开好人工智能“第一课”
——《走近人工智能》教学设计
● 教材分析
本课针对的是2017年版普通高中信息技术课程标准必修课程模块1《数据与计算》和选择性必修课程模块4《人工智能初步》中的内容，现就这两个模块的内容要求和学业要求以及在“有新课标无教材”背景下学什么和如何学这几个方面进行梳理，具体如下。
内容要求：描述人工智能的概念与基本特征；知道人工智能的发展历程、典型应用以及趋势；熟悉智能技术应用的基本过程和实现原理；引导学生关注人工智能带来的一系列道德、伦理、隐私、安全等问题。
学业要求：学生能描述人工智能的基本特征；了解人工智能的新进展、新应用，并能适当运用到学习和生活中；了解人工智能的发展历程，能客观认识智能技术对社会生活的影响。
学什么：教学内容既要体现必修模块的基础性，又要为选修模块的自然延伸和拓展做铺垫，同时还要培养学生的学科核心素养，与学科大概念相关联。所以笔者在查阅大量与人工智能有关的资料基础上，去粗取精，去伪存真，选择和新课标内容要求密切相关的内容。
如何学：教学的组织要强调学生的体验、感知和参与，以使学生能在亲身实践与切身感知过程中获得知识和技能。所以本课通过实景观察的方式来让学生走近人工智能，体验人工智能，在切身感知中建构本节课的知识结构。
● 学情分析
实施对象：高中一年级学生（第一学期）。
学生对人工智能的体验与认知现状：学生的先前知识经验主要通过大众传媒、实际生活体验、学校组织的讲座等途径来获得，如观看影视作品或参观科技展览，使用地图导航、扫地机器人等。
学生对人工智能的情感与态度现状：从每学期《学生信息素养情况调查问卷》的调查情况来看，学生都是愿意学习与人工智能有关的课程的，也愿意在未来从事与人工智能相关的职业。学生参与学习人工智能的积极性比较高，有很强的求知欲。
通过分析可以看出，部分学生已经有了人工智能应用体验以及学习人工智能的动力，但他们对人工智能的发展历史以及背后的技术原理缺乏系统的、整体的认识，容易出现技术与应用、理论与实践相脱节的现象。所以教师需要引导学生从日常的情境中来体验和观察，并通过具体的案例剖析来整体认识人工智能。
● 教学目标
1.通过对智能玩伴小天机器人的观察和亲身体验以及教师的讲解，能够知道人工智能的概念以及基本特征（信息意识）。
2.通过智能玩伴小天机器人和智能家居百度小度机器人的分析对比，能够了解人工智能的发展历程，分析小度机器人的技术优势（自然语言理解和百度大脑），并理解人工智能应用的基本过程和实现原理（计算思维和数字化学习与创新）。
3.通过观看视频和小组讨论，能够探讨人工智能带来的一系列道德、伦理、隐私、安全等问题，理性地看待人工智能技术，担负起信息社会责任（信息社会责任）。
● 教学重难点
教学重点：理解人工智能应用的基本过程和实现原理；理性看待人工智能。
教学难点：理解人工智能应用的基本过程和实现原理。
● 教学过程
环节一：初识人工智能
师：今天老师带来了一件东西。同学们猜一猜它是什么？它能够做什么？它是一个智能语音设备——小天机器人。它是老师家二宝的智能玩伴，可以用来聊天、讲故事、放音乐、接受爸爸妈妈的语音消息。现在就让小天机器人给大家露一手吧。（展示小天机器人，让学生和其进行对话）
生：小天，今天的天气怎么样？美国现在的总统是谁？帮我设计一个寒假南京旅游攻略……
设计意图：通过展示智能玩伴小天机器人，让学生体验并对其随机提问（如图1），激发学生的求知欲，引出主题，了解人工智能在日常生活、学习中的应用领域，并为后面百度小度机器人的展示做好铺垫。
环节二：了解人工智能
师：通过刚才对小天机器人的提问，同学们觉得小天机器人具有人工智能吗？（学生发表自己对人工智能的看法和认识）
师：人工智能是指对人的意识、思维的过程的模拟。人工智能不是人的智能，但能像人那样思考，也可能超过人的智能。那么如何判断小天机器人是否具有人工智能呢？（展示图灵测试中经典的“人机对话”和“人人对话”案例，如图2）请同学们思考，两段对话的回答对象是人还是机器？（学生回答问题）
