核心素养导向下的人工智能课程设计——以《机器听我说》为例

核心素养导向下的人工智能课程设计
——以《机器听我说》为例
● 饶加玺
摘 要：2018年、2022年，教育部先后修订发布了中小学信息科技课程标准，将人工智能主题加入课程内容。

为应对21世纪发展的挑战，培养学生核心素养成为基础教育的关键问题，教师如何依据核心素养培养目标设计人工智能主题课程成为研究热点。

课程设计标准、方案方面，美国人工智能协会联合美国计算机科学教师协会成立中小学人工智能教育指导工作组（AI4K12），设计了五大概念主题，用以指导教师进行人工智能课程设计。

本案例以核心素养为导向，采用五大概念作为学习目标指导，开发了面对初中生的语音识别课程，进行了课程教学实践，在研究实践中探寻初中阶段人工智能课程的有效实施路径。

关 键 词：核心素养；人工智能教育；信息科技；语音识别
作者简介：饶加玺，上海市新杨中学信息科技教师，主要研究方向为中学信息科技教学与教育 技术。

一、引言
人工智能这一利用计算机模拟人类学习、思考和决策等一系列智能行为的技术，经历大半个世纪的发展，取得了显著的进步。

图形识别、语音识别、生物识别等模式识别技术已广泛投入生活的各个领域，如交通、城市管理、智能生活等。

人工智能也与机器人领域进行深度结合，如无人机、无人驾驶、机械臂等。

在1997年与2016年，人工智能分别打败了国际象棋冠军与国际围棋冠军，取得了机器学习的突破性胜利。

近两年，OpenAI的高速发展再次深化了人工智能与人类世界的融合。

从种种案例和生活的实际体验中可以发现人工智能正在改变现代社会的生产方式和未来学习的思维方式，因此在现代信息科技教学中，指向未来发展的人工智能教学已然成为重要的课题。

2017年，国务院发布《新一代人工智能发展规划》，指出应逐步、全面开展全民人工智能教育并且将其纳入基础教育课程的体系中。

2018年，《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》将人工智能作为课程加入了必修模块中，设置了包括机器学习、线性回归、神经网络、计算机
视觉、自然语言处理等多个人工智能核心基础模块。

2022年，教育部发布《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》，重新整理中小学信息科技的课程内容，将人工智能作为独立模块进行了设计，从人工智能技术的应用系统体验、机器计算与人工计算的异同、伦理与安全挑战等方面展开，为各个年级设计了循序渐进的学习目标。

二、课程设计背景
（一）信息科技核心素养
在科技与社会的共同驱动力下，人工智能教育已逐步以不同的深入程度进入中小学课堂中，特别是在新课标发布之后，一线教师和教育研究者都从不同维度进行了课程设计和实践的研究。

中小学信息科技课程对人工智能的学习目标围绕学科核心素养进行了设计，笔者梳理了初中与高中阶段人工智能课程学习要求与核心素养的对应，见表1。

表1 初中与高中人工智能课程的核心素养要求
核心素养
学段
初中高中
信息意识1.了解人工智能对信息
社会发展的作用。

2.具有自主动手解决问
题、掌握核心技术的意识。

3.增强数据安全意识，
进行安全防护。

1.了解人工智能发展历史。

2.知道信息系统安全的基
本方法和措施，增强安全
防护意识。

计算思维1.通过案例分析，理解
人工智能。

2.根据生活学习合理选
取人工智能，比较使用
与否对处理问题的异
同。

1.描述人工智能基本特征。

2.利用开源人工智能应用
框架搭建智能系统，并根
据需求配置环境、参数和
自然交互方式等。

3.了解人工智能的核心算
法，熟悉智能技术应用的
过程和原理。

数字化学习与创新1.利用信息科技进行自主
学习与合作学习的能力。

2.主动利用数字设备开
展创新实践活动。

1.了解人工智能新技术与
应用。

2.将人工智能技术运用在
学习与生活中。

信息社会责任1.体验人工智能应用场
景了解其带来的伦理与
安全挑战。

2.合理与人工智能开展
互动，增强自我判断意
识和责任感。

1.客观认识智能技术对社
会生活的影响。

2.辩证认识人工智能的巨
大价值和潜在威胁，自觉
维护和遵守人工智能社会
化应用的规范与法规。

从两个学段的核心素养要求描述中，发现两
者具有一些共同点，即人工智能技术与生活学习
是紧密结合的，能够在案例中感受人工智能对社
会的积极影响与潜在威胁，同时需要具备一定的
信息安全意识与策略对应科技带来的挑战。

