高中人工智能课程设计的案例分析

2020-08-04陈乾

江苏教育·中学教学版 2020年6期

【摘要】以高中人工智能课程中“机器学习”单元为例，阐明该课程突出核心素养的关键意义在于发展创新思维、深化学习体验、丰富设计经验；从课程目标、内容模块、学习活动、评价方式的课程编制框架体现核心素养；提出要整合多学科知识、建构真实的情境并重视实践语境下的技术教学，以期教师在开发AI课程和组织教学活动上有所启发。

【关键词】人工智能；核心素养；课程设计；机器学习

【中图分类号】G633.67【文献标志码】A【文章编号】1005-6009（2020）43-0012-04

【作者简介】陈乾，南京市第九中学（南京，210018）教师，二级教师。

如今，人工智能课程的开发与实施已然成为中小学信息技术教师必须要面对的一个话题，本文以笔者参与开发编制的“机器学习”模块内容为例加以解读分析，以期为人工智能课程开发及教师组织教学活动提供些许参考。

一、课程目标的确立与聚焦

课程目标的确立为教学过程的组织与开展提供指导方向，无论是单元整体目标的落实要求，还是每节教学目标的具体表现，教师开发课程时都应予以仔细的斟酌。

本单元开端先提出整体学习目标——“了解机器学习的基本概念，比较人类学习与机器学习的特点，通过简单实例的观察及体验，感知机器学习的实现途径”。这里紧扣了普通高中信息技术课程选修模块4“人工智能初步”的内容要求4.3。[1]此外，单元课程目标应与信息技术学科核心素养对照落实，如下表：

从高中各学段的知识分布角度来看，本单元学习之前，学生在高一信息技术必修模块1“数据与计算”中就已学习运用数字化工具解决生活与学习中的问题，认识到人工智能在信息社会中的促进作用；在高一通用技术必修模块“技术与设计2”中了解了“系统”“控制”的技术思想和方法，对于智能控制系统有一定的理解。在此基础上，本单元再进一步展开对于“机器学习”等重难点学习，充分考虑了学生的认知发展水平，课程设置上体现了学习进阶的设计理念。

再将视角聚焦于本单元的内容编排，“机器学习”单元共由两节组成，分别为“认识机器学习”和“数据集：采集石头、剪刀、布的图片”。其中包含一节实践课程——“训练机器人识别石头、剪刀、布”。这些次级主题从逻辑关系上来看呈现出递进关系，由熟悉的“人类学习”方式入手，初步建立“学习”的概念，再进一步类比“机器学习”与“人类学习”共同的性质，再上升到应用层面，去训练机器人识别石头、剪子、布，进而介绍机器学习对数据的要求，如采集、清洗、测试等，沿着从共性到个性的演绎思想构成单元设计。

二、课程内容的选择与安排

在选择与安排单元内容时，主要从知识与科学性、思想品德与文化内涵、认知与心理规律三个维度[2]来具体分析。

从培养和发展学生核心素养的角度出发，通常会将课程内容的学科知识分为概念性知识、事实性知识、方法性知识和价值性知识。[3]例如，以概念性知识引入——关于人类的学习方式，接下来再具体阐述机器学习的方式、利用监督学习实现人工智能等一系列事实性知识。在探讨机器识别人类手势时，就可以将方法性知识和价值性知识暗含其中，如数据采集的方法多种多样，可以利用摄像头采集图像数据，还可以利用麦克风采集声音数据等。课程中选用了“石头剪刀布”这一游戏载体，并设计一道问题：“在参与游戏时，一方私自改变手势的含义并重玩游戏，另一方是否能知道对应手势的含义并继续游戏？”从技术的角度去解读规则的重要性，旨在形成学生正确的竞技精神。

课程内容必须帮助学生提高品德修养并不断产生文化归属的认同感。例如，单元情境导入可以是：“在世界残疾人日，学校组织同学们到敬老院参加活动。活动中，小明发现不少聋哑人虽然无法发出声音，但他们依然渴望交流，并不断做出不同的手势与大家沟通。如果能利用AI设备，自动‘读懂聋哑人的手语，那该多好啊！”通过“手势”这一关键词引入机器识别，体现技术视角下的人文关怀，从AI技术引申到人类命运共同体的发展。

课程内容在选取方式上还要遵循高中生认识和学习的发展规律。学生此前已经初步形成了有关机器学习的“前概念”，需要教师通过积极引导留给他们足够的思考和探究空间。在本单元对于数据集的介绍中，从可感触的硬件操作等内容展开，进而继续探索高性能GPU、内置智能芯片的机理和构造，以图文并茂的形式向学生传授数据划分等技术知识，这样不仅能准确判断学生已达到的认知水平，还可以恰当预设学习后可能达到的层次。

课程内容可以存在丰富多样的组织形式，以使学生形成对所学内容的完整认知。例如，可以从人类學习方式到类比机器学习方式，以学生自主探究的一般过程为主线，调动五官及运用工具发现两者之间的异同点，进行归纳整理。或者以学生的生活经验为主线，并将这种经验趋于课程化，帮助他们运用所学，获得成长。

最后，课程内容的呈现方式也直接影响着学生的使用效果。单元中应嵌入适量的插图，增加一些富有科技感的图标；不宜选用过难或过长的专业词汇，个别术语应专门标注，语言表述在保证科学性的情况下，应尽可能流畅生动，增强实质内容的可读性。

