人工智能课程及其实施

5.3　人工智能课程及其实施

人工智能作为信息技术的分支学科和前沿领域，1956年至今已经走过了半个世纪。在它的发展过程中虽然有过争论、困惑和挑战，但仍在曲折中不断发展壮大，成为20世纪最伟大的科学成就之一，对社会经济的影响越来越大，并为改善人类生活发挥着更大的作用。

在全球基础教育课程改革的大潮中，不少国家意识到人工智能教育的必要性，遵循课程要适度反映前沿进展的思路，已经尝试将人工智能列入基础教育课程。我国教育部2003年颁布的高中“信息技术”课程标准中，正式把“人工智能初步”列为选修课程，这意味着我国的人工智能教育在普及层面上进入了一个新阶段。

作为教育部高中人工智能课程标准研制的核心成员，浙江大学张剑平教授及其研究团队自2001年以来先后在全国10多个省市开展新课程标准的培训与调研工作，参与了相关的教材、教学参考书的编写或审定，并进行了多项省、部级相关课题的研究。在一系列实践、研究与探索的基础上，发表了数十篇研究论文，出版了国内第一部专门研究人工智能课程与教学问题的专著《人工智能课程研究》（人民教育出版社，2009）。

“人工智能初步”作为我国高中新课程标准的信息技术科目的选修模块之一，该课程与高中其他一些科目的选修课类似，在教学实施过程中面临着不少困难。在这里，将通过国内外中学人工智能教育现状的阐述，以及我国高中人工智能课程的实施情况分析，反思课程实施中存在的问题，提出了相关的实施策略。^[8]

5.3.1　高中人工智能课程现状

1.国外中学的人工智能课程

英国是较早开展人工智能基础教育的国家之一，不少中学开设了人工智能课程，并通过组织和开展相关教育竞赛活动来扩展和延伸人工智能教育。以苏格兰地区为例，早在1999年，人工智能课程已经作为选修课出现在中学信息与通讯技术（ICT）课程中。英国的信息与通讯技术课程分为计算（Computing）和信息系统（Information Systems）两个系列，每个系列都包括中级（Intermediate）、高级（Higher）和高级提升（Adv.Higher）三个层面，各层面设有必修和选修单元1。其中，在“计算”系列的选修课程中设置了人工智能基础类模块，介绍人工智能的基础知识；而在“信息系统”系列的选修课程中则设置了人工智能应用类模块。经过数年的教学实践和探索，苏格兰地区中学人工智能课程的结构进行了改革，其开设层面更加提前，原有难度较大的教学内容已逐步削减，内容更加强调基础性和应用性。为了有效地开展人工智能教学，作为负责教育的发展、鉴定、评估和认证的国家机构——苏格兰执行教育部（SEED）主办和资助了相关的部门和组织（例如“苏格兰资格署”SQA和“苏格兰学与教在线服务”LT Scotland Online Service）通过网站和其他形式向中学师生提供了各类人工智能教学材料、实用支持材料和教学包，为学科教师开展教学、评价和学生自学提供支持。另外，许多中小学还通过组织和开展机器人竞赛活动，来激发中小学生学习人工智能的兴趣，使学生不仅获得技术和知识，提高问题解决的能力，而且培养他们的多种思维方式，获得更多的创新空间。

美国现行的中学信息技术课程中，部分学校将人工智能作为必修或选修课程加以开设。在高中阶段（10－12年级）的信息技术课程中，涉及人工智能的教学内容主要包括使学生认识人工智能的意义及其应用，并介绍自动化系统、机器人、虚拟现实技术等，以及人工智能的产生与发展可能对人类社会造成的各种影响。一般情况下，美国各州根据自身的教育特点和目标，对人工智能教育的内容有不同的要求。例如：威斯康星州的信息技术素养学术标准模型中，将人工智能教育的内容作为“媒体与技术”层面对12年级学生的一个要求，要求学生能够“认识代理、专家系统或者人工智能的例子（例如搜索引擎、语法检查器、语音识别、翻译机等）”。在弗吉尼亚州Chesterfield县公立中学的信息网站上，人工智能是作为“职业和技术教育类”课程中的“信息系统技术”选修课的一部分为11－12年级的优等生特别开设。该课程包括两个层次：Artificial Intelligence（Expert Systems）和Advanced Artificial Intelligence（Expert Systems）。其课程要求在于：学生利用计算机、人工智能软件和其他软件，解决各种问题，例如大学的选择、市场营销、业务核算，以及律师、保险经纪人、教师、业务经理等职业中的应用问题。

