高中人工智能課程設(shè)計(jì)的案例分析

【摘要】以高中人工智能課程中“機(jī)器學(xué)習(xí)”單元為例，闡明該課程突出核心素養(yǎng)的關(guān)鍵意義在于發(fā)展創(chuàng)新思維、深化學(xué)習(xí)體驗(yàn)、豐富設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)；從課程目標(biāo)、內(nèi)容模塊、學(xué)習(xí)活動(dòng)、評(píng)價(jià)方式的課程編制框架體現(xiàn)核心素養(yǎng)；提出要整合多學(xué)科知識(shí)、建構(gòu)真實(shí)的情境并重視實(shí)踐語(yǔ)境下的技術(shù)教學(xué)，以期教師在開發(fā)AI課程和組織教學(xué)活動(dòng)上有所啟發(fā)。

【關(guān)鍵詞】人工智能；核心素養(yǎng)；課程設(shè)計(jì)；機(jī)器學(xué)習(xí)

【中圖分類號(hào)】G633.67【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A【文章編號(hào)】1005-6009（2020）43-0012-04

【作者簡(jiǎn)介】陳乾，南京市第九中學(xué)（南京，210018）教師，二級(jí)教師。

如今，人工智能課程的開發(fā)與實(shí)施已然成為中小學(xué)信息技術(shù)教師必須要面對(duì)的一個(gè)話題，本文以筆者參與開發(fā)編制的“機(jī)器學(xué)習(xí)”模塊內(nèi)容為例加以解讀分析，以期為人工智能課程開發(fā)及教師組織教學(xué)活動(dòng)提供些許參考。

一、課程目標(biāo)的確立與聚焦

課程目標(biāo)的確立為教學(xué)過(guò)程的組織與開展提供指導(dǎo)方向，無(wú)論是單元整體目標(biāo)的落實(shí)要求，還是每節(jié)教學(xué)目標(biāo)的具體表現(xiàn)，教師開發(fā)課程時(shí)都應(yīng)予以仔細(xì)的斟酌。

本單元開端先提出整體學(xué)習(xí)目標(biāo)——“了解機(jī)器學(xué)習(xí)的基本概念，比較人類學(xué)習(xí)與機(jī)器學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，通過(guò)簡(jiǎn)單實(shí)例的觀察及體驗(yàn)，感知機(jī)器學(xué)習(xí)的實(shí)現(xiàn)途徑”。這里緊扣了普通高中信息技術(shù)課程選修模塊4“人工智能初步”的內(nèi)容要求4.3。[1]此外，單元課程目標(biāo)應(yīng)與信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)對(duì)照落實(shí)，如下表：

從高中各學(xué)段的知識(shí)分布角度來(lái)看，本單元學(xué)習(xí)之前，學(xué)生在高一信息技術(shù)必修模塊1“數(shù)據(jù)與計(jì)算”中就已學(xué)習(xí)運(yùn)用數(shù)字化工具解決生活與學(xué)習(xí)中的問題，認(rèn)識(shí)到人工智能在信息社會(huì)中的促進(jìn)作用；在高一通用技術(shù)必修模塊“技術(shù)與設(shè)計(jì)2”中了解了“系統(tǒng)”“控制”的技術(shù)思想和方法，對(duì)于智能控制系統(tǒng)有一定的理解。在此基礎(chǔ)上，本單元再進(jìn)一步展開對(duì)于“機(jī)器學(xué)習(xí)”等重難點(diǎn)學(xué)習(xí)，充分考慮了學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平，課程設(shè)置上體現(xiàn)了學(xué)習(xí)進(jìn)階的設(shè)計(jì)理念。

