指向計算思維的高中人工智能課程設(shè)計與實踐研究

摘要：本研究探討了計算思維在高中人工智能課程中的具象化設(shè)計與實踐，并結(jié)合實例將計算思維的核心要素——問題界定、抽象特征、建立模型、組織數(shù)據(jù)、設(shè)計算法、制訂方案等，有效地融入并體現(xiàn)在高中人工智能課程教學(xué)過程中，進而提升學(xué)生的計算思維能力和創(chuàng)新能力，為其未來的學(xué)習(xí)和工作打下堅實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：計算思維；高中人工智能；設(shè)計與實踐

中圖分類號：G434 文獻標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）19-0000-03

近年來，隨著人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展，高中人工智能課程已經(jīng)成為培養(yǎng)學(xué)生科技素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的重要途徑。雖然計算思維是一種抽象的思維活動，但國際教育技術(shù)協(xié)會（ISTE）與計算機科學(xué)教師協(xié)會（CSTA）從操作的角度，將計算思維定義為問題解決過程，該過程包括問題闡釋、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)、解決方案的制訂、資源的最有效利用與整合、問題解決方案的遷移應(yīng)用等。這一系列過程正是人工智能解決問題的關(guān)鍵步驟，也是人工智能技術(shù)不斷突破的核心。因此，高中信息技術(shù)教育要將計算思維的核心要素有效地融入到高中人工智能的課程教學(xué)中。于是，筆者在充分考察高中基本學(xué)情的基礎(chǔ)上設(shè)計了基于計算思維的高中人工智能課程教學(xué)活動，并以項目式、探究式的學(xué)習(xí)方式展開了人工智能專業(yè)知識的學(xué)習(xí)與探索，現(xiàn)將教學(xué)方法總結(jié)如下。

巧設(shè)情境，激發(fā)興趣

隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，很多人工智能應(yīng)用對學(xué)生來說都已經(jīng)司空見慣，如果在課堂上僅進行案例講解，學(xué)生很難提起興趣。因此，在人工智能課程中，情境的創(chuàng)設(shè)需要有一定的構(gòu)思，要在學(xué)生已熟悉的場景中找問題，找到課程內(nèi)容的突破口，設(shè)計啟發(fā)性的問題與挑戰(zhàn)性的任務(wù)，激發(fā)學(xué)生的興趣，讓學(xué)生在復(fù)雜問題的驅(qū)動下，運用所學(xué)的知識和技能進行創(chuàng)新性的思考和解決，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和批判性思維能力。

例如，在教學(xué)人臉識別的內(nèi)容時，學(xué)生對人臉識別的應(yīng)用已非常熟悉，甚至對人臉識別的過程已經(jīng)有所了解，但對人臉識別算法原理的理解有一定困難。因此，對于這部分的內(nèi)容，教師需要找到關(guān)鍵問題的突破點，如圍繞人臉識別應(yīng)用中的典型問題“機器是怎么判斷這是一張真實的人臉還是人臉照片”創(chuàng)設(shè)情境——學(xué)校的考勤系統(tǒng)對人臉的照片是可以直接識別的，而手機用人臉的照片卻解鎖不了，真實人臉和照片識別的原理有什么不同？這樣以真實的問題驅(qū)動學(xué)生探索人臉識別，能讓學(xué)生親歷知識、思維、方法的建構(gòu)過程，進一步掌握編制計算機程序解決問題的方法。

