高中信息技術(shù)人工智能選修內(nèi)容融入必修模塊的實踐

陳智敏

摘要：本文通過“剖析智能分類系統(tǒng)”項目串聯(lián)了必修2《信息系統(tǒng)與社會》第二章“信息系統(tǒng)的組成與功能”與選擇性必修4《人工智能初步》第三章“機(jī)器學(xué)習(xí)與人工智能的核心算法”中的多個知識與技能，并從創(chuàng)設(shè)項目情境、提出項目問題、開展項目規(guī)劃、實施項目活動、進(jìn)行項目匯報與評價五個方面闡述了高中信息技術(shù)人工智能選修內(nèi)容融入必修模塊的實踐，希望能給一線教師帶來高中人工智能普適性教學(xué)的啟示。

關(guān)鍵詞：高中信息技術(shù)；選擇性必修；人工智能；融入；項目教學(xué)

中圖分類號：G434 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?論文編號：1674-2117（2023）16-0047-04

高中信息技術(shù)人工智能選修內(nèi)容融入必修模塊的可行性

近年來，人工智能的發(fā)展推動著社會各領(lǐng)域從數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化向智能化轉(zhuǎn)變，人工智能技術(shù)正深刻并將持續(xù)地改變?nèi)祟惖纳罴八季S方式?！镀胀ǜ咧行畔⒓夹g(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中已明確將“人工智能初步”列為“選擇性必修模塊4”，希望能夠借此幫助高中學(xué)生充分了解人工智能的相關(guān)概念和典型的算法、核心原理。[1]

目前，課程的實施方式主要有三種：第一種是先在高一上下學(xué)期常規(guī)課堂中完成兩個必修模塊的教學(xué)任務(wù)，然后繼續(xù)在高二開設(shè)有關(guān)人工智能內(nèi)容的選修教學(xué)，但事實上很多學(xué)校由于常規(guī)信息技術(shù)課課時不足，在高二還需要繼續(xù)完成必修模塊內(nèi)容的教學(xué)，更何況高二還有通用技術(shù)學(xué)科的教學(xué)任務(wù)；第二種則是采用課外研修的方式，對高中信息技術(shù)學(xué)科常規(guī)課堂教學(xué)進(jìn)行補(bǔ)充，如清華大學(xué)附屬中學(xué)采用這種方式直接參與清華大學(xué)的人工智能大中銜接課程培訓(xùn)，其他實驗學(xué)校則采用線上觀看直播或者回放的方式參與課程的學(xué)習(xí)，這種援助式的“雙師課堂”雖然在一定程度上有助于推動中小學(xué)人工智能教育的發(fā)展，但由于不同區(qū)域使用的教材不一致、課堂互動體驗不好等最終影響了課程的實施效果；第三種則是將選修模塊的人工智能相關(guān)知識內(nèi)容等融入高中信息技術(shù)課程必修部分較為基礎(chǔ)的教學(xué)內(nèi)容中[2]，以環(huán)環(huán)相扣的項目活動為途徑，引導(dǎo)學(xué)生開展自主、協(xié)作、探究學(xué)習(xí)，有利于學(xué)生在理論學(xué)習(xí)中掌握必修內(nèi)容以及人工智能的核心算法，在深入思考中體會到人工智能在解決實際問題的過程中所存在的問題等。[3]

通過整體考察粵教版普通高中信息技術(shù)必修1《數(shù)據(jù)與計算》以及必修2《信息系統(tǒng)與社會》的教學(xué)內(nèi)容，筆者發(fā)現(xiàn)諸多基礎(chǔ)知識和技能與選修4《人工智能初步》的內(nèi)容有所關(guān)聯(lián)[4]，如必修1第三章“算法基礎(chǔ)”、第四章“程序設(shè)計”與《人工智能初步》的第二章“人工智能基礎(chǔ)算法及應(yīng)用”、第三章“機(jī)器學(xué)習(xí)與人工智能的核心算法”相關(guān)聯(lián)；必修1第五章“數(shù)據(jù)處理與可視化表達(dá)”、必修2第二章“信息系統(tǒng)的組成與功能”和《人工智能初步》的第三章“機(jī)器學(xué)習(xí)與人工智能的核心算法”相關(guān)聯(lián)；必修1第六章“人工智能及其應(yīng)用”與《人工智能初步》第一章“人工智能概述”相關(guān)聯(lián)……因此，圍繞必修模塊中的教學(xué)內(nèi)容充分研究如何融合人工智能選修內(nèi)容，設(shè)計并規(guī)劃出合理的主題項目以開展教學(xué)實踐，是很有必要的。

