人工智能已随着科技的发展慢慢走入我们的生活。我国先后启动了一系列新一代人工智能重大项目，从理论、技术和支撑平台等各个方面入手，建设人工智能强国。2003年《普通高中信息技术课程标准（实验稿）》[1]（简称03 新课标）发布后，各地纷纷试水，在高中阶段实施人工智能课程，但由于教学条件、教学观念等方面的限制，各地AI 课程的课堂效果令人并不满意。如何将AI 教育落地，在义务教育学段施行AI 课程是我们面对的一大挑战。《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》[2]（简称17 新课标），于2018年秋季实施，包括人工智能、物联网、大数据处理、算法、开源硬件项目设计等。但是，由于AI 技术处于快速发展中，这将意味着AI课程教学面临更大的挑战。

对于作为知识传播介质的教材来说，它理应承载着学生学习的应然知识。这些应然知识的核心是主题知识，它决定了教师教的内容和学生的学习内容[3]。2018年4月28日，在华东师范大学举办的“人工智能教育研讨会和《人工智能基础（高中版）》[4]教科书会议”上,发布了《人工智能基础（高中版）》（简称为“教材”）是中国中等教育体系内的第一本AI 教材，标志着我国基础教育阶段开始有人工智能，人工智能教育体系更加完善。目前，全国有40 余所学校使用“教材”进行人工智能课程的授课。

笔者在研读17 新课标的基础上，研究“教材”的教学目标设计、教学内容编排、教学活动安排、教学条件需求等方面，总结“教材”的编制和研发经验，为我国高中人工智能教材的后续研发提出建议。

一、17新课标要求和教材分析维度划分

（一）17 新课标中《人工智能初步》模块的内容构成说明

近年来，随着移动互联网和大数据以及高性能计算技术的进展，人工智能呈现新一轮爆发之势。在此大背景下，信息技术选择性必修模块《人工智能初步》承载践行人工智能国家发展规划、激发学生学习兴趣、普及人工智能知识的重任[5]。17 新课标中《人工智能初步》模块的组成为“人工智能基础”“简单人工智能应用模块开发”“人工智能技术的发展与应用”。

现依据三维目标分类划分学生学习《人工智能初步》模块后需要掌握的知识。

1.知识与技能

（1）描述人工智能的概念与基本特征；知道其发展历程、典型应用与趋势。

（2）了解人工智能核心算法；掌握智能技术的使用原理和大致流程。

（3）认识开发人工智能应用系统的工具和平台，并且能在使用过程中领会其特性以及在使用过程中的不同形式和不足。

2.过程与方法

（1）运用已经开放的人工智能使用架构，构建基本的使用人工智能的模块，并根据现实需求设置合适的环境、恰当的参数同时提供合理的自然交互方式等。

（2）在使用智能系统的体会中，探析整个社会在智能化大背景下所面临的伦理及安全上存在的隐患，懂得基础的维护信息系统安全的方法和措施，增强学生的安全意识和责任感。

3.情感态度与价值观

（1）一分为二地看待人工智能在社会中的价值和未显露的威胁，保卫和遵守人工智能在社会中应用的章程和法则。

（2）应能理解并用自己的话阐述人工智能的特征，会使用已经开放的人工智能使用架构，构建简易的智能系统；应能通晓人工智能的最新进展和最新应用，并在自己的学习和生活中去使用AI 技术。

（3）知道AI 从无到有的历史进程，正确地看待智能技术让我们的社会生活发生的变化[2]。

（二）教材分析维度划分

本文参照《教材分析评估的模型和层次》[6]论文中提出的教材分析的模型，并结合对“教材”的理解、分析，从教学的目标、内容、活动、条件等方面，对“教材”进行分析。就教学目标层面的分析而言，它是依据三维目标的分类方法对“教材”的教学目标进行论述并与17 新课标进行比较。教学内容主要是在新课标的指导下探讨“教材”与17 新课标要求学习的人工智能知识的匹配程度和知识的呈现方式，教材中各类知识的合理性、准确性和科学性，及其与高中生认知水平的适切程度和教材选用的知识内容对学生思维和能力的培养等。教学活动主要通过量化的方式探索“教材”所包含的活动以及活动对学习效果的辅助。教学条件层面主要是介绍“教材”实施所需配备实验平台和设备，及教学条件对教学效果的影响。

