陳衛(wèi)軍　項婉

【摘 要】針對如何在初中階段推進“科”“技”并重的人工智能教學的問題，本文以“機中生智——AI對對聯(lián)”一課為例，深入淺出地講解AI對對聯(lián)的原理，以層層遞進的探究活動，深化學生對原理的認識，提升學生的知識遷移能力，以期為“科”“技”并重理念的初中人工智能課程創(chuàng)新設計提供新思路。

【關鍵詞】人工智能；科技并重；創(chuàng)新；教學實踐

【中圖分類號】G434? ?【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2023）04-047-04

案例背景

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》將“人工智能”設置為課程的六大邏輯主線之一，強調(diào)小學低年級注重生活體驗；小學中高年級初步學習基本概念和基本原理，并體驗其應用；初中階段深化原理認識，探索利用信息科技手段解決問題的過程和方法[1]。然而人工智能涉及的原理深奧復雜，對于初中階段人工智能教學而言，過淺講授原理則只能讓學生停留于體驗和了解階段，過深突出原理又會使學生陷于晦澀難懂的概念當中。所以如何把握初中人工智能教學尺度，立足于初中學生的認知特點，設計出有深度的教學案例，培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)，達成教學目標，是當前在初中階段開展人工智能教學面臨的難題。筆者認為解決這一難題的關鍵在于要堅持“科”“技”并重的教學理念。

熊璋教授指出，信息科技課程應該從實踐應用出發(fā)，注重幫助學生理解基本概念和基本原理，引導學生認識信息科技對人類社會的貢獻與挑戰(zhàn)，提升學生的知識遷移能力和學科思維水平，體現(xiàn)“科”與“技”并重[2]。當前大多數(shù)初中人工智能課程停留在“技”上，重實踐應用輕科學原理是普遍現(xiàn)象，教師經(jīng)常在課堂上通過圖形化編程加深學生對應用的體驗，卻忽略了圖形化編程將原理封裝起來的現(xiàn)實，導致學生知其然不知其所以然，缺少“科”的元素。本文以“機中生智——AI對對聯(lián)”一課為例，闡述“科”“技”并重的初中人工智能教學實施過程。

案例描述

1.活動導入：對聯(lián)我來對

上課伊始，教師指出對聯(lián)是中華民族優(yōu)秀傳統(tǒng)文化之一，對對聯(lián)更是流傳已久的習俗，引導學生參與對對聯(lián)活動，激發(fā)學生的學習興趣。接著，教師展示幾個難度遞增的上聯(lián)，如“綠水”和“孫行者”，請學生對出下聯(lián)。學生興趣盎然，在對對聯(lián)活動中感受中華民族優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的魅力。最后，教師提出對對聯(lián)要遵循的要求，并展示有趣且有難度的上聯(lián)“朝朝朝朝朝朝落”，從而引出本課主題“機中生智——AI對對聯(lián)”。

設計意圖：通過對對聯(lián)活動引出本課主題“機中生智—AI對對聯(lián)”，旨在引導學生傳承并弘揚中華民族優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，并逐步過渡到人工智能對對聯(lián)中。

2.平臺體驗：評價人工智能對對聯(lián)

學生打開在線智能對聯(lián)系統(tǒng)，輸入上聯(lián)，體驗人工智能對對聯(lián)的過程。然后，學生打開問卷星“評價人工智能對對聯(lián)”網(wǎng)頁，從“字數(shù)相同、對仗工整”“平仄相拗、格律和諧”“語句通順、句意清晰”“秀詞錦句、有創(chuàng)造性”“意蘊悠長、有感染力”等五個維度評價人工智能對對聯(lián)的水平。接著，教師與學生共同對收集的數(shù)據(jù)進行分析，得出結論：人工智能對對聯(lián)能夠滿足對聯(lián)的基本要求，而且它還可以幫助人們快速創(chuàng)作對聯(lián)，但在創(chuàng)造性和感染力方面相對欠缺，不能恰當?shù)乇磉_人類的情感。學生通過客觀分析，能夠正確認識當前人工智能在創(chuàng)作對聯(lián)中存在的優(yōu)缺點。