澳大利亚的部分中学也开设了人工智能相关的课程。例如，昆士兰州的Marsden州立高中在开设的信息处理与技术（Information Processing and Technology）课程中，人工智能、信息系统、算法和程序设计、社会和伦理道德、计算机系统作为5个主题共同构成了该课程的教学内容。在该课程的大纲中规定，人工智能部分的教学内容在高中第三学期为12年级的学生开设，教学时间为10周，课时为35小时，共计60堂课，其中核心教学内容的课时占2/3，拓展教学内容的课时占1/3。在人工智能这一主题下，又分为A I1‐Expert Systems和A I2 Aspects of Artificial Intelligence两门子课程，课时安排分别为24和36堂课。课程内容主要涉及：专家系统、机器人、神经网络、博弈问题等，课程要求学生通过班级讨论来加深对人工智能哲学问题的认识，通过动手设计、运行专家系统来理解专家系统的原理，检验自动学习程序，组装机器人并进行控制，训练神经网络，使用和评价自然语言查询工具等增强学生的体验，从而对人工智能的方方面面及其应用形成一定的认识。

2.我国中学的人工智能课程

我国人工智能教育的开展相对发达国家较迟，在新课改以前，与人工智能教育相关的课程主要在大学理工科专业开设，主要作为计算机、自动化等信息类专业的基础课程。该课程主要介绍人工智能的基本思想和方法，向学生提供最基本的人工智能技术和相关问题的入门知识，为以后深入学习人工智能、智能控制、计算机视觉等相关理论，进行人工智能研究和应用打下良好的基础。

2004年之前，我国尚未在中学设置独立的人工智能课程。然而，在我国中学的奥林匹克信息学竞赛中一直包含人工智能相关的题目，例如启发式搜索、博弈、智能程序设计等问题。此外，针对青少年的人工智能启蒙教育，也愈来愈受到重视，如清华大学出版社的《青少年科学教育丛书》中的《人类智慧与人工智能》、昆仑出版社的《高科技十万个为什么》丛书中的《人工智能》分册、上海外语教育出版社的《新课标百科丛书》中的《人工智能》等都是适于中学生阅读的科普读物，对中学人工智能教育的开展奠定了良好的基础。

我国教育部于2003年4月正式颁布《普通高中技术课程标准（实验）》，首次在信息技术课程中设立“人工智能初步”选修模块，标志着我国人工智能教育在大众化、普及化层面上跨入了一个新的时期。

新课程标准颁布后，教育部组织专家进行严格评审，指定了多家出版社组织编写包括《人工智能初步》在内的高中信息技术课程新教材，并开发与教材配套的教辅材料，如教师用书、学生用书和配套光盘等，为教师开展教学提供有针对性的指导和建议，也为学生提供了较为丰富的参考资料，有利于学生开展自主学习。目前已经出版了5套教材，包括教科版、粤教版、地图版、上海科教版和浙教版等，部分教材已在实验省份的某些地区开始试用。

为了配合中学人工智能教育的开展，国内已开发和建设了一些适合中学生学习与体验的人工智能软件和网络资源。其中包括浙师大的“人工智能的教育应用”（http://ai.zjnu.net.cn）、华南师大附中的“《人工智能初步》课程学习网”（http://http://ai.itedu.info）、上海闵行区教育信息网的“智能机器人教育在线”（http://www.mhedu.sh.cn/～m robot）等专题学习网站，它们为中学人工智能教育教学的开展提供了有益的支持。

在各级教育行政部门和高校的配合下，国内也开展了一系列高中人工智能教学的研讨和培训活动。2007年5月底，由中国教育技术协会信息技术教育专业委员会和教育科学出版社主办的“全国首届高中人工智能课程研修班”在浙江师范大学举行，来自福建、山东、江苏等10省市的70多名信息技术教师和教研员参加了研修。此外，一些高校的本科生和教育硕士也日益关注中学人工智能教育的开展，并在毕业论文中对此进行了研究；一些师范院校适应形势要求，已为师范生开设了“人工智能初步”选修课程。随着我国基础教育设施的不断建设，中小学的计算机及网络等软硬件设施的水平也在不断提高。师资、教学材料和设施等条件的基本具备，使在我国开设高中人工智能课程成为可能。

随着我国教育投资的加大和教学设施的改善，部分中小学已逐步开展了人工智能相关的教学或实验。在我国比较发达的地区，不少条件较好的中小学都开展了机器人教育。例如，根据调查，上海市闵行区已有相当数量的小学和中学开展智能机器人教育活动，部分学校还根据自身的特色开设了人工智能（或机器人）校本课程。新课标颁布以后，高中人工智能课程的实施列入日程。