高中信息技術(shù)人工智能選修內(nèi)容融入必修模塊的實踐

必修2《信息系統(tǒng)與社會》第二章“信息系統(tǒng)的組成與功能”要求通過分析典型的信息系統(tǒng)，幫助學(xué)生了解信息系統(tǒng)的組成與功能，理解計算機(jī)等在信息系統(tǒng)中的作用，而選擇性必修4《人工智能初步》第三章“機(jī)器學(xué)習(xí)與人工智能的核心算法”要求通過剖析具體的智能信息系統(tǒng)，幫助學(xué)生在了解智能分類系統(tǒng)的組成時，也能夠?qū)ο嚓P(guān)的人工智能核心算法的實現(xiàn)原理和技術(shù)應(yīng)用的基本過程有一定的理解，兩者在教學(xué)內(nèi)容上具有一定的關(guān)聯(lián)性。

筆者根據(jù)所教學(xué)生的實際情況以及機(jī)房機(jī)位設(shè)置情況，將學(xué)生三人或四人組成一組，通過“剖析智能分類系統(tǒng)”項目開展教學(xué)，串聯(lián)了必修模塊“信息系統(tǒng)的組成與功能”與選修模塊“機(jī)器學(xué)習(xí)概述”“貝葉斯分類器”等多個知識與技能，基于日常生活以及社會發(fā)展中起到重要作用的智能信息系統(tǒng)，借助多種數(shù)字化學(xué)習(xí)工具開展了環(huán)環(huán)相扣且具有針對性的探究活動，課時安排為6課時，項目設(shè)計與實施過程如下圖所示。

1.創(chuàng)設(shè)項目情境

通過“垃圾郵件智能分類系統(tǒng)”這一主題讓學(xué)生認(rèn)識到人工智能與現(xiàn)實生活的關(guān)聯(lián)：綠水青山就是金山銀山，網(wǎng)絡(luò)空間也需要“綠水青山”。垃圾郵件通常定義為未經(jīng)用戶請求就強(qiáng)行發(fā)送到用戶信箱中，可能帶有廣告、宣傳資料和病毒等內(nèi)容的電子郵件，一般具有批量發(fā)送的特征。隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，智能工具與技術(shù)在日常生活中發(fā)揮了重要的作用，垃圾郵件智能分類系統(tǒng)利用人工智能技術(shù)，如樸素貝葉斯分類器，可以通過推測的概率判斷接收到的郵件中哪些是對接收方完全沒有意義的郵件，并進(jìn)行攔截、刪除等操作，從而有效過濾垃圾郵件，減少垃圾郵件對用戶的干擾，改善用戶體驗。因此，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下進(jìn)入某AI訓(xùn)練平臺，訓(xùn)練一個能夠“識貓辨狗”的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，體驗智能分類系統(tǒng)。

2.提出項目問題

項目問題是驅(qū)動學(xué)生前進(jìn)的核心要素，在創(chuàng)設(shè)的真實人工智能情境的基礎(chǔ)上，針對情境中已經(jīng)發(fā)生或可能發(fā)生的問題提出項目問題，有助于幫助學(xué)生明確整個項目的核心任務(wù)以及活動方向。[5]筆者圍繞學(xué)習(xí)活動大主題“剖析智能分類系統(tǒng)”，根據(jù)人工智能的應(yīng)用領(lǐng)域以及生活中常見的信息系統(tǒng)，細(xì)化項目主題，組織學(xué)生開展項目選題，具體包括“剖析垃圾郵件分類系統(tǒng)”“剖析垃圾短信分類系統(tǒng)”“剖析手寫數(shù)字智能識別分類系統(tǒng)”等。

