高中人工智能課堂的“熱度”與“深度”

王云霄

● 案例背景

《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》提出要“實(shí)施全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程”。在此背景下，《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確將人工智能教學(xué)列入必修1“數(shù)據(jù)與計(jì)算”中，并要求“通過人工智能典型案例的剖析，了解智能信息處理的巨大進(jìn)步和應(yīng)用潛力，認(rèn)識(shí)人工智能在信息社會(huì)中的重要作用”。

本節(jié)課是省級(jí)教學(xué)評(píng)審活動(dòng)中的一節(jié)公開課，課題是必修1第五章第二、三兩節(jié)的內(nèi)容，即人工智能的應(yīng)用與影響。上課的學(xué)生已經(jīng)完成該章第一節(jié)“人工智能的產(chǎn)生與發(fā)展”的學(xué)習(xí)，對(duì)人工智能的概念以及發(fā)展歷史有簡(jiǎn)單的了解，但缺乏對(duì)人工智能應(yīng)用原理的了解和把握，對(duì)人工智能的了解停留在生活中常見的人工智能應(yīng)用上。所以，本節(jié)課的目標(biāo)為：了解人工智能在各個(gè)領(lǐng)域的典型應(yīng)用，感受人工智能對(duì)促進(jìn)社會(huì)發(fā)展的巨大作用，能主動(dòng)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)中人工智能的應(yīng)用，并能從數(shù)據(jù)、計(jì)算的角度去解釋智能系統(tǒng)的工作原理;以積極的心態(tài)主動(dòng)運(yùn)用各種人工智能系統(tǒng)解決實(shí)際問題;能辯證地看待人工智能的發(fā)展及其帶來的新問題，理解負(fù)責(zé)任地研發(fā)人工智能、合乎規(guī)則地應(yīng)用人工智能的必要性。

● 案例描述

1.視頻創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入本課主題

教師播放介紹在三門中學(xué)所見所聞的視頻，請(qǐng)學(xué)生找出其中人工智能的應(yīng)用，感受人工智能在生活中的廣泛應(yīng)用。通過對(duì)生活中的信息系統(tǒng)人工智能應(yīng)用的展示，引出外賣平臺(tái)上的人工智能應(yīng)用——送達(dá)時(shí)間的預(yù)測(cè)。學(xué)生反應(yīng)非常強(qiáng)烈，學(xué)習(xí)興趣濃厚。

2.介紹實(shí)踐要求

展示外賣平臺(tái)的數(shù)據(jù)及送達(dá)時(shí)間，提出要求：用人工智能算法模型找到數(shù)據(jù)間內(nèi)在的聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)。同時(shí)，用額外的真實(shí)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)模型的預(yù)測(cè)能力，引出訓(xùn)練數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的概念。①介紹圖1示例中所使用的訓(xùn)練數(shù)據(jù)及測(cè)試模型性能所使用的測(cè)試數(shù)據(jù);②介紹BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型;③演示訓(xùn)練及預(yù)測(cè)的過程，解釋隱藏層層數(shù)、神經(jīng)元數(shù)量等超參數(shù)的含義。

3.人工智能應(yīng)用挑戰(zhàn)賽

師：請(qǐng)大家利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)和算法模型，對(duì)外賣送達(dá)時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)和模型評(píng)估，看誰的預(yù)測(cè)結(jié)果最優(yōu)。（在學(xué)習(xí)資料中提供技術(shù)支持：從DataFrame中獲取特定列數(shù)據(jù)的操作方法）

學(xué)生經(jīng)過操作嘗試訓(xùn)練后紛紛得出了自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

生1：我修改了訓(xùn)練次數(shù)max_iter為500次，預(yù)測(cè)時(shí)間平均誤差縮小到3.77min（如下頁圖2）。

師：我們可以從訓(xùn)練過程看到，隨著訓(xùn)練次數(shù)的增加，模型擬合條件與結(jié)果的誤差也在縮小，所以增加訓(xùn)練次數(shù)確實(shí)可以減少誤差。

生2：我修改了隱藏層神經(jīng)元數(shù)量為（5，2），預(yù)測(cè)平均誤差縮小到3.18min（如圖3）。

師：嗯，這位同學(xué)又找到了新的突破點(diǎn)，修改算法模型也可以有效提高預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)度。

生3：我修改了訓(xùn)練數(shù)據(jù)，增加了“銷量”列作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)平均誤差達(dá)到了2.3min（如圖4）。