設計意圖：學生通過平臺體驗和評價人工智能對對聯(lián)，初步感受人工智能在對聯(lián)創(chuàng)作中的魅力，了解人工智能對對聯(lián)的水平、優(yōu)勢和能力邊界，為探究人工智能怎樣對對聯(lián)做好思維鋪墊。

3.對比探究：分析人對對聯(lián)的過程

教師以上聯(lián)“孫行者”為例，帶著學生一起分析在對對聯(lián)活動中人對出下聯(lián)“祖沖之”的過程（圖1）。首先將“孫行者”進行分詞，接著對切分的詞進行詞性標注，最后在腦海中搜尋合適的詞匯，對出下聯(lián)“祖沖之”。這時教師提問：“機器也是運用相同的方法對出下聯(lián)的嗎？”啟發(fā)學生進行遷移學習，讓學生帶著問題觀看機器對對聯(lián)運用到的“自然語言處理技術”視頻。

設計意圖：通過分析人對對聯(lián)的過程，遷移到機器對對聯(lián)的過程，為學生進行遷移學習提供支架。

4.原理揭秘：探究人工智能對對聯(lián)的過程

（1）上聯(lián)解析：分詞、詞性標注、韻腳分析

教師給出上聯(lián)“爆竹辭舊”，并提出問題“機器是怎么理解上聯(lián)的？”學生從人理解上聯(lián)的過程遷移到機器解析上聯(lián)的過程，即通過“分詞—詞性標注—韻腳分析”這一過程解析上聯(lián)。學生從已知經(jīng)驗到未知問題，在遷移反思中實現(xiàn)基于理解的學習。

（2）詞匯匹配：在數(shù)據(jù)庫中匹配合適的詞匯

教師給出例子，如“綠水”匹配“青山”，請學生打開學習單（圖2），將機器分詞后的“爆竹”和“辭舊”兩個詞匯，在右邊詞庫中匹配合適的詞匯，拖動到左邊合適的框中，在匹配的過程中請學生自主探究“數(shù)據(jù)庫”的概念。學生通過實踐探究，理解機器匹配詞匯的過程。接著教師請學生上臺展示探究的成果，并分享討論“數(shù)據(jù)庫”這一概念。

（3）詞匯PK：特征分析

通過數(shù)據(jù)庫匹配，教師指出匹配的候選詞匯有多個，要挑選出最佳詞匯就需要進行詞匯PK，PK的內(nèi)容是詞匯的特征——內(nèi)容和情感?？紤]到學生的認知發(fā)展處于從具象思維到抽象思維的過渡時期，較難理解特征分析這個抽象過程，因此教師對該內(nèi)容進行加工，將抽象內(nèi)容具象化，把詞匯特征映射到學生能直觀理解的平面直角坐標系中（圖3）。用x軸表示詞匯的內(nèi)容特征，內(nèi)容值分布在0～10單位之間，0代表非物品，5代表普通物品，10代表過節(jié)物品。用y軸表示詞匯的情感特征，情感值分布也在0～10單位之間，0代表的情感是悲，5代表的情感是中性，10代表的情感是喜。教師引導學生打開學習單進行小組探究，將詞匯映射到坐標系的合適位置。

如“爆竹”是過節(jié)物品，表達喜悅的情感較重，所以它的橫坐標取10，縱坐標取8～10之間均可，這里取爆竹的坐標為（10，10）；“桃符”是傳統(tǒng)的漢族文化，古人在辭舊迎新之際，在桃木板上刻寫神靈的名字，粘貼在門首，用來祈福滅禍，情感中性偏喜，這里取桃符的坐標為（10，6）；“磐石”指厚而大的石頭，它是普通物品，中性情感，所以取磐石的坐標為（5，5）；“楊柳”無生命特征，屬于非物品，寓意“留”，古代親友離去，都會用楊柳相贈，表達的情感是悲，所以取楊柳的坐標為（0，0）。