3.開展項目規(guī)劃

根據(jù)項目選題，各小組在團(tuán)隊成員的共同協(xié)作下，參照項目范例開展項目規(guī)劃，形成項目實施方案，明確需要解決的問題。例如，選擇“剖析垃圾郵件智能分類系統(tǒng)”選題，那么需要學(xué)習(xí)并解決的內(nèi)容包括“信息系統(tǒng)的作用與組成”“信息系統(tǒng)的五個基本的功能”等，學(xué)生需將學(xué)習(xí)過程記錄在《項目學(xué)習(xí)活動記錄表》中，同時根據(jù)教師和其他同學(xué)的建議進(jìn)行修訂與完善，為后續(xù)的探究活動奠定基礎(chǔ)。

4.實施項目活動

通過有意義且具有針對性的探究活動培養(yǎng)學(xué)生利用人工智能技術(shù)和計算思維解決實際問題的能力。學(xué)生根據(jù)項目規(guī)劃及安排，通過體驗活動、查閱資料、微課學(xué)習(xí)等開展項目探究活動。

探究活動1：剖析信息系統(tǒng)及其組成

組織學(xué)生結(jié)合小組的項目主題，通過相關(guān)操作分析“智能分類系統(tǒng)的組成要素”“系統(tǒng)是如何開展工作的”“計算機(jī)和移動終端的作用”。學(xué)生在完成探究并記錄好探究結(jié)論的同時，以小組為單位談?wù)剬π畔⑾到y(tǒng)組成要素的理解，以及信息系統(tǒng)對人類生產(chǎn)生活的影響。

探究活動2：信息系統(tǒng)的五個基本的功能

組織學(xué)生以小組的形式繪制智能分類系統(tǒng)的工作流程圖，進(jìn)而分析該系統(tǒng)的功能及作用，包括“輸入”“存儲”“處理”“輸出”和“控制”。學(xué)生在完成探究并記錄好探究結(jié)論的同時，以小組為單位談?wù)剬ο到y(tǒng)的改進(jìn)建議。

探究活動3：智能信息系統(tǒng)對人類生產(chǎn)或生活的影響

組織學(xué)生以小組為單位學(xué)習(xí)相關(guān)文獻(xiàn)資料，進(jìn)而討論垃圾郵件的影響，了解垃圾郵件處理的相關(guān)法律法規(guī)以及技術(shù)處理方法，學(xué)生在完成探究并記錄好探究結(jié)論的同時，結(jié)合小組的項目主題，以小組為單位談?wù)勚悄苄畔⑾到y(tǒng)對人類生產(chǎn)或生活的影響。

探究活動4：智能分類系統(tǒng)的實現(xiàn)原理和基本過程

組織學(xué)生根據(jù)選題針對性地查找并閱讀相應(yīng)的學(xué)習(xí)資料，如針對“剖析垃圾郵件智能分類系統(tǒng)”需要閱讀“認(rèn)識文本分類”“自動提取關(guān)鍵詞”等材料。借助中小學(xué)人工智能教學(xué)平臺引導(dǎo)學(xué)生體驗文本分類，通過中文分詞、詞袋構(gòu)建、特征提取、分類預(yù)測等過程初步認(rèn)識樸素貝葉斯分類器；通過“疾病診斷”案例具體講解條件概率、貝葉斯公式的應(yīng)用，幫助學(xué)生理解貝葉斯定理主要用于在給定特征數(shù)據(jù)的情況下，判定樣本屬于某個類別的概率；引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合教師以及教材的講解，理解樸素貝葉斯分類法的計算過程和中心思想，并進(jìn)一步結(jié)合小組選題開展探究，記錄好探究結(jié)論，把小組觀點記錄在項目活動表格中。

