摘要：目前，人工智能（AI）教學(xué)正在中國各級教育體系中逐步推進(jìn)，并呈現(xiàn)出一些積極的發(fā)展態(tài)勢，其中機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）已成為AI教學(xué)中的重要內(nèi)容。然而，由于其復(fù)雜性，運(yùn)用傳統(tǒng)的教學(xué)方法可能無法有效傳授相關(guān)技能。而逆向設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)了教學(xué)的目的性和學(xué)生學(xué)習(xí)的中心地位，這與人工智能教育的目標(biāo)——培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決問題的能力是一致的。因此，本文探討了逆向設(shè)計(jì)在人工智能“機(jī)器學(xué)習(xí)”教學(xué)中的應(yīng)用，旨在提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)成效。

關(guān)鍵詞：逆向設(shè)計(jì)；人工智能；機(jī)器學(xué)習(xí)

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）15-0053-03

隨著科技的飛速發(fā)展，人工智能正深刻影響著我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，人工智能教育的重要意義不言而喻。機(jī)器學(xué)習(xí)作為人工智能的核心分支，其教學(xué)對學(xué)生理解AI的概念和技能至關(guān)重要，如何在中學(xué)階段采用合適的教學(xué)方式引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)和理解人工智能，是目前信息技術(shù)教師積極探索和研究的方向。在傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計(jì)中學(xué)生往往處于被動的學(xué)習(xí)狀態(tài)，而逆向教學(xué)設(shè)計(jì)以終為始，從學(xué)習(xí)結(jié)果出發(fā)，確保教學(xué)活動與學(xué)習(xí)目標(biāo)高度匹配，使教師的教學(xué)活動完全以預(yù)期的學(xué)習(xí)成果為中心，保證了教學(xué)的有效性。因此，本文嘗試在人工智能“機(jī)器學(xué)習(xí)”的教學(xué)中采用逆向設(shè)計(jì)的教學(xué)設(shè)計(jì)方法，以提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)成效。

機(jī)器學(xué)習(xí)教學(xué)的挑戰(zhàn)

機(jī)器學(xué)習(xí)教學(xué)在中學(xué)階段面臨著一系列挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)與學(xué)生的學(xué)習(xí)階段、認(rèn)知發(fā)展水平以及學(xué)校的資源和課程設(shè)置有關(guān)。綜合來講，挑戰(zhàn)主要包括十個(gè)方面：①設(shè)置適度的課程難度。中學(xué)生通常缺乏高級數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)學(xué)知識，這使得學(xué)生理解機(jī)器學(xué)習(xí)中的復(fù)雜算法和理論變得困難。因此，設(shè)計(jì)適合中學(xué)生認(rèn)知水平的課程內(nèi)容是一個(gè)挑戰(zhàn)。②實(shí)踐機(jī)會有限。機(jī)器學(xué)習(xí)需要大量的實(shí)踐來鞏固理論知識，但在中學(xué)階段，學(xué)生沒有足夠的機(jī)會進(jìn)行編程和數(shù)據(jù)分析練習(xí)。

③教師專業(yè)知識。機(jī)器學(xué)習(xí)是一個(gè)高度專業(yè)化的領(lǐng)域，許多中學(xué)教師沒有相關(guān)的專業(yè)背景或經(jīng)驗(yàn)，因此難以有效地教授相關(guān)課程。④資源限制。學(xué)校缺乏必要的計(jì)算資源，如計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)室、軟件和數(shù)據(jù)集。⑤課程時(shí)間有限。學(xué)校的課程表通常已經(jīng)排滿，要在其中加入新的機(jī)器學(xué)習(xí)課程需要重新調(diào)整現(xiàn)有的課程結(jié)構(gòu)，難度較大。⑥評估方法。傳統(tǒng)的考試和作業(yè)不適合評估學(xué)生在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的理解和技能，需要開發(fā)新的評估方法。⑦學(xué)生的先入為主觀念。中學(xué)生對機(jī)器學(xué)習(xí)持有簡化或錯(cuò)誤的概念，這會影響他們對新知識的接受和應(yīng)用。⑧倫理和社會問題。機(jī)器學(xué)習(xí)涉及數(shù)據(jù)隱私、算法偏見等敏感話題，這些問題超出中學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)和理解范圍。⑨激發(fā)興趣。在中學(xué)階段，學(xué)生的興趣和動機(jī)差異很大，教師需要找到有效的方法來激發(fā)學(xué)生對機(jī)器學(xué)習(xí)的興趣。⑩跨學(xué)科整合。機(jī)器學(xué)習(xí)與其他學(xué)科（如數(shù)學(xué)、科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)）緊密相關(guān)，跨學(xué)科教學(xué)對教師來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。

