基于PBL模式的高中人工智能課程探索

摘要：本文以教科版高中信息技術(shù)必修1第五單元“數(shù)據(jù)分析與人工智能”中的《探秘人工智能》一課為例，闡述了高中信息技術(shù)中基于PBL模式的人工智能課程的實(shí)施過(guò)程，并對(duì)PBL模式下的教學(xué)行為和教學(xué)效果進(jìn)行了分析和思考。

關(guān)鍵詞：PBL模式；人工智能；高中信息技術(shù)；教學(xué)實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2024）23-0000-03

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）明確指出：“課程倡導(dǎo)基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方式，將知識(shí)建構(gòu)、技能培養(yǎng)與思維發(fā)展融入到數(shù)字化工具解決問(wèn)題和完成任務(wù)的過(guò)程中。”此外，新課標(biāo)還倡導(dǎo)：讓學(xué)生參與到信息技術(shù)支持的溝通、共享、合作與協(xié)商這一新型的教學(xué)模式中。[1]因此，筆者在教學(xué)中以“數(shù)據(jù)分析與人工智能”單元為藍(lán)本，將Flappy Bird游戲作為項(xiàng)目活動(dòng)的主線，貫穿以“探秘人工智能”為主題的人工智能課程全過(guò)程，希望能為“如何讓學(xué)生參與新型信息技術(shù)支持下的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)”這一問(wèn)題的深究提供新思路。

研究課程要點(diǎn)，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)

在教科版高中信息技術(shù)必修1《5.1 走進(jìn)數(shù)據(jù)分析》一課中，學(xué)生已初步學(xué)習(xí)了數(shù)據(jù)分析的概念、特點(diǎn)和工作機(jī)制，對(duì)人工智能的基礎(chǔ)思想有了初步的認(rèn)知。但到了《5.2 探秘人工智能》一課，教材仍然以介紹概念與小組討論為主，缺乏具體的項(xiàng)目實(shí)踐，學(xué)生難以具象感知人工智能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)流程。

因此，筆者以本課的重難點(diǎn)——“遺傳算法”和“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”為切入點(diǎn)，結(jié)合Flappy Bird游戲，融合編程思想，巧妙設(shè)計(jì)項(xiàng)目流程，讓學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)踐中體驗(yàn)機(jī)器學(xué)習(xí)模型的設(shè)計(jì)、調(diào)參、訓(xùn)練和調(diào)試的過(guò)程，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和編程設(shè)計(jì)能力。

設(shè)計(jì)項(xiàng)目活動(dòng)，發(fā)揮PBL優(yōu)勢(shì)

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（PBL）的核心是以問(wèn)題為導(dǎo)向，讓學(xué)生通過(guò)解決實(shí)際問(wèn)題來(lái)學(xué)習(xí)課程知識(shí)。項(xiàng)目任務(wù)設(shè)計(jì)單是指為達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)要求學(xué)生在本節(jié)課通過(guò)自己探索或小組合作完成的任務(wù)清單。項(xiàng)目任務(wù)流程設(shè)計(jì)是否恰當(dāng)直接影響項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的效果，《探秘人工智能》一課的任務(wù)設(shè)計(jì)如下頁(yè)表所示。

1.前置任務(wù)的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵

在《探秘人工智能》一課中，筆者通過(guò)安排游戲任務(wù)Flappy Bird（前置任務(wù)），讓學(xué)生在玩的過(guò)程發(fā)現(xiàn)flappy bird游戲的規(guī)則并總結(jié)游戲經(jīng)驗(yàn)。

在體驗(yàn)時(shí)間結(jié)束后，大部分學(xué)生都能總結(jié)出以下游戲規(guī)則：①點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵，小鳥(niǎo)向上飛，不點(diǎn)擊，小鳥(niǎo)則自由落體；②小鳥(niǎo)碰到地面或者上下柱子時(shí)游戲結(jié)束，統(tǒng)計(jì)通過(guò)的柱子數(shù)量作為游戲總分；③上下柱子間缺口的高度差一致，但是缺口的上下位置隨機(jī)。

在所有學(xué)生總結(jié)歸納出游戲規(guī)則后，隨機(jī)抽出1～2位完成前置任務(wù)的學(xué)生分享獲得高分的游戲經(jīng)驗(yàn)：①需要時(shí)刻關(guān)注是否單擊鼠標(biāo)左鍵來(lái)控制小鳥(niǎo)的高度；②需要時(shí)刻關(guān)注柱子缺口的高度以及其相對(duì)小鳥(niǎo)的高度差。

2.項(xiàng)目任務(wù)的體驗(yàn)是核心

如何讓學(xué)生直觀體驗(yàn)不同的人工智能算法，并能夠根據(jù)現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目需求選擇合適的算法去解決問(wèn)題是本節(jié)課的重點(diǎn)，也是設(shè)計(jì)本節(jié)課PBL任務(wù)單的核心。人工智能算法包含多種技術(shù)，如機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等。筆者在不改變項(xiàng)目活動(dòng)的前提下，分別選擇機(jī)器學(xué)習(xí)中經(jīng)典的“遺傳算法”以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中用得最多的“BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”作為模板，利用可視化編程軟件幫助學(xué)生快速上手、實(shí)操人工智能算法模型的搭建與訓(xùn)練。

