畢琳琳 山東省實(shí)驗(yàn)中學(xué)

周燕 山東省濟(jì)南市教育教學(xué)研究院

● “新一代人工智能”課程概述

1.課程目標(biāo)

①通過(guò)體驗(yàn)圖像二分類(lèi)項(xiàng)目的整個(gè)流程，了解機(jī)器學(xué)習(xí)的一般過(guò)程。

②通過(guò)體驗(yàn)多種優(yōu)秀的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，了解機(jī)器獲得智能的原因。

③通過(guò)小組合作探究項(xiàng)目，提高自主學(xué)習(xí)能力、思維能力、表達(dá)能力、合作能力以及解決問(wèn)題的創(chuàng)新意識(shí)等綜合素養(yǎng)。

2.學(xué)情分析

高中生思維活躍、敏感，身處知識(shí)爆炸式增長(zhǎng)的信息社會(huì)，對(duì)人工智能相關(guān)的技術(shù)有認(rèn)知基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)。學(xué)生信息素養(yǎng)存在梯度性的差異，多數(shù)學(xué)生對(duì)Python程序設(shè)計(jì)有基本的認(rèn)識(shí)，但在計(jì)算思維與實(shí)踐能力方面差距明顯。

3.教學(xué)策略

①項(xiàng)目式學(xué)習(xí)。圖像二分類(lèi)是貫穿“新一代人工智能”校本課程的學(xué)習(xí)項(xiàng)目，這種建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)方式有利于學(xué)生在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)一組主題相關(guān)的驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題進(jìn)行深入持續(xù)的探索，主動(dòng)調(diào)動(dòng)所有知識(shí)、能力、品質(zhì)等創(chuàng)造性地解決問(wèn)題，形成對(duì)核心知識(shí)和學(xué)習(xí)歷程的深刻理解并進(jìn)行遷移。

②探究式學(xué)習(xí)。為學(xué)生提供PPT、視頻、操作演示、網(wǎng)站資源等多種學(xué)習(xí)支撐，便于學(xué)生探究摸索。

③小組合作式學(xué)習(xí)。兩人一組，每組一臺(tái)計(jì)算機(jī)，四人一張圓桌。

● “新一代人工智能”課程設(shè)計(jì)

1.課程結(jié)構(gòu)

課程結(jié)構(gòu)主要分為“導(dǎo)入”“項(xiàng)目實(shí)施”“展評(píng)”三個(gè)部分。①導(dǎo)入：該部分課程資料以視頻為主，討論人工智能過(guò)去的發(fā)展、現(xiàn)在的應(yīng)用和未來(lái)的展望。②項(xiàng)目實(shí)施：該部分是校本課程的核心，分為五個(gè)環(huán)節(jié)，即項(xiàng)目分析、準(zhǔn)備數(shù)據(jù)、SVM支持向量機(jī)分類(lèi)、NN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)、CNN卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)（如圖1）。③展評(píng)：包含兩個(gè)環(huán)節(jié)，即小組展示和互評(píng)自評(píng)。

圖1

2.課程實(shí)施

（1）導(dǎo)入

導(dǎo)入部分借助視頻資料開(kāi)拓學(xué)生的眼界，激發(fā)學(xué)生的思考，吸引學(xué)生的注意力。該部分分為三個(gè)環(huán)節(jié)，即AI過(guò)去、AI現(xiàn)在和AI未來(lái)。過(guò)去環(huán)節(jié)：了解AI的發(fā)展史和基本概念，領(lǐng)悟大師探究的品格和執(zhí)著的精神；現(xiàn)在環(huán)節(jié)：觀望人工智能在各個(gè)領(lǐng)域引發(fā)的變革，促使學(xué)生重新認(rèn)識(shí)技術(shù)的跨學(xué)科性；未來(lái)環(huán)節(jié)：暢想人工智能的發(fā)展方向，直面隱私泄露、信息繭房、價(jià)值沖擊等倫理風(fēng)險(xiǎn)，明確人工智能安全的重要性，引導(dǎo)學(xué)生合理合法地使用技術(shù)，落實(shí)面向設(shè)計(jì)者和創(chuàng)造者的倫理教育。

