中小学人工智能课程分析

学习资料收集于网络，仅供参考与交流 如有侵权，请联系网站删除 中小学人工智能课程定位分析 ( 原文刊于《中国现代教育装备》 2017 年 10 月基教版 )

艾伦 摘要 从人工智能的定义出发， 指出人工智能科学与人工智能技术的区别， 分析人工智能技术与信息技术的关系， 并以此为依据讨论中小学人工智能课程的定位、 课程标准的制订以及课程内容的设置。

关键词 人工智能科学；人工智能技术；信息技术；课程设置；课程标准 2017 年 7 月 20 日，国务院颁布了《新一代人工智能发展规划（国发〔 2017〕35 号）》， 该规划指出人工智能已成为国际竞争的新焦点， 明确规定要实施全民智能教育项目， 并在中小学设置人工智能相关课程， 逐步推广编程教育。 就像我国的信息技术迅速走在世界前列而 依赖社会需求与应用的同步发展一样， 人工智能事业的发展也需要具有一个牢固的社会基础。 所以，中小学开设人工智能课程就是为了这一目的以使得全民族的应用水平普遍提高、 社会基础逐步牢固的英明举措。 该规划将中小学开设人工智能相关课程的指示放在了 “五、 保障措施”的“（六）广泛开展人工智能科普活动”部分，说明了它作为社会基础而起到我国人 工智能事业发展保障措施的重要作用。 于是， 在中小学开设人工智能课程的必要性、 可行性 以及操作性等问题摆在了人们的面前， 而针对中小学课时资源的紧缺状况， 如何科学且有效地设置人工智能课程教学是首先需要解决的难题。

一、人工智能 要讨论中小学人工智能课程如何定位的问题， 首先应该了解人工智能是什么， 以及人工智能在课程中意味着什么。 为此， 我们对人工智能的定义以及研究与应用领域做一些介绍和 分析。

1 人工智能的定义 作为一个研究领域， 人工智能 （ Artificial Intelligence ，简称 AI ）出现于上个世纪的 1956 年。此后人工智能科学与技术不断发展，人们对它的研究逐渐深入，并赋予了它一些定义。这些定义大致可以分为两类，一类是从学科角度出发对人工智能进行概念界定，而另一类， 更多的则是从功能角度出发对其概念进行界定。

（1） 从学科角度出发对人工智能的部分定义开列如下： ①人工智能是智能科学 （ Artificial Science ）中涉及研究、 设计和应用智能机器和智能系统的一个分支，而智能科学是一门与计算机科学并行的学科。

②人工智能是计算机科学中与智能行为的自动化有关的一个分支 （ Luger & Stubblefield, 1997）。

（2） 从功能角度出发对人工智能做出的定义较多，部分开列如下 [2] ： ①人工智能是指智能机器所执行的与人类智能有关的功能， 这些智能功能包括学习、 感知、思考、理解、识别、规划、推理、决策、抽象、学习、创造和问题求解等，又称机器智 能（ Machine Intelligence ）。（笔者注：原文中出现了两次“学习” ，应该去掉重复的一个）

② 人 工 智 能 是 一 种 使 计 算 机 能 够 思 维 ， 使 机 器 具 有 智 力 的 激 动 人 心 新 尝 试 学习资料收集于网络，仅供参考与交流 如有侵权，请联系网站删除 （Haugeland,1985 ）。 ③人工智能是一种能执行人类智能的创造性机器技术（ Kurzwell, 1990 ） 。 ④人工智能是研究那些使理解、推理和行为成为可能的计算（ Winston, 1992 ）。 ⑤人工智能是研究和设计具有智能行为的计算程序， 以执行人或动物所具有的智能任务 （Dean, Allen, Aloimonos, 2003 ） 。

（3） 百度百科上则是从学科与功能两个角度出发对人工智能进行了定义： 人工智能是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人类智能的理论、方法、 技术及应用系统的一门技术学科。

2 人工智能研究与应用领域 人工智能就是模拟和延伸人类智能， 而人类智能最突出的表现在于人类的思维活动 （包括识别、理解、分析、综合、判断、规划、推理、决策、抽象、创造和问题求解等）以及由 此而产生的有效的肢体动作。 但是人类的正确思维及有效肢体活动又是依赖眼、 耳、鼻、舌、身等器官对外部世界的感知才产生的， 所以对人工智能的研究总是从机器如何实现会看 （图像识别、文字识别、车牌识别）、会听（语音识别、说话人识别、机器翻译）、会说（语音 合成、人机对话）、会行动（机器人、自动驾驶汽车、无人机）、会思考（人机对弈、定理 证明、医疗诊断）、会学习（机器学习、知识表示）开始进行的。

目前，人工智能的实际应用可以大致归纳为以下这些领域。 （1） 国家安全方面：大数据智能分析、智能视频监控、语音识别、机器翻译、, （2） 军事国防方面：无人机、作战机器人、智能驾驶、智能电子战、, （3） 医疗健康方面：分子影像、远程医疗、手术机器人、康复机器人、, （4） 先进制造方面：精密感知与控制、仿生机器鱼、智能装备、, （5） 生物认证方面：虹膜识别、人脸识别、指纹识别、掌纹识别、步态识别、, （6） 人机交互方面：智能感知、目标识别、语义理解、智能仿真、, （7） 家庭服务方面：扫地机器人、智能老弱病残孕服务、智能炊事、, 3 人工智能定位分析 通过对上述各种定义和研究应用领域的分析，可以得出如下结论： （1） 从学科角度出发对人工智能的定义基本上都认为人工智能学科与计算机学科是密切相关的，也就是与信息技术学科紧密关联。