三、核心学习活动的设计与实施

对于核心学习活动，笔者从整体到部分的视角评述设计意图和主要内容。“机器学习”单元共设计三个核心活动，每个活动分别围绕一个关键问题进行探讨。第一个活动旨在通过感知体验的方式，对猜拳游戏进行技术意义上的分析概括。第二个活动利用AI设备，引导学生熟悉基本界面，对手势图像识别的原理有所了解。第三个活动则是在活动2的基础上，学生进一步自主探究，对数据的清洗与划分建立感性认知，体现计算思维的运用要求。

活动1：猜拳游戏“石头剪刀布”。

引导学生观察并体验“石头剪刀布”的猜拳游戏，说出它们的规则有哪些，怎样判断猜拳游戏的胜负结果。针对性地指出我们是利用肉眼识别不同的手势，参照规则判断胜负。进一步思考猜拳游戏的制胜策略，如何才能战胜对手，从技术意义上去分析游戏，激发学生兴趣，易于过渡到后续的活动。

活动2：训练机器人识别“石头”“剪刀”“布”。

这一部分主要是引导学生训练机器人识别石头、剪刀、布。可以组织学生4人一组，其中1人操作计算机，1人负责用纸板或白纸隔离杂乱背景；另1人分别出示石头、剪刀、布手势，训练机器人识别，最后1人负责验证及配音。选择一定数量的样本进行训练，再去观察、记录机器人识别的相似度，判断学习效果。

活动3：统计机器人采集“石头”“剪刀”“布”手势图片数量。

在活动2的基础上进一步拓展分析，分别摆出“石头”“剪刀”“布”的手势，点击“开始”，直到采集的图像数量超过10，点击“停止”，操作完成。对着摄像头任意做出“石头”“剪刀”“布”的手势，观察右侧对应的结果。采用类似操作，调整采集的图像数量为40、80、200，分别观察右侧对应的结果，随机向学生抛出对应问题。

学生在参与技术体验活动过程中还要注重交流与评价的能力培养，引导他们流畅地阐述运作过程并对数据引发更深层次的思考。

四、课程评价的构建和优化

课程评价可以采用形成性评价和总结性评价这两种常见方式，既对常态化教学中的效果予以监测，也将教与学的过程进行相互交融，建立并优化课程评价的层级架构。

不论是知识内容教授还是实践活动指导，都应该给学生留下一些具有明确思考价值的问题，如单元开始就提出“人类是如何理解手势的含义？机器是否也能学会识别手势并辅助人类交流？机器学习的方式跟人类一样吗？”带着这样的问题进入学习，有助于学生将离散的知识点进行有意义的联结，同时教师也可以获得形成性的学情信息。每一个活动中还需留有一定量的思考讨论练习，需要注意的是：首先评测内容适量，不占用学生太多时间，在课堂上可以立即完成；其次难度适宜，即对课上知识的梳理与回顾；最后，问题的结构多采用开放式，对具体的生活情境做出简答。

单元的总结性评价部分主要考查学生对于核心知识的掌握和智能设备的操作，不要求对AI具体算法结构有深入理解，但至少可以用接近专业的术语对机器学习的方式进行描述和解释。例如，针对活动3的实验，提出采集图像数量对结果的影响是怎样的，试分析规律并解释模型训练如何实现效率的最大化等问题。

五、对高中人工智能教育的教学建议

结合上述对课程概貌的分析，从重视多学科知识渗透、建构真实情境和强调技术实践这些角度对高中人工智能教学提出几条实施建议。

1.重视多学科知识的渗透。

单元课程定位于机器学习领域的内容，从跨学科的视角来看，需要调用学生数据结构、系统控制的知识，渗透技术试验和设计的思想，纵横交联了历史与社会等人文信息。例如在学习活动2中引导学生自行训练机器人识别手势，先要思考图样如何鉴别，这是对科学原理的运用；操作智能设备又是靠技术知识得以保障；分析数据的集中和离散程度离不开必备的数学技能；小组之间的合作讨论、分享交流，也反映了工程设计的整体能力在不断提升。此外，对于技术文本的阅读能力要求也可以在教学中强化。如在追溯机器学习的发展历程时，需要学生带着问题主动地阅读，提炼机器学习的基本原理，培养学生的综合素养。

2.着力探索真实情境的建构。

一般来说，建构的情境真实程度可以直接反映出学生在知识、技能和情感态度等方面发展状况。一方面，学生学习的真实情境在教学中有时难以重现，只能通过情境的模拟，如体验猜拳游戏，操作智能机器人等，在一个真实情境中开展互动交流并相互影响，进而在不同学习领域之间建立联系。另一方面，从教学评价的视域来看，一线教师在实践中，为保证评分规则的信度与效度，可以参照的来源主要有课程标准、实践经验、专业判断和师生共同商讨[4]，当然学生的掌握程度达到什么样的水平，可由具体清晰、操作性强的真实情境来观测。

3.切实关注实践语境的教学。

在人工智能教学中，技术实践的环节尤为关键。教师可以尝试“情境线—问题链—任务群”的实践活动策略组织教学内容。多利用活动单的形式注明技术探究的一般过程，或者采用方框图、流程图等方法把整个思维过程可视化。此外，核心素养的认识包含多种维度，实践操作也并非是唯一有效的深化手段。在科技馆、博览会等技术场所里了解最新的智能技术动态；对各自实践探究中得出的规律和结论进行论证、辩护；与家长等其他成员共同参与某项社會实践活动；对某一技术职业进行切身的感知体验等，上述这些路径都可以成为教师设计实践活动时的一种尝试。

总之，基于核心素养理念的高中人工智能课程除了目标理念科学、内容组织完备、活动设计精巧、评价方式多元，在实际教学过程中还要兼顾实用性，便于引导学生可以更好地适应现在及未来的生活。作为教师需要思考这些问题，灵活地处理和驾驭好这门前沿学科的教学内容，合理开发课程体系。