初中人工智能課程逆向教學設計與實踐

李曉曉 謝忠新

【摘 要】本文基于追求理解的教學設計理論，以初中人工智能課程內容中的機器學習為例進行逆向教學設計。文中先介紹定位在“初體驗”上的初中人工智能課程內容，而后闡述了UbD理論指導下逆向教學設計的三個階段，最后通過實例論述如何設計有助于學生理解的人工智能教學，落實學生核心素養(yǎng)培養(yǎng)。

【關鍵詞】UbD理論;初中人工智能;逆向教學設計;機器學習;教學案例

【中圖分類號】G434 ?【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2022）05-066-05

我國高度重視學生信息素養(yǎng)的提升，將包括人工智能編程教育在內的信息技術內容納入了中小學課程。人工智能編程教育在各個學段實施的目標定位各有側重，方式方法也有所不同。那么初中階段開展人工智能教育該學哪些內容、學到什么程度？如何設計有效的教學方式促進學生核心素養(yǎng)的發(fā)展？又該如何診斷評估學生的學習收獲呢？本文對此開展了研究。

初中人工智能課程內容

目前各學段人工智能課程尚未有統(tǒng)一的課程標準和課程內容。初中階段的學生已經掌握了一定的學習方法，邏輯思維開始占優(yōu)勢，抽象的概念思維還需要感性經驗的支持，可塑性強。面向初中生的人工智能課程可以將重點定位在“初體驗”上，用符合初中生認知的表述方式，幫助學生從技術的角度了解基本的人工智能知識和原理，從機器會看、會聽、會說、會想、會動等多個維度來體驗人工智能技術的廣泛用途，從而系統(tǒng)地、科學地認識人工智能;通過動腦思考與動手實踐相結合的課程學習過程，培養(yǎng)學生對人工智能的盎然興趣和人工智能知識原理的求知欲，鍛煉學生對人工智能的鑒賞能力、理解能力、應用能力和創(chuàng)新能力，為未來做好準備。以上海教育出版社出版的《人工智能（初中版）》為例，其內容有：第一章回顧了人工智能的起源發(fā)展、感受了人工智能技術在各領域的應用，滲透了人工智能倫理，介紹了機器學習的基本知識原理和機器通過學習具備了看、聽、說、想、動的能力。第二章從機器會看、會聽、會說、會想、會動五個維度介紹了人工智能技術的廣泛用途，每個維度按照活動體驗、技術理解、實踐操作展開。第三章涉及人工智能技術的初步應用，嘗試基于人工智能技術設計并制作一個作品解決實際生活中的問題[1]。

UbD理論指導下逆向教學設計的三個階段

20世紀90年代，美國教育學者格蘭特·威金斯、杰伊·麥克泰格提出追求理解的教學設計[2]（Understanding by Design，簡稱UbD），即以具體的學習結果作為目標，根據目標進行逆向思考的教學設計。UbD給出了逆向教學設計的具體操作方法，強調教學設計要從預期的學習結果出發(fā)，而不是從教師所擅長的教法教材和活動出發(fā);強調評價要先行于教學活動設計，以此實現教學與評價同步。這一設計過程可以有效地幫助教師克服傳統(tǒng)設計中灌輸式教學且缺少綜合性目標引導、活動式學習有活動無思考的兩大設計誤區(qū)，堅持以終為始，緊扣學生學科核心素養(yǎng)發(fā)展，思考預期結果，有助于培養(yǎng)學生的高階思維。

第一階段：確定預期結果。該階段需要明確通過學習學生應該知道什么？理解什么？能夠做什么？什么內容值得理解？什么是期望的持久理解？教師需要思考教學目標，查看已發(fā)布的國家或者地區(qū)的內容標準，檢驗課程的預期結果。

第二階段：確定合適的評估證據。逆向設計方法中，評價先行于教學活動設計。這個階段教師需要考慮如何知道學生是否已經達到了預期結果？哪些證據能夠證明學生的理解和掌握程度？基于明確的預期學習結果設計有效的表現性任務，確定需要采集的其他評估證據。而表現性任務是指基于一定情境，綜合運用知識和能力，并有相應的建構反應、行為表現或作品形成的任務。

第三階段：設計學習體驗和教學。在確定了學習預期結果和評估證據的前提下，學生要有效開展學習并獲得預期結果，需要哪些知識和技能？哪些活動可以使學生獲得所需知識和技能？根據表現性目標，教師需要教哪些內容，指導學生做什么，以及如何用恰當的方式開展教學？要完成這些目標，哪些材料和資源是最合適的？教師在此基礎上設計有目的的、條理清晰的、有效的和生動的學習體驗和教學。

