高中信息技術(shù)大概念單元教學(xué)

王析多　張志禎　米天伊

【摘 要】素養(yǎng)導(dǎo)向下的大概念教學(xué)理論對(duì)高中信息技術(shù)教學(xué)的單元設(shè)計(jì)有啟發(fā)性。本文以“機(jī)器學(xué)習(xí)”單元為例，圍繞觀念大概念“數(shù)據(jù)和算法是影響機(jī)器學(xué)習(xí)性能的關(guān)鍵因素”，選擇機(jī)器學(xué)習(xí)真實(shí)案例，通過演示案例、探究案例和體驗(yàn)案例的綜合運(yùn)用，幫助學(xué)生在多樣化深度體驗(yàn)中學(xué)習(xí)大概念。

【關(guān)鍵詞】大概念；單元設(shè)計(jì)；體驗(yàn)；機(jī)器學(xué)習(xí)

【中圖分類號(hào)】G434? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【論文編號(hào)】1671-7384（2023）08-035-03

2022年底，大型語言模型ChatGPT的出色性能引起社會(huì)的普遍關(guān)注。有人認(rèn)為這是人工智能領(lǐng)域的又一個(gè)標(biāo)志性突破，對(duì)人類社會(huì)的影響將深遠(yuǎn)廣泛。在這種情況下，回看我國(guó)普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)人工智能技術(shù)的重視[1]，更顯出其前瞻性。

但是，在人工智能時(shí)代普通高中信息技術(shù)課程開展人工智能教育并非易事。如何讓高中學(xué)生在人工智能教學(xué)中見“樹木”又見“森林”，既能超越其應(yīng)用表面的功能，理解人工智能技術(shù)的工程技術(shù)過程與原理，又能不陷入技術(shù)、算法細(xì)節(jié)，還能夠從整體、宏觀上把握人工智能，就成為信息技術(shù)課程教學(xué)的重要挑戰(zhàn)。

在這種情況下，強(qiáng)調(diào)以現(xiàn)實(shí)世界為基點(diǎn)，以大概念為核心目標(biāo)、指向培養(yǎng)學(xué)生解決真實(shí)問題素養(yǎng)的大概念教學(xué)[2]，引起了我們的注意。大概念是反映思維方式的概念、觀念或論題，它具有生活價(jià)值[3]。學(xué)生如果真正理解大概念，會(huì)將其遷移到生活中去，引發(fā)深度學(xué)習(xí)。對(duì)于培養(yǎng)核心素養(yǎng)、生活價(jià)值的強(qiáng)調(diào)，使我們對(duì)大概念教學(xué)產(chǎn)生興趣。我們運(yùn)用大概念教學(xué)理論，設(shè)計(jì)并實(shí)施了“機(jī)器學(xué)習(xí)”單元教學(xué)，以其為載體探索大概念單元教學(xué)在高中信息技術(shù)課程中的適用性與教學(xué)效果。

單元大概念的確定

本單元基于人民教育出版社和地圖出版社聯(lián)合出版的高中信息技術(shù)教材必修1《數(shù)據(jù)與計(jì)算》（2019年版）第4章“走進(jìn)智能時(shí)代”。該章介紹了人工智能的產(chǎn)生與發(fā)展、應(yīng)用與影響，出現(xiàn)了機(jī)器學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)的一般過程、深度學(xué)習(xí)等概念，同時(shí)也涉及到了智能工具和利用智能工具解決問題的一般方法。

本單元的教學(xué)對(duì)象是高中一年級(jí)學(xué)生。學(xué)生已經(jīng)初步了解了算法的概念、算法的表示，學(xué)習(xí)了程序設(shè)計(jì)三大結(jié)構(gòu)，能夠編寫并讀懂簡(jiǎn)單的Python程序。很多學(xué)生在小學(xué)與初中階段就對(duì)人工智能有所了解，在生活中聽過、看過、體驗(yàn)過多種多樣的人工智能應(yīng)用。因此，本單元不能僅僅停留在必修課程的一般性要求上，而應(yīng)該適當(dāng)拓展，達(dá)到選擇性必修課程的要求，即對(duì)人工智能的實(shí)現(xiàn)技術(shù)有一定體驗(yàn)和了解。

