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摘 要： 人工智能作为现代信息技术的重要组成部分，在高中阶段开设专门的选修课进行基础性教育势在必行。根据高中人工智能课程的教学目标、人工智能研究的特殊性以及高中生的认知特点，高中人工智能的教学宜采用基于问题学习（PBL）的信息化教学模式。在实际教学中，信息技术作为学生问题求解的工具应整合于PBL实施的全过程中。
关键词： 人工智能；教育；信息化；教学模式
中图分类号： G434 文献标识码： A 文章编号：1673-8454（2008）02-0012-03
人工智能是计算机科学的一个分支，已成为一门具有广泛应用的交叉学科和前沿学科。它研究如何用计算机模拟人脑所从事的推理、证明、识别、理解、设计、学习、规划以及问题求解等思维活动，来解决人类专家才能解决的复杂问题，例如咨询、探测、诊断、策划等。[1]作为信息技术一个不可缺少的重要组成部分，人工智能的基本内容在中学信息技术课程中是不能不专门提及的。而且，以往的某些教材中用一两页篇幅作简单介绍的方法也根本不足以反映人工智能学科的全貌。因此，十分有必要在高中阶段的信息技术课程中专门设立人工智能选修课。
一、新课程改革下高中人工智能教育的目标
2003年教育部颁布《普通高中技术课程标准（实验）》，指出了高中人工智能课程的教育目标。
1.总体目标定位
(1)了解信息技术发展的前沿。
(2)体验若干典型人工智能技术的应用。
(3)感受人工智能对学习和生活的影响。
(4)激发对信息技术未来的追求。
2.具体目标
(1)在基本概念方面，要能描述人工智能的概念与基本特点。
(2)在知识及其表达方面，能够列举人工智能的主要应用领域，掌握知识的概念、知识表达的基本方法。
(3)在推理与专家系统的学习方面，能够演示或使用简单的产生式专家系统软件，知道专家系统正向、反向推理的基本原理，并且学会使用一个简易的专家系统外壳。
(4)在人工智能语言与问题求解方面，能够学会使用一种人工智能语言求解简单问题，了解状态空间的概念与方法，以及了解用盲目搜索技术进行搜索，知道启发式搜索。
由此可见，高中人工智能教育并非大学人工智能教育专业课的简单下移，它的主要目标之一是让学生了解有关人工智能的最基础的知识，让学生理解人工智能的实质及其基本原理，掌握人工智能知识与技术中的科学方法，形成相应的技能。[2]
二、基于问题学习的信息化教学模式
1.相关概念界定
(1)信息化教学模式
信息化教学模式是技术支持的教学活动结构和教学方式，是技术丰富的教学环境，是直接建立在学习环境设计理论与实践框架基础上，包含相关教学策略和方法的教学模型。[3] 当前多种多样的信息化教学模式不断涌现出来，如基于问题学习的教学模式、基于网络协作学习的教学模式、情境化教学模式、基于概念图的教学模式及教学游戏、微世界等。
(2)基于问题学习的教学模式
基于问题学习（Problem-Based Learning，简称 PBL）的教学模式是以问题为基础来展开学习和教学过程的一种教学模式。它强调把教与学设置到复杂的、有意义的问题情境中，通过学习者合作的形式共同解决复杂的、实际的或真实的问题，来学习隐含于问题背后的科学知识，形成解决问题的技能，并形成自主学习的能力。[4]
2.高中人工智能教育应用PBL信息化教学模式的可行性
人工智能虽然在近几年发展迅猛，先后总结出一系列基本原理和方法。但远未形成自己的完整的理论体系。同时，最近的研究成果很多都是以问题的提出、分析和解决为模式而发展起来的，而这恰好与PBL的步骤相吻合。因此，人工智能的教学宜采用PBL的教学模式。在实际教学中，信息技术作为学生问题求解的工具应整合于PBL实施的全过程中。
信息技术在PBL模式中的作用主要表现在：提供广泛的信息资源；创建互动共享的智慧资源；提供便捷有效的交流方式；提供良好的学习过程记录方式；为学生的作品制作提供了丰富多彩的表现形式；提供新的作品发表园地等等。
3.PBL信息化教学模式的流程
信息技术支持的基于问题学习的教学模式分为五个环节：提出问题、分析问题、解决问题、结果展示、学习评价，具体流程如图1所示。在学习过程中，学生分成若干级，相互交流、合作，教师则起指导、辅助的作用。