初中人工智能課程逆向教學設計案例

機器通過學習可以具備各種各樣的技能，機器學習是一種實現人工智能的方法，是學習者學習了解人工智能技術一定會涉及的知識原理，是初中人工智能課程內容之一。那么，在初中人工智能教學中，如何向學生講授機器學習呢？筆者根據逆向教學設計方法，設計面向初中生的機器學習教學，幫助學生對機器學習主要概念和過程進行深入、持久的理解。

1.確定“機器學習”初始課教學內容的預期結果

本課指向學生人工智能素養(yǎng)培養(yǎng)，以初中人工智能課程要求學生理解和掌握機器學習知識原理的程度為依據設計。學生要知道機器學習是在數據中找尋規(guī)律的一種方式，通過數據訓練模型來理解機器學習的原理，了解數據對于機器學習的作用。其中學生需要理解的基本問題、應該知道、理解和能夠做的事情，如表1所示。

2.設計評估任務驗證學生學習預期結果

該階段的關鍵是圍繞知識遷移和應用設計一個真實性評估任務，通過任務的完成程度驗證學生達成學習預期結果的情況?！皺C器學習初始課”中的真實性評估任務，是要求學生使用監(jiān)督學習方法，訓練一個“石頭、剪刀、布”手勢分類模型實現新手勢的分類，并評估預測模型準確性和影響因素。這個任務的完成需要學生運用監(jiān)督學習解決問題的基本思想，經歷機器學習的基本過程，能夠呈現學生在學習預期結果方面的理解和掌握程度。除此之外，教師還通過觀察學生學習過程中的其他表現，如是否能闡述人類學習過程和機器學習過程的關系、是否能說出機器學習的一般過程、是否能區(qū)分監(jiān)督學習與非監(jiān)督學習的應用場景等，來綜合評估學生是否達到了預期結果。

3.設計三項學習體驗任務，在活動與問題解決中完成教學

“機器學習”初始課，教師通過任務驅動、交流討論、直觀演示、支架教學、操作練習等方法，以指向思維發(fā)展的問題為學習線索，引導學生在任務和活動中循序漸進地思考和理解機器學習的本質、不同機器學習方法解決問題的基本思想和過程，在思考、理解、體驗、實踐中逐步達成既定的預期結果。在課堂教學中，教師通過游戲導入學習主題，設計了三項任務，任務開展通過8個活動、11個問題逐步深入，其中對應關系如圖1所示。

（1）游戲導入

課堂教學通過在計算機上玩九宮格的數字游戲引出，游戲規(guī)則是1～9九個數字，橫豎都有三格，使得每行、每列的三數之和都等于15。與傳統(tǒng)的九宮格游戲不同之處在于，游戲中，師生在計算機上通過手寫輸入的方式在空白格中填寫數字，機器自動識別手寫的數字，并判斷是否滿足游戲規(guī)則要求，給出正確或者錯誤的應答。通過游戲調動學生學習的積極性，同時借游戲背后的原理引出機器學習主題。游戲中計算機之所以知道學生寫的數字是幾，是因為計算機具有學習的能力，可以通過學習掌握各種技能。

（2）任務一：學習機器學習的本質

機器學習獲得智能是對人類學習獲得智慧的模仿，因此教師在教學中可以先回顧人類學習的過程，在此基礎上進行類比學習，降低學生理解機器學習本質的認知負荷。在這項任務中，教師通過“活動1：回想人類學習的過程”和“活動2：認識機器學習的過程”，以及啟發(fā)學生思考的問題支架，幫助學生在類比中理解機器學習的本質。

在活動1中，教師通過“問題1：你是如何教小孩子認識貓的？”引導學生回想自己認識貓或者教小孩子認識貓的過程，通過不斷地觀察特征、總結規(guī)律、不斷實踐，最終學會了認識貓。教師通過“問題2：小孩子要經過怎樣的過程才能在大腦中形成貓的特征模型？”的思考，引導學生將人類學習過程中在大腦中建立并不斷優(yōu)化貓的特征模型的隱形過程通過圖示的方式顯性呈現，將思維發(fā)展和學習發(fā)生的過程可視化，幫助學生形成自己對人類學習過程的概括歸納。

在活動2中，學生帶著問題觀看微視頻，可以聚焦學習方向，提高學習效率。學生可以較為輕松地在生動形象的微視頻中找到“問題3：機器又是如何通過學習學會認識貓的？”的回答，學習到機器學習要經歷的輸入數據、訓練模型、驗證模型三大步驟。教師通過“問題4：機器對貓的外貌特征模型的訓練過程是怎樣的？”的設問，以及機器對貓的外貌特征模型的訓練過程留白圖示支架[3]（圖2），可以有效幫助學生更好地類比人類認識貓的過程來理解機器對貓外貌特征模型訓練的過程。