經(jīng)過對(duì)課程標(biāo)準(zhǔn)、教材的分析，結(jié)合對(duì)人工智能專家的訪談，我們確定了“機(jī)器學(xué)習(xí)過程與原理”的單元主題。機(jī)器學(xué)習(xí)是人工智能的重要領(lǐng)域之一，其研究與應(yīng)用的突破，是近年來人工智能受到社會(huì)廣泛關(guān)注的主要原因。學(xué)生對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)基本原理有正確的認(rèn)識(shí)，是智能時(shí)代信息素養(yǎng)的重要方面。機(jī)器學(xué)習(xí)的一般過程如圖1所示。機(jī)器學(xué)習(xí)的過程看上去簡(jiǎn)單直觀，但是要真正理解需要大量相關(guān)概念、技能的支撐，如訓(xùn)練數(shù)據(jù)、測(cè)試數(shù)據(jù)、模型等。如何把這些串起來，我們想到了機(jī)器學(xué)習(xí)的性能（這里用預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確率作為性能指標(biāo)）取決于模型的質(zhì)量，而模型是由訓(xùn)練數(shù)據(jù)和算法共同決定的。因此，本單元的大概念確定為“數(shù)據(jù)和算法是影響機(jī)器學(xué)習(xí)性能的關(guān)鍵因素”，這是觀念大概念[4]，以此進(jìn)行單元的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)、教學(xué)過程設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)。

單元設(shè)計(jì)思路

目前有些教學(xué)案例，將機(jī)器學(xué)習(xí)看作“黑箱”，這難以達(dá)到理解大概念的目標(biāo)，不利于學(xué)生樹立正確的人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)觀。本單元嘗試打開“黑箱”，讓學(xué)生對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的基本過程與基本原理有初步的、有體驗(yàn)支撐的認(rèn)識(shí)。

數(shù)據(jù)和算法是如何影響機(jī)器學(xué)習(xí)性能的，能影響到什么程度，從圖1很難想象出來。大概念教學(xué)主要呈現(xiàn)的應(yīng)該是螺旋上升的形態(tài)，學(xué)習(xí)既始終圍繞大概念，同時(shí)又在不斷發(fā)展，這是一種迭代邏輯。[5]

本單元以機(jī)器學(xué)習(xí)的一般過程作為明線，以大概念作為暗線，有梯度地選取機(jī)器學(xué)習(xí)的真實(shí)案例，分別用于教師演示（演示案例）、學(xué)生探究試驗(yàn)（探究案例）和學(xué)生運(yùn)行程序體驗(yàn)（體驗(yàn)案例）。本單元為學(xué)生提供演示實(shí)例和探究案例的代碼，引導(dǎo)學(xué)生從案例出發(fā)建構(gòu)大概念，運(yùn)用大概念嘗試剖析演示案例、探究案例與體驗(yàn)案例，不同的案例螺旋迭代出現(xiàn)。反思是大概念教學(xué)的核心部分，學(xué)生最后能否將大概念整合進(jìn)自己的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，很大程度上就是看他們能否反思。本單元的反思主要采用學(xué)生之間討論的形式，經(jīng)過討論，最終使學(xué)生形成大概念。

單元目標(biāo)設(shè)計(jì)

依據(jù)課標(biāo)及本單元設(shè)計(jì)的基本思想，結(jié)合教材和學(xué)情，將單元大概念具體化為如下教學(xué)目標(biāo)：

（1）理解機(jī)器學(xué)習(xí)的一般過程，理解數(shù)據(jù)和算法是影響程序性能的關(guān)鍵因素，體驗(yàn)算法有適用條件和局限性；

（2）形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，了解機(jī)器學(xué)習(xí)帶給社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的巨大進(jìn)步，認(rèn)識(shí)機(jī)器學(xué)習(xí)在信息社會(huì)的重要作用，激發(fā)探索人工智能的興趣；

（3）了解我國(guó)現(xiàn)階段人工智能開發(fā)的現(xiàn)狀，形成人工智能方面的社會(huì)責(zé)任感。

教學(xué)過程設(shè)計(jì)

大概念教學(xué)以單元為單位設(shè)計(jì)實(shí)施。本文限于篇幅只呈現(xiàn)與單元目標(biāo)1相關(guān)的教學(xué)過程，該過程分為以下3課時(shí)。

第1課時(shí)：“走近機(jī)器學(xué)習(xí)”。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生討論“人是如何學(xué)習(xí)的”，類比得出機(jī)器學(xué)習(xí)的一般過程。從“小朋友是如何學(xué)會(huì)認(rèn)識(shí)蘋果”的真實(shí)情境出發(fā)，通過討論、反思，學(xué)生可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)（經(jīng)驗(yàn)案例）和算法（感知記憶方式）會(huì)影響識(shí)別準(zhǔn)確率。這是學(xué)生第一次意識(shí)到“數(shù)據(jù)和算法是影響機(jī)器學(xué)習(xí)性能的關(guān)鍵因素”單元大概念。圍繞著數(shù)據(jù)和算法，學(xué)生分組討論“房?jī)r(jià)預(yù)測(cè)”等四個(gè)演示案例，體會(huì)數(shù)據(jù)和算法能夠影響程序性能，初步感受單元大概念。