(1)创设情境，提出问题
“学源于思，思源于疑”，学习是从认识到“有问题”开始的。在人工智能课程中，问题指的是以人工智能的理论和技术为手段完成一些任务，例如一个简单的机械故障诊断问题、一个垃圾邮件过滤问题、一个简单的机器人路径规划问题等；也可以是在人工智能学习过程中的反思性问题，如：拥有同样的专业知识，为什么新手和老手之间的差距会这么大？怎样才能缩小差距，让新手也能像老手一样思考和解决问题？机器也能思考，会不会出现某些影视片中所描绘的诸如人类最终成为机器人的奴隶之类的情况？机器是为人服务还是最终变成人为机器服务？面对诸如记忆力等方面优于人类的情况，我们应该如何面对？未来的生活是怎么样的？[5] 教师可以在多媒体和虚拟技术的支持下，以文字、视频、动画或仿真环境的方式呈现问题情境，提出引导性问题。
(2)分析问题、界定问题、组织分工
第一阶段：感知新情境问题，明确问题目标与条件。这一阶段的目的是形成对问题的客观陈述，即任务领域，并确定任务的起始状态和目标状态。在这一阶段里，为了顺利解决问题，学习者需要作充分的准备，主要是对情境、目标及问题背景的分析，这是问题获得解决的必要手段。[6]
分析问题情境：对所提出或呈现的问题情境仔细思考，进行分析，在小组内进行讨论，检查你对情节和情形的理解，不要急着去思考可能的解决方法或查找信息。
分析问题实质：在分析问题情境的基础上，确定问题的实质所在，即找到问题的本质。
界定问题、陈述问题：用自己的语言精辟地、清晰地阐述所要研究的问题，并勾画出小组学习目标；对特定问题进行目标设定，每个目标任务分配给每个小组成员；对整个研究过程进行描述，描述段落文章形式，也可以分步骤或其他形式。
第二阶段：提出假设，小组分工。即提出可能的行动、建议或解决方案，然后根据学生的兴趣和能力进行分组，一般采用教师指导下的异质分组方式，把学习风格、认知水平相关比较大的学习者编制成一个小组。
第三阶段：联系已有的知识经验，与新问题建立相关，确定行为。
列出已经知道的信息：作为一个小组，把成员所知道的每一件关于该问题的信息（包括隐含在情节中的信息）全部列出来。
列出需要做的事情，分配学习任务，确定可能的资源：小组成员通过头脑风暴，形成一个解决问题所需信息的概念图，并确定在哪儿可以找到所需信息。
问题分析要从实际问题出发，顺着模型的建立、算法的设计、数据结构的表示、程序编码的实现等过程，让学生体会到解决一个实际问题需要的步骤和知识。而教师正是将一些需要讲解的课程内容和知识点精心隐含在问题中。
(3)探究和解决问题
查找、收集信息：通过各种信息途径，收集与主题相关的信息。
整理、分析信息：对所收集到的信息进行归类、整理、分析。
相互交流、形成解决方案：交流/交换意见、思考解决方法。
通过一个具体问题的解决，可以增加学生对人工智能知识及其应用方式方法的感性认识。同时激发学生在问题解决后的成就感，增强学生的学习热情和兴趣。
(4)展示结果、成果汇总
以适当的形式，最好能用多媒体等多种方式（如幻灯片、网页等形式）来陈述、展示你的小组对解决问题的建议、预言、推论或其他的合适的解决办法。这是人工智能学习的重点。通过该环节，我们可以帮助学生归纳总结在任务分析和完成过程中出现的各种问题及其解决问题的思路和步骤，一方面让学生举一反三地对其他没有涉及到的知识进行补充和演绎；另一方面让学生认识到人工智能的理论和技术在实际工作中的地位和作用，进一步激发学生的学习兴趣和主观能动性。在此过程中，教师还要鼓励优化方案的提出、分析和验证；鼓励学生扩展其自身的知识体系，并积累问题求解的各种方式方法：鼓励其创新意识和主动学习意识的培养。
4.评价、反馈
小组之间共享他们所创建的解决方案，对方案进行评价，并评价各小组在整个问题解决过程中的表现。
三、基于问题学习的信息化教学模式实施建议
1.充分考虑高中生的认知特点，选择与学生的学习和生活相近的问题
