高中人工智能課程設(shè)計的案例分析
——以“機器學(xué)習(xí)”為例

陳 乾

如今，人工智能課程的開發(fā)與實施已然成為中小學(xué)信息技術(shù)教師必須要面對的一個話題，本文以筆者參與開發(fā)編制的“機器學(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)過程的組織與開展提供指導(dǎo)方向，無論是單元整體目標(biāo)的落實要求，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)——“了解機器學(xué)習(xí)的基本概念，比較人類學(xué)習(xí)與機器學(xué)習(xí)的特點，通過簡單實例的觀察及體驗，感知機器學(xué)習(xí)的實現(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)對照落實，如下表：

計算思維信息意識數(shù)字化學(xué)習(xí)和創(chuàng)新信息社會責(zé)任利用開源人工智能應(yīng)用框架，搭建簡單智能系統(tǒng)；并知道系統(tǒng)中各要素產(chǎn)生相互作用的內(nèi)在機理。了解機器學(xué)習(xí)的發(fā)展歷程，利用“類比”的思想根據(jù)智能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能尋找事物的共同點。了解人工智能的新進展、新應(yīng)用。運用相關(guān)的智能工具和設(shè)備，完成技術(shù)與工程設(shè)計。客觀地認(rèn)識人工智能技術(shù)對社會生活的影響，增強探究新技術(shù)、新知識的積極性。

從高中各學(xué)段的知識分布角度來看，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)與計算”中就已學(xué)習(xí)運用數(shù)字化工具解決生活與學(xué)習(xí)中的問題，認(rèn)識到人工智能在信息社會中的促進作用；在高一通用技術(shù)必修模塊“技術(shù)與設(shè)計2”中了解了“系統(tǒng)”“控制”的技術(shù)思想和方法，對于智能控制系統(tǒng)有一定的理解。在此基礎(chǔ)上，本單元再進一步展開對于“機器學(xué)習(xí)”等重難點學(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)進階的設(shè)計理念。

再將視角聚焦于本單元的內(nèi)容編排，“機器學(xué)習(xí)”單元共由兩節(jié)組成，分別為“認(rèn)識機器學(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)實踐課程——“訓(xùn)練機器人識別石頭、剪刀、布”。這些次級主題從邏輯關(guān)系上來看呈現(xiàn)出遞進關(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，再進一步類比“機器學(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)練機器人識別石頭、剪子、布，進而介紹機器學(xué)習(xí)對數(shù)據(jù)的要求，如采集、清洗、測試等，沿著從共性到個性的演繹思想構(gòu)成單元設(shè)計。

二、課程內(nèi)容的選擇與安排

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

從培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的角度出發(fā)，通常會將課程內(nèi)容的學(xué)科知識分為概念性知識、事實性知識、方法性知識和價值性知識。［3］例如，以概念性知識引入——關(guān)于人類的學(xué)習(xí)方式，接下來再具體闡述機器學(xué)習(xí)的方式、利用監(jiān)督學(xué)習(xí)實現(xiàn)人工智能等一系列事實性知識。在探討機器識別人類手勢時，就可以將方法性知識和價值性知識暗含其中，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)計一道問題：“在參與游戲時，一方私自改變手勢的含義并重玩游戲，另一方是否能知道對應(yīng)手勢的含義并繼續(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?；顒又校∶靼l(fā)現(xiàn)不少聾啞人雖然無法發(fā)出聲音，但他們依然渴望交流，并不斷做出不同的手勢與大家溝通。如果能利用AI 設(shè)備，自動‘讀懂’聾啞人的手語，那該多好??！”通過“手勢”這一關(guān)鍵詞引入機器識別，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)機器學(xué)習(xí)的“前概念”，需要教師通過積極引導(dǎo)留給他們足夠的思考和探究空間。在本單元對于數(shù)據(jù)集的介紹中，從可感觸的硬件操作等內(nèi)容展開，進而繼續(xù)探索高性能GPU、內(nèi)置智能芯片的機理和構(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，這樣不僅能準(zhǔn)確判斷學(xué)生已達到的認(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)方式到類比機器學(xué)習(xí)方式，以學(xué)生自主探究的一般過程為主線，調(diào)動五官及運用工具發(fā)現(xiàn)兩者之間的異同點，進行歸納整理?；蛘咭詫W(xué)生的生活經(jīng)驗為主線，并將這種經(jīng)驗趨于課程化，幫助他們運用所學(xué)，獲得成長。

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)；不宜選用過難或過長的專業(yè)詞匯，個別術(shù)語應(yīng)專門標(biāo)注，語言表述在保證科學(xué)性的情況下，應(yīng)盡可能流暢生動，增強實質(zhì)內(nèi)容的可讀性。