第2課時(shí)：“走進(jìn)機(jī)器學(xué)習(xí)”。利用基于樸素貝葉斯算法的“中文姓名預(yù)測(cè)性別”探究案例，讓學(xué)生熟悉操縱機(jī)器學(xué)習(xí)過程中的各個(gè)要素，幫助學(xué)生直接看到機(jī)器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)、算法和性能。教師給出“中文名字預(yù)測(cè)性別”Python程序，學(xué)生通過以下3個(gè)探究活動(dòng)，進(jìn)一步體驗(yàn)單元大概念。探究活動(dòng)1：數(shù)據(jù)對(duì)性能影響的探究試驗(yàn)。學(xué)生使用學(xué)校近十年的4000個(gè)學(xué)生姓名及其性別作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù)，調(diào)整訓(xùn)練集數(shù)量與總數(shù)據(jù)量比例，運(yùn)行程序，記錄準(zhǔn)確率。學(xué)生綜合對(duì)比分析數(shù)據(jù)與準(zhǔn)確率的關(guān)系，體驗(yàn)數(shù)據(jù)是影響機(jī)器學(xué)習(xí)性能的一個(gè)關(guān)鍵因素。探究活動(dòng)2：數(shù)據(jù)與算法對(duì)性能影響的探究試驗(yàn)。訓(xùn)練數(shù)據(jù)換成從互聯(lián)網(wǎng)下載的12.4萬個(gè)名字及其性別數(shù)據(jù)，學(xué)生再次調(diào)整訓(xùn)練集的數(shù)據(jù)量與總數(shù)據(jù)量比例、運(yùn)行程序、記錄準(zhǔn)確率。教師引導(dǎo)學(xué)生觀察思考訓(xùn)練集規(guī)模與程序性能之間的關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生思考算法性能的極限，體驗(yàn)算法是影響機(jī)器學(xué)習(xí)性能的另一個(gè)關(guān)鍵因素。探究活動(dòng)3：數(shù)據(jù)異常情況處理的探究試驗(yàn)。教師引導(dǎo)學(xué)生用名字的最后一個(gè)字做特征值（feature），思考異常數(shù)據(jù)的處理。例如，名字“王多析”的“析”字在訓(xùn)練數(shù)據(jù)里沒有，程序?qū)⑷绾翁幚?？引?dǎo)學(xué)生提出解決方法。進(jìn)而，有興趣的同學(xué)還可以嘗試，如果用名字中的后兩個(gè)字做特征值，比如名字“王多析”，但訓(xùn)練集里“析”“多”兩個(gè)字都沒有，或者“析”字沒有、“多”字有，如何修改程序。

第3課時(shí)：“走近深度學(xué)習(xí)”?；诟呔S數(shù)據(jù)、復(fù)雜算法的應(yīng)用，期待學(xué)生能體驗(yàn)近年來機(jī)器學(xué)習(xí)中最受關(guān)注的深度學(xué)習(xí)。本節(jié)課分為以下三個(gè)環(huán)節(jié)。環(huán)節(jié)1：“手寫數(shù)字識(shí)別”演示案例。該案例利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)手寫數(shù)字識(shí)別，訓(xùn)練數(shù)據(jù)是5萬個(gè)28×28像素的圖像。學(xué)生觀看“手寫數(shù)字識(shí)別”演示實(shí)例的訓(xùn)練、測(cè)試過程的微課，并親自動(dòng)手書寫數(shù)字來測(cè)試程序。環(huán)節(jié)2：“教室狀態(tài)識(shí)別”體驗(yàn)案例。教師給出一個(gè)本校學(xué)生校園生活的真實(shí)情境，教師需要知道自己教室里的學(xué)生是什么狀態(tài)（三種狀態(tài)：學(xué)生聽講、學(xué)生正在動(dòng)手實(shí)踐、教室內(nèi)無學(xué)生）。該案例的訓(xùn)練數(shù)據(jù)是6千個(gè)1920×1080像素的圖像，使用的算法是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。學(xué)生借助微課，實(shí)踐“教室狀態(tài)識(shí)別”探究案例的訓(xùn)練、測(cè)試過程，體驗(yàn)機(jī)器學(xué)習(xí)（深度學(xué)習(xí)）的訓(xùn)練過程和測(cè)試過程，打開機(jī)器學(xué)習(xí)“黑箱”。環(huán)節(jié)3：學(xué)生討論。用“手寫數(shù)字識(shí)別”“教室狀態(tài)識(shí)別”兩個(gè)實(shí)例對(duì)比“用中文名字預(yù)測(cè)性別”實(shí)例，學(xué)生分組進(jìn)行討論、反思，理解數(shù)據(jù)和算法是影響機(jī)器學(xué)習(xí)性能的關(guān)鍵因素，最終形成單元大概念。

單元評(píng)價(jià)

