基于问题解决的“中学人工智能”教学实践的研究.doc

东北师范大学硕士学位论文基于问题解决的“中学人工智能”教学实践的研究姓名：邵雪冰申请学位级别：硕士专业：现代教育技术导教师：彭立20090501AbstractThe strategy to prosper the country through scientific and educational advances has brought our nation great achievements, and the strategy for talents education ensures our country to step into the first-class-country in the world. However, in the aspect of all-round quality education of students, especially the spirit of innovation, practical ability and thinking ability, there is still space for us to make further efforts. In conjunction with many years of personal experiences of teaching intelligent robots, discussions and suggestions for intelligent robot teaching are demonstrated in this paper, such as the objective of the new curriculum of information technology system, significance and purpose of the development and the creation of the curriculum for artificial intelligence robots, the current situation and problems and difficulties of the intelligent robot course, contents selection of the lectures, uses of the teaching and learning methods for this subject, the assessments of students work and the problems occurring in this field, etc.During primary and secondary school, students dont have the opportunities to improve their creativity and activity skills, that is, students lack of the opportunities for self-display in the most curious, hands-on favorite stage, though this is the best time to develop their abilities for innovation, practice and thinking. With the development of reform for fundamental education in China, a single curriculum can no longer meet the needs for all regions, while more diversified curriculums are required. Schools should make school-based curriculum and supplement based on their own situation and teaching facilities.Key words: Artificial Intelligence; Teaching Methods; Cooperative Learning; Innovation; Teaching Strategies独创性声明本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究 工作所取得的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本声明的法律结果由本人 承担。