（3）任務二：學習機器學習的方法和基本思想

通過前面的學習，學生對機器學習本質有了一個初步的知識層面的認識。初中階段學生抽象的概念思維建構需要感性經驗的支持，因此在機器學習方法和基本思想的學習過程中，教師通過實驗體驗、直觀演示、操作練習的方式幫助學生建構自身經歷和體驗過程，通過直觀感受強化學生對利用機器學習方法解決問題的基本過程的認識和理解。任務完成的過程拆分成五個依次遞進的活動，同樣以問題鏈的方式啟發(fā)學生思考，領航學生思維發(fā)展，如表2。

在活動3中，學生帶著問題5體驗了教機器識別貓狗的實驗過程。教師通過預設問題支架、記錄實驗步驟的圖示支架幫助學生將關鍵實驗步驟與前面學習的機器學習三大步驟對應起來，通過直觀的實驗體驗加深理解機器學習“輸入數據、訓練模型、驗證模型”的基本過程。基于實驗體驗，在活動4中，教師通過問題6對實驗過程進行追問，引導學生總結提煉監(jiān)督學習中數據樣本同時包含數據和標簽的規(guī)律特點，實現從具體實例到一般特征的概括歸納。

在活動5中，學生圍繞介紹機器學習常見方式的微視頻開展學習，帶著問題7學習微視頻，通過微視頻學習建構對監(jiān)督學習、非監(jiān)督學習、強化學習的認知和理解。問題在學習開始前提出，能夠引導學生在學習過程中準確定位和捕捉關鍵內容，提高效率。在微視頻中介紹了非監(jiān)督學習的基本思想。在活動6中，學生通過觀察機器學習沒有標簽的貓狗圖片得出的學習結果，對比使用監(jiān)督學習方法學習貓狗圖片的過程，思考問題8和問題9，概括監(jiān)督學習和非監(jiān)督學習的不同。最后，在活動7中，教師通過三組機器學習的例子，檢驗學生是否已經理解監(jiān)督學習和非監(jiān)督學習兩種方式的特點及各自的適用場景。

（4）任務三：應用機器學習方法解決實際問題

在該任務中，教師設計“活動8：訓練手勢分類模型”，學生分小組基于AI體驗平臺進行實踐操作，應用監(jiān)督學習方法訓練手勢分類模型，其中采集的手勢樣本數量有30～40和110～120兩種，模型訓練好之后輸入新的手勢，評估預測的準確性，猜想“問題11：影響分類模型預測準確性的因素可能有哪些？”的答案。學生在實踐操作中發(fā)現，經過較多樣本數據訓練得到的模型A相較經過較少樣本數量訓練得到的模型B，預測新手勢的準確性較高。其體現在兩個方面：一是新手勢識別的正確率，模型A的正確率較高;二是正確識別手勢時預測的相似度，模型A預測的相似度較高。

（5）課堂小結

適當的課堂小結可以幫助學生理清知識結構，掌握內在聯系，對學生構建完善自己的知識體系有很大的幫助。課堂小結不是對知識內容的簡單重復，而是從總體上把握知識?！皺C器學習”初始課采用圖示的方式幫助學生回顧機器學習的流程、類型以及利用監(jiān)督學習解決分類問題的過程，有助于學生理順各知識間的聯系，將對機器學習基本知識原理的認知和理解建構到自己的知識體系中，促進知識內化和思維升華。

初中階段人工智能教學意在幫助學生系統(tǒng)、科學地建立對人工智能的認知和理解，在教學中適當增加互動體驗更有助于學生理解內化概念和原理，與學生的生活經驗及實踐體驗相關聯的教學情境可以使學生在短時間內產生共鳴。類型多樣的教學資源可以延展人工智能教學的可能性，包括但不限于人工智能的體驗類資源、理解類資源和實踐類資源等。在課堂中要充分體現學生主體和學生中心，為此，教師可以通過設計活動的方式來促進學生的積極參與，通過精心設計的問題和追問，引導學生思維發(fā)展。

注：本文系上海市教育科學研究一般項目“面向計算思維的初中人工智能教育的實踐研究”（項目批準號：C20078）的研究成果

參考文獻

任友群. 人工智能（初中版）[M]. 上海： 上海教育出版社，2020.

[美]格蘭特·威金斯，杰伊·麥克泰格著;閆寒冰，宋雪蓮，賴平譯. 追求理解的教學設計[M]. 上海： 華東師范大學出版社，2017.

蔡耕，郭邵青. 中小學人工智能教育教材（初中版）[M]. 北京：北京師范大學出版社，2019.