再將視角聚焦于本單元的內(nèi)容編排，“機(jī)器學(xué)習(xí)”單元共由兩節(jié)組成，分別為“認(rèn)識(shí)機(jī)器學(xué)習(xí)”和“數(shù)據(jù)集：采集石頭、剪刀、布的圖片”。其中包含一節(jié)實(shí)踐課程——“訓(xùn)練機(jī)器人識(shí)別石頭、剪刀、布”。這些次級(jí)主題從邏輯關(guān)系上來(lái)看呈現(xiàn)出遞進(jìn)關(guān)系，由熟悉的“人類學(xué)習(xí)”方式入手，初步建立“學(xué)習(xí)”的概念，再進(jìn)一步類比“機(jī)器學(xué)習(xí)”與“人類學(xué)習(xí)”共同的性質(zhì)，再上升到應(yīng)用層面，去訓(xùn)練機(jī)器人識(shí)別石頭、剪子、布，進(jìn)而介紹機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)數(shù)據(jù)的要求，如采集、清洗、測(cè)試等，沿著從共性到個(gè)性的演繹思想構(gòu)成單元設(shè)計(jì)。

二、課程內(nèi)容的選擇與安排

在選擇與安排單元內(nèi)容時(shí)，主要從知識(shí)與科學(xué)性、思想品德與文化內(nèi)涵、認(rèn)知與心理規(guī)律三個(gè)維度[2]來(lái)具體分析。

從培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的角度出發(fā)，通常會(huì)將課程內(nèi)容的學(xué)科知識(shí)分為概念性知識(shí)、事實(shí)性知識(shí)、方法性知識(shí)和價(jià)值性知識(shí)。[3]例如，以概念性知識(shí)引入——關(guān)于人類的學(xué)習(xí)方式，接下來(lái)再具體闡述機(jī)器學(xué)習(xí)的方式、利用監(jiān)督學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)人工智能等一系列事實(shí)性知識(shí)。在探討機(jī)器識(shí)別人類手勢(shì)時(shí)，就可以將方法性知識(shí)和價(jià)值性知識(shí)暗含其中，如數(shù)據(jù)采集的方法多種多樣，可以利用攝像頭采集圖像數(shù)據(jù)，還可以利用麥克風(fēng)采集聲音數(shù)據(jù)等。課程中選用了“石頭剪刀布”這一游戲載體，并設(shè)計(jì)一道問題：“在參與游戲時(shí)，一方私自改變手勢(shì)的含義并重玩游戲，另一方是否能知道對(duì)應(yīng)手勢(shì)的含義并繼續(xù)游戲？”從技術(shù)的角度去解讀規(guī)則的重要性，旨在形成學(xué)生正確的競(jìng)技精神。

課程內(nèi)容必須幫助學(xué)生提高品德修養(yǎng)并不斷產(chǎn)生文化歸屬的認(rèn)同感。例如，單元情境導(dǎo)入可以是：“在世界殘疾人日，學(xué)校組織同學(xué)們到敬老院參加活動(dòng)。活動(dòng)中，小明發(fā)現(xiàn)不少聾啞人雖然無(wú)法發(fā)出聲音，但他們依然渴望交流，并不斷做出不同的手勢(shì)與大家溝通。如果能利用AI設(shè)備，自動(dòng)‘讀懂聾啞人的手語(yǔ)，那該多好??！”通過(guò)“手勢(shì)”這一關(guān)鍵詞引入機(jī)器識(shí)別，體現(xiàn)技術(shù)視角下的人文關(guān)懷，從AI技術(shù)引申到人類命運(yùn)共同體的發(fā)展。

課程內(nèi)容在選取方式上還要遵循高中生認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)的發(fā)展規(guī)律。學(xué)生此前已經(jīng)初步形成了有關(guān)機(jī)器學(xué)習(xí)的“前概念”，需要教師通過(guò)積極引導(dǎo)留給他們足夠的思考和探究空間。在本單元對(duì)于數(shù)據(jù)集的介紹中，從可感觸的硬件操作等內(nèi)容展開，進(jìn)而繼續(xù)探索高性能GPU、內(nèi)置智能芯片的機(jī)理和構(gòu)造，以圖文并茂的形式向?qū)W生傳授數(shù)據(jù)劃分等技術(shù)知識(shí)，這樣不僅能準(zhǔn)確判斷學(xué)生已達(dá)到的認(rèn)知水平，還可以恰當(dāng)預(yù)設(shè)學(xué)習(xí)后可能達(dá)到的層次。