（4）精確查找：計算歐氏距離相似度，找出最佳詞匯

通過特征分析，學生能直觀地在平面直角坐標系中發(fā)現(xiàn)目標詞匯與候選詞匯之間的距離關系。這時，教師請學生進行自主探究，學習歐氏距離相似度的計算方法。通過自主學習，學生掌握分步計算詞匯相似度的方法，首先寫出各詞匯的坐標，再根據(jù)公式計算出各候選詞匯與目標詞匯之間的歐氏距離相似度，如圖4所示。

通過以上計算，發(fā)現(xiàn)桃符的歐氏距離相似度最小，而歐氏距離相似度越小，表示該候選詞匯與目標詞匯越相似，越可能被優(yōu)先篩選出來。這樣，“爆竹”找出的最佳詞匯是“桃符”，“辭舊”也用相同的方法，找出的最佳詞匯是“迎新”，再將它們組合在一起，輸出下聯(lián)“桃符迎新”。

（5）歸納概括：自然語言處理的一般過程

在該環(huán)節(jié)，教師和學生共同梳理人工智能對對聯(lián)的詳細過程（圖5）：首先輸入上聯(lián)，第一步對上聯(lián)進行分詞、詞性標注、韻腳分析；第二步在數(shù)據(jù)庫中匹配合適的詞匯；第三步對詞匯進行特征分析；第四步計算歐式距離相似度，找出最佳詞匯；最后將對應的詞匯組合成下聯(lián)輸出。接著，教師引導學生歸納自然語言處理的一般過程：輸入自然語言—理解自然語言—運用模型—輸出自然語言。

設計意圖：原理揭秘環(huán)節(jié)，將原理內(nèi)容巧妙設計成各種遞進式探究活動，將深奧的原理轉化成學生感興趣的學習活動，使學生在探究中深化對原理的認識，親身經(jīng)歷利用信息科技手段解決問題的過程。同時，將人工智能對對聯(lián)的過程歸納成自然語言處理的一般流程，為遷移學習提供理論支撐。

5.拓展遷移：自然語言處理在生活中的應用

在該環(huán)節(jié)，教師提出問題：“自然語言處理技術除了能創(chuàng)作對聯(lián)，還能創(chuàng)作哪些內(nèi)容？”學生回答詩歌、繪畫、作曲等。接著，教師展示手機的智能問答系統(tǒng)，帶領學生一起分析智能問答系統(tǒng)運用到的自然語言處理技術原理。隨后，師生共同尋找身邊的自然語言處理應用，如智能翻譯、自動導航、微信的語音轉文字等。最后，教師請學生分組體驗并探究不同應用背后的自然語言處理技術原理。其中，第一、二組探究智能寫詩，第三、四組探究智能創(chuàng)作，第五、六組探究近鄰詞匯檢索，并用自然語言描述原理的詳細過程，如圖6。

設計意圖：學生分組探究不同應用背后運用的自然語言處理技術原理，在探究中實現(xiàn)遷移學習，以此達成教學目標，突破教學難點，進而培養(yǎng)學生的學科核心素養(yǎng)。

6.總結提升：科技與文化并重

學生借助思維導圖梳理本節(jié)課內(nèi)容，教師展示存在缺點的智能對聯(lián)，請學生思考當前智能對聯(lián)系統(tǒng)存在的局限性，順勢引導學生正確認識人工智能的優(yōu)缺點，增強自我判斷意識和信息社會責任感，學會與人工智能良好共處。同時教師提出，由于現(xiàn)代人對傳統(tǒng)文學的生疏和缺乏對對聯(lián)的練習，使得對對聯(lián)變得困難重重。科學家研發(fā)智能對聯(lián)系統(tǒng)的初衷是為了幫助人們更好地認識對聯(lián)、學習對聯(lián)，通過人工智能使得對對聯(lián)活動煥發(fā)出新的生命力。教師鼓勵學生充分利用人工智能技術學習和弘揚中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化。

設計意圖：利用思維導圖，總結鞏固所學內(nèi)容。提出科技和文化并重的觀點，升華學生思維情感，培育正確的世界觀、人生觀和價值觀，促進學生在數(shù)字世界與現(xiàn)實世界中健康成長。