師：非常不錯(cuò)，當(dāng)算法模型遇到瓶頸時(shí)，也可以從數(shù)據(jù)的角度去優(yōu)化。通過優(yōu)化過程可以發(fā)現(xiàn)，模型預(yù)測(cè)能力達(dá)到一定程度后，每提高一點(diǎn)都是極其不易的，如今很多人工智能應(yīng)用的開發(fā)過程都是如此。

經(jīng)過若干位學(xué)生的優(yōu)化后，教師請(qǐng)幾位學(xué)生談?wù)勅斯ぶ悄芩惴Ｐ皖A(yù)測(cè)性能和哪些因素有關(guān)，經(jīng)過討論總結(jié)，得出結(jié)論：人工智能的核心是算法和數(shù)據(jù)。

4.回歸概念

從外賣時(shí)間預(yù)測(cè)需要特定的模型和數(shù)據(jù)，引出當(dāng)今以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的領(lǐng)域人工智能的特點(diǎn)：依賴于領(lǐng)域知識(shí)和數(shù)據(jù)。

師：請(qǐng)同學(xué)們想一想，身邊的哪些人工智能應(yīng)用屬于領(lǐng)域人工智能？

生：人臉識(shí)別、車牌識(shí)別、Siri語音識(shí)別……

教師引導(dǎo)總結(jié)它們的共同特征：專業(yè)性強(qiáng)，但能力依賴于領(lǐng)域知識(shí)和數(shù)據(jù)，無法遷移。

5.自主探究

師：大家已經(jīng)學(xué)習(xí)了人工智能的發(fā)展歷史，在人工智能領(lǐng)域科學(xué)家們的努力下，又取得了哪些成果呢？請(qǐng)結(jié)合課本介紹和文字影音資料，對(duì)比DeepMindAI和達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人，總結(jié)這兩種人工智能應(yīng)用的特點(diǎn)。

學(xué)生自由觀看視頻資料和文字資料，總結(jié)分享：DeepMindAI掌握的是學(xué)習(xí)的能力，不需要教會(huì)他規(guī)則，能自我學(xué)習(xí);達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人雖然靈活、穩(wěn)定，但需要人的參與。

師：很好，同學(xué)們都提到了這兩種人工智能特點(diǎn)的關(guān)鍵詞，DeepMindAI，即跨領(lǐng)域人工智能，更專注于知識(shí)和技能的獲取;達(dá)芬奇手術(shù)機(jī)器人，即混合增強(qiáng)智能，則是將人的作用或認(rèn)知模型引入人工智能系統(tǒng)。板書總結(jié)展示三種智能應(yīng)用的對(duì)比。

6.實(shí)踐體驗(yàn)—和機(jī)器一起協(xié)作

師：請(qǐng)大家通過“手繪涂鴉生成人臉”平臺(tái)，體驗(yàn)混合增強(qiáng)智能的特點(diǎn)，以及在社會(huì)生活中的作用。

學(xué)生展示運(yùn)用不同的筆畫繪制生成的不同人臉（如圖5），分享觀點(diǎn)：尋找嫌疑犯、影視創(chuàng)作……

7.小組研討

師：從剛才的實(shí)踐體驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，人與機(jī)器的協(xié)同工作是今后深入應(yīng)用的方向之一。我們現(xiàn)在處于領(lǐng)域人工智能和混合增強(qiáng)智能相互補(bǔ)充、相互協(xié)調(diào)的時(shí)代。請(qǐng)大家從自己的生活經(jīng)歷出發(fā)，結(jié)合學(xué)案中的文字材料，分小組討論——人工智能給社會(huì)帶來了怎樣的影響？我們?cè)撊绾慰创斯ぶ悄?？每個(gè)小組任選一個(gè)子問題進(jìn)行討論。

（1）從外賣平臺(tái)到打車APP，這些人工智能應(yīng)用給社會(huì)生活帶來了怎樣的變化或影響？

（2）哪些工作容易或正在被人工智能替代？人工智能擅長什么？而我們又有何優(yōu)勢(shì)？

（3）從社會(huì)、國家發(fā)展的角度來看，工業(yè)機(jī)器人、智能倉儲(chǔ)、配送等人工智能技術(shù)的應(yīng)用有何利弊？

生：提高了生活舒適度，提高了工作效率，需要被監(jiān)管……

教師根據(jù)學(xué)生回答，從以下幾方面進(jìn)行要點(diǎn)提煉并板書：①改善社會(huì)生活;②促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展;③引發(fā)社會(huì)擔(dān)憂;④人類是“智能回路”的總開關(guān)。