探究活動5：機(jī)器學(xué)習(xí)的基本原理及主要類型

組織學(xué)生閱讀學(xué)習(xí)資料“識貓辨狗：監(jiān)督學(xué)習(xí)中的感知器分類”“物以類聚：非監(jiān)督學(xué)習(xí)中的K均值聚類”等，通過具體的生活應(yīng)用幫助學(xué)生理解人工智能技術(shù)如何模擬人類建立計算模型，結(jié)合輸入數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)計算最終呈現(xiàn)智能行為的工作原理和過程，從而引導(dǎo)學(xué)生了解機(jī)器學(xué)習(xí)以及機(jī)器學(xué)習(xí)的主要類型，理解“機(jī)器學(xué)習(xí)”“監(jiān)督學(xué)習(xí)”“無監(jiān)督學(xué)習(xí)”等概念和特點。組織學(xué)生觀看有關(guān)人工智能倫理的微課，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合智能信息系統(tǒng)給人類生產(chǎn)生活帶來的變化以及相關(guān)的法律法規(guī)辯證分析特定的人工智能技術(shù)應(yīng)用與人類的關(guān)系。[6]

5.進(jìn)行項目匯報與評價

擬定項目評價量規(guī)組織各個小組進(jìn)行成果匯報，引導(dǎo)學(xué)生回顧、理清、串聯(lián)本項目中完成的內(nèi)容，凝練出匯報重點并合理運(yùn)用數(shù)字化工具總結(jié)學(xué)習(xí)所得，在互動與交流中促進(jìn)思維的提升。組織小組間根據(jù)評價量規(guī)開展自評與互評，評價內(nèi)容包括知識技能的掌握情況以及小組協(xié)作完成項目實施等方面，這些方面的評價在一定程度上能夠反映學(xué)生的計算思維以及數(shù)字化學(xué)習(xí)創(chuàng)新水平。

結(jié)語

當(dāng)然，根據(jù)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性，還可以在必修1第一章“數(shù)據(jù)與信息”以及第二章“知識與數(shù)字化學(xué)習(xí)”中，基于真實情境與問題解決，開展項目教學(xué)，讓學(xué)生在小組合作中經(jīng)歷運(yùn)用數(shù)字化工具制作完成有關(guān)人工智能的數(shù)字化作品，在了解數(shù)據(jù)、信息知識以及智慧等知識內(nèi)容，體驗數(shù)字化學(xué)習(xí)過程，樹立數(shù)字化學(xué)習(xí)意識的同時，深刻地理解人工智能的基本概念及其在各行各業(yè)的應(yīng)用，提升學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造和計算思維能力以及智能素養(yǎng)。在第五章“數(shù)據(jù)處理和可視化表達(dá)”中，可以通過關(guān)聯(lián)分析、聚類分析等數(shù)據(jù)分析微項目，以及體驗在線制作詞云和編程制作詞云等項目活動，讓學(xué)生初步了解人工智能相關(guān)核心算法及其應(yīng)用。[7]

缺少學(xué)習(xí)人工智能課程的課時是目前學(xué)校開展人工智能教學(xué)的主要困境之一。通過項目教學(xué)的方式，將選修模塊人工智能的相關(guān)知識內(nèi)容等融入高中信息技術(shù)課程必修部分較為基礎(chǔ)的教學(xué)內(nèi)容中，可以幫助學(xué)生在了解、掌握相關(guān)的必修知識與技能的同時，對人工智能的發(fā)展歷程或者相關(guān)典型的算法的原理以及技術(shù)的實現(xiàn)過程等有一定的探究，有助于學(xué)生體會到人工智能與人類、社會和環(huán)境的緊密關(guān)系，增強(qiáng)利用智能技術(shù)服務(wù)人類發(fā)展的責(zé)任感，形成適應(yīng)新時代的正確價值觀和關(guān)鍵能力，更能使更多有潛質(zhì)、有才華的學(xué)生得到鍛煉和發(fā)展，為將來進(jìn)入高校繼續(xù)開展相關(guān)方向的學(xué)習(xí)以及應(yīng)用人工智能進(jìn)行創(chuàng)新創(chuàng)造做好準(zhǔn)備，以適應(yīng)新形勢下國家和社會發(fā)展對拔尖創(chuàng)新與應(yīng)用復(fù)合型高端人才的需求，從而在人工智能教育大中銜接中推進(jìn)拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的持續(xù)、健康發(fā)展。[8]

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