三、核心學(xué)習(xí)活動的設(shè)計與實施

對于核心學(xué)習(xí)活動，筆者從整體到部分的視角評述設(shè)計意圖和主要內(nèi)容?！皺C器學(xué)習(xí)”單元共設(shè)計三個核心活動，每個活動分別圍繞一個關(guān)鍵問題進行探討。第一個活動旨在通過感知體驗的方式，對猜拳游戲進行技術(shù)意義上的分析概括。第二個活動利用AI 設(shè)備，引導(dǎo)學(xué)生熟悉基本界面，對手勢圖像識別的原理有所了解。第三個活動則是在活動2 的基礎(chǔ)上，學(xué)生進一步自主探究，對數(shù)據(jù)的清洗與劃分建立感性認(rèn)知，體現(xiàn)計算思維的運用要求。

活動1：猜拳游戲“石頭剪刀布”。

引導(dǎo)學(xué)生觀察并體驗“石頭剪刀布”的猜拳游戲，說出它們的規(guī)則有哪些，怎樣判斷猜拳游戲的勝負(fù)結(jié)果。針對性地指出我們是利用肉眼識別不同的手勢，參照規(guī)則判斷勝負(fù)。進一步思考猜拳游戲的制勝策略，如何才能戰(zhàn)勝對手，從技術(shù)意義上去分析游戲，激發(fā)學(xué)生興趣，易于過渡到后續(xù)的活動。

活動2：訓(xùn)練機器人識別“石頭”“剪刀”“布”。

這一部分主要是引導(dǎo)學(xué)生訓(xùn)練機器人識別石頭、剪刀、布?？梢越M織學(xué)生4人一組，其中1人操作計算機，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，訓(xùn)練機器人識別，最后1 人負(fù)責(zé)驗證及配音。選擇一定數(shù)量的樣本進行訓(xùn)練，再去觀察、記錄機器人識別的相似度，判斷學(xué)習(xí)效果。

活動3：統(tǒng)計機器人采集“石頭”“剪刀”“布”手勢圖片數(shù)量。

在活動2 的基礎(chǔ)上進一步拓展分析，分別擺出“石頭”“剪刀”“布”的手勢，點擊“開始”，直到采集的圖像數(shù)量超過10，點擊“停止”，操作完成。對著攝像頭任意做出“石頭”“剪刀”“布”的手勢，觀察右側(cè)對應(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)對應(yīng)的結(jié)果，隨機向?qū)W生拋出對應(yīng)問題。

學(xué)生在參與技術(shù)體驗活動過程中還要注重交流與評價的能力培養(yǎng)，引導(dǎo)他們流暢地闡述運作過程并對數(shù)據(jù)引發(fā)更深層次的思考。

四、課程評價的構(gòu)建和優(yōu)化

課程評價可以采用形成性評價和總結(jié)性評價這兩種常見方式，既對常態(tài)化教學(xué)中的效果予以監(jiān)測，也將教與學(xué)的過程進行相互交融，建立并優(yōu)化課程評價的層級架構(gòu)。

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

單元的總結(jié)性評價部分主要考查學(xué)生對于核心知識的掌握和智能設(shè)備的操作，不要求對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)語對機器學(xué)習(xí)的方式進行描述和解釋。例如，針對活動3 的實驗，提出采集圖像數(shù)量對結(jié)果的影響是怎樣的，試分析規(guī)律并解釋模型訓(xùn)練如何實現(xiàn)效率的最大化等問題。

五、對高中人工智能教育的教學(xué)建議

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

1.重視多學(xué)科知識的滲透。

單元課程定位于機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的內(nèi)容，從跨學(xué)科的視角來看，需要調(diào)用學(xué)生數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)控制的知識，滲透技術(shù)試驗和設(shè)計的思想，縱橫交聯(lián)了歷史與社會等人文信息。例如在學(xué)習(xí)活動2 中引導(dǎo)學(xué)生自行訓(xùn)練機器人識別手勢，先要思考圖樣如何鑒別，這是對科學(xué)原理的運用；操作智能設(shè)備又是靠技術(shù)知識得以保障；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)計的整體能力在不斷提升。此外，對于技術(shù)文本的閱讀能力要求也可以在教學(xué)中強化。如在追溯機器學(xué)習(xí)的發(fā)展歷程時，需要學(xué)生帶著問題主動地閱讀，提煉機器學(xué)習(xí)的基本原理，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

2.著力探索真實情境的建構(gòu)。

一般來說，建構(gòu)的情境真實程度可以直接反映出學(xué)生在知識、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)的真實情境在教學(xué)中有時難以重現(xiàn)，只能通過情境的模擬，如體驗猜拳游戲，操作智能機器人等，在一個真實情境中開展互動交流并相互影響，進而在不同學(xué)習(xí)領(lǐng)域之間建立聯(lián)系。另一方面，從教學(xué)評價的視域來看，一線教師在實踐中，為保證評分規(guī)則的信度與效度，可以參照的來源主要有課程標(biāo)準(zhǔn)、實踐經(jīng)驗、專業(yè)判斷和師生共同商討［4］，當(dāng)然學(xué)生的掌握程度達到什么樣的水平，可由具體清晰、操作性強的真實情境來觀測。

3.切實關(guān)注實踐語境的教學(xué)。

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

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、活動設(shè)計精巧、評價方式多元，在實際教學(xué)過程中還要兼顧實用性，便于引導(dǎo)學(xué)生可以更好地適應(yīng)現(xiàn)在及未來的生活。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。