二、描述性分析

“教材”是一本科普教材，主要目的是向学生传达AI知识的理念与原理，在学习的过程中学生的创新能力、想象力、对事物整体思量以及动手能力都可以得到很好的培养。“教材”章节开头通过设置任务的方式吸引学生兴趣,通过生活中的应用发展学生对人工智能的兴趣。通俗易懂的语言和图文并茂的排版使学生可以更好地理解人工智能的基本原理。同时将书中知识点与生活中常见的使用场景结合起来，从而可以更好地帮助学生了解人工智能技术的基本工作方式[7]。实验环节的设置，学生可以通过大量的动手实践，深入理解人工智能技术的原理、应用及其在使用过程中面临的挑战。教学上以实践为导向。“教材”以杜威“做中学”思想为指导，通过具体实验任务的设置，让学生可以在具体的实际应用中去学习知识。编者根据学生的特点设计了教材实验所需的平台和任务包。在丰富的实际活动中学生可以将所学的知识内化为自己能力的一部分[8]。具体分析内容如下：

（一）教材教学目标分析

人们对人工智能有多种掌握和理解：①了解人工智能的基本概念；②学习AI 知识和算法，解决生活问题；③钻研AI 知识，进而实现其它方面的创新；④时刻关注最新动态，在某些方面帮助领域发展[7]。在整个中学生群体中，成为AI 工程师的只是少数。因此，“教材”以第二个层次为首要目标，向学习者传达AI 的基本思想、基础知识，培养其操作能力和创造力，并具备AI 应用的基本技能。

现根据三维目标对“教材”进行分析。

1.知识与技能

（1）“教材”涵盖了AI 从起源到发展的整个历程、解释其定义以及在现实生活中可以使用的地方，叙述AI 的基础算法，用通俗易懂的语言解释AI 原理，并结合具体场景明晰AI 技术的工作方式。

（2）“教材”涵盖了人工智能基础部分的内容，但是对人工智能应用模块开发和智能系统部分涉及的内容不多且全书没有出现代码。

2.过程与方法

“教材”针对知识学习设置了配套的实验任务，在完成任务的过程中理解人工智能技术的原理与应用，培养思维能力和创新能力。

3.情感态度与价值观

懂得AI 在生活中的广泛应用，引发学习的热情，培育积极主动学习和使用的态度。

还应培养对AI 及对整个社会进程发展的价值和威胁的辩证理解。

（二）教材内容分析

03 新课标发布之后，人工智能初步成为高中信息技术的选修板块之一,由“知识及其表示”“推理与专家系统”和“人工智能语言与问题求解”三部分构成。据了解，在03 新课标基础上编写、批准和出版的高中人工智能教材有四个版本。分别为教育科学出版社（教科版）、中国地图出版社（地图版）、上海科技出版社（上教版）和广东教育出版社（广教版）[9]，其内容如表1所示。

表1 03 新课标发布后高中人工智能各版本教材内容

由表1可知，虽然每个版本的教材内容均有所不同，但都集中在03 新课标规定的主题，如人工智能基础、人工智能语言、知识表示等。教科版和广教版另外加入了AI 未来及发展的说明，通过该部分内容的学习，学习者可以拓展思维，培育创造能力。但是，人工智能是一个不断发展的学科，“教材”的内容与上述4 个版本的教材内容有很大的不同，“教材”沿用了人工智能基础以及搜索求解问题部分，人工智能语言选用Python 而非之前的Prolog，知识表示和专家系统则未包含。“教材”具体内容架构如表2所示。