本課是“中山—揭陽—韶關三地教研基地信息科技新課標專題研修暨送教活動”的一節(jié)展示課，送教對象是揭陽市實驗中學初三（4）班學生。學生課堂上任務的完成度達到96%，93%以上的學生表示能夠深刻理解人工智能對對聯(lián)的原理，90%以上的學生能運用所學知識進行遷移學習，探究出生活中常用的自然語言處理應用及其背后的原理。

教學反思

1.充分借助人工智能開放資源，搭建學習支架

“科”“技”并重的初中人工智能教學實踐需要教師給學生提供及時且充足的學習支架，促使學生有效利用各種學習資源，開展積極主動的學習活動。當前，網(wǎng)上有眾多的人工智能開放資源，如百度AI開放平臺、騰訊AI開放平臺等，這些平臺的開放能力涉及圖像識別、語音識別、自然語言處理等眾多人工智能模塊。本案例借助了開放的人工智能對聯(lián)系統(tǒng)、智能詩歌寫作系統(tǒng)、智能創(chuàng)作平臺、近鄰詞匯檢索平臺，讓學生在體驗和探究中深刻感受人工智能的魅力。

2.充分設計多元化學習活動，構建探究式學習環(huán)境

“科”“技”并重的初中人工智能教學實踐的關鍵在于探究式學習活動的設計。作為信息科技教師，要遴選出科學原理和實踐應用并重的課程內(nèi)容，對教學內(nèi)容進行優(yōu)化，并充分結合學生的認知特點，設計生動有趣的多元化學習活動，推進以學生為主體的學習方式創(chuàng)新。本案例結合初中階段學生的認知特點，以人工智能對對聯(lián)為教學主線，提取原理的關鍵內(nèi)容進行精細化加工，設計了“對聯(lián)我來對”“平臺體驗”“詞匯匹配”“詞匯PK”和“精確查找”等多個遞進式探究活動，充分調(diào)動了學生學習的積極性，使學生在探究中掌握人工智能對對聯(lián)的原理，在探究中實現(xiàn)遷移學習。

3.充分發(fā)揮課程育人功能，反映數(shù)字時代正確的育人方向

“科”“技”并重的初中人工智能教學實踐需要增強課程的思想性，貫徹黨的教育方針，落實立德樹人根本任務。本案例將中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化“對聯(lián)”與人工智能科技進行有機融合，使文化與科技碰撞出新的火花。同時，教師引導學生思考當前智能對聯(lián)系統(tǒng)存在的局限性，幫助學生正確認識人工智能的優(yōu)缺點，樹立科技活動中應遵循的價值觀、道德責任和行為準則，養(yǎng)成在信息社會中學習和生活的良好習慣。

4.充分挖掘人工智能原理，弱化對硬件的依賴

“科”“技”并重的初中人工智能教學實踐需要教師培養(yǎng)自己的教學智慧，立足于學生的認知特點，深度挖掘人工智能原理，調(diào)整教學重心，既重實踐應用也重科學原理，這樣就能弱化人工智能教學中對硬件的強烈需求，有利于在初中普及人工智能教學。本案例不需要借助任何人工智能硬件，教學資源只需稍做調(diào)整，在普通的教室也能順利開展，打破了傳統(tǒng)人工智能課程的時空限制，探索出一種新的人工智能課程教學方式。

注：本文系廣東省中小學“百千萬人才培養(yǎng)工程”專項科研項目課題“初中信息技術人工智能模塊的項目教學實踐研究”（項目編號：BQW2021JCL003）階段性研究成果

參考文獻

中華人民共和國教育部. 義務教育信息科技課程標準（2022年版）[S]. 北京：北京師范大學出版社，2022： 2.

熊璋.“科”“技”并重： 義務教育信息科技課程標準解讀——訪義教信息科技課標組組長熊璋教授[J]. 中國信息技術教育，2022（9）： 4-7.

作者單位：廣東中山市第一中學

編? ?輯：馮艷艷