機(jī)器學(xué)習(xí)的目的是獲取新的知識(shí)或技能，通過(guò)重新組織已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)，不斷完善自身的性能，從而使計(jì)算機(jī)能模擬實(shí)現(xiàn)人類的學(xué)習(xí)行為。在了解機(jī)器學(xué)習(xí)的基本定義后，筆者提出將生物學(xué)的人工智能算法思想（遺傳進(jìn)化思想）作為學(xué)習(xí)支架，它是根據(jù)大自然中生物體進(jìn)化規(guī)律而設(shè)計(jì)提出的，是模擬達(dá)爾文生物進(jìn)化論的自然選擇和遺傳學(xué)機(jī)理的生物進(jìn)化過(guò)程的計(jì)算模型，是一種通過(guò)模擬自然進(jìn)化過(guò)程搜索最優(yōu)解的方法。這種算法思想的介紹，學(xué)生并不陌生，進(jìn)化論是高中生物的重要知識(shí)點(diǎn)，大部分學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)都有所了解，但是對(duì)如何將遺傳算法運(yùn)用到機(jī)器學(xué)習(xí)上來(lái)卻是一頭霧水。此時(shí)，筆者及時(shí)布置任務(wù)二，要求學(xué)生通過(guò)可視化編程平臺(tái)優(yōu)化模型代碼，結(jié)合實(shí)時(shí)運(yùn)行結(jié)果讓學(xué)生直觀體驗(yàn)并理解遺傳算法的設(shè)計(jì)與訓(xùn)練。

3.項(xiàng)目任務(wù)的差異是亮點(diǎn)

為了讓學(xué)生深刻理解不同算法的特性和優(yōu)勢(shì)，筆者選擇了某可視化編程平臺(tái)，平臺(tái)新增了實(shí)時(shí)演示經(jīng)典人工智能代碼訓(xùn)練過(guò)程的功能。同時(shí)，將Flappy Bird游戲作為核心項(xiàng)目，引入了機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的“遺傳算法”和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的“BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”兩種算法。這兩種算法在解決優(yōu)化問(wèn)題和模式識(shí)別方面各有所長(zhǎng)，學(xué)生通過(guò)親手操作和觀察這兩種算法在訓(xùn)練過(guò)程中的表現(xiàn)，可以直觀地感受到算法之間的差異。例如，遺傳算法通過(guò)模擬自然選擇和遺傳機(jī)制來(lái)優(yōu)化問(wèn)題解決方案，而B(niǎo)P神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則通過(guò)反向傳播算法調(diào)整權(quán)重來(lái)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)模式。通過(guò)對(duì)比這兩種算法的訓(xùn)練效率、穩(wěn)定性以及最終的游戲表現(xiàn)，學(xué)生不僅能夠理解算法的工作原理，還能夠認(rèn)識(shí)到它們?cè)趯?shí)際應(yīng)用中的適用場(chǎng)景和限制。這種項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的學(xué)習(xí)方式，使得抽象的算法概念變得生動(dòng)和具體，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加了理解深度。

分析PBL教學(xué)效果，思考優(yōu)化PBL模式

在本節(jié)課中，筆者探索通過(guò)PBL模式將學(xué)生感興趣的一款網(wǎng)頁(yè)游戲作為項(xiàng)目活動(dòng)主題貫穿課程始終。學(xué)生通過(guò)項(xiàng)目的前置任務(wù)理解游戲規(guī)則，通過(guò)上機(jī)體驗(yàn)項(xiàng)目任務(wù)感知機(jī)器學(xué)習(xí)模型的設(shè)計(jì)、訓(xùn)練過(guò)程，通過(guò)可視化編程比較不同算法下的項(xiàng)目任務(wù)，由此總結(jié)出兩種人工智能算法的優(yōu)異性。

筆者還設(shè)計(jì)了基于PBL模式的高中人工智能課程系列的項(xiàng)目評(píng)價(jià)表（小組自評(píng)表），通過(guò)收集課后項(xiàng)目小組的自評(píng)和互評(píng)表，量化評(píng)價(jià)每節(jié)課小組項(xiàng)目活動(dòng)的完成情況以及教學(xué)效果的達(dá)成情況。項(xiàng)目成果評(píng)價(jià)和項(xiàng)目過(guò)程評(píng)價(jià)是評(píng)價(jià)表設(shè)計(jì)的主要方面，通過(guò)自評(píng)和互評(píng)達(dá)成主觀評(píng)價(jià)和客觀評(píng)價(jià)相統(tǒng)一的評(píng)價(jià)要求。美中不足的是，在設(shè)計(jì)本節(jié)課時(shí)，筆者并未充分考慮跨學(xué)科知識(shí)的融合，在今后的教學(xué)設(shè)計(jì)中，還應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)跨學(xué)科內(nèi)容的鋪設(shè)。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬尚輝.高中信息技術(shù)教學(xué)中的信息核心素養(yǎng)初探[J].中小學(xué)電教（教學(xué)），2019（06）：5-6.

[2]程雅，戚珩，闞樹(shù)林，等.基于遺傳算法的供應(yīng)商組合選擇[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013（02）：59-61+65.

本文系蘇州市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2021年度立項(xiàng)課題“PBL模式下高中科創(chuàng)技術(shù)類校本課程的研究”（2021/LX/02/233/04）的研究成果。