作为国内首家在高中阶段正式开设“人工智能初步”选修课程的学校，华南师大附中早在2004年下半年，就以每周2课时的进度完成了高一“信息技术基础”必修模块的学习，2005年上半年以同样每周2课时的安排开设了选修课程。经过学生问卷调研和学科组多次讨论，考虑到学校的设备、师资、课时安排等问题，最终学科组决定：允许基础较好的奥林匹克班学生选修“人工智能初步”和“算法与程序设计”，在两门课程中二选一。目的是希望能够在课程实验的过程中积累一些教学实践经验，同时激发这些基础较好的学生的学习兴趣，增加学习的挑战性。在奥林匹克班共60名学生中，选择“人工智能初步”的有46人，其他人选择“算法与程序设计”。根据学生选课情况将该班分为两个平行班同时上课。

2004年下半年，浙江师范大学附属中学——金华二中在高三班级中选取一个实验班进行了人工智能课程的教学实验。该班共有40名同学，基础相对较好。实验选取了教育科学出版社2004年出版的新课标教材《人工智能初步》作为主要教学材料，并利用“人工智能教育网”作为辅助教学网站。在前后2个月的教学实验中，共实施了6次授课，总计12课时，完成了整门课程1/3的教学内容。

通过教学实验，将选修教材在高中实际教学中进行了检验，为进一步找出教材设计与教学实际的差距提供了依据；另一方面，在一定程度上扩大了人工智能课程在中学的影响，促使更多的中学教师和学生去了解、认识人工智能。

虽然目前我国一些学校开设《人工智能初步》课程的努力还处于起步阶段，取得的成果还非常有限，但是其意义和影响却是深远的。

5.3.2　实施人工智能课程的困难

除了以上教学中凸现出来的问题以外，高中人工智能课程的顺利实施还受到其他潜在因素的影响。反观高中新课改推行三年以来，信息技术的各个模块并没有因新课标的颁布而呈现欣欣向荣的景象，部分选修模块如“数据库技术”、“人工智能初步”遭遇冷落。而通用技术的相关模块更是“门前冷落鞍马稀”，能够开出相关选修模块的学校更是寥寥无几。改革之初，良好的初衷被无情的现实所打破，冷静思考后不难得出，这种情况不仅仅是教学如何开展的问题，而且也与思想观念、师资建设、教材建设等因素密切相关。

1.观念问题

思想观念和认识的更新是课程改革的首要要求。新课标设置“人工智能初步”的本意是：人工智能作为信息技术的前沿，有助于体现信息技术对人类社会的巨大影响，理应为高中生所关注。开设人工智能课程，是为了让更多的人了解人工智能及其应用，感受人工智能技术的魅力，对它产生兴趣以至将来可能研究和使用它。然而，当人们揭开人工智能的神秘面纱，发现其“不过如此”时，这种认识上的巨大落差使得人们的好奇心化为乌有。部分在大学接触过人工智能课程的信息技术教师，对于大学人工智能课程的艰深知识、枯燥理论和稀少的教学案例比较失望，认为人工智能课程不适合放在高中开设。此外，课标将该课程的目标定位为“了解和体验”，更多的是强调一种情感和价值观上的教育。与其他模块相比，开展人工智能教学后的成果难以具体显现，这也成为困惑教师的一个问题。此外，信息技术课程在高考背景下的地位也是所有师生都不可避免的问题。不少教师和学生把信息技术课程看作一门副课，部分学生把该课程看成释放学习压力的地方，教学过程中聊天、玩游戏的现象时有出现。这些都对包括人工智能在内的信息技术课程的顺利实施产生不利的影响。

2.师资问题

任何课程如果缺乏足够的师资力量，是难以顺利开展起来的。目前，我国高中熟悉、了解人工智能教学内容、方法的教师还太少，更多的教师对此课程知之甚少。在某些条件落后的地区，信息技术课程师资本来就很短缺，更不能奢望开出各门选修课程。对此，各级教育主管部门已经意识到师资培训的必要性，有关信息技术课程的国家级、省级、地区级的培训也不在少数，但是有关人工智能选修模块的研讨和培训尚处于起步阶段。此外，国内高等师范院校信息技术相关专业对新课改作出的反应不够及时，针对高中信息技术各选修模块为师范生开设专门的课程还很少。总的说来，有关高中人工智能课程的师资培训还比较薄弱，有待加强。

3.教材问题

教材是课程标准（包括课程目标和教学内容）的直接体现。从目前已经出版的五套高中人工智能课程的教材来看，给人的感觉是教材与高中教学实际的融合还不够理想。在课程教材和教辅材料的编制过程中，因缺乏现成的教学经验供参考，教材内容的选取和教学活动的设计大多从大学人工智能教材沿袭而来，未能将课程内容同高中生的学习生活有机结合起来，存在一定的主观化和理想化问题。此外，课改所倡导的教学新理念的贯彻不够深入，自主学习、协作学习、问题解决等理念未能在教材中得到充分体现。另外，教材内容的设置也没有充分考虑与其他人工智能教育方式（如中小学机器人教育）或相关课程（如简易机器人制作）的结合，以及与小学、初中信息技术教材中相关内容的有机衔接。