师：1950年，图灵在其论文《机器会思考吗？》中提出了一个测试方法：把测试者和被测试者（一个人和一台机器）隔开，测试者通过一些装置（如键盘）向被测试者随意提问。经过多轮测试后，如果有30%的测试者不能确定被测试者是人还是机器，那么这台机器就通过了测试，被认为具有了人类人工智能。这就是著名的图灵测试。
设计意图：学生通过思考来表达对人工智能的看法，并了解人工智能的概念。通过参与图灵测试，对比思考，引发学生对“人机差异”和“机器智能性”等问题的思考。
环节三：分析人工智能
师：小天机器人相较于老师家大宝以前的语音玩伴火火兔是进了一大步。火火兔只能通过玩具身上的按钮来实现讲故事、放音乐等功能。但有些同学还是觉得小天机器人不够智能，不够聪明。你们觉得小天机器人不够智能的原因是什么呢？
生：小天机器人需要反复唤醒，提问者音量要很大（听不清）。问复杂的一些问题理解不了，只能问关键词（听不懂）。有些问题回答不了或者回答得不理想（不会思考）。
师：买了小天机器人，老师还欣喜了几天。直到市面上出了这样一个机器人——百度智能家居小度机器人。（展示小度机器人，让学生和其进行对话）
图1 学生亲身体验
图2 “人机对话”和“人人对话”案例
生：今天重大的国内新闻有哪些？播放今天火箭与湖人的NBA比赛……
师：是不是很高大上，是不是更智能？那么百度小度机器人更智能的原因是什么？（如图3）
图3 小天机器人和小度机器人对比
生：解决了小天机器人听不清听不懂的问题。和正常的人与人之间的对话差不多。
师：小度机器人解决了听不清听不懂的问题，其背后的技术原理是自然语言理解。自然语言理解是研究如何让计算机读懂人类语言的一门技术。关键的技术是语义分析。（举例说明小度机器人自然语言理解技术优势，如图4）人们现在外出都习惯用地图导航，一般的地图导航只能设置出发地和目的地，无法设置途径地或者其他更多需求，并且手动输入文字对行车也不安全。（举例展示小度机器人设计出的几条推荐路线，如从学校出发去无锡东站接个朋友然后再去无锡火车站，请规划一条红绿灯少的、不堵车的路线）
图4 小度机器人自然语言理解技术优势
图5 百度大脑的“刘关张三兄弟”
图6 人工智能应用案例
师：解决了听不清听不懂的问题之后，接着要解决什么问题呢？也就是小度机器人更智能的另一个原因是什么？
生：脑子比较发达，会思考。
师：小度机器人背后有着强大的百度大脑，它和人脑很相似，不同部分有着不同的分工。可把它们比作“刘关张三兄弟”（如图5），缺一不可。刘备负责算法，关羽负责算力，张飞负责数据。刘备有谋略，运筹帷幄，要有一个好脑子。百度大脑模拟了人脑无数个神经元构成的网状结构——人工神经网络，模拟了人脑方便理解和记忆的知识结构图——知识图谱。关羽有着过五关、斩六将的战斗力，负责计算能力。其背后靠的是百度自主研发的智能芯片——昆仑以及基于GPU的数十万台服务器。张飞负责招兵买马，从物联网、云平台以及百度自有的搜索引擎来收集数据，形成“千军万马”——大数据。
图7 暗线教学设计
练习：呈现四个人工智能应用案例（如上页图6），让学生来回答“刘关张三兄弟”（算法、算力、数据）哪个兄弟出力最多？（学生回答问题）
设计意图：通过提问小天机器人不够智能的原因，引发学生进行思考。通过小天机器人和小度机器人的对比，引导学生分析小度机器人的技术优势（解决了小天机器人不够智能的问题）。通过举例和类比说明，学生能够理解自然语言理解和百度大脑两个重要技术原理，并熟悉人工智能应用的基本过程和实现原理。通过即时练习的反馈，了解学生对人工智能应用的基本过程和实现原理的掌握情况。
环节四：总结人工智能
师：通过对两个机器人的分析，我们对人工智能有了初步的认识，现在用思维导图（如图7）一起梳理一下吧。（学生总结回顾）
设计意图：从学生的体验活动出发，以思维导图形式，引导学生回顾本节课的学习内容，了解人工智能的发展历程及其对应的技术支撑环境，并为后面反思人工智能环节做铺垫。