8.小結(jié)評(píng)價(jià)，布置作業(yè)

筆者結(jié)合板書對(duì)本節(jié)課進(jìn)行了小結(jié)，總結(jié)本課涉及的概念，引導(dǎo)學(xué)生思考人工智能與數(shù)據(jù)、算法和計(jì)算的關(guān)系，在感受人工智能為生活、工作帶來的便捷、效率的同時(shí)，也要看到它附帶的風(fēng)險(xiǎn)和擔(dān)憂，但整體應(yīng)保持積極樂觀的態(tài)度。同時(shí)，讓學(xué)生填寫課堂學(xué)習(xí)情況自評(píng)和互評(píng)，學(xué)生在填寫過程中自我反思，筆者也對(duì)學(xué)生本節(jié)課的整體掌握情況進(jìn)行了反饋。

課后作業(yè)：結(jié)合課堂所學(xué)，你對(duì)外賣預(yù)測(cè)的人工智能應(yīng)用有無改進(jìn)或拓展的想法？請(qǐng)通過網(wǎng)絡(luò)檢索，嘗試設(shè)計(jì)或動(dòng)手實(shí)現(xiàn)你的想法，并闡述它涉及的人工智能技術(shù)、實(shí)現(xiàn)原理以及應(yīng)用前景。

● 案例分析

人工智能項(xiàng)目的開發(fā)與實(shí)施，在高中階段開展有一定的難度。受限于認(rèn)知水平和知識(shí)儲(chǔ)備，學(xué)生更多的是學(xué)習(xí)相關(guān)的概念及基礎(chǔ)知識(shí)。如何既能使學(xué)生從數(shù)據(jù)與計(jì)算的角度掌握人工智能的本質(zhì)，從而感受各類人工智能應(yīng)用對(duì)社會(huì)發(fā)展的促進(jìn)作用，又能使學(xué)生在人工智能技術(shù)服務(wù)這一嶄新的情境中，系統(tǒng)地了解數(shù)據(jù)與計(jì)算的作用與意義，更能使學(xué)生在不斷感知、應(yīng)用人工智能的過程中增強(qiáng)信息意識(shí)，在剖析、理解典型人工智能系統(tǒng)的過程中發(fā)展計(jì)算思維，這一問題對(duì)課堂教學(xué)案例的設(shè)計(jì)提出了較高的要求。本課采用典型人工智能案例“BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)外賣送達(dá)時(shí)間”作為突破口，以人工智能發(fā)展方向?yàn)橹骶€，貫穿課堂始終，組織引導(dǎo)學(xué)生分析、歸納各個(gè)應(yīng)用的區(qū)別與聯(lián)系，按照一定的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)人工智能的應(yīng)用進(jìn)行分類。同時(shí)，通過對(duì)已深入了解學(xué)習(xí)的案例進(jìn)行辨析，讓學(xué)生正確理解人與人工智能的關(guān)系。

（1）取材生活，激發(fā)興趣。在課堂引入時(shí)，沒有采用讓學(xué)生分享，或教師介紹的形式，而是采用一段記錄教師一天行程的短視頻，讓學(xué)生在視頻中看到、感受到身邊的人工智能應(yīng)用，意識(shí)到已經(jīng)有大量的信息系統(tǒng)應(yīng)用了人工智能技術(shù)，體會(huì)到人工智能技術(shù)在生活中的廣泛應(yīng)用，從而以高興趣的狀態(tài)進(jìn)入接下來對(duì)人工智能應(yīng)用、分類的學(xué)習(xí)。