学位论文作者签名：1今日期：2009.5.25学位论文使用授权书本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规 定，即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以将 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以釆用影印、缩 印或其它复制手段保存、汇编本学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书）期：2009.5.25学位论文作者签名：指导教师签名：日期：2009.5.25日 电话：88635892邮编：130022学位论文作者毕业后去向： 工作单位：长春市第八中学 通讯地址：长春市亚泰大街4035号东北师范大学硕士学位论文引基于问题的学习是国外新兴的一种教学模式。其特征是：以问题为焦点启动课程； 学生根据对问题的理解开展调查、执行探究；在基于问题的教学中，教师的角色不再是 提供知识，而是创设问题情境，通过提问等方式引导、促进学生进行自主学习。基于问 题的学习主要以杜威的理论和社会文化理论为基础。其评价方式可以采用真实性评价、 作业评定、系统观察等。在当前国外教育改革的浪潮中，为了促进学生掌握灵活的知识基础和发展高层次的 逻辑思维能力、解决问题的能力以及自主学习的能力，以问题为基础来展开学习和教学 过程已成为一条基本的改革思路。尤其近年来盛行的建构主义学习理论及其教学原则特 别推崇围绕问题开展学习。基于问题的学习最早是在20世纪50年代中期从美国医学教 育中发展而来。这种模式后来越来越多地被其他领域所釆用，如商业教育、建筑教育、 法律教育等，90年代中期以后，它被移植到美国幼儿园、小学和中学的各个年级，并取 得了成功。由于这种教学模式与我国当前教育改革的趋势比较一致，对国内教学改革很 有启迪意义。本文拟对这种新兴的教学模式作简单的介绍，并把它和人工智能教学结合 起来，以促进学生的创新精神和主动学习的能力。曰我国教育部最颁布的普通高中新课程标准中，将人工智能初步作为选修模块 正式列入信息技术课程体系，人工智能的不少研究领域如自然语言理解、模式识别、机 器学习、数据挖掘、智能检索、机器人技术、人工神经网络等都走在了信息技术的前沿， 许多应用成果已经进入人们的生活、学习和工作中。人工智能的研究、应用和发展在一 定程度上决定着信息技术的发展方向，信息技术的广泛应用也对人工智能技术的发展提 出了急切的需求，这体现了基础教育课程改革强调的适应时代发展需要、体现时代性特 征的精神。然而，我国人工智能教育起步较晚，最初人工智能类课程仅在少数高校得以 开设，相关的教学实践经验显得相对不足；而且，在许多中学都存在着信息技术课程师 资不足、学校硬软件设备有限等条件的制约，使得在中学开设独立的人工智能课程显得 困难重重。是否具备充足的教学资源，有成体系的实践经验，将直接影响到中学人工智 能课程的有效开展。本文集中探讨了中学人工智能教育的教学实践问题，包括教学方法、 教学策略、教学案例等。第1章新课程体系下的人工智能的教学1.1信息技术课程改革的重要性与特殊性在这次基础教育课程改革中，普通高中信息技术课程标准的出台，是2003年我 国中小学信息技术改革启动以来的又一重大事件，受到社会的普遍关注。因为此标准在 开发过程中面临诸多困难，最终出台实属不宜。原因有三：一是当前我国信息技术课程 改革正处于从“计算机教育”到“信息技术教育”的转型期，缺乏扎实的理论支撑和丰 富的实践经验，许多问题尚无定论，只能边摸索边总结。二是由于我国的教育信息技术 应用水平存在明显的地区差异，想要制定一个能在全国范围内适用的课程标准确是困难 重重。三是就全球范围来看，信息技术发展迅猛，而标准又必须具有一定的权威性和稳 定性，如何制订出一个具有前瞻性同时又具有相对稳定性的标准，是摆在课题组专家们 面前的又一难题。面对上述困难，课题组专家在整合国外先进观念和国内一线教师意见的基础上，对 此标准大胆采用了一些创新举措。一是打破“为学电脑而学电脑”的传统思路，突出信 息素养教育的重要性，融入了基础教育课程改革的指导思想，传递了人与技术和谐共融 的现代理念。二是提出了专门用于课程目标的信息素养描述方法，将信息素养在操作能 力、评价能力、问题解决能力和价值观与责任感的形成上分层阐述，提升了标准的可操 作性。三是针对地区差异和学生个性化培养的需要，将信息技术课程分解为2+2+X, 即必修2学分，科内选修2学分，跨领域选修X学分。其中选修课程分为程序设计、多 媒体、网络技术、数据管理和人工智能5个模块，以满足学生的个性化学习需求。四是 尝试与其他课程的协作。譬如将本课程中传感技术等内容放到通信技术课程，又譬如鼓 励学校自行开发地方课程和校本课程等。同时，我们也应看到普通高中信息技术课程标准在实施当中还存在一些“变数”。 一是在教材开发时选择适当的技术，在保证课程设置的相对稳定性的前提下使课程内容 具有较好的时效性；二是如何把握地区差异的问题，如何将国家课程标准的权威性与地 方课程的灵活性结合起来；三是新标准如何在现行体系中生效的问题。一般认为教育系 统具有“迟滞”的现象，总是比先行一步的新观念、新技术、新标准要慢几拍。这就不 能不引起我们一些隐忧：课程标准的理念能否被教师真正领会，新课程教学能否摆脱应 试教育的阴影。