环节五：反思人工智能
师：未来我们将进入强人工智能阶段，比人更聪明的机器人会出现。那么同学们是悲观的呢，还是乐观的呢？该如何看待身边的人工智能？看完由斯皮尔伯格导演的《人工智能》电影简介之后，相信每位同学都会有不同的思考。（学生发表自己对未来人工智能的看法）
设计意图：通过观看视频，引导学生探讨人工智能带来的一系列道德、伦理、隐私、安全等问题，理性地看待人工智能技术，担负起信息社会责任。
● 教学反思
在新课标中，模块教学建议是“在一定的情境和任务中学习”，即设置真实的情境来让学生体验与参与，让学生在具身性中产生生成性的知识，充分调动学生“脑”“手”“心”并用。新建构主义认为，学习不仅仅是为了继承前人知识，将知识应用于实践，更重要的是要建构新的个人知识体系。学习应以“我”为主，即根据自己的兴趣和需要开展学习。在信息超载和知识碎片化的今天，教学应该围绕两个中心来组织——个人意义建构和问题解决，选择那些对个人意义建构和问题解决有帮助的信息与知识。在此基础上，本课设计了两个主线（明线和暗线），从学生的认知特征出发设置了明线：初识人工智能—了解人工智能—分析人工智能—总结人工智能—反思人工智能；从人工智能的发展历程出发设置了暗线：弱人工智能阶段—通用人工智能阶段（AI生态）—强人工智能阶段（如上页图7）。根据两条线来搭建学生认知支架，明晰概念（人工智能AI、图灵测试、自然语言理解、百度大脑等），侧重应用（智能家居百度小度机器人、百度AI开放平台等），以“点”（自然语言理解、人工神经网络、知识图谱、算法、算力、数据等）深入，以“面”（AI生态：基础层、技术层、应用层）归类，“点”“面”结合，引发学生意义建构。
当然本节课还有一些不足和需要改进的地方：没有学生具体的动手实践，学生动了“脑”和“心”，没有动“手”；小组合作讨论的时候，没有明确的分工以及讨论的规则，没有为以后的“小组项目学习”做铺垫；等等。
本节课是笔者基于学科核心素养、学科大概念所设计的课例。主题《走近人工智能》中的“近”字有两层含义：一是拉近与学生的距离，让学生切身感受所处的时代人工智能的浪潮已扑面而来，从宏观上对人工智能有整体的认识，并为后面的项目学习做铺垫；二是拉近国家课程与学校课程的距离，通过调适国家课程，创生出新的教育经验。通过本课例的呈现，笔者“抛砖引玉”，以期引发更多的讨论和思考。
点 评
本次赛课的主题是“人工智能”，针对的是2017年新课标必修模块1《数据与计算》和选择性必修模块4《人工智能初步》的内容要求。由于新教材尚未出版，所以没有可参照的依据。课题的开放性比较大，也为各位参赛的老师留下了发挥的空间。马老师的《走近人工智能》一课比较突出，可圈可点。一是设计思路清晰，以人工智能应用为主线，基本上诠释了人工智能概念、图灵测试、发展历程、技术原理、伦理道德等知识点。本节课涉及人工智能的方方面面，体现了教师在专业知识方面的广度和深度，反映了他不断学习、与时俱进的专业素养。二是课堂活动丰富，以学生日常的情境为核心，通过对比智能玩伴小天机器人和智能家居小度机器人，来感受人工智能在自然语言理解和算法、算力、数据方面的进步，在人工智能应用情境中熟悉智能技术应用的基本过程和实现原理。从学生角度来看，本节课非常引人入胜，学生参与度很高。应该说，本节课真正做到了让学生“在体验人工智能应用中，思考人工智能对人们日常生活的影响”。三是技术手段新颖，简单实用且价格亲民的两个机器人、手机投屏、百度AI开放平台等技术应用，为教学活动起到了良好的支撑作用，也体现了教师灵活运用教育技术开展教学的强大实力。
从学科核心素养和学科大概念角度来观察这节课，信息意识（数据）、计算思维（实现原理）、信息社会责任（思考人工智能影响）都有所体现。如果在教学环节中加入学生动手实践，体现出数字化学习与创新素养，这节课就会上得更完美了，当然数字化学习与创新素养会在后面的项目学习中有所偏重。总结汇成一句话：上好人工智能模块的第一课非常不容易。