注重過程性評(píng)價(jià)，淡化總結(jié)性評(píng)價(jià)，關(guān)注學(xué)生參與度。本單元的過程性評(píng)價(jià)資料有學(xué)生每節(jié)課的課堂活動(dòng)單（含討論記錄）、學(xué)生的課堂表現(xiàn)（專注度、參與度）、微課平臺(tái)相關(guān)記錄（登錄次數(shù)、觀看微課時(shí)長(zhǎng)、微課平臺(tái)上測(cè)試問題成績(jī)等）；總結(jié)性評(píng)價(jià)主要看學(xué)生的程序模型文件是否訓(xùn)練成功、運(yùn)行成功。

教學(xué)反思

1.真實(shí)的案例有利于學(xué)生遷移

單元設(shè)計(jì)注重生活中的真實(shí)技術(shù)和真實(shí)情境，要注意幫助學(xué)生將技術(shù)遷移到不同的多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景。真實(shí)情境的案例，其問題解決方法往往較為復(fù)雜，又具有開放性，但越真實(shí)的案例越有助于學(xué)生運(yùn)用大概念來解決生活中的問題，達(dá)到真正的知識(shí)遷移。

本單元的案例真實(shí)性包含兩方面：一是案例來源于學(xué)生生活，如“用中文名字預(yù)測(cè)性別”“手寫數(shù)字識(shí)別”“教室狀態(tài)識(shí)別”“房?jī)r(jià)預(yù)測(cè)”等，這些問題都是現(xiàn)實(shí)世界客觀存在的，易于激發(fā)學(xué)生探索機(jī)器學(xué)習(xí)的興趣，感受到機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)信息社會(huì)的重要作用。二是所選案例的代碼、數(shù)據(jù)、模型文件及測(cè)試結(jié)果，學(xué)生都能看到，這打開了機(jī)器學(xué)習(xí)“黑箱”，讓學(xué)生獲得直觀的體驗(yàn)。

2.豐富的案例有助于理解大概念

學(xué)生對(duì)大概念的理解需要一定數(shù)量的案例來幫助。本文的演示案例、探究案例、體驗(yàn)案例均為真實(shí)案例。多個(gè)案例都貼近學(xué)生生活，豐富多樣，且案例的復(fù)雜度呈螺旋上升的關(guān)系，在不同的環(huán)節(jié)起到了不同的作用。

第2課時(shí)的“用中文名字預(yù)測(cè)性別”探究案例，使用的數(shù)據(jù)是文本（中文名字，數(shù)據(jù)量12.4萬）；而算法是樸素貝葉斯算法，學(xué)生在高一數(shù)學(xué)課中學(xué)過先驗(yàn)概率，能很容易理解這個(gè)算法，該程序的代碼不長(zhǎng)、學(xué)習(xí)不難，學(xué)生在教師的帶領(lǐng)下能夠讀懂。第3課時(shí)的“手寫數(shù)字識(shí)別”“教室狀態(tài)識(shí)別”兩個(gè)案例，數(shù)據(jù)使用的是圖像（前者是28×28像素，約5萬張；后者1920×1080像素，約6千張），其算法采用的是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，代碼很長(zhǎng)，即便有老師講解，絕大多數(shù)學(xué)生仍難以理解程序代碼的運(yùn)行原理與功能。由此，學(xué)生能感受到對(duì)知識(shí)的理解逐步加深。

3.有效的討論促進(jìn)生成大概念

討論是教師提供給學(xué)生生成大概念的機(jī)會(huì)，討論題目要指向大概念。討論實(shí)施過程要在教師的指導(dǎo)下進(jìn)行，確保質(zhì)量及效率。

如第1課時(shí)，“人是如何學(xué)習(xí)的”“小朋友如何學(xué)會(huì)認(rèn)識(shí)蘋果”兩個(gè)案例為教師引導(dǎo)下的師生之間討論，“房?jī)r(jià)預(yù)測(cè)”等四個(gè)案例為學(xué)生之間討論，通過這六個(gè)案例的討論讓學(xué)生意識(shí)到本單元的大概念。

能夠說出數(shù)據(jù)（照片）內(nèi)容太復(fù)雜、有些照片人也很難分辨出是什么狀態(tài)、照片的數(shù)據(jù)量不夠巨量、是否有更優(yōu)的算法。通過討論、反思，幫助學(xué)生最終生成大概念。

大概念作為一種新的教學(xué)理念，為我們提供了一種更系統(tǒng)化、更全面的教學(xué)實(shí)踐思路。我們會(huì)在大概念視角下，探索單元教學(xué)設(shè)計(jì)，為智能時(shí)代培養(yǎng)具有高水平信息素養(yǎng)的創(chuàng)新能力人才做出更大的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[3] [4] [5] 劉徽. 大概念教學(xué)：素養(yǎng)導(dǎo)向下的單元整體設(shè)計(jì)[M]. 北京： 教育科學(xué)出版社， 2022.

編? ?輯：馮安華