四是在基础教育中强调信息技术与课程整合的形势下如何处理本课程与 其他学科课程教学的关系问题，哪些技术可以融合在其他学科课程的学习中，哪些技术 必须独立学习；五是教学队伍问题，目前在我国许多地方计算机教师严重缺乏的条件下， 如何迅速造就一支能够胖任新课释教学的师资队伍：六是信息技术课程的“寿命”问题， 在一些发达国家信息技术课程被逐步谈出，许多内容已被融合到其他课程学习中，或者 只设选修课，我们在培养目前急需的信息技术教师时如何兼顾他们的长远发展。因此在这次基础教育课程改革中，信息技术课程改革相对与其它课程来讲就显得尤 为重要与特殊。第一，参加课程改革的其它学科，大部分已历经长期发展，形成了丰富 的积淀，与教育改革相呼应，自然构成坚实的改革出发点。而信息技术课程正处于由计 算机教育向信息技术教育的过渡期，经验积累不够丰厚，课程的目标与内容都不够清晰， 也缺少关于对象特性的深入研究。第二，本次基础教育课程改革中，义务教育阶段没有 研制独立的信息技术课程标准，只是在综合实践活动中有简单的描述，从而没有对信息 技术课程的目标、内容等进行清晰的界定，所以也难以用作高中阶段信息技术课程设计 的参照基准。第三，同样由于义务教育阶段没有相应的课程标准，高中信息技术课程标 准极可能成为对信息技术课程目标、内容等进行界定的唯一的国家正式文本，从而可能 成为认识义务教育阶段信息技术课程的参照。高中信息技术课程标准的研制在这样的基 础上进行，必然承担着过多的责任。本次基础教育课程改革不仅有着新的教育理念，还有着新的管理模式和总体课程结 构，所以在信息技术课程设计时，尽量考虑了与这些因素的协调。比如，信息技术教育 这个专题下的高中课程，还应该包含如传感技术、控制技术等内容，但考虑到课程管理 方面的原因，经与通用技术组协商，将它们放在通用技术课程中。作为国家标准，高中信息技术课程标准必须具备较好的适应性，即面对学生个体情 况或者地区信息化建设条件的不同，都能具有权威性指导意义。又由于我国地域辽阔， 文化与经济条件等差异较大，更强的适应性只能在教材环节上体现，即教材在满足标准 要求的前提下体现多样性与选择性。1.2信息技术的课程标准及课程人工智能模块的设计思路高中信息技术课程内容的设计坚持以下三点：第一、有利于学生个性发展的课程结 构形式；第二、切实针对学生身心发展特点的课程内容；第三、信息技术应用能力与人 文素养培养相融合的课程目标。高中信息技术课程包括必修和选修两个部分，共包括六个模块。 必修部分只有一个模块“信息技术基础”（2学分)，建议在高中第一、二学期开设。 与九年义务教育阶段相衔接，是信息素养的基础，是学习后续选修模块的前提。选修部分包括“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”、“人工智能初步”，每个模块2学分。在必修模块的基础上， 选修模块关注技术能力与人文素养的融合建构，是信息素养基础的继续。模块内容设计 既注意技术深度和广度的把握、前沿进展的适度反映，同时关注信息文化理念的表述。 建议在高中二年级第一、二学期或以后幵设。目前在高中阶段所开设的选修模块主要以“网络技术应用”和“人工智能初步”为 主，而在选修模块“人工智能初步”中大多数的中学主要采取了以学习简易人工智能机器人为主的方式。选修模块“人工智能”设计思路主要采取以下方式：第一，选择“任务驱动方式”， 以任务带出知识点，由感性到理性。第二，以信息处理教学为主线，循序渐进，由浅入 深。第三，因为教育对象为高中学，所能内容与难度要适应高中生的特点。第四，重视 对学生自学能力、观察能力、分析问题和解决问题能力的培养和提高。第五，充分调动 学生的主观能动性，发挥想象力和创造力，充分体现学生教学主体。第六，机械设计与 程序设计并重，适当降低程序难度，使学生“做中学”。1.3新课程体系下人工智能模块的教学目标新课程体系下信息技术课程的总目标是培养学生的信息素养。信息素养包括：信息 的获取、加工、管理、呈现与交流的基本能力；对信息及信息活动的过程、方法、结果 进行评价的能力；流畅地发表观点、发表思想、开展合作并解决学习和生活中的实际问 题的能力；遵守道德与法律法规，形成与信息社会相适应的价值观和责任感。高中学生信息素养提升具体体现在以下三个方面的全面发展：(一）知识与技能1. 理解信息及信息技术的概念与特征，了解利用常用信息技术获取、加工、管理、 表达与交流信息的基本工作原理，了解信息技术的发展趋势。2. 能熟练地操作并应用常用信息技术工具，能适应信息技术的发展变化，初步形 成自主学习新信息技术的能力。1(二）过程与方法能从日常生活、学习中发现或归纳需要利用信息和信息技术解决的问题，能通过问 题分析确定信息需求。1. 能根据任务的要求，确定所需信息的类型和来源，能评价信息的真实性、准确 性和相关性。2. 能选择合适的信息技术进行有效的信息釆集、存储和管理。3. 能熟练运用信息技术，通过有计划的、合理的信息加工解决实际问题，辅助其 他学科学习，创作信息作品。4. 能釆用适当的工具和方式呈现信息、发表观点、交流思想、开展合作。5. 能对自己和他人信息活动的过程和结果进行评价，能归纳利用信息技术解决问 题的基本思想方法。(三）情感态度与价值观体验信息技术蕴涵的文化内涵，形成和保持对信息技术的求知欲，养成积极主动地 学习和使用信息技术、参与信息活动的态度。1.能辩证地认识信息技术对社会发展、科技进步和日常生活学习的影响。2.