課程內(nèi)容可以存在豐富多樣的組織形式，以使學(xué)生形成對(duì)所學(xué)內(nèi)容的完整認(rèn)知。例如，可以從人類學(xué)習(xí)方式到類比機(jī)器學(xué)習(xí)方式，以學(xué)生自主探究的一般過(guò)程為主線，調(diào)動(dòng)五官及運(yùn)用工具發(fā)現(xiàn)兩者之間的異同點(diǎn)，進(jìn)行歸納整理?；蛘咭詫W(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)為主線，并將這種經(jīng)驗(yàn)趨于課程化，幫助他們運(yùn)用所學(xué)，獲得成長(zhǎng)。

最后，課程內(nèi)容的呈現(xiàn)方式也直接影響著學(xué)生的使用效果。單元中應(yīng)嵌入適量的插圖，增加一些富有科技感的圖標(biāo)；不宜選用過(guò)難或過(guò)長(zhǎng)的專業(yè)詞匯，個(gè)別術(shù)語(yǔ)應(yīng)專門標(biāo)注，語(yǔ)言表述在保證科學(xué)性的情況下，應(yīng)盡可能流暢生動(dòng)，增強(qiáng)實(shí)質(zhì)內(nèi)容的可讀性。

三、核心學(xué)習(xí)活動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施

對(duì)于核心學(xué)習(xí)活動(dòng)，筆者從整體到部分的視角評(píng)述設(shè)計(jì)意圖和主要內(nèi)容?！皺C(jī)器學(xué)習(xí)”單元共設(shè)計(jì)三個(gè)核心活動(dòng)，每個(gè)活動(dòng)分別圍繞一個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行探討。第一個(gè)活動(dòng)旨在通過(guò)感知體驗(yàn)的方式，對(duì)猜拳游戲進(jìn)行技術(shù)意義上的分析概括。第二個(gè)活動(dòng)利用AI設(shè)備，引導(dǎo)學(xué)生熟悉基本界面，對(duì)手勢(shì)圖像識(shí)別的原理有所了解。第三個(gè)活動(dòng)則是在活動(dòng)2的基礎(chǔ)上，學(xué)生進(jìn)一步自主探究，對(duì)數(shù)據(jù)的清洗與劃分建立感性認(rèn)知，體現(xiàn)計(jì)算思維的運(yùn)用要求。

活動(dòng)1：猜拳游戲“石頭剪刀布”。

引導(dǎo)學(xué)生觀察并體驗(yàn)“石頭剪刀布”的猜拳游戲，說(shuō)出它們的規(guī)則有哪些，怎樣判斷猜拳游戲的勝負(fù)結(jié)果。針對(duì)性地指出我們是利用肉眼識(shí)別不同的手勢(shì)，參照規(guī)則判斷勝負(fù)。進(jìn)一步思考猜拳游戲的制勝策略，如何才能戰(zhàn)勝對(duì)手，從技術(shù)意義上去分析游戲，激發(fā)學(xué)生興趣，易于過(guò)渡到后續(xù)的活動(dòng)。

活動(dòng)2：訓(xùn)練機(jī)器人識(shí)別“石頭”“剪刀”“布”。

這一部分主要是引導(dǎo)學(xué)生訓(xùn)練機(jī)器人識(shí)別石頭、剪刀、布?？梢越M織學(xué)生4人一組，其中1人操作計(jì)算機(jī)，1人負(fù)責(zé)用紙板或白紙隔離雜亂背景；另1人分別出示石頭、剪刀、布手勢(shì)，訓(xùn)練機(jī)器人識(shí)別，最后1人負(fù)責(zé)驗(yàn)證及配音。選擇一定數(shù)量的樣本進(jìn)行訓(xùn)練，再去觀察、記錄機(jī)器人識(shí)別的相似度，判斷學(xué)習(xí)效果。