表2 “教材”内容架构

“教材”的教学内容有如下特点。

1.章节编排遵从科学性原则,合理有序、逐步深入

通过整理分析发现，章节内容编排上“教材”首先介绍AI 的历史进程、具体应用，第二章以鸢尾花的分类为任务讲解了模式识别的入门知识和基本分类器。第三章讲述图片分类从而引出图像处理以及卷积介绍等知识。然后分别介绍人工智能在音乐、视频、文字、图像等方面的识别原理和基本技术。介绍人工智能自主“学习”的无监督学习方式，介绍阿尔法狗和阿尔法元等人工智能发展的新高度。

2.“教材”知识内容准确、客观，所选知识与学生生活密切相关，符合高中生的认知特点，有助于培养学生的创新精神和探索能力

“教材”在具体背景中介绍知识，在任务中引导学生学习AI 知识。章节开头多采用历史故事或生活中的使用场景做知识导入，便于引起学生的学习兴趣，明确章节学习目的。章节知识主体部分叙述语言通俗易懂，且配备了丰富的插图，便于学生对知识的理解和学习。“教材”不仅注重知识的传递也注重对学生兴趣的培养，通过生活中的应用发展学生对人工智能的爱好，传授适合中学生学习的基础知识和基本算法。教材”设置实验并提供任务包，培养学生的独立思考和解决问题的能力。

3.在学科知识上，“，“教材”主要涉及到数学和物理方面的学科知识，辅助讲解AI知识

数学上涉及的知识点主要有向量和向量的运算，函数、求和公式、点到直线的距离、指数函数、直角坐标系、矩阵等知识。在“教材”知识链接和拓展阅读部分也对所需学习的学科知识做了补充，如向量的基本运算、简单概率等。物理上涉及的知识不多，且大多在初中时已经学习，物理知识大都用于章节开头为介绍人工智能知识做铺垫，因而数学和物理知识的涉及都不会成为影响学生的学习和理解“教材”的障碍。

4.算法介绍难度适中，适合高中生学习

由于“教材”不是AI 的专业书籍，只能帮助学生了解AI 的基础知识和常用算法，加之考虑高中生的知识水平，所以“教材”在内容上对一些复杂知识和算法只是做了定性的介绍，定量的部分保留给那些不遗余力地继续探索的学生。这样的设计有利于学生学习但是也对教师的教学提出了更高的要求，教师在教学上需要做好教学设计，激发学生主动学习人工智能知识的积极性。

（三）教学活动分析

众所周知，AI 是应用性学科，在学习的过程中实践是不可或缺的。实验的设置是“教材”的一大亮点。实验练习贯穿整个“教材”。据统计“教材”有21 套实验活动，分布情况如图1所示。

图1 实验活动次数统计

由图1可知，除第一和第九章外，其余章节都设置不同数量的实验，实验任务均衡分布在各个章节，是学生在教师授课之后的主要课堂形式，完成实验即完成应用任务。编者为学校提供教学所需的平台和任务包。目前，商汤科技已将这些算法开放在其教学实验平台之中，供学生在学习时调用。学生在特定的应用任务中学习相关知识，以便学生能够理解他们为什么需要学习这些知识并理解如何将知识应用于实际问题。完成任务的过程，也是锻炼学生思考和解决问题、培养其思维和创新精神的过程。通过对“教材”的学习，学生可以写出简单的AI 程序，将所学知识应用起来。

（四）教材教学条件分析

实验练习的顺利进行是“教材”教学效果的重要保证，为此商汤科技开发了使用Python 语言编写教学实验平台。根据学生实际情况设计平台，如：对常用算法进行设计，对数据进行裁剪等等，保证学生可以在恰当的时间内完成任务。另一方面，教师在一定程度上也影响了教学质量的好坏，为此，商汤科技为学校提供专业的教师培训。

但是，目前使用“教材”进行人工智能教学的学校大都分布在较发达地区，且“教材”的实验平台只对合作的机构开放，暂时不对个人开放。虽然“教材”售价为35元，但是实验平台的购买需要花费几百万的费用，实验任务中的工具包也需要按年购买，这就给教学的普及带来一定的难度。