能理解并遵守与信息活动相关的法律法规和道德规范，负责任地、安全地、健 康地使用信息技术。其中模块人工智能的目标主要是：第一，使学生了解人工智能的发展和应用状况， 了解人工智能的概念和工作方式，为进一步学习其它有关知识打下基础。第二，使学生 提高规划能力，提高分析问题和解决问题的能力，培养科学而高效的思维方式。第三， 使学生了解和学习与人工智能相关的众多先进技术，同时培养学生的动手能力、协作能 力和创造能力，提髙学生的信息素养。第四，培养学生科学严谨的学习态度，激发学生 创新潜能。第2章人工智能课程开设及其意义和作用2.1人工智能教育的概述人工智能（Artificial Intelligence,简称AI)是在计算机科学、控制论、信息论、神经生理学、心理学、哲学、语言学等多种学科相互渗透的基础上发展起来的一门新兴边 缘学科。它主要研究如何用机器（计算机）来模仿和实现人类的智能行为。有人把人工 智能同原子能技术、空间技术一起称为20世纪的三大尖端科技成就。随着信息社会和 知识经济时代的来临，信息和知识已经成为人们的一个热门话题。然而，在这个话题的 背后还蕴含着一个更深层的问题智能。一般来说，信息是由数据所表达的客观事实， 知识是信息经过智能性加工后的产物，智能是用来对信息和知识进行加工的加工器。在 信息社会，人类面对的信息将非常庞大，仅靠人脑表现出来的自然智能是远远不够的， 必须开发那种由机器实现的人工智能。就像在工业社会人类需要用机器去放大和延伸自 己的体能一样，在信息社会人类又需要用机器去放大和延伸自己的智能，实现脑力劳动 的自动化。而此时，人工智能教育的出现就显得尤为重要。人工智能教育是构建在新课程理念下学生自主探究、合作学习和快乐教育的一种新. 型教学模式。这种教学模式是探索教师和学生技能共同提高的学习模式、构建适合学生 学习的教学模式和利于发展学生学习能力的学习模式。注重培养学生的动手实践能力、 创新思维能力、综合应用能力和团结协作能力，让学生在“玩”中找到学习的乐趣，使 学生成为制作活动的主体，充分发挥学生的自由想象力和实践应用能力，开发学生的智 力潜能，是对传统的教学模式进行改革的有效尝试。人工智能教育有助于培养学生自主探究学习习惯。以科技教育、素质教育和新课程 改革理念为指导，以学生的发展为本，以学生的动手实践为核心，引导学生与智能机器 人亲密接触，跟上现代科学技术发展的步伐，走出普通教室，走进机器人实验室，培养 学生探究科学奥秘的兴趣，激发学生的好奇心和求知欲，初步养成从事科技探究活动的 正确态度；关注周围与身边的科学，培养发现、想象、创新能力。充分发挥学生的主体 作用，挖掘学生的内在潜能，增强自信心和自豪感，真JH成为实践活动的主人。让学生 学会选择，学会合作，学会探究，学会创新，培养学生探索质疑、解决问题的能力，搜 集、处理信息的能力，动手操作、主动实践的能力。利用自己所学过的数学、物理、化 学、生物和计算机等相关专业的知识，灵活地运用到机器人的实验和制作活动中，是智 能机器人科技教育课程与其它学科知识整合的一个突出实例。通过活动，充分发挥学生 的自主探究、自主学习的潜能，在制作过程中呈现了既有探究，又有协商；既有质疑，又 有感悟；既有合作，又有个性突现的生动活拔的自主探究模式，让他们学到了许多在常 规课堂上学不到的知识。把人工智能作为信息技术课的内容之一列入中小学信息技术教育课程，这种形式正 在形成期，教材的编写、课程的常规性开设正在起步。当然，这无疑会为信息技术学科 带来新的活力，对目前信息技术教育重软件应用轻编程幵发的局面也会有所改善。人工智能教育已经进入大学教育，从课程理论到课程实践渐已成熟。但在中学阶段 还是只有初步的接触，其中以机器人教育最为广泛。但是，由于中小学生与大学生年龄、 思维特点的差异，借鉴高校经验的可能性较小。目前，机器人教育进入中小学的形式主要表现在竞赛活动。通过竞赛，对学生的机 器人设计能力、创新能力进行拉动，以一种模范的力量推动它全面地进入课程设置。纵 观各地中小学机器人教育的方式，大体可以分为几种：通过学校、少年宫、少科站等单位吸收机器人爱好者，组成智能机器人学习小组， 以学员制进行活动，并可代表地区参加各类竞赛活动。这种形式是机器人进入中小学生 视野最初、最多，也是最有效的方法。人工智能中的机器人教育以研究性课程的形式进 入中学，由于研究性学习课程越来越受到重视，也由于机器人教育的长期性、个性化， 决定了如果通过研究性学习形式推广，会更有利于对学生创新能力的培养。但是，由于 研究性课程的课时不足，以及班额过大决定的组织难度过大，都会影响机器人教育的整 体推进。2.2国内、外人工智能课程开设现状人工智能(Artificial Intelligence)直都处于计算机技术的f前沿，经历了几起几落， 长久以来，人工智能对于普通人来说是那样的可望而不可及，然而它却吸引了无数研究 人员为之奉献才智，从美国的麻省理工学院到IBM公司，再到日本的本田公司以及国 内的清华大学、中科院等科研院所，全世界的实验室都在进行着人工智能技术的实验。 不久前，著名导演斯蒂文斯皮尔伯格还将这一主题搬上了银幕，科幻片人工智能对 许多人的头脑又一次产生了震动，引起了一些人士了解并探索人工智能领域的兴趣。