高中生年龄普遍在十四五岁到十七八岁之间，心理逐渐趋于成熟，思维能力得到很大的发展，能从具体事物看出抽象规律，并具有辩证性，喜欢提出独到见解。但是由于长期以来受传统教学的影响，接受的教育主要是学科知识的教学，对于人工智能方面的知识接触较少，或者基本没有接触。这要求人工智能教育在高中的开展应考虑其原有知识、能力与情感基础，将课程目标定位在了解和体验上，选择那些与学生的学习、生活关系密切的，看得见、摸得着的人工智能应用问题作为案例展开教学，使人工智能教育过程中所学到的技能、方法、策略等能够运用到生活以及其他学科的学习或问题的解决中。
2.合理利用网络信息技术和多媒体技术，充分发挥数字化教学资源的优势
以数字化教学资源为要素营造的数字化学习环境能够支持教师指导下的以学生为中心的学习，为学生的学习创造自由的学习气氛与情境，有利于学生发展自身在认知、能力、情感等方面的潜能[7]。教师在进行问题教学，如进行专家系统、符号运算、机器翻译等内容的教学与实验过程中，要将数学化教学资源紧密嵌入到问题情境的创设、问题的分析和问题解决的支持系统中，使数字化教学资源体现在问题中，深入到过程中，并与之融为一体，而不仅仅是表面上教学手段的先进性和信息化的形式表现。
四、结语
新课改推行已有三年，但我国高中人工智能教育的开展现状不容乐观，还有很长的路要走，不仅需要教育主管部门的政策方针，更需要广大的一线教师和教研人员的全力投入和高校的大力配合，开发出各种适合于高中人工智能教育的教学模式，不断完善高中的人工智能教育。
参考文献：
[1] 金聪, 刘金安. 人工智能教育在能力培养中的作用及改革设想[J]. 计算机时代, 2006,（9）: 66- 69.
[2] 周跃良, 张燕. 人工智能的理论基础及教学组织[J]. 中小学信息技术教育, 2003, （10）: 10- 13.
[3] 苑永波. 信息化教学模式与传统教学模式的比较[J]. 中国电化教育, 2001, （8）: 26- 28.
[4] 付强. 基于网络的协作问题解决学习活动模式探析[J]. 现代远距离教育, 2005,（5）: 43- 46.
[5] 钱旭升, 郑和. 我国高中人工智能教育目标的分类分层体系构建[J]. 课程·教材·教法, 2007, 27（1）: 71- 74.
[6] 左晓梅. 面向问题解决的数字化教学资源设计[J]. 现代远距离教育, 2005, （2）: 20- 22.
[7] 徐红彩. 数学化教学资源的设计与开发[J]. 开放教育研究, 2002, （6）: 41- 43.
关键词： 人工智能；教育；信息化；教学模式
中图分类号： G434 文献标识码： A 文章编号：1673-8454（2008）02-0012-03
人工智能是计算机科学的一个分支，已成为一门具有广泛应用的交叉学科和前沿学科。它研究如何用计算机模拟人脑所从事的推理、证明、识别、理解、设计、学习、规划以及问题求解等思维活动，来解决人类专家才能解决的复杂问题，例如咨询、探测、诊断、策划等。[1]作为信息技术一个不可缺少的重要组成部分，人工智能的基本内容在中学信息技术课程中是不能不专门提及的。而且，以往的某些教材中用一两页篇幅作简单介绍的方法也根本不足以反映人工智能学科的全貌。因此，十分有必要在高中阶段的信息技术课程中专门设立人工智能选修课。
一、新课程改革下高中人工智能教育的目标
2003年教育部颁布《普通高中技术课程标准（实验）》，指出了高中人工智能课程的教育目标。
1.总体目标定位
(1)了解信息技术发展的前沿。
(2)体验若干典型人工智能技术的应用。
(3)感受人工智能对学习和生活的影响。
(4)激发对信息技术未来的追求。
2.具体目标
(1)在基本概念方面，要能描述人工智能的概念与基本特点。
(2)在知识及其表达方面，能够列举人工智能的主要应用领域，掌握知识的概念、知识表达的基本方法。
(3)在推理与专家系统的学习方面，能够演示或使用简单的产生式专家系统软件，知道专家系统正向、反向推理的基本原理，并且学会使用一个简易的专家系统外壳。
(4)在人工智能语言与问题求解方面，能够学会使用一种人工智能语言求解简单问题，了解状态空间的概念与方法，以及了解用盲目搜索技术进行搜索，知道启发式搜索。
由此可见，高中人工智能教育并非大学人工智能教育专业课的简单下移，它的主要目标之一是让学生了解有关人工智能的最基础的知识，让学生理解人工智能的实质及其基本原理，掌握人工智能知识与技术中的科学方法，形成相应的技能。[2]