三、研究结论与评价

通过对“教材”和17 新课标的研究，笔者认为“教材”在以下几个方面有突出的特点。

（一）以任务为导向，激发学生学习兴趣

“教材”章节以贴近学生生活的例子作为任务进行导入，很好地吸引学生学习的兴趣，帮助学生明确学习目标和知识的应用场景。

（二）教材内容贴近生活，有效衔接学习与生活

学科知识选取上“教材”遵循实用性、操作性、衔接性和科学性。实用性原则体现在教材内容选取与日常生活相关的案例，从实际生活出发，激发学生共鸣，达到学生将人工智能技术应用到生活中的目的。学生在完成实验任务的过程中感知知识并且该过程也体现了操作性原则。“教材”作为高中人工智能的基础课程，传递人工智能基本思想和理念，使学生具备AI 应用的基本能力，也为学生日后进一步研究AI 打下良好基础。作为目前高中阶段学习人工智能的惟一教材，“教材”教学内容科学、客观、准确，编辑使用易于理解的语言解释人工智能的知识，反映教材的科学性。

（三）实验设置，让学生动手实践，体现人工智能应用性的特征

“教材”最大的特点是小节后设置配套实验，商汤科技提供了与高中生学习特性相符合的实验平台和任务包，学生在实验操作的过程中体会人工智能知识的应用场景、培养思维能力。

（四）商汤科技为学校提供实验平台和教师培训，促进课程的推广

目前，人工智能相关的课程授课教师以信息技术教师为主，中学教师的师资仍旧以计算机、软件工程等专业高校毕业生为主，高校人工智能专业学生还未毕业。大多数学校缺乏优秀的AI 教师。同时，人工智能的学科性质也对授课教师有更高的要求——授课教师需要有编程能力和清晰的数学思维，并对人工智能有一定的了解。商汤科技提供的教师培训可在一定程度上缓解人工智能教师紧缺的现状，也为学生接受专业的教师授课提供方便。

“教材”的研习使学习者可阐述AI 的基本特点；了解其新进展和新应用，并能在学习和生活中使用；知道人工智能发展的历程。然而，任何一本教材都有其不足之处，此“教材”的不足如下。

内容上，“教材”涵盖了新课标要求的人工智能基础部分，对其它两方面涉及得比较少，因此，在人工智能应用系统开发工具和开发平台以及智能系统应用体验部分很难达到新课标的要求。且“教材”讲授的大多是人工智能的社会价值，对发展人工智能所需面临的伦理与安全方面的挑战和AI 对未来社会的潜在威胁讲授不足。“教材”虽有使用Python 语言编写的配套任务包，但是全书没有关于Python 的介绍，整本教材没有一行代码。就信息技术学科的核心素养而言，“教材”可以满足数字学习和创新的新课程标准的要求，但是在计算思维、信息意识和信息社会责任上，由于知识内容的缺少只能达到部分新课标的要求。教学活动过于单一，通观“教材”实验是惟一的活动。而且“教材”在实施过程中过于依赖实验平台。“教材”编排上只是以任务做导入，并未凸显明显的教学方法。评价是教学活动的重要部分,用于审查教学效果并总结教学经验[10]。“教材”中，缺少明确的评价体系，只能通过学生是否完成配套的实验任务来判定是否掌握知识。

四、关于编写中国高中人工智能教材的建议

目前，我国AI 教育发展尚不成熟，培养AI 人才迫在眉睫。教材的编制对人工智能课程实施的教学效果影响重大，结合“教材”和17 新课标，笔者为日后的教材编写提出如下建议。

（一）教材内容

人工智能教材内容选择应涵盖新课标对AI 课程的要求，强调与信息技术学科核心概念与核心素养直接关联的部分；教材选择与生活有密切联系的内容，教材的学习能帮助学生认识并解决生活和工作中的问题；教材内容布局考虑学生的年龄特征和认知规律，按层次从易到难写；教材要尽量选用直观、易于高中生理解的语言加以论述；教材的案例以及应用场景的选用要来自于学生生活及实践，便于吸引学生的学习兴趣，使学生理解AI 知识及其应用场景。