两者
也有明显的不同之处，高中阶段要求学生具备严
谨的思维逻辑，能够动手实现复杂的项目搭建，
掌握详细的核心算法和理论等；而初中阶段侧重
于学生的体验和简单技术的实现，通过多讨论、
多思考、多观察、多体验的过程去理解人工智能
与社会的关系。

因此在面对初中阶段的人工智能
课程教学，需要以“体验”为主，简化复杂原理，
组织学生在活动中深入浅出地学习人工智能的核
心知识，培养学生的核心素养。

（二）K-12人工智能教育指南
2018年5月，美国人工智能协会（AAAI）和
美国计算机科学教师协会（CSTA）联合成立了中
小学人工智能教育指导工作组（AI4K12）。

随后
AI4K12发布了K-12人工智能教育指南，其中描
述了中小学教育阶段的学生在人工智能课程中应
该学习了解的内容，指出确立学科大概念能够为
课程设计与开展建立基础。

指南中所提到的五个
大概念：（1）计算机通过传感器感知世界。

（2）智
能代理持续表征世界并以此进行推理。

（3）计算
机通过数据进行学习。

（4）促进智能代理与人类
进行流畅的沟通是一项持续性的课题。

（5）人工
智能对社会同时存在积极和消极的影响。

从这五
项大概念的定义与解释中，AI4K12进一步将其凝
练为五大概念主题，即感知、表示与推理、机器学
习、人机交互、社会影响，基本上涵盖了中小学阶
段的全部教学主题和人工智能的多个领域。

AI4K12据此对中小学各阶段的人工智能学
习做出了详细的要求，从多个维度塑造学生对于
人工智能的认知，不局限于技术与编程的学习。

五大概念主题包含了具体的核心概念，教师在设
图1 AI4K12制定指南中的五大概念逐步更新信息科技课标，发布“双减”政策以来，人工智能课程的研究正处于快速发展的时期，参考AI4K12的课程框架可以作为人工智能课程设计的依据，具有一定的参考意义。

三、课程设计依据与策略
初中阶段的人工智能课程开展能够让学生理解人工智能的特点，感知技术与社会的联系，进而发展学生利用人工智能改善生活的责任感。

谢忠新指出初中人工智能课程重在体验，通过以体验为主的活动让学生感受人工智能的技术魅力，培养学生理解人工智能的基础原理。

本研究以信
息科技学科核心素养、美国K-12人工智能教育指南为设计依据，选择语音识别为教学内容进行了人工智能课程设计。

图2 课程目标与核心素养图
课程从认识—体验—实现人工智能进行三阶段的学习过程划分，实现学生由了解到动手的学习体验。

课程内容的设计与目标设定基于K-12人工智能教育指南中的五大概念内涵，根据核心概念设计教学目标，基本覆盖了学生在学习AI技术中需要关注的维度，侧重引导学生理解语音识别技术的实现方法和理念，掌握其在现实生活中解决问题的思维方法和技术感知力。