美国是开设人工智能的故乡，1959年，美国联合控制公司研制成世界上第一台机器 人样机，取名“尤尼曼特，它是以液压为动力，并具有学习能力的机器人，一教即会， 引起了人们极大的兴趣，曾轰动一时。1962年成立了“尤尼曼特”机器公司，正式定型生 产“尤尼曼特机器人。无独有偶，美国机械公司与此同时也研制成一台名叫维塞特兰” 的机器人，与“尤尼曼特”相比，不仅“脑子构造略有差别，就连体形、运动坐标也大不 相同，判若两人”。随后日本、德国等发达国家都纷纷相继仿制和开发机器人。在以后 20年的漫长岁月里，不管机器人有多大变化，绝大多数机器人都是在这对机器人的基础 上改进和创新的。从世界范围看，机器人的实践活动也有越来越普及的趋势。在发达国家，形式多样 的机器人比赛正在吸引越来越多的人群参与其中。在发达国家，机器人大赛不光针对学 生一族，参与者可以是家庭，也可以是个人，比赛项目也更为实用和有趣，这当然与其 在教育体系中注重培养学生的动手能力和综合素质分不开。我国开展人工智能教育相对较晚，人工智能课程基本上在大学理、工科专业开设， 并于2004年开始独立设立智能科学与技术本科专业，但是大多数学生仍然很少有机会 接触人工智能教育。据有关专家介绍，目前世界上已经有不少国家在中、小学开设了人 工智能及其相关的课程，大力推进教育信息化。为了适应信息社会的发展，促进中学生 信息素养的全面培养，教育部在2003年颁布的高中信息技术课程标准中增设了“人工智 能初步”选修模块。我国的人工智能机器人普及教育最近也有一些可喜的变化，据宗光 华教授介绍，从2004年开始，一些地方在高中课程的改革中，加入了简易机器人的通 用技术课程。他认为，此举不仅仅是对中学生从小加强对机器人的感性和理性认识，重 要的是它将对青少年创新和实践能力的提高有很大的帮助。目前我国人工智能研究近年己经摆脱了 “跟在外国人后面小修小补”的状况，从学 习国外为主的时期进入自主研究为主的时期，形成了自主研究重大科学前沿和转化科技 成果的新局面。2.3人工智能课程中存在问题分析和问题解决对策很多人在思想上对人工智能存在认识上的偏差，认为智能机器人无所不能，一旦接 触到教育中的机器人，与想像的有偏差，学习的激情就此冷却；有些信息技术教师对人 工智能课程的开设存在偏见，对设置人工智能课程的目的不明：不少教师对人工智能课 程开设的目的不明确，不理解，甚至持否定态度。由于现在国内没有现成的教材可以参考，所以，在教材内容的选取和安排上不能将 高中生的学习和生活和人工智能课程的教学有机结合起来，虽然也有新版高中信息技术 系列教材，但在内容的组织、教学活动的设计等方面仍然很难跳出传统教材的模式，在 人工智能教材上这个问题显得尤其突出。再者，教材和其他人工智能教育方式相结合的 紧密程度和方式方法也非常不科学。在教学方面，课时安排很难得到保障，通常被其他学科占用，教学方法也难以选择， 不能采取有效的教学方法，不能达到很好的教学效果。还有，在教学条件方面也存在很多问题，在较为发达地区的学校经济条件还可以， 通过购置一些机器人设备，幵展教学，增强了人工智能课程的趣味性，使师生切实感受 到人工智能对人们生活的影响，新教材为师生设计了较多的实践和活动；同时，为了降 低教学成本，这些实践活动大都要求利用网络在线运行，或者从网站上下载软件到本机 运行。这无疑对学校的教学条件提出了较高的要求，尤其是那些偏远、落后的学校在开 设人工智能课程上将存在一定的困难。因为这样对硬件性能要求较髙，对软件依赖性也 较强。人工智能教育已经成为呼声很高的创新教育平台，各地中小学人工智能实验室建设 迅速兴起。但是，目前主要处于综合实践活动层面的机器人教育，也遇到了诸多方面的 制约。一是竞赛活动商业化严重，发展方向偏移。教育行政部门的监管力度不够，有些 商家通过不当竞争，限制其他商家的产品，同时存在的“投机取巧”式的比赛准备也影响 了学生创新能力的培养。二是资金严重缺乏，配套组件及设施不够。三是教育研究欠缺， 教学活动随意性强。目前机器人进入课程或者参与学科整合的经验还很少，教育研究成 果非常缺乏。尤其对中小学教师而言，它是一种全新的事物，课程内容、教学方法等都 很欠缺。虽然在高中信息技术新的课程标准中增加了人工智能部分，但是理论比重较大， 实践活动较少，非常不利于开展相关教学。在高中通用技术课程标准中，增加了简易机 器人选修课，但是由于受到课程地位和课时的局限，目前效果尚不明显。虽然有些教育 较发达的地区作为地方课程或校本课程来开设，但教学内容与活动随意性都较强。针对以上问题特提出以下几点解决对策：一.在教师方面，在现阶段，可以通过在职进修、短期培训等方式对信息技术教师 进行人工智能知识和技能的培训。除此以外，还应当注意结合高等院校配套课程的建设。 增加一些与人工智能相关的课程，使得相应专业的学员在毕业后就能够胜任中学人工智 能课程的教学工作。二.在教学内容方面，从2003年6月幵始，教育部组织专家通过严格评审，指定 了教育科学出版社等5家出版社组织编写包含人工智能初步在内的、符合新课标要 求的高中信息技术教材，上述教材已经在2004年上半年陆续完成并正式出版。近年来， 我国开始逐渐重视对青少年进行人工智能的启蒙教育。一些相关书籍先后出版，它们可 以作为中学人工智能教育的参考书籍。