人工智能在教育教学中的实践与探索
冯 军/陕西师范大学附属中学校长
马 立/陕西师范大学附属中学网络中心主任
人工智能AI (Artificial Intelligence)是用机器去实现借助人类智慧才能实现的任务。这项看似非常复杂的技术，已经慢慢来到我们身边，如网购App对不同的用户推送不同的内容、手机的智能助手、手机指纹识别、机器自动翻译等，都是人工智能技术融入我们生活的例证。在教育界，人工智能也将发挥其无可替代的巨大作用。2019年5月16日，国际人工智能与教育大会召开，国家主席习近平致贺信。习近平指出，培养大批具有创新能力和合作精神的人工智能高端人才，是教育的重要使命。
中国的未来需要培养大批具有创新能力和合作精神的人工智能高端人才，基础教育是未来人才打基础的关键阶段，让学生接触、理解、掌握人工智能技术就显得非常重要。在2017年初，我们学校与企业开展合作，开始了人工智能课程的尝试。但随着各项教学活动的逐步开展，学生掌握的进度难以与企业推出的设备技术结合，在教学上出现对产品生搬硬套，甚至把一节课变成了一节说明书解读课的情况。如何把人工智能教育融入常规课程与教学，我们开始了新的思考与探索。
父亲的收入微薄，而且不稳定。唯一固定的经济来源是哥哥每月3.4美元的军人津贴和病人每月依靠缝补收入的3-4美元。
实践与探索：人工智能在教育教学中的应用分享
在反复推敲与实践的基础上，我们认识到，师资力量是人工智能教育变革与创新的根本与关键。为此，学校组织教师深入学习Scrach、App Inventor、开源硬件、大数据、图像处理等各种相关知识，并以建设学生社团选修课，开展学生科技竞赛以及课题研究为突破方向，努力让人工智能教育的种子在我们学校生根发芽。
从2018年开始，我们学校将每周五中午、周日下午固定为人工智能教育选修课时间，开放科技创新实验室和计算机教室，课余时间学生随时可以到实验室学习探讨。他们以问题为导向，思考和解决问题的程序与结构，在优化程序和结构过程中根据不同情况选择不同的方法，形成多个解决问题的途径，不断模拟解决处理问题的过程与方法。如学生设计的扫地机器人，一开始都是通过碰撞传感器来改变路线的，在反复碰撞过程不断尝试路线，所以智能化程度不高，扫地效率低下。通过教师引导和反复研究探索，加入了激光雷达测距、摄像头传感器绘制地形、地图定位规划路线等技术，让学生将各种技术有效地进行搭配与组合，通过不断的参数设置与组合搭配，扫地机器人终于可以感知地形、绘制家庭房屋结构，并在行走过程对路线进行记录，极大地提高了工作效率。扫地机器人的成功改进让学生们爱上了创造。
辛勤的耕耘与求索，换来了累累硕果。开展人工智能教育两年以来，我们学校有超过100名学生在全国、省、市级各类科技竞赛中获奖。先后获得全国第九届“北斗杯”全国青少年科技创新大赛西北赛区一等奖、优秀组织奖，陕西省第十九届电脑制作活FLL工程挑战赛VEXIQ初中组冠军，全国第十六届NOC机器人竞赛二等奖，陕西省2018MakeX机器人挑战赛中初中组季军、最佳外观设计奖，西安市第十九届中小学机器人与创客大赛FLL工程挑战赛初中组冠军、创客竞赛初中组季军等荣誉。
课程内容历来被视为学生习得知识的主要来源，为此，我们开设了人工智能知识及Python（派森）编程语言的教学。Python 语言是人工智能的核心编程语言，学生学习了Python语言就可以了解爬虫编写、机器学习、数据库编程、数据分析与处理等方面的实践应用。我们依据新课标中对于信息技术人才培养的指导意见，设计课程，帮助学生提升计算思维、编程能力，培养他们的创新能力。同时，我们也把每年完成一个创意作品，或参加一项比赛作为评价学生的重要依据，以此激发学生学习新知的积极性。
现在，我们引入STEAM理念，从科学、技术、工程、艺术等多个方面，形成不同侧重点的兴趣小组，平行开展分析、思考、创新活动，最终开展共享与合作，形成一个最优化的方案及作品。例如，在人类面部表情的识别与应用方面，我们通过高速相机采集画面、通过坐标进行关键点提取、通过图像关键点判定对象心情、通过大数据比对提高判读的准确率、通过图像处理夸大对象形象，最后通过3D打印或绘图表现出最终效果，形成作品。在整个过程中科学小组负责可行性分析及统筹安排、技术小组负责算法分析及实现、工程小组负责设备组合及调试、艺术小组负责最终形象设计，如此，人工智能文化、人工智能未来发展等各种理念通过活动与讨论，逐步渗透到每个学生的内心。
各种品种的农作物有其自己的生理特性，所以根据他们自己的需求搭配不一样的肥料会起到不同的效果，并对施肥方法进行合理选择。拿最常见的玉米作物来说，对N、P、K、Cu、Fe等元素需求在其生长过程中是不一样的，而且在玉米的生长初期、中期、晚期对肥料也具有不同的需求量。[3]拿棉花举例说明，其产量和施肥之间有直接关系，在棉花种植过程中必须要遵循土地基础肥力足、棉花苗施肥轻、蕾肥稳、花铃施肥多和盖顶进行补肥的原则，它的生长周期比较长，所以为了确保棉花能正常生长，必须要合理搭配肥料的配比，正确施肥。
