以計算思維培養(yǎng)為目標(biāo)的人工智能校本課程的設(shè)計與實施

王艷俠 鞏媛麗 王學(xué)秀 張曉梅

【摘 要】本文探究在初中階段如何開設(shè)人工智能課程，包括教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式的設(shè)計及實施，并以“簡單機器學(xué)習(xí)”系列課程為例，探討如何在課堂教學(xué)中滲透計算思維能力的培養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】人工智能;計算思維;機器學(xué)習(xí);校本課程

【中圖分類號】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【論文編號】1671-7384（2021）06-064-04

人工智能課程內(nèi)容新、貼近學(xué)生生活，能夠很好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，為計算思維培養(yǎng)提供生動案例。以計算思維的培養(yǎng)為目標(biāo)進(jìn)行人工智能課程的設(shè)計與教學(xué)，不僅能有效促進(jìn)人工智能教學(xué)實踐，還有利于學(xué)生計算思維能力的培養(yǎng)。目前，對人工智能課程如何在初中開設(shè)還處于探究階段，在初中開設(shè)人工智能校本課程主要應(yīng)解決教什么和怎么教的問題。

學(xué)校初中部信息技術(shù)組在北京市信息技術(shù)學(xué)科特級教師張軍老師、區(qū)教研員林志奕老師的引領(lǐng)和指導(dǎo)下在初一年級連續(xù)進(jìn)行了三輪人工智能校本課程的教學(xué)實踐。本文旨在闡述學(xué)校進(jìn)行的基于計算思維的人工智能校本課程的設(shè)計和實施的方法，為初中階段人工智能課程的開設(shè)提供一些參考。學(xué)校人工智能校本課程中用到的平臺，都是信息技術(shù)組教師根據(jù)課程需要，提出需求，由第三方在學(xué)校的信息技術(shù)平臺上添加相應(yīng)的可操作性模塊。

課程設(shè)計

1.課程目標(biāo)

在初中開設(shè)人工智能校本課程，首先要設(shè)置課程目標(biāo)，有了課程目標(biāo)，課程內(nèi)容的選擇、教學(xué)模式的選取、課堂實施的策略等，才有了方向。經(jīng)過查閱相關(guān)資料、聽專家講座、專家指導(dǎo)、第三方公司的培訓(xùn)、對學(xué)生的問卷調(diào)查、訪談外校信息技術(shù)教師、全組教師討論，我們制定了本校初中開設(shè)人工智能課程的目標(biāo)：初步體驗和了解人工智能技術(shù);了解人工智能的基本概念和原理;了解人工智能在學(xué)習(xí)、生活等方面的應(yīng)用;激發(fā)學(xué)習(xí)人工智能的興趣，激發(fā)今后從事人工智能研究工作的動機;培養(yǎng)計算思維能力。

2.課程框架

按照上述課程目標(biāo)，我們制定了課程框架（表1）。如基礎(chǔ)篇主要包含初識人工智能和Python語言基礎(chǔ)兩部分內(nèi)容，目的是感受人工智能，激發(fā)學(xué)習(xí)人工智能的興趣，為實戰(zhàn)篇的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。其中，通過Turtle繪圖模塊了解程序設(shè)計三大結(jié)構(gòu)。為什么選擇通過Turtle模塊了解三大結(jié)構(gòu)呢？主要考慮到教學(xué)對象是初一學(xué)生（12～13歲），形象思維較強，選擇通過Turtle繪圖了解這部分內(nèi)容，對理解程序設(shè)計的三大結(jié)構(gòu)較容易，從課上學(xué)生的反映和課后的反饋可以看出，這種方式是行之有效的。實戰(zhàn)篇中既有機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等應(yīng)用廣泛的人工智能技術(shù)，也有網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)、大數(shù)據(jù)等人工智能最重要的根基內(nèi)容，數(shù)據(jù)的獲取、分析和應(yīng)用非常重要。

課程案例及反思

有了課程的總體框架，那么具體到課堂教學(xué)中如何開展和落實呢？如何在課堂教學(xué)中滲透計算思維、培養(yǎng)計算思維能力呢？下面以實戰(zhàn)篇中的“簡單機器學(xué)習(xí)——線性回歸”這一項目的三節(jié)系列課程為例進(jìn)行介紹。

1.在課程整體設(shè)計中滲透計算思維培養(yǎng)

這三節(jié)系列課分別為簡單機器學(xué)習(xí)——線性回歸初體驗、簡單機器學(xué)習(xí)——讓預(yù)測更準(zhǔn)確和簡單機器學(xué)習(xí)——我與線性回歸。第一節(jié)體驗（是什么）、第二節(jié)原理探秘（為什么）、第三節(jié)應(yīng)用（對我們有什么用），這三節(jié)課的關(guān)系對應(yīng)了計算思維的提出問題、啟發(fā)推理構(gòu)建模型、遷移應(yīng)用的思維過程。

