项目|课程案例：面向中小学生的智能优化算法机理探索课程——人工智能普及教育
面向中小学生的智能优化算法机理探索课程
[人工智能普及教育]
作者：王胜灵、陈安琳、沈瑾、张宜放、魏锐、傅骞（北京师范大学)
对知识的前向解释力直接影响后向生发的创造力 ， 因此人工智能的算法思想对于青少年学习人工智能更为重要 。 我们的课程旨在引导中小学生探索人工智能算法的内生机理 ， 其主要面临以下两大挑战：挑战一来自于学习者 ， 低龄学生低认知水平、弱分析问题能力引发了与复杂算法机理理解的矛盾；挑战二来自于学习对象 ， 算法编程实践的复杂性引发了与低龄学生零代码基础的矛盾与复杂算法编程实践的矛盾 。
为解决挑战一 ， 课程选择人工智能算法体系中更容易理解的一类——智能优化算法作为主题 ， 从生活中易懂的常识出发 ， 介绍算法机理 ， 将学生拟学习的新知识与已有知识体系关联；为解决挑战二 ， 我们开发了适合低龄学生的编程平台 ， 通过封装算法逻辑模块屏蔽算法实现细节 ， 简化编程实践 。
本项目从“逃离迷宫”游戏出发 ， 介绍一种经典的智能优化算法——遗传算法的思想和运行机制 ， 通过自创的“组态”编程平台 ， 使学生能够自主编写遗传算法 ， 并探究关键参数和策略对算法性能的影响 。
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项目规划
基于解决迷宫问题学习遗传算法的内核机理课程安排如下 。
第1步：问题定义
本项目的问题为如何快速地逃离一个复杂的迷宫 。 对于简单迷宫 ， 学生可以通过自主尝试走出迷宫路径 ， 但对于复杂迷宫 ， 自主尝试的方法效率低下 。 如何能够比较快速地走出迷宫是本项目的驱动性问题 。
第2步：思路启发
计算思维是人类求解问题的一条途径 ， 但决非试图使人类像计算机那样思考 ， 因此我们不直接从学生设计智能优化算法的计算机程序入手 ， 而是先让学生自主尝试 ， 用人类最自然的思维解决问题 ， 即人如何走出迷宫；然后由教师启发学生生发算法的仿生理念 。
第3步：算法设计
首先介绍算法缘起 ， 也就是遗传算法的仿生来源——生物演化现象 ， 然后进行思维迁移 ， 将生物的演化过程迁移到算法中 ， 最后生成模拟生物演化进程 ， 解决快速走出复杂迷宫问题的遗传算法 。
第4步：编程实践
这一步骤的目标是让学生进行实践 ， 即编写遗传算法程序以解决问题 。 我们面临三大课程设计挑战：一是低龄学生具有零代码基础 ， 二是遗传算法的实现复杂度高 ， 三是算法分析困难 。 针对挑战一和挑战二 ， 我们开发的“组态”编程平台 ， 以模块化的零代码方式编程 ， 清晰展示算法逻辑 。 针对挑战三 ， 通过“所想即所见”的图形化方式进行算法效果呈现 。 学生可以在我们设计开发的编程平台上简单、高效地编写遗传算法 ， 让计算机快速走出复杂迷宫（图1） 。
【项目|课程案例：面向中小学生的智能优化算法机理探索课程——人工智能普及教育】
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▲图1?自主研发的遗传算法编程平台
第5步：分析探究
以“所想即所见”的方式展示关键参数和策略对算法性能的影响 ， 让学生探究更优参数和策略 ， 从而对算法性能进行优化 。
第6步：总结升华
让学生总结遗传算法的理念、实践和分析 ， 并通过遗传算法的学习和观察 ， 以点及面 ， 发现一类算法的设计方式——仿生 。
基于以上问题解决过程 ， 设计项目任务活动三级框架 ， 如表1所示 。
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▲表1?项目任务活动三级框架
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活动设计
本项目在进行具体活动设计时 ， 兼具对学生思维的引导和趣味性 。 例如 ， 从学生的日常生活引出算法的概念 ， 通过早晨起床后任务规划的趣味活动让学生了解算法是什么 。 我们的生活中处处有算法 ， 算法可以帮助我们作出很多优化的决策 。
此外 ， 在仿生理念的引入中 ， 通过小鸟和飞机、鱼鳍和船桨、昆虫的锯齿腿和锯子3组图片（图2） ， 启发学生思考人类发明的途径之一——仿生 ， 进而引发算法（解决问题的方案）也是可以模仿大自然的生物或者现象进行设计的 ， 最后生发仿生算法的理念 。
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▲图2?仿生的人类发明（图片来源：网络）
项目特色——
本项目以“智能优化算法”为主题 ， 具有“重机理、乐编程、易观察”三大特色 。
- 重机理 -
当前的人工智能科普课程多以“重体验”为目标 ， 而本项目“重机理” ， 致力于让学生理解人工智能的内核机理 ， 揭秘“智能”缘何而来 ， 也希望通过本项目能让学生理解计算机领域的重要环节——算法设计的逻辑 。
- 乐编程 -
我们自主研发了“组态”编程平台 ， 适用于零代码基础的低龄学生 ， 使用模块化的编程思想 ， 使学生不被算法编程的语法细节束缚 ， 更易于理解和专注于算法的整体逻辑 。
- 易观察 -
我们提供“所想即所见”的算法运行展示 ， 易于让学生直观地观察参数和策略对算法的优化效果 。
使用建议——
- 年龄段 -
只要有一定的科学探究基础经验 ， 对算法学习兴趣浓厚 ， 小学中高年级以上的学生即可参加课程 。
- 课程针对不同学生设定不同的项目目标 -
对较低年级学生 ， 目标是让学生发展兴趣 ， 理解思维 ， 丰富科学探究经验；对高年级学生 ， 目标是发展核心学科素养 ， 反思已学知识 ， 深入了解算法设计思想 。
- 所需材料 -
课程只需要彩色卡纸、裁纸刀等常见材料和我们自主研发的“组态”编程平台 ， 对设备要求较低 。
- 可与其他人工智能课程相结合 -
我们的人工智能课程重在挖掘算法机理 ， 课程结束后 ， 学生可以参与其他“重体验”的课程 ， 可以更深刻地理解人工智能 。
小结
课程从逃离“迷宫游戏”出发 ， 为用而学 ， 激发学生使用计算思维解决问题 ， 逐步启发学生生成遗传算法的设计思路 ， 通过“组态”编程使学生对算法进行实践、观察与分析 。 此课程设计可以使学生深刻理解一类人工智能算法的内生机理 。
原文刊载于《中国科技教育》2021年第11期新技能栏目 。 中国青少年科技辅导员协会会员可点击“阅读原文”登录杂志官网免费浏览全文 。
来源 | 中国科技教育（微信号：cnstedu）
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