（2）項(xiàng)目實(shí)施

①項(xiàng)目分析。宏觀介紹課程規(guī)劃，明確學(xué)習(xí)任務(wù)——圖像二分類(lèi)；教師演示案例“荷花與玫瑰”，介紹分類(lèi)任務(wù)；通過(guò)小組討論（異質(zhì)分組，男女搭配）類(lèi)比小時(shí)候?qū)W習(xí)說(shuō)話的過(guò)程以及回顧考前“刷題”的過(guò)程，明確分類(lèi)項(xiàng)目的基本流程——準(zhǔn)備數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)預(yù)處理、訓(xùn)練模型、預(yù)測(cè)評(píng)估，并明晰項(xiàng)目流程中的難點(diǎn)（如下頁(yè)圖2）。

圖2

本環(huán)節(jié)植入機(jī)器學(xué)習(xí)的基本概念，準(zhǔn)備視頻資源如“線性回歸與邏輯回歸”“分類(lèi)與聚類(lèi)”等供學(xué)生自學(xué)，通過(guò)生動(dòng)且形象的優(yōu)質(zhì)視頻幫助學(xué)生理解抽象的算法思想，探討機(jī)器學(xué)習(xí)與人類(lèi)思維的異同，分析常用算法在生活場(chǎng)景中的應(yīng)用（如表1）。

表1

②準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。該環(huán)節(jié)包含兩個(gè)步驟：收集數(shù)據(jù)（各組爬取所需的圖像數(shù)據(jù)）；預(yù)處理數(shù)據(jù)、篩選圖像、調(diào)整圖像大小。

③SVM支持向量機(jī)分類(lèi)。認(rèn)識(shí)SVM：SVM支持向量機(jī)是機(jī)器學(xué)習(xí)的經(jīng)典算法，也被稱(chēng)為傳統(tǒng)分類(lèi)算法中的天花板。其中，理論介紹以視頻為主，從相對(duì)典型的線性分類(lèi)講起（如下頁(yè)圖3）。機(jī)器識(shí)別圖像的原理借助網(wǎng)上交互學(xué)習(xí)平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)。用SVM算法訓(xùn)練模型、測(cè)試模型：教師首先用案例“荷花與玫瑰”講解代碼，指導(dǎo)學(xué)生修改代碼、調(diào)整參數(shù)，并形成自己的SVM分類(lèi)代碼，其次引導(dǎo)學(xué)生訓(xùn)練模型、評(píng)估模型、進(jìn)行預(yù)測(cè)，并填寫(xiě)SVM分類(lèi)情況統(tǒng)計(jì)表，完成小組階段性總結(jié)。SVM分類(lèi)是該項(xiàng)目第一種分類(lèi)算法，暴露出實(shí)踐操作中的各種問(wèn)題，階段性總結(jié)探討各小組的準(zhǔn)確率，探索影響準(zhǔn)確率背后的各種因素。

圖3

④NN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)。認(rèn)識(shí)NN：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是指人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖4所示。用NN算法訓(xùn)練模型與測(cè)試模型：學(xué)生修改代碼、調(diào)整參數(shù)，形成自己的NN分類(lèi)代碼，接著訓(xùn)練模型、評(píng)估模型，進(jìn)行預(yù)測(cè)，并填寫(xiě)NN分類(lèi)情況統(tǒng)計(jì)表，完成小組階段性總結(jié)。NN分類(lèi)是該項(xiàng)目第二種分類(lèi)算法，學(xué)生的思路相對(duì)明朗。前兩種分類(lèi)算法的核心思想雖然不同，但是操作過(guò)程卻有相似之處，操作迭代，有利于知識(shí)的構(gòu)建。