通过教师课程设计中的情境创设和知识与能力层级的分配，使核心素养得到交替螺旋、层层递进的培养。

计课程中可参照指南中对不同学段的要求，亦可根据实际教学环境选择性增减核心概念所对应的知识内容。

表2 五大概念主题中的主要概念描述
主题核心概念
感知对比人类感知与机器传感器
从感觉到感知
了解主流感知类型：图像识别和语音识别等感知的底层实现方法是算法
计算机感知的局限性
区分智能与非智能机器
表示与推理表示的类型
推理算法的类型
表示与推理之间的支持关系不同算法的分类和功能
常见推理算法的局限性
机器学习什么是机器学习
学习算法的类型
了解神经网络及简单原理数据训练对机器学习的影响机器学习的局限性
人机交互理解什么是自然语言了解人机交互的方式了解人机交互的局限性
社会影响人工智能对社会发展效率的影响
人工智能程序的使用面临许多社会伦理问题人工智能将从不同层面影响人类的生活和工作人工智能的使用需要制定标准
K-12人工智能教育指南对人工智能课程的开发实践产生了比较广泛的影响力。

我国教育部
四、课程的实施
本研究在六年级的信息科技课程中开展，其内容是单元教学“人工智能与我们”中的课时，以《机器听我说》为题。

教学首先设定了一个模拟场景，即行动不便的独居老人通过智能语音系统进行基础信息的询问、指定电话的拨打以及对其他智能家居使用固定命令等，智能语音需要在识别到特定语音“小智”之后才能进行后续语音识别与处理。

因此本节课从“智能语音如何知道自己被呼唤”的问题入手，带领学生逐步了解语音识别的技术实现路径。

本节课分为两个主要部分，即
“机器能听到”和“机器能听懂”
，第一部分学习语音识别中声音转文本的基本方法，第二部分学习机器识别文本并进行反馈的过程。

图3 “机器能听到”技术路径图
图4 “机器能听懂”技术路径图（一）机器能听到1.感知、表示与推理
通过视频和教师准备好的程序，模拟老人使用智能语音的场景，学生需要比较呼唤“小智”下达命令和不呼唤“小智”直接下达命令后程序的反应，引导学生关注智能语音与人的互动前提是听到特定指令语音，进一步提出机器如何感知声音并且区分声音中出现“小智”的 语音。

表3 机器感知教学问题设计
教学问题教学目的
技术与支架机器如何感知声音？了解“声波图”的概念，知道计算机
获取声音的声波图，可以进行相关
的处理。

学习单耳麦、录音软件
编程软件中的录音功能
录音软件中声音是什么形式？
声波图能够表现出哪
些信息？
在了解机器感知声音的方式以后，组织学生
通过编程软件中的录音功能尝试采集一段语音，使用工具切割有效语音片段，模拟语音识别中的特征提取过程，因为声波图中包含了大量的信息，引导学生思考当机器处理语料切割时将会考虑更多的因素，从而采取复杂的特征提取方法，因此依赖先进的算法。

表4 模板匹配教学问题
教学问题
教学
目的
技术与支架
（主干
问题）
机器如何判断所获取样本声波的内
容？
（子问题）观察几段不同的声波图，它们的“形状”是
怎样的？你有什么结论？
了解语
音识别
中的模
板匹配
法。

学习单编程软件在线图片处理器样本对比方法—自学文件
（子问题）
不同语音的“形状”各不相同，现在已知几种语
音的声波图，你对于寻找样
本声波有哪些解决方法？
（子问题）为了对比样本声波图和已知声波图，我们需要设计哪些流程？
在这个环节中，教师带领学生观察声波图，
从声波图特有的“形状”特点引入，让学生简单理解模板匹配法，同时需要学生进行样本声音采样、
切割、与语料库声波图对比、分析结果等一系列的动手操作实践。

在学生活动中，将会遇到因为采样原因导致样本声波图差异所产生的模板匹配无结果问题，由此教师将进一步引导学生思考提高模板匹配法精准度的因素和模板匹配法的使用限制，并简单了解语音识别的其他主流技术。

图5 使用模板匹配法进行语音搜索2.机器学习
教师给出固定的文本内容，其中包含一些生僻词、专业名词、人名等，学生使用搜狗输入法
2.人机交互
学生了解语音识别的基本原理后，将利用编程软件的语音识别功能模块，完成本节课情境设定中的任务，即行动不便的独居老人呼唤“小智”的时候，开启语音识别。