二、基于问题学习的信息化教学模式
1.相关概念界定
(1)信息化教学模式
信息化教学模式是技术支持的教学活动结构和教学方式，是技术丰富的教学环境，是直接建立在学习环境设计理论与实践框架基础上，包含相关教学策略和方法的教学模型。[3] 当前多种多样的信息化教学模式不断涌现出来，如基于问题学习的教学模式、基于网络协作学习的教学模式、情境化教学模式、基于概念图的教学模式及教学游戏、微世界等。
(2)基于问题学习的教学模式
基于问题学习（Problem-Based Learning，简称 PBL）的教学模式是以问题为基础来展开学习和教学过程的一种教学模式。它强调把教与学设置到复杂的、有意义的问题情境中，通过学习者合作的形式共同解决复杂的、实际的或真实的问题，来学习隐含于问题背后的科学知识，形成解决问题的技能，并形成自主学习的能力。[4]
2.高中人工智能教育应用PBL信息化教学模式的可行性
人工智能虽然在近几年发展迅猛，先后总结出一系列基本原理和方法。但远未形成自己的完整的理论体系。同时，最近的研究成果很多都是以问题的提出、分析和解决为模式而发展起来的，而这恰好与PBL的步骤相吻合。因此，人工智能的教学宜采用PBL的教学模式。在实际教学中，信息技术作为学生问题求解的工具应整合于PBL实施的全过程中。
信息技术在PBL模式中的作用主要表现在：提供广泛的信息资源；创建互动共享的智慧资源；提供便捷有效的交流方式；提供良好的学习过程记录方式；为学生的作品制作提供了丰富多彩的表现形式；提供新的作品发表园地等等。
3.PBL信息化教学模式的流程
信息技术支持的基于问题学习的教学模式分为五个环节：提出问题、分析问题、解决问题、结果展示、学习评价，具体流程如图1所示。在学习过程中，学生分成若干级，相互交流、合作，教师则起指导、辅助的作用。
(1)创设情境，提出问题
“学源于思，思源于疑”，学习是从认识到“有问题”开始的。在人工智能课程中，问题指的是以人工智能的理论和技术为手段完成一些任务，例如一个简单的机械故障诊断问题、一个垃圾邮件过滤问题、一个简单的机器人路径规划问题等；也可以是在人工智能学习过程中的反思性问题，如：拥有同样的专业知识，为什么新手和老手之间的差距会这么大？怎样才能缩小差距，让新手也能像老手一样思考和解决问题？机器也能思考，会不会出现某些影视片中所描绘的诸如人类最终成为机器人的奴隶之类的情况？机器是为人服务还是最终变成人为机器服务？面对诸如记忆力等方面优于人类的情况，我们应该如何面对？未来的生活是怎么样的？[5] 教师可以在多媒体和虚拟技术的支持下，以文字、视频、动画或仿真环境的方式呈现问题情境，提出引导性问题。
(2)分析问题、界定问题、组织分工
第一阶段：感知新情境问题，明确问题目标与条件。这一阶段的目的是形成对问题的客观陈述，即任务领域，并确定任务的起始状态和目标状态。在这一阶段里，为了顺利解决问题，学习者需要作充分的准备，主要是对情境、目标及问题背景的分析，这是问题获得解决的必要手段。[6]
分析问题情境：对所提出或呈现的问题情境仔细思考，进行分析，在小组内进行讨论，检查你对情节和情形的理解，不要急着去思考可能的解决方法或查找信息。
分析问题实质：在分析问题情境的基础上，确定问题的实质所在，即找到问题的本质。
界定问题、陈述问题：用自己的语言精辟地、清晰地阐述所要研究的问题，并勾画出小组学习目标；对特定问题进行目标设定，每个目标任务分配给每个小组成员；对整个研究过程进行描述，描述段落文章形式，也可以分步骤或其他形式。
第二阶段：提出假设，小组分工。即提出可能的行动、建议或解决方案，然后根据学生的兴趣和能力进行分组，一般采用教师指导下的异质分组方式，把学习风格、认知水平相关比较大的学习者编制成一个小组。
第三阶段：联系已有的知识经验，与新问题建立相关，确定行为。
列出已经知道的信息：作为一个小组，把成员所知道的每一件关于该问题的信息（包括隐含在情节中的信息）全部列出来。
列出需要做的事情，分配学习任务，确定可能的资源：小组成员通过头脑风暴，形成一个解决问题所需信息的概念图，并确定在哪儿可以找到所需信息。