問題引導(dǎo)，抽象模型

對于真實情境下的問題，教師可以引導(dǎo)學(xué)生分析影響問題結(jié)果的要素有哪些，進而尋找問題的突破口。例如，在人臉識別內(nèi)容的教學(xué)中，教師先引導(dǎo)學(xué)生頭腦風(fēng)暴，思考機器對真實人臉和照片是如何區(qū)別的，聯(lián)想到人是如何區(qū)分照片和真實人臉的，再進一步思考怎么辨別臉部動作，即可以想到臉部動作包括眨眼、張嘴、點頭、搖頭等，不斷剖析，進而引出新的問題：機器是怎么識別臉部的這些動作的？這些動作在計算機視覺中有什么樣的變化規(guī)律？如何用數(shù)據(jù)進行驗證？帶著這些問題引導(dǎo)學(xué)生進行思考討論，將臉部這些動作轉(zhuǎn)換成一些數(shù)量關(guān)系，通過數(shù)據(jù)的變化來判斷是否有動作。然后，利用圖表或圖形進行數(shù)據(jù)量化，顯性呈現(xiàn)動作變化，在基于數(shù)據(jù)進行實驗驗證的過程中加強對基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型的理解，抽象出臉部動作變化的數(shù)學(xué)模型。

任務(wù)驅(qū)動，設(shè)計算法

在分析問題的基礎(chǔ)上明確目標(biāo)和需求，基于猜想或假設(shè)，獲取數(shù)據(jù)，進行驗證，這一過程對學(xué)生而言稍顯抽象。教師可以設(shè)計問題與任務(wù)幫助學(xué)生梳理過程，設(shè)計算法。例如，在人臉識別活體檢測的內(nèi)容教學(xué)中，教師可引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己的假設(shè)，梳理實驗驗證的方法步驟，對于眨眼動作，可以驗證上下眼皮的距離，如圖1所示的基于dlib的68個人臉檢測特征點，可以利用人臉關(guān)鍵點的眼部數(shù)據(jù)，通過點37和41、點38和40連成線段，得到眼部縱向的距離，利用距離的變化來判斷眨眼，師生通過問題的不斷聚焦，將眨眼的過程轉(zhuǎn)換成距離變換的過程，形成計算機識別眨眼的思路，從而設(shè)計出判斷眨眼的算法。然后，教師布置探究任務(wù)，讓學(xué)生自行選擇眨眼、張嘴、點頭、搖頭這四個臉部動作進行探究，針對不同臉部動作展開猜想，然后設(shè)計算法模型，通過實驗記錄實驗數(shù)據(jù)來驗證自己的模型是否準(zhǔn)確。

接著，學(xué)生小組合作動手實踐，首先根據(jù)小組選擇的動作選擇合適的關(guān)鍵點，然后將這些關(guān)鍵點連成線段或者圖形，再通過攝像頭檢測獲取特征點數(shù)據(jù)，通過實驗測試觀察數(shù)據(jù)變化的規(guī)律，從而得到動作變化的數(shù)據(jù)判斷方法。如圖1所示，針對搖頭這個動作，不同小組分別設(shè)計了不同的算法模型。第一小組選取了4、48、54、12這四個點，連成線段a和b，通過a/b的數(shù)值變化來判斷是否搖頭。第二小組選取了33、5、11這三個點，連成線段x、y，通過x-y的數(shù)值變化來判斷是否搖頭。第三小組選取了28、0、16這三個點，連成線段a、b和c構(gòu)成一個三角形，通過（a+b）/c的數(shù)值變化來判斷是否點頭。而第四小組針對張嘴的動作在進行算法設(shè)計時，選取上下嘴唇的點分別連成線段x、y和z，采用（x+y+z）/3的值來判斷，發(fā)現(xiàn)嘴巴張開和閉合數(shù)據(jù)確實有變化，但是距離攝像頭的遠近也造成了數(shù)據(jù)的變化，而且數(shù)據(jù)變化還不小，由此想到距離會影響數(shù)據(jù)進而會影響張嘴動作的判斷。