設(shè)計思想：在問題解決中學(xué)習(xí)，通過提出問題引導(dǎo)學(xué)生實踐探究解決問題，啟發(fā)推理獲得新知。如初體驗這節(jié)課是通過教師拋出問題，引發(fā)學(xué)生實踐探究;讓預(yù)測更準(zhǔn)確這節(jié)課是通過設(shè)計系列問題，讓學(xué)生解決問題來強化教學(xué)重點;我與線性回歸這節(jié)課是通過體脂問題的探究，學(xué)生掌握解決實際問題的基本流程并能應(yīng)用到同類問題的解決之中。

不僅簡單機器學(xué)習(xí)這個項目是這種設(shè)計思路，實戰(zhàn)篇的其他項目也是如此。

2.在教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計中滲透計算思維培養(yǎng)

在人工智能課程中，是如何培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力的呢？

（1）“簡單機器學(xué)習(xí)——線性回歸初體驗”一課的教學(xué)環(huán)節(jié)如圖1，首先通過問題“你想知道你成人后的身高嗎”導(dǎo)入課程。

環(huán)節(jié)一：預(yù)測體驗，歸納步驟。帶著問題體驗預(yù)測過程：根據(jù)父母身高預(yù)測自己成人后的身高;歸納預(yù)測步驟：導(dǎo)入樣本數(shù)據(jù)—繪制散點圖—生成線性方程和擬合線等數(shù)學(xué)模型—根據(jù)數(shù)學(xué)模型預(yù)測成人后的身高。本環(huán)節(jié)的教學(xué)目的是感性感知線性回歸預(yù)測方法及過程。

環(huán)節(jié)二：預(yù)測過程解析。通過問題引導(dǎo)和教師講評，讓學(xué)生理解方程、擬合線等數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建過程;了解預(yù)測結(jié)果是怎么來的;通過設(shè)計問題支架，引導(dǎo)學(xué)生抽象出預(yù)測過程背后的一般原理和規(guī)律。

環(huán)節(jié)三：感知機器學(xué)習(xí)過程。教師提出問題“整個預(yù)測過程分為哪兩部分”，學(xué)生根據(jù)體驗活動和問題的引領(lǐng)，逐漸領(lǐng)會：預(yù)測身高步驟中的1-3步：構(gòu)建數(shù)學(xué)模型;第4步：利用模型預(yù)測結(jié)果;進(jìn)而推理出簡單機器學(xué)習(xí)的過程是：先根據(jù)樣本數(shù)據(jù)通過算法構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，后應(yīng)用模型預(yù)測結(jié)果。本環(huán)節(jié)的教學(xué)目的是根據(jù)預(yù)測步驟推理出簡單機器學(xué)習(xí)過程。

最后一個環(huán)節(jié)作業(yè)是本節(jié)課的結(jié)尾，也是下節(jié)課的起點。從整堂課設(shè)計的教學(xué)環(huán)節(jié)可以看出，每個教學(xué)環(huán)節(jié)都是通過設(shè)計問題支架，引導(dǎo)學(xué)生推理獲得新知。整堂課都是在問題解決中進(jìn)行學(xué)習(xí)的，并在提出問題、分析問題、解決問題的過程中滲透計算思維學(xué)科核心素養(yǎng)。

預(yù)測準(zhǔn)確度是預(yù)測技術(shù)追求的重要指標(biāo)，因此我們設(shè)計了第二節(jié)課。

（2）“簡單機器學(xué)習(xí)—— 讓預(yù)測更準(zhǔn)確”一課通過復(fù)習(xí)上節(jié)課的作業(yè)，預(yù)測鉆石價格導(dǎo)入新課。

環(huán)節(jié)一：探究異常值對預(yù)測準(zhǔn)確度的影響。提出問題：你能預(yù)測1克拉鉆石價格嗎？學(xué)生實踐探究預(yù)測，并發(fā)現(xiàn)無法預(yù)測。教師啟發(fā)學(xué)生找出原因，將異常值刪除后，預(yù)測出了鉆石的價格，從而得出結(jié)論：異常值對預(yù)測準(zhǔn)確度有影響。

環(huán)節(jié)二：探究R2和是否線性的關(guān)系。教師提出第二個問題：沒有異常值就一定能預(yù)測嗎？學(xué)生實踐探究進(jìn)行預(yù)測，得出結(jié)論：R2值越大，預(yù)測準(zhǔn)確度越高，反之則越低，太小就無法預(yù)測，即預(yù)測準(zhǔn)確度受R2的影響。

環(huán)節(jié)三：探究數(shù)據(jù)量對預(yù)測準(zhǔn)確度的影響。提出問題：R2值足夠大，預(yù)測準(zhǔn)確度就一定高嗎？學(xué)生實踐探究預(yù)測，得出結(jié)論：“不，受數(shù)據(jù)量影響”。

