培养人工智能高新人才。学在少年，赢在未来，人工智能教育工作任重而道远。
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