例如，清华大学出版社1997年版的科普教育丛 书计算机与信息科学十万个为什么等。另外，学校还可以根据自己的地域特点及教 学的实际经验编写校本教材。三.在教学方式方面，不要完全指望有限的课堂教学，还可以利用第二课堂、社团 活动、比赛竞赛等方式吸引学生来参与人工智能的学习。东北师范大学硕士学位论文第3章人工智能教育的环境与理论基础3.1人工智能教学的硬件环境人工智能课程中有较多的实践课程需要老师和学生利用网络资源，使用计算机进行 操作。这就需要学校配备计算机网络教学机房，若其性能较差，会延长学生在线进行人 机对话的时间，一旦遇到网络堵塞，可能连网页都打不开，这不仅浪费了仅有的上课时 间，而且大大降低了学生的学习兴趣。在学校条件允许的条件下，应加大硬件设施的投 入，改善网络传递信息的效率。目前，很多开设人工智能选修的学校都创建了自己的人工智能实验室，我们长春八 中也是如此，并本着将常规教学、第二课堂活动、科技竞赛三者兼顾于一体的指导思想， 要努力使教育资源高效率使用，最大限度地发挥教育教学的社会效益。为此，我校选择 了有效使用面积约为168平方米的阶梯会议厅改造为机器人实验室，使教学区、电脑编 程区、机器人运动区有机的融为一体。在实验室中，为学生配备了大屏幕投影仪、便携 式笔记本、奔四工作站及乐高中型实验室组件。3.2人工智能教学的软件环境在加大硬件设施投入的同时应加强软件资源建设。目前人工智能适合中学生的软件 比较匮乏，基本上都是根据每年的全国机器人比赛项目内容和学生发展的需要进行内容 的选择，包括乐高、中鸣、VEX、广茂达和南京紫光厂家的软件及其相关资源。目前中 学基本采用乐高的较多一些。除此以外，教师和学生都应上网搜索更多适合人工智能教 学的网站，教师应整理出和人工智能相关的趣味小故事、电影、光盘等和教材相关的素 材，以便更好的配合硬件教学。3.3人工智能教学内容设置人工智能技术是当前信息技术应用发展的热点之一。与一般的信息处理技术相比， 人工智能技术在求解策略和处理手段上具有独到之处。“人工智能初步”模块介绍了人 工智能的基本概念和人工智能领域内容易为高中学生所理解和掌握的部分内容，是选修 模块。通过本模块的学习，学生应能描述人工智能的基本概念，会使用一种人工智能语 言解决简单问题，把握其基本特点；能利用简易的专家系统外壳开发简单的专家系统； 知道人工智能对人类学习、生活的影响；通过感受人工智能技术的丰富魅力，增强对信 息技术发展前景的向往和对未来生活的追求。本模块的教学应强调让学生体验若干典型人工智能技术的应用；要根据高中学生的 知识基础和本校实际情况开展教学；要发现有特长的学生并对他们进行有针对性的教 学。本模块对采用的人工智能语言与专家系统工具不作具体要求，可以根据实际情况自 主选择。本模块由3个主题组成，结构如图一所示：图一：人工智能初步模块具体内容为:()知识及其表达1. 内容标准2, 能描述人工智能的概念与基本特点；知道人工智能技术随着计算机硬、软件 技术的进步和应用需求而发展的事实和客观规律。3, 列举人工智能的主要应用领域；通过演示或实际操作，体验人工智能的若干 典型应用，知道其发展现状。4, 掌握知识的概念；学会知识表达的基本方法。2. 活动建议2, 对话题展开讨论。3, 对产生式规则、框架等常用的知识表示方法的特点、适用场合进行比较。(二）推理与专家系统1. 内容标准(1)演示或使用简单的产生式专家系统软件，感受用专家系统解决问题的基本过 程；了解专家系统的基本结构。2. 活动建议2. 针对学生熟悉或感兴趣的一个分类问题，利用简易专家系统外壳开发一个简 单的专家系统。例如，用于识别校园中植物的专家系统。2. 让学生从信息技术的应用对象、策略与方法等方面对“信息技术的应用已经12东北师范大学硕士学位论文经历了数值计算、数据处理、知识处理”三个阶段的特点进行比较。(三）人工智能语言与问题求解2. 内容标准2. 了解一种人工智能语言的基本数据结构和程序结构，掌握相关概念，知道人 工智能语言的主要特征。2. 初步学会使用该语言设计程序求解简单问题，并能够上机调试、执行相应的程序。2. 了解状态空间的概念与方法，学会用该方法描述待求解的问题。2. 通过简单博弈问题的分析，了解用盲目搜索技术进行状态空间搜索的基本过 程，知道启发式搜索的基本思想及其优点。2. 活动建议2. 以小组为单位，对本模块教学中尚未涉及的人工智能应用问题展开调査，就 它们的应用情况、工作过程、优点与局限性以及对人们生活和工作所产生的影响进行讨 论与分析。2. 观看、阅读与人工智能相关的影视作品或文学作品，发挥自己的想象力，描 述人工智能技术的应用前景，以班级网站或板报的方式展示和交流。3.4人工智能教学的理论基础智能科学(Intelligence Science)是20世纪50年代兴起的一门多学科相互渗透、具有 重大实用价值和重要战略意义的新兴边缘学科，以智能科学为基础的智能工程与生物工 程、空间工程一起被并列为当代三大尖端科学工程，受到世界各国普遍的重视。以智能 科学为核心、以生命科学为主导的高科技，将在21世纪掀起一场“智能革命”，创造出未 来的智能社会。智能科学的研究分为两个方面，一方面是对智能的产生、形成和工作机制的直接 研究；另一方面是研究如何用人工的方法模拟、延伸和扩展智能。