逆向設(shè)計(jì)在機(jī)器學(xué)習(xí)教學(xué)中的應(yīng)用

1.課程內(nèi)容規(guī)劃

逆向設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)從期望的學(xué)習(xí)成果出發(fā)，反向推導(dǎo)課程內(nèi)容和教學(xué)方法。在機(jī)器學(xué)習(xí)課程中，首先，要明確學(xué)生應(yīng)該掌握的核心技能和知識，如算法原理、模型訓(xùn)練、數(shù)據(jù)處理等。其次，根據(jù)目標(biāo)規(guī)劃課程內(nèi)容，確保學(xué)生能夠通過學(xué)習(xí)達(dá)到預(yù)期的成果?！镀胀ǜ咧?b id="4nlF4TjU1EyUW6rnZwYGyQ==">信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）將人工智能教學(xué)列入必修1“數(shù)據(jù)與計(jì)算”，并要求“通過人工智能典型案例的剖析，了解智能信息處理的巨大進(jìn)步和應(yīng)用潛力，認(rèn)識人工智能在信息社會中的重要作用”，確定“人工智能技術(shù)是當(dāng)前信息技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的熱點(diǎn)之一，它在求解策略和處理手段上具有獨(dú)到之處”，要求“通過部分信息技術(shù)工具軟件的使用，體驗(yàn)其基本工作過程，了解其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值”。

結(jié)合新課標(biāo)可以確定教學(xué)內(nèi)容：①了解人工智能的基本概念；②掌握機(jī)器學(xué)習(xí)的概念和一般過程；③通過在機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練平臺進(jìn)行實(shí)踐探究，體驗(yàn)機(jī)器學(xué)習(xí)的一般過程。

2.實(shí)踐項(xiàng)目設(shè)計(jì)

在機(jī)器學(xué)習(xí)中，實(shí)踐項(xiàng)目對提升學(xué)生的動手能力和問題解決能力至關(guān)重要。逆向設(shè)計(jì)幫助教師從學(xué)生未來需求或?qū)嶋H應(yīng)用場景出發(fā)，設(shè)計(jì)具有挑戰(zhàn)性的實(shí)踐項(xiàng)目。這些項(xiàng)目可以涵蓋從數(shù)據(jù)收集、預(yù)處理、模型構(gòu)建到結(jié)果評估和知識提煉的全過程，讓學(xué)生在實(shí)踐中深化對機(jī)器學(xué)習(xí)原理和方法的理解。在實(shí)踐中，將教學(xué)活動分為課前、課中、課后三個(gè)環(huán)節(jié)，教學(xué)評價(jià)融入到三個(gè)環(huán)節(jié)中。課前，引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)并布置相關(guān)任務(wù)；課中，依托機(jī)器學(xué)習(xí)平臺的訓(xùn)練，體驗(yàn)機(jī)器學(xué)習(xí)的一般過程，即采集數(shù)據(jù)→訓(xùn)練→測試評估→應(yīng)用，加深學(xué)生對機(jī)器學(xué)習(xí)過程的理解和應(yīng)用；課后，通過作業(yè)和測試題評價(jià)學(xué)習(xí)效果。評價(jià)作用于三個(gè)環(huán)節(jié)，整體設(shè)計(jì)思路如下圖所示。

為了提高教學(xué)效率和學(xué)生的實(shí)際情況，在教學(xué)中為學(xué)生選擇合格的“機(jī)器學(xué)習(xí)”訓(xùn)練平臺尤其重要。在線機(jī)器學(xué)習(xí)平臺極大地提高了學(xué)生的實(shí)踐參與度，平臺上的交互式教程、項(xiàng)目挑戰(zhàn)和社區(qū)支持，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)動機(jī)和自主學(xué)習(xí)能力。此外，學(xué)生能夠通過平臺獲得即時(shí)反饋，這有助于他們更好地理解機(jī)器學(xué)習(xí)的概念，但缺乏適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)和支持可能會導(dǎo)致學(xué)生在面對復(fù)雜任務(wù)時(shí)感到困惑。為了幫助學(xué)生體驗(yàn)機(jī)器學(xué)習(xí)的整個(gè)過程，即“創(chuàng)建項(xiàng)目→訓(xùn)練→學(xué)習(xí)與測試→應(yīng)用開發(fā)”，在教學(xué)中筆者為學(xué)生設(shè)計(jì)了三個(gè)遞進(jìn)的項(xiàng)目任務(wù)：①利用網(wǎng)絡(luò)收集圖片，并導(dǎo)入到特征庫中，訓(xùn)練機(jī)器對圖片的識別，如識別水果、動物或鮮花，再利用攝像頭拍攝實(shí)物，測試機(jī)器的識別能力，體驗(yàn)機(jī)器學(xué)習(xí)的訓(xùn)練和應(yīng)用過程；②練習(xí)難度較大的文本訓(xùn)練；③通過前面的訓(xùn)練和測試，自主提煉機(jī)器學(xué)習(xí)的過程。