圖4

⑤CNN卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類(lèi)。認(rèn)識(shí)CNN：卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CNN是深度學(xué)習(xí)中的著名算法，它在普通神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上加入了卷積層與池化層（理論知識(shí)的講解借助視頻資源，卷積和池化的數(shù)學(xué)計(jì)算借用小動(dòng)畫(huà)）。模型訓(xùn)練與模型評(píng)估：通過(guò)修改代碼、調(diào)整參數(shù)，學(xué)生形成自己的CNN分類(lèi)代碼，通過(guò)訓(xùn)練模型、評(píng)估模型，進(jìn)行預(yù)測(cè)，并填寫(xiě)CNN分類(lèi)情況統(tǒng)計(jì)表，完成小組階段性總結(jié)。CNN分類(lèi)是學(xué)生體驗(yàn)的第三種分類(lèi)方法，在前兩種分類(lèi)的實(shí)踐基礎(chǔ)上，學(xué)生思路和操作再次迭代，從傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)到深度學(xué)習(xí)的知識(shí)構(gòu)建逐步完善。

（3）展評(píng)

展評(píng)部分有兩個(gè)環(huán)節(jié)。其一，小組重新梳理整個(gè)項(xiàng)目，反思總結(jié)，匯報(bào)實(shí)踐操作的得失；其二，小組自評(píng)和組間互評(píng)。

3.實(shí)施總結(jié)與反思

（1）重視教師的專(zhuān)業(yè)發(fā)展

①提高專(zhuān)業(yè)起點(diǎn)，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。教師只有提高了專(zhuān)業(yè)水平，才能夠更好地理解人工智能的原理和應(yīng)用，從而更有效地組織教學(xué)活動(dòng)。②更新專(zhuān)業(yè)知識(shí)，提高教學(xué)效率。教師只有緊跟時(shí)代，不斷更新自己的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，才能優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)。

（2）急需適合中小學(xué)生學(xué)習(xí)的人工智能交互平臺(tái)

人工智能難以理解，如果有交互性強(qiáng)的AI平臺(tái)，可以有效降低中小學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能的門(mén)檻。目前，人工智能頭部企業(yè)的開(kāi)放平臺(tái)有很多優(yōu)勢(shì)：①實(shí)踐性強(qiáng)。平臺(tái)提供了大量的實(shí)踐項(xiàng)目和案例。②資源豐富。大量的數(shù)據(jù)集、算法庫(kù)和模型庫(kù)，方便教師進(jìn)行課程設(shè)計(jì)。③更新及時(shí)。平臺(tái)不斷更新和優(yōu)化教學(xué)資源。但開(kāi)放平臺(tái)也存在問(wèn)題，在登錄方式、賬號(hào)規(guī)模和算力支持上都存在限制，不適合班級(jí)授課模式常態(tài)化使用。所以，尋找一個(gè)適合學(xué)生長(zhǎng)久使用的人工智能開(kāi)放平臺(tái)，是人工智能教學(xué)順利開(kāi)展的重要環(huán)節(jié)。

（3）建立人性化評(píng)價(jià)機(jī)制

校本課程適合建立人性化的評(píng)價(jià)機(jī)制，通過(guò)分類(lèi)評(píng)價(jià)量表設(shè)定清晰的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)階段性總結(jié)進(jìn)行定期檢查和反饋，通過(guò)學(xué)生自評(píng)、學(xué)生互評(píng)、教師點(diǎn)評(píng)等方式開(kāi)展多元化評(píng)價(jià)，通過(guò)詳細(xì)的項(xiàng)目日志落實(shí)學(xué)生自我評(píng)價(jià)……總之，加強(qiáng)學(xué)習(xí)的過(guò)程性評(píng)價(jià)，可以更好地監(jiān)督學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和學(xué)習(xí)質(zhì)量。

● 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，高中“新一代人工智能”校本課程從社會(huì)的發(fā)展需求、人工智能學(xué)科的發(fā)展需求和學(xué)生心理的發(fā)展需求出發(fā)，幫助學(xué)生運(yùn)用邏輯思維和計(jì)算思維去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。所以，教師在校本課上應(yīng)重視學(xué)生思維層次的提升、行為習(xí)慣的養(yǎng)成和情感品性的陶冶，關(guān)注學(xué)生的道德完善和生命成長(zhǎng)，讓教學(xué)回歸最本真的教育性?xún)r(jià)值，讓學(xué)生在問(wèn)題的解決過(guò)程中建構(gòu)自己的知識(shí)體系，并不斷成長(zhǎng)，形成項(xiàng)目化思維。