前者称为自然智能 (Natural Intelligence)理论，或生物智能(Biological Intelligence)理论，主要是生理学和心 理学研究者所从事的工作；而后者称为人工智能(Artificial Intelligence)理论，或机器智 能(Machine Intelligence)理论，主要是理工学研究者所从事的工作。自然智能包括人类的 智能和其他生物的智能，而人类智能又包括人类个体的智能和群体的智能两个方面。人 工智能的研究成果主要包括符号智能和计算智能两大类，前者主要指经典的或传统的人 工智能，后者则包括模糊计算、神经计算、进化计算等。什么是智能？智能的本质是什么？什么样的行为称得上是智能行为？这些问题是脑科 学、认知科学、思维科学、智能科学、哲学等多种学科所面临的共同问题，尤其是对于 智能科学更为重要，因为它直接关系到智能科学研究的方法和策略。按理说，人工智能 理论应以自然智能理论为基础。如果搞清了各种自然智能的工作机制及其各个功能部件19东北师范大学硕士学位论文的结构关系，那么就可以通过已经高度发达的电子的、光学的和生物的器件构筑类似的 结构对其进行模拟、延伸和扩展，从而实现人工智能”。但遗憾的是，上述问题至今仍 然没有完全解决，自然智能理论至今仍没有搞清一些基本智能活动的机制和结构，总体 进展十分有限。这是由于智能是脑、特别是人脑的属性或者说产物。但人脑的奥秘至今 还未完全揭开。从系统的观点看，人脑是一个复杂的、幵放的、动态的巨系统。尽管多 年来人们一直在探索人脑的奥秘，对其结构和功能也已有了初步的认识，但对整个神经 系统的内部结构和作用机制，特别是脑的组织结构和功能原理还不完全清楚，有待进一 步的探索。在此情况下，要从本质上对智能给出一个精确的、可被公认的定义，显然是 不现实的。目前人们大多是把人脑的已有认识与智能的外在表现结合起来，从不同的角 度、不同的侧面、用不同的方法对智能进行研究。这就导致了对于智能的多种说法。譬 如，有人说智能的基础是知识，因为没有知识的智能是不可想像的；有人说智能的关键 是思维，因为知识是思维产生的；还有人说智能取决于感知和行为，认为智能是在系统 与周围环境不断“剌激一反应”的交互中发展和进化的；等等。综合关于智能的各种观点，从内涵来讲，可以认为智能是知识与智力的总和。其 中，知识是一切智能行为的基础，而智力是获取知识并运用知识求解问题的能力，它来 自人脑的思维活动。从外延来讲，智能就是获取知识和运用知识以及分析问题和解决问 题的能力。概括的能力； 决策的能力； 创新的能力。中、低三个层次，不同层次智能的活动由不同的神经特别是人类的智能是一种综合能力。一般来说，智能包含按照上述描述，生物， 以下几个方面的特征：2. 具有感知能力；2. 具有行为能力；2. 具有记忆与思维能力；2. 具有学习和自适应能力;2. 具有运用语言进行抽象，2. 具有联想、推理、判断,2. 具有发现、发明、创造、 上述特征总体上可分为高、系统来完成。15东北师范大学硕士学位论文第4章基于问题解决的人工智能教学设计与案例4.1什么是基于问题解决及其在信息技术课中的实施过程4.1.1什么是基于问题解决基于问题的解决，是近年来国际教育界发展起来的一种教学方法和教育思想。是指 把学习设置于复杂的、有意义的问题情境中，将学生置于积极的问题解决者的角度，直 接去面对反映真实世界情境的劣构问题，通过解决复杂的实际问题，培养学生的问题求 解策略，同时发展基本的学科知识基础和基本技能。基于问题的学习要求教师为学生创 造具体环境，启发和激发学生独立提出探索性及求证性问题，形成多向思维的意识，寻 找在不同的条件下的多种解决问题的途径，探索可能出现的多种答案。“基于问题解 决”是科学家探索未知领域思维过程的重要环节。著名科学哲学家波普说：“科学始于 问题。” “基于问题解决”正是这一科学思维过程对教育方法和教学思想的影响，教育 界主动引进这一科学思维过程是当今教育思想发展的重大突破，启发教育界从科学技术 发展的思维过程中，汲取培养和发展学生的思维、智慧和道德的精华。基于问题解决的学习活动是指学生运用已有信息进行加工整合，主要通过高级思考 (如观察、分析、猜测、比较、交流等过程)以解决初次遇到的问题，并促进学生创新能 力和实践能力发展的一种新型学习活动。“基于问题解决”的学习活动是二种非常有意 义的学习活动。它通过问题解决的一系列活动，能生动、深入地渗透新课标的理念，更能 为学生创新精神、实践能力和自主探究能力的发展提供一个行之有效的空间。因此，“基 于问题解决”是培养和发展学生创造性思维能力的重要教学方法和教育思想。它是一种 建构知识的过程，通过引导学生解决复杂的、实际的问题，使学习者建构起宽厚而灵活 的知识基础；发展有效的问题解决技能；发展自主学习和终生学习的技能；成为有效的 合作者和学习者。在这过程中，能否创设一个复杂的、有意义的问题情景是很关键的一步。必须存在 某一问题，并且对该问题进行明确的陈述，还要有相关的信息资源，以供生成可行的解 决方案。小组的成员根据问题协同分析这些解决方案，作出评价。它主要包括四种理论：.通过实践来学习学习者所学的内容只有通过实际运用才能进一步强化和掌握，实践对形成丰富经验 是非常重要的。