5.3.3　人工智能课程的实施策略

一般而言，高中人工智能课程教学实施的基本思路是：

注意教学对象的选择，强调兴趣与基础，努力激发和保持学生的学习兴趣。应充分考虑高中生的认知特点，选择那些与他们学习和生活密切相关的，看得见、摸得着的人工智能应用问题作为案例展开教学。

合理组织“讲授课”和“探究性、自主性学习”。如根据中学生的特点进行人工智能语言教学，只介绍其主要特征和最简单的应用方法。此外，可以根据学生情况适当安排大的“课程设计”任务，要求学生通过合作和探究完成学习任务。

充分发挥网上信息资源和网上软件资源的作用。例如，通过网络检索人机博弈的有关资料，在线进行专家系统、符号运算、机器翻译等内容的教学与实验。

具体的实施策略包括：

1.端正认识，增强支持

首先，教师要对课标进行深入了解和学习，消除对人工智能的神秘感，理性客观地看待人工智能课程，在条件许可的情况下，要努力开设人工智能课程；其次，学生在具备一定兴趣和能力的基础上，应认真学习相关的知识和技术，为今后进一步学习打下坚实的基础；再次，学校领导对该课程也应提供一定的支持，不能因为师资、硬软件条件的限制就轻易放弃该课程的开设；另外，社会要通过舆论加强宣传和引导，通过组织相关的竞赛、活动等促使更多的人认识和关注人工智能，认同和支持人工智能教育。

2.加强师资培训和研修，促进交流合作

通过政府、高校等教育机构组织培训或研讨项目对信息技术教师进行培训；开展优秀教学案例的征集、观摩、点评、评奖活动，或吸纳中学教师参与有关该课程教学问题的研究课题，以此加强高中人工智能师资的建设。

3.理论联系实际，融合先进教学理念

要尽可能选择那些与高中生实际生活比较贴近的例子，来组织教学内容、设计实践活动。应多让教学一线的学科教师参与教材的编写，增强教材的实用性。教材编写既要有灵活性，也要注重突出体现新的教学理念和教学方法，充分考虑到师生“主导－主体”地位的体现。要使得各种人工智能教育方式有机结合，相互促进、相互发展。

4.抓住教学重点，多种教学方式结合

教师要有针对性地教授教学重点和必要内容，要安排适当时间让学生实践和练习。可采用多种教学方式来开展教学，如范例教学、任务驱动与问题解决教学、专题讲座或讨论、小组协作学习等方式。既要注意抓住学生的兴趣，充分激发学生学习新事物的渴望，也要时刻监控整个教学过程，维持良好的秩序。

5.加强软件资源建设，争取硬件投入

一方面，学校应加大对计算机和网络硬件的资金投入，改善硬件设备的信息传递和处理功能；另一方面，与教材配套的学生光盘和教师用书应提供丰富的教学软件和支持材料，师生也可以到互联网上搜索更多的教学资源，以供教学中使用。如果在现有资源中没有合适的教学材料，学科教师也可以根据能力自行开发一些教学软件用来辅助教学。

6.本课程与相关课程的有机结合

例如，本课程的学习可以作为“通用技术”中“简易机器人制作”课程的基础，强调“软件”方面的学习；也可以尝试以校本选修课程的形式有针对性地开设，或者是整合到“简易机器人制作”课程的学习中。另外，也可以考虑将该课程与中小学机器人教育有机结合，共同促进人工智能基础教育的开展。

【注释】

[1]本节系全国教育规划2010年度教育部重点课题“普通高中通用技术教师职前培训模式研究”（DHA100246）的阶段成果。

[2]教育部：《普通高中技术课程标准（实验）》，人民教育出版社2010年版。

[3]浙江省教育厅.http://www.zjedu.gov.cn/gb/articles/2007－03－23/news20070323120107.html.2010－05－12.

[4]中国教育资源服务平台.http://www.cersp.net/userlog/11078/archives/2007/298666.shtml.2010－05－12.

[5]中国教育资源服务平台.http://www.cersp.net/userlog/11078/archives/2007/407760.shtml.2010－05－12.

[6]豆丁网.http://www.docin.com/p-23599651.html.2010－06－08.

[7]浙江省教育厅.http://www.zjedu.gov.cn/gb/articles/2007－06－08/news20070608170221.html.2010－06－08.

[8]张剑平、张家华：《我国人工智能课程实施的问题与对策》，《中国电化教育》2008年第10期，第95－98页。