学生通过编程经历人机交互的过程，在制作中思考真实环境中使用语音识别存在的问题和限制，同时尝试提出项目的修改方案。

表5 程序制作任务与思考问题
制作任务
识别到固定语音“小智”后，开始听候语音内容，设定
合理的听候时长。

为老人需要紧急呼叫、使用家用智能设备、询问时间等场景设计对应的识别内容和应答语句。

思考问题
每个人的表述习惯不同，如何捕捉语句中的关键词？如何让智能语音设备“学习”使用者的语言习惯，并且能够从使用者的提问中“了解”使用者？
3.社会影响
语音识别技术的使用已经比较成熟，渗透在各个行业、场景中，教师可以组织学生讨论多样的使用场景。

此外，教师向学生介绍不法分子通过Wi-Fi 非法侵入家庭语音设备窃取用户声音源后合成诈骗语段的相关事件，引导学生了解语音技术使用中的潜在风险，声纹信息作为个人生物信息需要给予高度关注，带领学生讨论保障信息安全的策略，重视实现技术的自主可控，加深学生在运用技术的同时也要有承担信息社会安全责任的意识。

五、关于人工智能课程设计的思考
本课程以AI4K12中的五大概念为设计依据，选取语音识别为设计内容，注重在学生的体验与思考中培养信息科技核心素养，通过历经原理的过程让学生认识和使用技术。

输入语音、处理语音的过程关注学生的信息意识；设计、分析、检验技术流程和编程实践的过程关注学生的计算思
维；小组合作、通过技术模拟解决问题的过程关
中的语音输入功能在文档中进行文本输出。

从结果中统计错别字、缺失字、新增字的总个数，除以原文本的总字数得到字错率，以此作为一个标准来评价语音识别功能的优良。

在体验的过程中，引导学生尝试改变语速快慢、语音的大小、使用方言等进行再识别并统计字错率，由此总结影响语音识别准确率的因素，理解外界复杂情况对机器感知能力的影响。

在生僻词、人名的输入中，学生通过多次输入会发现第一次出错的内容被重
复修正后，输入法可以准确地识别这些特定内容，通过这个环节让学生体会机器学习的过程。

（二）机器能听懂1.机器学习
经过前部分的学习，学生已经明白了语音识别需要将语音转换为文本，想要机器能够对语音做出准确的判断需要机器理解文本，即理解自然语言。

教师可以向学生介绍中文正向最大分词法并引导学生按照流程图步骤进行操作体验，在体验过程中进一步了解算法对于机器学习的重要性。

图6 最大正向分词法流程图
注学生的数字化学习与创新；以技术辅助社会需求，能够思考技术的双刃剑属性并与生活联系，提出信息安全策略是关注学生的信息社会与责任。

从本课程实施过程中，总结出以下几个面对初中进行人工智能课程设计的关键点。

1.渐进性：课程应该从基础概念开始，逐渐引入更高级的主题和技术。

这样可以帮助学生逐步建立知识体系，并适应复杂性的增加。

2.实践导向性：人工智能是一门实践性强的学科，课程设计应注重体验。

学生应该有机会通过项目、方案和编程来应用所学知识。

3.灵活性：人工智能领域发展迅速，新的技术和算法不断涌现。

课程设计应具有一定的弹性和灵活性，以便及时引入新的内容和研究成果。

4.应用导向性：人工智能的最终目标是解决实际问题。

课程设计应该注重将人工智能应用于实际场景，培养学生解决实际问题的能力。

本课程的实施中仍存在许多需要改进的部分，因为语音识别技术涉及大量的语音输入，在组织学生活动时需要教师指导学生进行合理的小组分工。

同时在简化技术路径方面，为帮助特定年龄段学生能够较好理解其中的内容，需要教师借助更多的工具和案例等进行演示操作，或者指导学生体验。

这对教师的技术工具使用和课堂把控力有一定的要求。

在课堂评价方面，可以采取多种量表和评价工具，从客观角度科学观察学习成效。

为此，教师也需要准备丰富的拓展内容，以应对课程中出现的复杂情况，从而促进学生的深入学习。

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（组稿编辑：刘盈楠）。