（二）教材编写原则

据了解，在教育装备进行的《关于教师对人工智能教材编写意见的调查分析》中表明在教材的编写原则这一宏观类属中，关注点最高的四方面分别是：实用性、有趣性、衔接性、科学性[11]。实用性，是指人工智能应用广泛,教材编写可选取日常生活相关的话题和案例,从生活出发将所学应用于生活。有趣性，人工智能的算法知识一般晦涩难懂，如何用富有趣味的语言、话题和情景材料，引起学生学习的兴趣，应是教材编写者需要考虑的问题。衔接性，目前初中尚无开设人工智能课程，有部分高校开设人工智能专业，高中阶段的人工智能课程学习应为学生日后进一步研究奠定基础，教材编写要考虑学段直接的过渡和衔接。同时人工智能课程涉及的学科知识较多，如物理、数学、计算机等，所以，高中人工智能教材要考虑其他学科知识的衔接。科学性，高中人工智能教材要用科学、客观、准确和严谨的语言来诠释基本概念和思想，体现教材编写的科学性。

（三）考虑高中生的认知特点

高中生经过九年义务阶段的学习，在知识上普遍已具备扎实的数学和物理知识，具有学习人工智能知识的基础，但是教材的编写要考虑高中生的文化课基础，以及学生知识的差异，知识讲授应难度适中，过难会导致学生失去学习的积极性和兴趣，太简单又会让学生学习不到太多知识。

（四）其它

第一，为AI 课程提供专业的教师培训。目前，对大部分学校来说，教师不足是人工智能课程开展的一大障碍。在教育装备进行的《关于教师对人工智能教材编写意见的调查分析》中显示，调查中有61 位被调查者表示不了解人工智能，比例高达59.2%[11]。第二，提供完成教学授课所需要的教学设备和平台，人工智能是一门应用学科，教学效果对教学设备和平台依赖较大，教材编写是要综合实际情况，提供教学设备。第三，教材编写中可渗透项目式教学法或任务驱动法等适合高中人工智能教材的教学方法。第四，依据新课标设置合理的评价标准。设计合理科学的评价内容和目标并确立评价方式和具体的指标。

五、结语

笔者通过对“教材”的分析并结合新课标探讨该教材的优点和不足，提出高中人工智能课程教材编写应围绕新课标的理念和内容，完成信息技术核心素养的培养。根据高中生的认知特点合理组织教材内容，选择合适的教学方法，以及设置合理的评价标准。

参考文献：

[1]教育部.普通高中技术课程标准（实验稿）[M].北京：人民教育出版社,2003.

[2]教育部.普通高中信息技术课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社,2017.

[3]吴立宝,王光明,王富英.教材分析的几个视角[J].教育理论与实践,2016(08)：1.

[4]汤晓鸥,陈玉琨.人工智能基础(高中版)[M].上海：华东师范大学出版社,2018.

[5]教育部.普通高中信息技术课程标准（2017年版）解读[M].北京：高等教育出版社,2017：121-127.

[6]高凌飚.教材分析评估的模型和层次[J].课程·教材·教法,2001(03)：1-5.

[7]百度：https：//cloud.tencent.com/developer/article/1143504

[8]闫寒冰,单俊豪.美国创客教育教材分析——以“Design and Discovery”为例[J].中国电化教育,2017(05)：2.

[9]余挺挺,张家华.高中人工智能新课标教材的分析与比较[J].中小学信息技术教育,2006,(12)：1-2.

[10]李颖.教学评价的意义和作用[J].北京教育学院学报,1994(01).

[11]时文静,徐力,徐艳秋,张慧华.关于教师对人工智能教材编写意见的调查分析[J].中国现代教育装备,2018(08)：2-3.