国外一些专家通过分析丰富经验对专家能手们的意义，提出了目标基础 方案是非常有用的，通过对学习者提供实践机会从而使学习者获得丰富的经验。他们给 出了执行这一方案的动态过程，还就用这一结构来丰富学习者的经验给出了原则和标 准。二.灵活的适应性教学设计在不同的学习环境和学习需求下应采用不同的教学方式，要能灵活地对教 学资源进行合理设计。STAR理论强调将学习者安排在真实的复杂环境中，给学习者提供 丰富的学习内容，构架了整个学习过程，为学生和老师或设计者提供了解决问题的步骤。三.意义建构设计建构主义与情景教学环境建构主义认为，学习总是与一定文化背景即情境相 联系的，在实际情境下将原有认知结构中的经验与新学到的知识进行同化和顺应，从而 对新知识进行意义建构。Jonassen提出了建构主义学习环境，创设有利于学习者意义建 构的情境，创设与主题相关、尽可能真实的环境，整个教学设计过程紧紧围绕意义建 构这个中心，还对如何设计和利用建构主义学习环境提出了一些好的建议。四.协作解决问题建构主义认为，学习者与周围环境交互作用，对于学习内容的理解（即对知识意义 的建构）是非常重要的，这也是建构主义的核心概念之一。协作对学习资源的搜集与分 析、假设的提出与验证、学习成果的评价直至意义的最终建构均是重要的；通过集体的 协商、讨论，达到对所学内容的比较全面、正确的理解，完成对所学知识的意义建构。4.1.2 “基于问题解决”在信息技术课中的实施过程一.创设情境，提出问题在教学中，教师要根据学科特点、学习目标、学习者特征，创设恰当的问题情境， 并用少量的信息表述问题，以便于让学生知道将要解决的是什么问题，这个问题要尽量 与现实生活相联系，以便能够更好的吸引学生注意力、激发学生的学习兴趣、调动学生 学习的积极性。教师在学习过程中扮演组织者、资源提供者、促进者、引导者的角色。 教师在呈现问题时，要向学生提供必要的、完成任务可能需要的资源。由于问题本身的 复杂性，单单依靠学生所占有的资源难以实现问题的解决，教师要向学生提供相关的网 址、网上可供查找的数据库、书籍和其它实物文件，以有效地避免学生在网上漫无目的 地瞎闯。二.组织小组，分组学习由于问题的复杂、真实性，通常需要学习者之间的分工合作，所以第二步就是把学 习者组织成一个个小组。分组时，一般采用异质分组的原则，在同一个小组内，学生的 认知、性格特点不尽相同，这样，更有利于学生从不同的角度、层次来思考、解决问题。教师要明确每组在问题解决的过程中的责任和任务；同时，小组内各成员需要明确 分工、明确责任，以保证所有的学习者都有自主探索的机会，并能积极投入到问题的解 决过程中去。根据问题的复杂状况，各组可共同努力完成某一任务，或各小组独立完成 某一任务后，与其他小组共享信息。三.自主学习、合作交流基于问题解决教学模式中，学生在教师的指导下确定学习目标，了解为实现目标所必需掌握的知识。学习目标确定后，小组成员将分头查找资料，独立思考、自主学习，这一过程中，教师要了解每个学习者的责任与学习进度，并提供适时适量的指导。学生15拥有学习自主性，能真正体会主人翁的感觉，易于将学习内化为自己的事情，而不再是 教师强加给自己的“任务”。学生能认识到获取知识得靠自己的努力，并对学习产生了 相应的责任感，并在学习过程中积极、主动的发挥其独创性，主动完成对所学知识的意 义建构。在整个过程中，教师要引导学生评价自己和他人所获取信息的可信度，以培养学生 分析、评价信息的能力；指导学生在小组间进行评比竞争，让每个小组展示学习结果， 汇报所采用的方法和心得体会，由教师和各组代表评定各组的成绩，以促进小组成员间 的交流与合作：学生要充分发挥其主动性，在教师的有效指导下学习、并在学习中应用 相关基础知识、掌握基本技能；通过共同讨论，共享其基本知识、基本技能的学习成果， 真正体现信息技术的价值。四.总结评价评价是教学过程中非常重要的一个环节，通过评价，能反映学习者的学习情况，向 学生提供及时、恰当的反馈,使其及时的调整学习步调与进程；另外，教师的表扬和肯 定，可以提高学习者的学习积极性和学习效果。基于问题的解决主要强调问题的解决以及对潜在知识的掌握，强调评价的多元性， 即将教师评价、小组评价、自我评价、班级评价有机结合起来，体现评价的主体性；传 统的评价常釆用总结性、终结性模式，而基于问题的学习，更强调问题解决的过程，要 釆用发展性的动态评价模式。只有这样，才能从多个方面、多个角度对学生学习活动进 行全面、客观的评价。在学习中，教师对于解决问题的过程进行总结和评价，小组各成 员在教师的引导下对自己的学习过程进行自我反思和评价，总结所获得的知识和思维技 能。反思、评价是学习过程中非常重要的一个环节，通过反思，学生能将新知识与原有 的知识联系起来，提炼出概括性的知识；通过评价，学生将真正建构起对所学内容的理 解。4.2人工智能特点与基于问题解决教学模式人工智能它实际上是一门综合性的交叉学科和边缘学科，是计算机科学的一个分 支，它不仅涉及到计算机科学，还涉及到脑科学、神经生理学、心理学、语言学、逻辑 学、认知科学、行为科学、生命科学、数学、信息论、控制论、系统论等许多领域。人 工智能研究的内容很广，包括机器感知、机器思维、机器行为、机器学习、智能系统、 智能机器人等。研究这些的目