如何向初中生教授AI和ML

——以简单有趣的方式教授初中生AI和ML的技巧和建议

在过去的几年里，AI（Artificial Intelligence）已经掀起了一场革命，探索该领域的开发者、研究生甚至高中生的数量都呈爆炸式增长。这就引出了一个基本问题：什么时候是开始学习AI的合适时机？我们假定从小就教学生AI，尤其是在初中，是一个最佳的开始时机。在今年夏天教授了一门AI/ML入门课程后，我们意识到，初中生确实能够理解AI/ML，不过有一些注意事项。

让我们为大多数初中生所了解的知识建立几个基线。在编程方面，大多数六年级至八年级的学生都了解编程的基础知识，无论是像Scratch这样的块状编程，还是像Java这样的实际语言。如果幸运的话，有些学生甚至可能会知道Python。只要学生理解循环（loop）和if语句等基本编程概念，他们就能够学习AI的概念，因为浅层地学习AI并不需要高深的编程技能。

在数学方面，除非是高等代数，否则大多数学生都知道基本的代数概念。大多数学生能理解坐标平面，如x-y轴和斜率，这无疑是一个很好的开始。然而，这意味着要教授概念背后的真正理论（诸如，损失函数和梯度下降）是非常困难的。相反，比较好的办法是解释首要主题，但不要太深入，并且展示如何在现实世界中实现这些主题。

The general math level of most middle school students

教学理念

保持年轻学生参与度的最有效方法是积极的强化和鼓励，帮助他们感到自己正在理解这些概念。

向初中生介绍AI，必须从基础知识开始。首先，要消除AI是可怕的机器人，可以完全独立操作的看法。根据我们的经验，大多数学生一想到AI就会将其视为《复仇者联盟：奥创纪元》里的东西。我们需要打消他们这种想法。首先，要明确AI到底是什么，并举出精确的实例。我们向学生展示了AI就在身边——从Amazon Alexa到Netflix的推送，这有助于他们更好地理解AI的真正含义。

What most middle schoolers think AI is

最关键的是，要想保持学生的参与度，那么他们必须了解为什么AI对他们的学习很重要。他们应该明白，未来大多数工作机会都需要AI，现在学习这些概念将使他们在高中和大学时具备优势。此外，例举一些正转向使用AI的领域，诸如医学和经济学，这会让各种不同兴趣的学生参与进来。

AI是在机器中模拟人类智能，这些机器被编程为像人类一样思考和行动。

为了帮助初中生理解AI/ML，应该非常简单直观地定义主题。我们向学生解释说，机器会从自己的结果中学习，并运行成千上万的测试来改进。对于初中生来说，以下是一个很好的例子：AI是一个小婴儿，向它反复地展示正方形和三角形，直到它能够区分正方形和三角形。这就以通俗易懂的方式解释了为模型学习提供数据和标签的基本概念。

This is what you shouldn’t teach

与其说试图将AI和ML区别开来，不如直接说它们非常相似且本质上是一样的。试图区分两者，只会让本就一头雾水的初中生更加困惑。这与教小学生数字的策略类似——先教他们0是最小的数，然后再教他们负数。

深度学习（Deep Learning）与标准机器学习（Standard Machine Learning）

说实话，教授DL不是最有效的举措。从标准ML算法的基础入手，比如线性和逻辑回归，将帮助学生轻松理解这些概念，而不会不知所措。如果学生学过代数，或者了解基本的线性方程（y = mx + b），那么他们将能够理解线性回归的工作原理。同样，积极的强化能保持学生的参与度。

如果真的有必要教授DL和神经网络，则要尽量简单。可以将神经网络简单地解释为一个函数，就像ƒ(x)一样，其中ƒ是网络，x是数据。函数的目标是让函数的输出尽可能接近数据的真实标签。在训练过程中，方程不断改进，以始终获得正确的输出。这使得DL看起来像是基本的代数函数，使其对于初中生来说是可以理解的。

The simplest way to explain AI vs ML vs DL

项目及问题

由于目群体非常年轻，因此首要目的应该是保持他们的参与度和兴趣。毫无疑问，开展项目是实现此目的的最佳方法。从项目编程中获得的实际经验对于帮助他们理解所有部分是如何组合在一起的至关重要。

这也意味着，项目应尽可能简单且是受众普遍感兴趣的。例如，事实证明，乳腺癌分类项目非常受欢迎；许多学生认为他们正在“治疗癌症”，这是一种强大的激励因素。

通常，代码显然会比实际模型涉及更多的内容，例如语法和数据预处理。请记住，这里的目标是专注于实际模型，这意味着许多其他部分与教授学生ML的目标无关。最重要的是，教师不应该忘记项目中涉及的实际ML。

A simple and effective project to start with

最后的感想

对于初中生来说，真正重要的是帮助他们培养兴趣。归根结底，只要有足够的热情，任何人都可以在后续教育中学习高级概念。

从我们的经验来看，向初中生教授AI/ML是完全可行的，因此可以尽早地埋下灵感的种子。然而，考虑到他们仍处于发展中的数学和编程技能，避免倦怠是非常重要的。在向初中生教授AI时，目标不应该是让他们建立公司或开展研究。虽然看起来他们在短期内学到了更多的东西，但这种心态从长远来看会阻碍他们。我们的目标是激发下一代对AI领域的兴趣，以及让他们了解AI是多么有趣和重要。切勿让盘根错节的复杂性吓跑学生，阻碍兴趣萌发。

未来更多的AI工程师绝对是关键。为了吸引更多的学生加入该领域，至关重要的是，确保他们对这些严谨的概念具备扎实的基础。对于初中生来说，真正重要的是帮助他们培养兴趣。归根结底，只要有足够的热情，任何人都可以在后续教育中学习高级概念。不管怎么样，对于最有抱负的学生来说，早年建立兴趣和理解无疑会大有裨益。