環(huán)節(jié)四：探究數(shù)據(jù)范圍對預(yù)測準(zhǔn)確度的影響。提出問題：數(shù)據(jù)量足夠大，就一定能預(yù)測嗎？學(xué)生實踐探究預(yù)測140克拉鉆石的價格，預(yù)測結(jié)果不合理，得出結(jié)論：“不，受數(shù)據(jù)范圍的影響”。

最后，課堂總結(jié)、擴(kuò)展提升。整堂課把影響預(yù)測準(zhǔn)確度因素的這個大問題分解成4個小問題，逐個解決、清晰明確，學(xué)生通過對每一個小問題的解決形成對“如何讓預(yù)測更準(zhǔn)確”的全面認(rèn)識。

從每個環(huán)節(jié)問題的設(shè)置可以看出：上一個問題的答案是下一個問題的引入，環(huán)環(huán)相扣，學(xué)生每次都胸有成竹地去做探究預(yù)測任務(wù)，結(jié)果卻總是掉到教師提前設(shè)置的坑里，從第一個坑里爬起來，掉到第二個更深的坑里，最終到達(dá)終點，對如何提高預(yù)測準(zhǔn)確度有了一個系統(tǒng)的認(rèn)識。整堂課學(xué)生在問題解決的過程中，初步形成了問題解決的策略，實現(xiàn)了計算思維的最終目標(biāo)。那么如何把問題解決的策略應(yīng)用到解決學(xué)生在生活、學(xué)習(xí)中關(guān)心的問題中呢？我們設(shè)計了“我與線性回歸”這節(jié)課。

（3）“簡單機器學(xué)習(xí)——我與線性回歸”一課通過體脂高的肥胖型豬八戒的卡通圖片，引出體脂高給人們帶來的高血壓、糖尿病、胰腺炎等健康危害，導(dǎo)入本節(jié)課內(nèi)容：應(yīng)用前面所講的預(yù)測技術(shù)探究體脂問題。通過測體脂、找差距、想辦法等教學(xué)環(huán)節(jié)，歸納、總結(jié)出了應(yīng)用簡單機器學(xué)習(xí)預(yù)測技術(shù)解決體脂問題的步驟，最終達(dá)到利用解決體脂問題的思路來解決生活中的其他類似問題的目的。

3.在學(xué)生學(xué)習(xí)活動中培養(yǎng)計算思維

（1）在問題探究中，提升計算思維能力

如“線性回歸初體驗”這節(jié)課，學(xué)生體驗了用樣本數(shù)據(jù)通過算法推出模型，用模型根據(jù)自己父母的身高預(yù)測自己成人后的身高這一過程后，教師針對“如何根據(jù)散點圖判斷X、Y軸所選擇的數(shù)據(jù)是否具有線性關(guān)系”這一問題，學(xué)生通過“特征空間”平臺，在教師設(shè)計問題的引導(dǎo)下，通過自己實踐探究任務(wù)，預(yù)測結(jié)果卻是無法預(yù)測，學(xué)生們感覺很奇怪，于是教師給學(xué)生展示兩張散點圖。

第一張散點圖是根據(jù)氣溫預(yù)測風(fēng)速且沒有預(yù)測結(jié)果的散點圖，第二張散點圖是根據(jù)父母平均身高預(yù)測自己成人后的身高有預(yù)測結(jié)果的散點圖，通過兩張圖的對比、分析，最后得出結(jié)論：散點圖中數(shù)據(jù)點分散地分布在一條直線附近表明X、Y軸所選擇的數(shù)據(jù)具有非線性關(guān)系，因此預(yù)測結(jié)果是無法預(yù)測;散點圖中數(shù)據(jù)點集中地分布在一條直線附近表明X、Y軸所選擇的數(shù)據(jù)具有線性關(guān)系，所以能預(yù)測出結(jié)果。

（2）在任務(wù)單的完成中，提升計算思維能力

如在講網(wǎng)絡(luò)爬蟲項目時，學(xué)生爬取豆瓣網(wǎng)數(shù)據(jù)后，在任務(wù)單子任務(wù)的引領(lǐng)下，通過對爬取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，寫出了選取一本好書決策報告。學(xué)生在任務(wù)單中每個子任務(wù)的完成中，決策報告的編寫中，感受爬取數(shù)據(jù)的作用，提升了計算思維能力。

教學(xué)的目的不僅是教授知識，更是以知識為載體，培養(yǎng)學(xué)生的能力，提升學(xué)生計算思維、邏輯思維等思維水平。隨著科技的發(fā)展，人工智能應(yīng)用在生活的方方面面。了解人工智能相關(guān)知識不僅是教學(xué)上的要求，也是作為公民必須具備的基本常識。在中小學(xué)階段開展人工智能課程到底教什么？如何選擇深淺程度合適又貼近學(xué)生生活實際的內(nèi)容呢？在中小學(xué)階段開展人工智能課程到底怎么教？如何選擇合適的教學(xué)策略？本文做了一些嘗試，但還有不足之處需要繼續(xù)探討。

作者單位：北京市第八中學(xué)