中学的人工智能课程最容易被编程课和开源硬件课所取代，缺乏学生自主的思考、主观能动性的发挥，只有让人工智能教育贴近生活中的实际问题，才算真正有效开展人工智能教育。基于此，我们开始在全校规模化开设《Arduino智能硬件程序设计基础》《机器人编程实践》《人工智能编程入门》三门基础选修课，教材全部自编，着眼于解决生活中的问题。同时，根据人工智能教育不断发展的需要，我们学校建设了一间3D打印教室，让学生自己设计模型，进行3D打印，让设计快速变成成品，这极大地激发了学生的积极性。在后期的人工智能教学中，教师们也不再孤立于每个教学环节，而是通过与开源硬件实验室、3D打印实验室、编程教学相互融合，来开展人工智能课程教学。
变革与展望：人工智能技术改善教育生态
人工智能技术除了作为未来人才培养的主要内容外，还是促进教育教学质量提高、改善教与学生态的有效工具。在技术的支持下既可以实现班级规模化教学基础上学生的个性化培养，同时可以降低教师体力劳动、使教师能更加专注教育教学活动的系统性与创造性。
引入智能教学专家系统。 专家系统是人工智能的一个重要分支。随着计算机技术的飞速发展，其应用也越来越广泛。专家系统就是模仿专家的功能，将专家的知识和经验总结成规则，以适应的方式存入计算机系统，建立知识库，然后对输入的原始数据选用适用的规则进行推理，做出决策和判断，使它具有专家的知识，能解决只有专家能解决的问题。现在，网络教学系统能够较好地实现网上教育信息资源，教师资源的共享，但是还存在许多问题，譬如，无法因材施教，对不同层次的学生采取一样的教学策略，学生在学习的过程中出现网络迷航等问题，不能从根本上促进学习者的反思和自我表现。上述问题的出现，除了教师主观的认识不足与对待不够认真外，还与缺乏结构化的知识梳理有关。目前，我们系统梳理了结构化教学资源，并根据学生点击情况来建议教师的教学进度、内容等，使之具备智能化能力，使教育达到个性化、智能化的目的。
威廉·莱斯等作家敏锐地反映了建设全球性生态文明的紧迫诉求，其中的问题框架是我们发掘发挥马克思生态思想的有益线索，其提出的许多观点对于我们树立人类命运共同体意识、建设美丽中国也具有启发价值。但是，在我们借鉴这一西马派别理论的过程中，必须始终坚持马克思主义的立场观点方法，特别是从马克思理论创制的主体即政治经济学批判当中，坚持不同于莱斯等西方学者看待生态问题的科学的马克思主义政治经济学立足点。〔本文受到江苏省2016年度普通高校学术学位研究生科研创新计划项目“新中国初期主流意识形态的构建及其历史经验研究”(项目号:KYZZ16_0482)资助〕
引入基于人工智能的课堂教学反馈系统与大数据分析平台。 我们学校建设了两间智慧教室，通过行为分析和及时反馈，对教师的教育教学效果进行细致的分析与个性化的数据报告。行为分析系统采用语义分析技术与人工智能技术相结合，自动形成课堂教学行为和教学内容的分析数据，对教师板书、教师演示、学生回答问题等100余种教学行为进行自动分析，生成教师和学生的多维成长档案。同时，为提高反馈的准确度，我们通过反馈应答器，收集每个学生知识掌握的情况，形成行为加反馈的两个维度的数据依据，教师依据系统生成的成长档案进行教学反思，并依据与名师课堂教学行为数据的对比，改进教学方法，提升教学技能。此外，利用大数据分析平台可以智能分析判断学生的作业及试卷数据，形成基于学生个人知识点的认知图谱，形成学习准确预判，使学生更加清晰明了地认识自己的优缺点。教师也从繁杂的体力劳动中解放出来，从而集中精力处理知识性的问题，进行创新性的思考，有效指导教师教学，提高教育教学成绩，享受科技给教育教学带来的优势与成果。
更新观念，适应教育教学的改革与学校的可持续发展。 在理念建设方面，我们学校继续加强教师的学习进修，以案例应用分享带动教师学习人工智能知识的热情，加速师生理念的更新，促进人工智能文化在我们学校的培植与发展。环境建设方面，打造基于不同主题的人工智能实验室，提高学生学习人工智能、运用人工智能的能力，为学生的终身发展打下良好基础。同时继续加大人工智能技术对教育教学的支持，让每个教师都能增加一个智能助手，使日常教育教学更加有针对性，使教师能更加专注未来人才的培养。
会议的6个大会报告和21个分组报告既有深入实际的调查、测试等实证研究，又有基于国际数学教育发展趋势的理论性思辨研究．报告内容围绕民族地区数学教学研究、民族地区学生的数学学习研究、民族数学史、数学文化与数学教育研究、民族地区数学校本课程开发研究、民族地区学生数学学习现状调查研究等主题展开，分析探讨了目前中国少数民族学生在数学学习中出现的问题、产生困难的原因以及应采取的对策、措施，给所有与会者以研究思路与方法上的启示．现将报告的主要观点综述如下，以观中国少数民族数学教育研究的热点及发展趋势．
人工智能技术在教育教学中的日益发展，将带来整个教育生态、教育文化的创新与变革。唯有这样，我国的教育才能不断革新，焕发新的活力，未来中国才能不断迸发出强大的发展潜力，才能持续书写新时代新的诗篇。
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