3.課程評估與反饋

逆向設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)在課程結(jié)束后對學(xué)生的學(xué)習(xí)成果進(jìn)行評估，并根據(jù)評估結(jié)果對課程內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行改進(jìn)。在機(jī)器學(xué)習(xí)課程中，筆者設(shè)計(jì)了“知識小測”和“學(xué)以致用”兩個(gè)環(huán)節(jié)?！爸R小測”環(huán)節(jié)主要通過選擇題的形式，測試學(xué)生在“自主學(xué)習(xí)”和“實(shí)驗(yàn)探究”過程中所學(xué)習(xí)和理解的知識，如機(jī)器學(xué)習(xí)的關(guān)鍵概念、理論和方法?！爸R小測”根據(jù)不同水平的學(xué)生設(shè)計(jì)不同難度的題目，包括基礎(chǔ)題目以及挑戰(zhàn)性的題目。同時(shí)，設(shè)定合理的時(shí)間限制，確保學(xué)生有足夠的時(shí)間完成測驗(yàn)。

“學(xué)以致用”環(huán)節(jié)則是幫助學(xué)生鞏固和檢驗(yàn)他們對課程內(nèi)容的理解和掌握，主要針對現(xiàn)實(shí)中的實(shí)際案例進(jìn)行分析，并將分析結(jié)果分享到學(xué)習(xí)平臺的討論區(qū)，讓學(xué)生將理論知識應(yīng)用于實(shí)際問題解決中。借助學(xué)習(xí)平臺的收集和統(tǒng)計(jì)功能可以檢測和評估學(xué)生對機(jī)器學(xué)習(xí)知識的理解與應(yīng)用，同時(shí)了解他們在學(xué)習(xí)過程中的困難和需求，從而不斷優(yōu)化課程設(shè)計(jì)。

4.教學(xué)資源開發(fā)

在逆向設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)學(xué)生的需求和課程目標(biāo)，在教學(xué)中設(shè)計(jì)配套的微課、平臺操作說明、學(xué)習(xí)資料等有針對性的教學(xué)資源，這些資源可以幫助學(xué)生更好地理解和掌握機(jī)器學(xué)習(xí)知識。

5.跨學(xué)科整合

在機(jī)器學(xué)習(xí)課程中，還可以整合其他領(lǐng)域的知識，特別是計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等。逆向設(shè)計(jì)可以幫助教師從跨學(xué)科的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)綜合性的課程內(nèi)容和項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新思維。

逆向設(shè)計(jì)的教學(xué)效果

1.教學(xué)設(shè)計(jì)更優(yōu)化

傳統(tǒng)的教學(xué)方法先根據(jù)教材內(nèi)容設(shè)計(jì)課程和教學(xué)計(jì)劃，然后進(jìn)行教學(xué)活動，最后通過考試或其他形式的評估來測試學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。而逆向設(shè)計(jì)則強(qiáng)調(diào)教學(xué)的目的性和學(xué)生學(xué)習(xí)的中心地位。首先，確定學(xué)生應(yīng)該達(dá)到的學(xué)習(xí)目標(biāo)；其次，設(shè)計(jì)評估方法來衡量這些目標(biāo)的達(dá)成程度；最后，開發(fā)教學(xué)活動幫助學(xué)生達(dá)到這些目標(biāo)。

2.學(xué)生參與度更高

在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生被動接受知識，參與度較低。逆向設(shè)計(jì)則強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主動學(xué)習(xí)和批判性思維，學(xué)生往往更加注重學(xué)習(xí)過程，因?yàn)樗麄冃枰ㄟ^項(xiàng)目、討論和其他互動活動來展示他們的理解。

3.體現(xiàn)了深度學(xué)習(xí)思想

傳統(tǒng)教學(xué)更側(cè)重于記憶和理解，不足以促進(jìn)高階思維技能的發(fā)展。逆向設(shè)計(jì)鼓勵(lì)深度學(xué)習(xí)，學(xué)生必須通過應(yīng)用和擴(kuò)展他們的知識來達(dá)成課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

4.靈活性和適應(yīng)性更強(qiáng)

逆向設(shè)計(jì)可以根據(jù)學(xué)生的反饋和學(xué)習(xí)成果調(diào)整教學(xué)活動，具有更大的靈活性，而傳統(tǒng)教學(xué)的課程結(jié)構(gòu)則相對固定。

5.技術(shù)整合要求高

傳統(tǒng)教學(xué)中的技術(shù)使用可能是附加的，而不是課程設(shè)計(jì)的核心部分，使用逆向設(shè)計(jì)更容易整合新技術(shù)和資源。

6.評估手段更方便

傳統(tǒng)教學(xué)中的評估更多地關(guān)注知識的覆蓋范圍，而不是知識的實(shí)際理解和應(yīng)用。在逆向設(shè)計(jì)中評估方法與學(xué)習(xí)目標(biāo)緊密對應(yīng)，更能準(zhǔn)確地反映學(xué)生是否達(dá)到了預(yù)期的學(xué)習(xí)成果。

結(jié)束語

研究表明，當(dāng)教學(xué)設(shè)計(jì)以學(xué)習(xí)目標(biāo)為中心時(shí)，學(xué)生的學(xué)習(xí)成效往往更好，因?yàn)樗麄兡軌蚋逦乩斫庹n程的期望，并且更有機(jī)會通過各種方式展示他們的學(xué)習(xí)。當(dāng)然，有效的教學(xué)往往需要根據(jù)具體的學(xué)生群體、課程內(nèi)容和資源條件來選擇最合適的方法。

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