问题分析要从实际问题出发，顺着模型的建立、算法的设计、数据结构的表示、程序编码的实现等过程，让学生体会到解决一个实际问题需要的步骤和知识。而教师正是将一些需要讲解的课程内容和知识点精心隐含在问题中。
(3)探究和解决问题
查找、收集信息：通过各种信息途径，收集与主题相关的信息。
整理、分析信息：对所收集到的信息进行归类、整理、分析。
相互交流、形成解决方案：交流/交换意见、思考解决方法。
通过一个具体问题的解决，可以增加学生对人工智能知识及其应用方式方法的感性认识。同时激发学生在问题解决后的成就感，增强学生的学习热情和兴趣。
(4)展示结果、成果汇总
以适当的形式，最好能用多媒体等多种方式（如幻灯片、网页等形式）来陈述、展示你的小组对解决问题的建议、预言、推论或其他的合适的解决办法。这是人工智能学习的重点。通过该环节，我们可以帮助学生归纳总结在任务分析和完成过程中出现的各种问题及其解决问题的思路和步骤，一方面让学生举一反三地对其他没有涉及到的知识进行补充和演绎；另一方面让学生认识到人工智能的理论和技术在实际工作中的地位和作用，进一步激发学生的学习兴趣和主观能动性。在此过程中，教师还要鼓励优化方案的提出、分析和验证；鼓励学生扩展其自身的知识体系，并积累问题求解的各种方式方法：鼓励其创新意识和主动学习意识的培养。
4.评价、反馈
小组之间共享他们所创建的解决方案，对方案进行评价，并评价各小组在整个问题解决过程中的表现。
三、基于问题学习的信息化教学模式实施建议
1.充分考虑高中生的认知特点，选择与学生的学习和生活相近的问题
高中生年龄普遍在十四五岁到十七八岁之间，心理逐渐趋于成熟，思维能力得到很大的发展，能从具体事物看出抽象规律，并具有辩证性，喜欢提出独到见解。但是由于长期以来受传统教学的影响，接受的教育主要是学科知识的教学，对于人工智能方面的知识接触较少，或者基本没有接触。这要求人工智能教育在高中的开展应考虑其原有知识、能力与情感基础，将课程目标定位在了解和体验上，选择那些与学生的学习、生活关系密切的，看得见、摸得着的人工智能应用问题作为案例展开教学，使人工智能教育过程中所学到的技能、方法、策略等能够运用到生活以及其他学科的学习或问题的解决中。
2.合理利用网络信息技术和多媒体技术，充分发挥数字化教学资源的优势
以数字化教学资源为要素营造的数字化学习环境能够支持教师指导下的以学生为中心的学习，为学生的学习创造自由的学习气氛与情境，有利于学生发展自身在认知、能力、情感等方面的潜能[7]。教师在进行问题教学，如进行专家系统、符号运算、机器翻译等内容的教学与实验过程中，要将数学化教学资源紧密嵌入到问题情境的创设、问题的分析和问题解决的支持系统中，使数字化教学资源体现在问题中，深入到过程中，并与之融为一体，而不仅仅是表面上教学手段的先进性和信息化的形式表现。
四、结语
新课改推行已有三年，但我国高中人工智能教育的开展现状不容乐观，还有很长的路要走，不仅需要教育主管部门的政策方针，更需要广大的一线教师和教研人员的全力投入和高校的大力配合，开发出各种适合于高中人工智能教育的教学模式，不断完善高中的人工智能教育。
参考文献：
[1] 金聪, 刘金安. 人工智能教育在能力培养中的作用及改革设想[J]. 计算机时代, 2006,（9）: 66- 69.
[2] 周跃良, 张燕. 人工智能的理论基础及教学组织[J]. 中小学信息技术教育, 2003, （10）: 10- 13.
[3] 苑永波. 信息化教学模式与传统教学模式的比较[J]. 中国电化教育, 2001, （8）: 26- 28.
[4] 付强. 基于网络的协作问题解决学习活动模式探析[J]. 现代远距离教育, 2005,（5）: 43- 46.
[5] 钱旭升, 郑和. 我国高中人工智能教育目标的分类分层体系构建[J]. 课程·教材·教法, 2007, 27（1）: 71- 74.
[6] 左晓梅. 面向问题解决的数字化教学资源设计[J]. 现代远距离教育, 2005, （2）: 20- 22.
[7] 徐红彩. 数学化教学资源的设计与开发[J]. 开放教育研究, 2002, （6）: 41- 43.