小組合作，實踐分享

在課堂活動中，小組合作是一種非常有效的教學(xué)方法，它不僅能夠促進學(xué)生之間的交流和合作，還能培養(yǎng)學(xué)生的團隊精神和問題解決能力。在小組合作完成任務(wù)后，教師組織學(xué)生進行成果展示，對每個小組的合作過程和成果進行評估，并給出具體的反饋和建議。同時，讓學(xué)生互相評價，以便他們更好地了解自己的優(yōu)勢和不足，這不僅能夠促進成員之間的交流與學(xué)習(xí)，還能提升小組協(xié)作能力和創(chuàng)新精神。例如，在人臉識別活體檢測內(nèi)容的教學(xué)中，小組成員根據(jù)自己組選擇的動作以及設(shè)計的算法進行探究實驗，借助于硬件設(shè)備攝像頭進行數(shù)據(jù)采集，補充完善Python程序進行數(shù)據(jù)計算，嘗試找出動作數(shù)據(jù)變化規(guī)律。在這一實驗探究實踐的過程中，教師已經(jīng)寫好采集數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)代碼，學(xué)生只需要選取合適的數(shù)據(jù)點，進一步實驗驗證自己設(shè)計的算法是否可行即可。經(jīng)過探究實驗，各小組成員進行探究成果的分享，如圖1所示，兩個小組的成員都針對搖頭動作設(shè)計了自己的算法，但第二小組的算法一經(jīng)提出，就有同學(xué)提出異議，鏡頭的遠近會對實驗數(shù)據(jù)造成影響，要想避免鏡頭遠近造成的實驗影響，可以增加一個數(shù)據(jù)z做比值處理，所以進一步將算法修改為（x-y）/z，提高搖頭動作實驗驗證的準(zhǔn)確性。如圖2所示，兩組同學(xué)都針對點頭動作設(shè)計了自己的算法，其中第五小組通過三條線段（a+b）/c來進行數(shù)據(jù)判斷，第六小組作了一條新的線段，即三角形的高（h），試圖直接用h值的變化來判斷，但基于自己的代碼沒有辦法計算h，于是分享想法請求同學(xué)幫助，有小組學(xué)生立馬想到了海倫公式，可以借助海倫公式來計算三角形的面積，再通過面積求高（h），這一想法幫助第六小組解決了問題，也給其他組學(xué)生帶來了啟發(fā)。

總結(jié)原理，遷移應(yīng)用

在人工智能課程中，人工智能知識體系不是一兩節(jié)課就能建立起來的，所以每一節(jié)課的總結(jié)環(huán)節(jié)非常重要。在總結(jié)環(huán)節(jié)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生梳理當(dāng)前主題下的人工智能應(yīng)用的基本原理，幫助學(xué)生厘清當(dāng)前主題的知識結(jié)構(gòu)，逐步構(gòu)建完善的知識體系，同時可以引導(dǎo)學(xué)生進行遷移應(yīng)用，拓寬學(xué)生的視野，提升思維。例如，在計算機視覺內(nèi)容的學(xué)習(xí)中，教師選取貼近學(xué)生生活的主題——人臉識別，以真實人臉與照片識別問題切入，使學(xué)生深入體會到面對一個復(fù)雜問題，如何化繁為簡，拆解任務(wù)，利用所學(xué)知識，大膽猜想，實驗探究，最終抽象出數(shù)學(xué)模型，進而理解活體檢測的原理并遷移應(yīng)用。

結(jié)語

人工智能涉及的領(lǐng)域知識廣泛，與多個學(xué)科交叉，未來研究可以進一步探索人工智能與其他學(xué)科的融合應(yīng)用，以及如何在不同學(xué)段和不同學(xué)校中推廣指向計算思維的人工智能課程。同時，也需要關(guān)注計算思維與人工智能教育在人才培養(yǎng)和社會發(fā)展中的重要作用，在課程的設(shè)計過程中，要更加注重情境創(chuàng)設(shè)的興趣性、問題設(shè)計的啟發(fā)性以及任務(wù)的挑戰(zhàn)性與可操作性。

參考文獻：

ISTE&CSTA.Computational thinking teaching in K-12 Education： teacher resources， secondedition（2011）[DB/OL].http：//csta.acm.org/Curriculum/sub/CurrFiles/472.11CTTeacherResources_2ed-SP-vF.pdf，2013-05-12.

基金項目：廈門市高中“提質(zhì)增效”專項專家型教師課題“基于計算思維培養(yǎng)的高中信息技術(shù)課堂教學(xué)評價研究”（項目編號：XMZJ2023024）。