（2）兼顧高中人工智能課堂的“熱度”與“深度”。傳統(tǒng)的高中人工智能課堂依舊采用“人臉識(shí)別”“Siri語音識(shí)別”“在線翻譯”等應(yīng)用層面的“體驗(yàn)活動(dòng)”，沒有詳細(xì)介紹人工智能應(yīng)用的工作原理和過程，與小學(xué)、初中的人工智能課堂并無太大差別，課堂空有“熱度”，但與高中學(xué)生的智力、能力發(fā)展水平不匹配。為避免機(jī)械地陳述教材文本、只有案例體驗(yàn)沒有原理講解等問題，筆者在介紹概念之前，利用“搭建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)外賣送達(dá)實(shí)踐”這一案例，進(jìn)行“人工智能挑戰(zhàn)賽”。選擇的案例來源于生活，學(xué)生不需要花額外的精力去理解案例背景，且有一定的探究興趣，具有一定的“熱度”。該案例的實(shí)現(xiàn)原理又在學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)內(nèi)，能通過教師的簡(jiǎn)單講解介紹，初步理解BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練、評(píng)估的過程，讓學(xué)生能從數(shù)據(jù)、計(jì)算的角度來理解人工智能的智能行為，也具有一定的“深度”，從而有助于理解領(lǐng)域人工智能“依賴于領(lǐng)域知識(shí)和數(shù)據(jù)”這一概念。

（3）學(xué)生的主體地位突出，正確認(rèn)識(shí)學(xué)生的智力水平和知識(shí)儲(chǔ)備，注重深度學(xué)習(xí)。讓學(xué)生自行探究嘗試提升神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)外賣送達(dá)實(shí)踐的模型性能，自行整理學(xué)習(xí)資料內(nèi)容，針對(duì)感興趣的話題進(jìn)行討論。在討論、探索問題過程中利用已有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)獲得了新的知識(shí)技能。

（4）提出的問題、設(shè)計(jì)的活動(dòng)、討論環(huán)節(jié)都源自學(xué)生所關(guān)注、所思考的又對(duì)其自身有實(shí)際意義的內(nèi)容，因此在問題探究、話題討論的過程中，學(xué)生積極參與，課堂氛圍良好。

（5）在注重學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)培育的同時(shí)，體現(xiàn)學(xué)科大概念的設(shè)計(jì)理念。以人工智能學(xué)習(xí)為載體，使學(xué)生能借助智能數(shù)據(jù)處理這一新型的計(jì)算模式，用發(fā)展的眼光去學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)與計(jì)算，能從數(shù)據(jù)、計(jì)算的角度來理解人工智能的智能行為，以適應(yīng)信息科技的新發(fā)展。

● 案例反思

一節(jié)課無論準(zhǔn)備得多么充分，在正式上課時(shí)總會(huì)有遺憾的地方，也正是有這樣的遺憾，才能督促教師更好地反思、完善、進(jìn)步。①由于課堂搬到了舞臺(tái)上，學(xué)生稍微有些緊張，所以小組間的相互協(xié)作、討論稍有欠缺。②由于學(xué)生自主探究資料的準(zhǔn)備不夠充分，簡(jiǎn)潔、直觀的圖表資料欠缺，視頻的冗余信息也較多，所以大部分學(xué)生花費(fèi)較多的時(shí)間觀看視頻資料，閱讀大量的文字材料，從而影響了課堂效率，導(dǎo)致最后的課堂完成度不夠。③在組織學(xué)生討論時(shí)，沒有列出較為詳細(xì)的問題提綱，導(dǎo)致學(xué)生在思考討論、總結(jié)回答時(shí)，思維過于發(fā)散，沒有形成有效的核心觀點(diǎn)。盡管教師在學(xué)生回答時(shí)，有意識(shí)地按照“改善生活”“社會(huì)發(fā)展”“引發(fā)擔(dān)憂”等角度進(jìn)行了總結(jié)整理，但學(xué)生的重復(fù)討論、回答還是耗費(fèi)了不少課堂時(shí)間，導(dǎo)致沒有時(shí)間進(jìn)行更有效的討論。

新教材、新課標(biāo)背景下的高中人工智能課堂教學(xué)，應(yīng)堅(jiān)持以需求為導(dǎo)向，明確學(xué)習(xí)方向。同時(shí)，在教學(xué)設(shè)計(jì)、案例設(shè)計(jì)的過程中，也要尊重學(xué)生的能力水平，正視學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備，既不可盲目拔高教學(xué)目標(biāo)，也不能以“太難了，學(xué)生能力肯定不夠”為借口實(shí)施“純體驗(yàn)”的教學(xué)。事實(shí)證明，經(jīng)過教師生活化、形象化的人工智能案例原理探究，學(xué)生能很好地參與其中，并在參與的過程中理解看似遙不可及的智能系統(tǒng)的工作原理。這也是核心素養(yǎng)培育的體現(xiàn)。