（2） 从功能角度出发对人工智能的定义基本上都认为人工智能是模拟和延伸人类智能的一种技术。

（3） 人工智能技术的发展依靠对人类智能的科学研究，所以从学科角度讲只有对人类智能活动深入理解的情况下才能够更加有效地模拟和延伸人类智能。

（4） 人工智能的研究分为科学研究与技术研究，其中人工智能科学的研究范围要远大于人工智能技术的研究。 学习资料收集于网络，仅供参考与交流 如有侵权，请联系网站删除 （5） 提出人工智能科学与人工智能技术两个不同的概念，从学科角度讲人工智能科学应属于理科类学科，而人工智能技术应属于工科类学科。

二、人工智能与信息技术的关系 我们在这里讨论人工智能与信息技术的关系， 这是由于两方面的原因： （ 1）从前文人工智能定义的分析可知人工智能技术与信息技术相关， 且属于技术类学科； 所以在中小学课程体系下人工智能有可能被定位于与信息技术、 通用技术相同的技术类课程。 （ 2）在现行的高中信息技术课程标准中， 人工智能已经作为 6 个教学模块（信息技术基础、 算法与程序设计、多媒体技术应用、网络技术应用、数据管理技术以及人工智能初步）之一而存在。

从广义上讲， 信息技术是指能充分利用与扩展人类信息器官功能的各种方法、 工具与技能。从狭义上讲，信息技术是指利用计算机、 网络、广播电视等各种硬件设备及软件工具与 方法，对文图声像各种信息进行获取、加工、存储、传输与使用的技术。

作为学科，人工智能与信息技术之间存在如图 1 所示 5 种可能的关系，其中 AI 代表人工智能， IT 代表信息技术（注 : 图中使用的运算符号并不是标准的集合运算符，在这里只是 用于进行区分不同关系） 。以下对人工智能与信息技术之间实际存在的关系做较为详细的分析。

图 1 AI 与 IT 的 5 种关系 （1） 人工智能是以计算机科学与技术为基础的一个学科，没有计算机技术的发展人工智能 学科是不可能建立起来的； 但是， 由于计算机技术属于信息技术的范畴， 所以人工智能应该与信息技术具有密切的相关性。于是，图 1 中的“ E. AI ∪ IT ”应该首先被排除掉。

（2） 就目前来说，我们总可以找到一些应用技术，如：多媒体技术、视频技术、计算机数 据库技术等， 它们显然属于信息技术的范畴， 但是又不属于人工智能， 所以图 1 中的“A. IT ∈AI ”和“ C. AI = IT ”两种情况就被排除掉了。

（3） 能够直接反映人工智能技术水平的就是人工智能应用领域的发展状况，但是在人工智 能应用领域的那些项目中尚不能找到哪个项目是与计算机技术、 信息技术无关的， 所以人工智能技术与信息技术的关系就应该属于图 1 中的“ B. AI ∈ IT ”。为了更加清晰地表达人工智 能技术与信息技术的关系，我们重画该图于图 2 中，并将人工智能技术用 AI(T) 来表示。 学习资料收集于网络，仅供参考与交流 如有侵权，请联系网站删除 图 2 人工智能技术与信息技术的关系 （4） 人工智能科学与人工智能技术不同，人工智能科学研究必然要涉及到人类智能、动物智能方面的内容，如：脑科学、神经科学、认知心理学等，而这些内容显然不应该属于信息 技术，即人工智能科学与信息技术只是具有交集，应该满足图 1 中的“ D. AI ∩IT ”。为了更加清晰地表达人工智能科学与信息技术的关系， 我们重画该图于图 3 中，并将人工智能科学用 AI(S) 来表示。

图 3 人工智能科学与信息技术的关系 （5） 随着人工智能技术迅速发展，上述第 （ 2）部分谈到属于信息技术但不属于人工智能的 那些项目也在被智能化。 我们可以预想到， 信息技术正在逐渐被人工智能技术取代， 人工智能技术与信息技术最终将会完全重合（如图 4 所示）。

图 4 人工智能技术与信息技术的渐变关系三、中小学人工智能课程建设 中小学课程建设应该具备 3个必要条件：教师、教材、教具（实验仪器设备） ；这被 20 世纪 50年代时任教育部副部长的蒋南翔先生称为 “教育的三大基石” 。在这 3个必要条件中最核心的部分是教材建设， 因为教材内容决定了教学内容和教学要求， 以此为基础才能够进行 教师的培养与培训，才能够进行实验仪器设备的科学配备。

但是， 教材建设的依据应该是课程标准， 在课程标准中规定了该课程的教学目标、 教学内容以及课时和课型。 其中教学目标的制定是最为关键的， 教学目标确定了也就决定了教学 内容， 并根据教学内容的数量决定课时数， 同时根据教学内容的表现形式决定课型。 下面以