活動(dòng)3：統(tǒng)計(jì)機(jī)器人采集“石頭”“剪刀”“布”手勢(shì)圖片數(shù)量。

在活動(dòng)2的基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展分析，分別擺出“石頭”“剪刀”“布”的手勢(shì)，點(diǎn)擊“開始”，直到采集的圖像數(shù)量超過(guò)10，點(diǎn)擊“停止”，操作完成。對(duì)著攝像頭任意做出“石頭”“剪刀”“布”的手勢(shì)，觀察右側(cè)對(duì)應(yīng)的結(jié)果。采用類似操作，調(diào)整采集的圖像數(shù)量為40、80、200，分別觀察右側(cè)對(duì)應(yīng)的結(jié)果，隨機(jī)向?qū)W生拋出對(duì)應(yīng)問題。

學(xué)生在參與技術(shù)體驗(yàn)活動(dòng)過(guò)程中還要注重交流與評(píng)價(jià)的能力培養(yǎng)，引導(dǎo)他們流暢地闡述運(yùn)作過(guò)程并對(duì)數(shù)據(jù)引發(fā)更深層次的思考。

四、課程評(píng)價(jià)的構(gòu)建和優(yōu)化

課程評(píng)價(jià)可以采用形成性評(píng)價(jià)和總結(jié)性評(píng)價(jià)這兩種常見方式，既對(duì)常態(tài)化教學(xué)中的效果予以監(jiān)測(cè)，也將教與學(xué)的過(guò)程進(jìn)行相互交融，建立并優(yōu)化課程評(píng)價(jià)的層級(jí)架構(gòu)。

不論是知識(shí)內(nèi)容教授還是實(shí)踐活動(dòng)指導(dǎo)，都應(yīng)該給學(xué)生留下一些具有明確思考價(jià)值的問題，如單元開始就提出“人類是如何理解手勢(shì)的含義？機(jī)器是否也能學(xué)會(huì)識(shí)別手勢(shì)并輔助人類交流？機(jī)器學(xué)習(xí)的方式跟人類一樣嗎？”帶著這樣的問題進(jìn)入學(xué)習(xí)，有助于學(xué)生將離散的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行有意義的聯(lián)結(jié)，同時(shí)教師也可以獲得形成性的學(xué)情信息。每一個(gè)活動(dòng)中還需留有一定量的思考討論練習(xí)，需要注意的是：首先評(píng)測(cè)內(nèi)容適量，不占用學(xué)生太多時(shí)間，在課堂上可以立即完成；其次難度適宜，即對(duì)課上知識(shí)的梳理與回顧；最后，問題的結(jié)構(gòu)多采用開放式，對(duì)具體的生活情境做出簡(jiǎn)答。

單元的總結(jié)性評(píng)價(jià)部分主要考查學(xué)生對(duì)于核心知識(shí)的掌握和智能設(shè)備的操作，不要求對(duì)AI具體算法結(jié)構(gòu)有深入理解，但至少可以用接近專業(yè)的術(shù)語(yǔ)對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的方式進(jìn)行描述和解釋。例如，針對(duì)活動(dòng)3的實(shí)驗(yàn)，提出采集圖像數(shù)量對(duì)結(jié)果的影響是怎樣的，試分析規(guī)律并解釋模型訓(xùn)練如何實(shí)現(xiàn)效率的最大化等問題。

五、對(duì)高中人工智能教育的教學(xué)建議

結(jié)合上述對(duì)課程概貌的分析，從重視多學(xué)科知識(shí)滲透、建構(gòu)真實(shí)情境和強(qiáng)調(diào)技術(shù)實(shí)踐這些角度對(duì)高中人工智能教學(xué)提出幾條實(shí)施建議。

1.重視多學(xué)科知識(shí)的滲透。

單元課程定位于機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的內(nèi)容，從跨學(xué)科的視角來(lái)看，需要調(diào)用學(xué)生數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)控制的知識(shí)，滲透技術(shù)試驗(yàn)和設(shè)計(jì)的思想，縱橫交聯(lián)了歷史與社會(huì)等人文信息。例如在學(xué)習(xí)活動(dòng)2中引導(dǎo)學(xué)生自行訓(xùn)練機(jī)器人識(shí)別手勢(shì)，先要思考圖樣如何鑒別，這是對(duì)科學(xué)原理的運(yùn)用；操作智能設(shè)備又是靠技術(shù)知識(shí)得以保障；分析數(shù)據(jù)的集中和離散程度離不開必備的數(shù)學(xué)技能；小組之間的合作討論、分享交流，也反映了工程設(shè)計(jì)的整體能力在不斷提升。此外，對(duì)于技術(shù)文本的閱讀能力要求也可以在教學(xué)中強(qiáng)化。如在追溯機(jī)器學(xué)習(xí)的發(fā)展歷程時(shí)，需要學(xué)生帶著問題主動(dòng)地閱讀，提煉機(jī)器學(xué)習(xí)的基本原理，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

2.著力探索真實(shí)情境的建構(gòu)。

一般來(lái)說(shuō)，建構(gòu)的情境真實(shí)程度可以直接反映出學(xué)生在知識(shí)、技能和情感態(tài)度等方面發(fā)展?fàn)顩r。一方面，學(xué)生學(xué)習(xí)的真實(shí)情境在教學(xué)中有時(shí)難以重現(xiàn)，只能通過(guò)情境的模擬，如體驗(yàn)猜拳游戲，操作智能機(jī)器人等，在一個(gè)真實(shí)情境中開展互動(dòng)交流并相互影響，進(jìn)而在不同學(xué)習(xí)領(lǐng)域之間建立聯(lián)系。另一方面，從教學(xué)評(píng)價(jià)的視域來(lái)看，一線教師在實(shí)踐中，為保證評(píng)分規(guī)則的信度與效度，可以參照的來(lái)源主要有課程標(biāo)準(zhǔn)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、專業(yè)判斷和師生共同商討[4]，當(dāng)然學(xué)生的掌握程度達(dá)到什么樣的水平，可由具體清晰、操作性強(qiáng)的真實(shí)情境來(lái)觀測(cè)。

3.切實(shí)關(guān)注實(shí)踐語(yǔ)境的教學(xué)。

在人工智能教學(xué)中，技術(shù)實(shí)踐的環(huán)節(jié)尤為關(guān)鍵。教師可以嘗試“情境線—問題鏈—任務(wù)群”的實(shí)踐活動(dòng)策略組織教學(xué)內(nèi)容。多利用活動(dòng)單的形式注明技術(shù)探究的一般過(guò)程，或者采用方框圖、流程圖等方法把整個(gè)思維過(guò)程可視化。此外，核心素養(yǎng)的認(rèn)識(shí)包含多種維度，實(shí)踐操作也并非是唯一有效的深化手段。在科技館、博覽會(huì)等技術(shù)場(chǎng)所里了解最新的智能技術(shù)動(dòng)態(tài)；對(duì)各自實(shí)踐探究中得出的規(guī)律和結(jié)論進(jìn)行論證、辯護(hù)；與家長(zhǎng)等其他成員共同參與某項(xiàng)社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)；對(duì)某一技術(shù)職業(yè)進(jìn)行切身的感知體驗(yàn)等，上述這些路徑都可以成為教師設(shè)計(jì)實(shí)踐活動(dòng)時(shí)的一種嘗試。

總之，基于核心素養(yǎng)理念的高中人工智能課程除了目標(biāo)理念科學(xué)、內(nèi)容組織完備、活動(dòng)設(shè)計(jì)精巧、評(píng)價(jià)方式多元，在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中還要兼顧實(shí)用性，便于引導(dǎo)學(xué)生可以更好地適應(yīng)現(xiàn)在及未來(lái)的生活。作為教師需要思考這些問題，靈活地處理和駕馭好這門前沿學(xué)科的教學(xué)內(nèi)容，合理開發(fā)課程體系。

【參考文獻(xiàn)】

[1]教育部.普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：26-28.

[2]高凌飚.教材分析評(píng)估的模型和層次[J].課程·教材·教法，2001（3）：1-5.

[3]吳立寶，曹一鳴.中學(xué)數(shù)學(xué)教材的分析策略[J].中國(guó)教育學(xué)刊，2014（1）：60-64.

[4]張雅君.表現(xiàn)性評(píng)價(jià)在初中物理科學(xué)探究中的應(yīng)用[D].武漢：華中師范大學(xué)，2016：86.