高中人工智能课堂的“热度”与“深度”

王云霄

● 案例背景

《新一代人工智能发展规划》提出要“实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程”。在此背景下，《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》明确将人工智能教学列入必修1“数据与计算”中，并要求“通过人工智能典型案例的剖析，了解智能信息处理的巨大进步和应用潜力，认识人工智能在信息社会中的重要作用”。

本节课是省级教学评审活动中的一节公开课，课题是必修1第五章第二、三两节的内容，即人工智能的应用与影响。上课的学生已经完成该章第一节“人工智能的产生与发展”的学习，对人工智能的概念以及发展历史有简单的了解，但缺乏对人工智能应用原理的了解和把握，对人工智能的了解停留在生活中常见的人工智能应用上。所以，本节课的目标为：了解人工智能在各个领域的典型应用，感受人工智能对促进社会发展的巨大作用，能主动发现现实中人工智能的应用，并能从数据、计算的角度去解释智能系统的工作原理;以积极的心态主动运用各种人工智能系统解决实际问题;能辩证地看待人工智能的发展及其带来的新问题，理解负责任地研发人工智能、合乎规则地应用人工智能的必要性。

● 案例描述

1.视频创设情境，导入本课主题

教师播放介绍在三门中学所见所闻的视频，请学生找出其中人工智能的应用，感受人工智能在生活中的广泛应用。通过对生活中的信息系统人工智能应用的展示，引出外卖平台上的人工智能应用——送达时间的预测。学生反应非常强烈，学习兴趣浓厚。

2.介绍实践要求

展示外卖平台的数据及送达时间，提出要求：用人工智能算法模型找到数据间内在的联系，从而实现预测。同时，用额外的真实数据评价模型的预测能力，引出训练数据和测试数据的概念。①介绍图1示例中所使用的训练数据及测试模型性能所使用的测试数据;②介绍BP神经网络模型;③演示训练及预测的过程，解释隐藏层层数、神经元数量等超参数的含义。

3.人工智能应用挑战赛

师：请大家利用现有的数据和算法模型，对外卖送达时间进行预测和模型评估，看谁的预测结果最优。（在学习资料中提供技術支持：从DataFrame中获取特定列数据的操作方法）

学生经过操作尝试训练后纷纷得出了自己的实验结果。

生1：我修改了训练次数max_iter为500次，预测时间平均误差缩小到3.77min（如下页图2）。

师：我们可以从训练过程看到，随着训练次数的增加，模型拟合条件与结果的误差也在缩小，所以增加训练次数确实可以减少误差。

生2：我修改了隐藏层神经元数量为（5，2），预测平均误差缩小到3.18min（如图3）。

师：嗯，这位同学又找到了新的突破点，修改算法模型也可以有效提高预测的精准度。

生3：我修改了训练数据，增加了“销量”列作为训练数据，预测平均误差达到了2.3min（如图4）。

师：非常不错，当算法模型遇到瓶颈时，也可以从数据的角度去优化。通过优化过程可以发现，模型预测能力达到一定程度后，每提高一点都是极其不易的，如今很多人工智能应用的开发过程都是如此。

经过若干位学生的优化后，教师请几位学生谈谈人工智能算法模型预测性能和哪些因素有关，经过讨论总结，得出结论：人工智能的核心是算法和数据。

4.回归概念

从外卖时间预测需要特定的模型和数据，引出当今以神经网络为代表的领域人工智能的特点：依赖于领域知识和数据。

师：请同学们想一想，身边的哪些人工智能应用属于领域人工智能？

生：人脸识别、车牌识别、Siri语音识别……

教师引导总结它们的共同特征：专业性强，但能力依赖于领域知识和数据，无法迁移。

5.自主探究

师：大家已经学习了人工智能的发展历史，在人工智能领域科学家们的努力下，又取得了哪些成果呢？请结合课本介绍和文字影音资料，对比DeepMindAI和达芬奇手术机器人，总结这两种人工智能应用的特点。

学生自由观看视频资料和文字资料，总结分享：DeepMindAI掌握的是学习的能力，不需要教会他规则，能自我学习;达芬奇手术机器人虽然灵活、稳定，但需要人的参与。

师：很好，同学们都提到了这两种人工智能特点的关键词，DeepMindAI，即跨领域人工智能，更专注于知识和技能的获取;达芬奇手术机器人，即混合增强智能，则是将人的作用或认知模型引入人工智能系统。板书总结展示三种智能应用的对比。

6.实践体验—和机器一起协作

师：请大家通过“手绘涂鸦生成人脸”平台，体验混合增强智能的特点，以及在社会生活中的作用。

学生展示运用不同的笔画绘制生成的不同人脸（如图5），分享观点：寻找嫌疑犯、影视创作……

7.小组研讨

师：从刚才的实践体验可以发现，人与机器的协同工作是今后深入应用的方向之一。我们现在处于领域人工智能和混合增强智能相互补充、相互协调的时代。请大家从自己的生活经历出发，结合学案中的文字材料，分小组讨论——人工智能给社会带来了怎样的影响？我们该如何看待人工智能？每个小组任选一个子问题进行讨论。

（1）从外卖平台到打车APP，这些人工智能应用给社会生活带来了怎样的变化或影响？

（2）哪些工作容易或正在被人工智能替代？人工智能擅长什么？而我们又有何优势？

（3）从社会、国家发展的角度来看，工业机器人、智能仓储、配送等人工智能技术的应用有何利弊？

生：提高了生活舒适度，提高了工作效率，需要被监管……

教师根据学生回答，从以下几方面进行要点提炼并板书：①改善社会生活;②促进经济发展;③引发社会担忧;④人类是“智能回路”的总开关。

8.小结评价，布置作业

笔者结合板书对本节课进行了小结，总结本课涉及的概念，引导学生思考人工智能与数据、算法和计算的关系，在感受人工智能为生活、工作带来的便捷、效率的同时，也要看到它附带的风险和担忧，但整体应保持积极乐观的态度。同时，让学生填写课堂学习情况自评和互评，学生在填写过程中自我反思，笔者也对学生本节课的整体掌握情况进行了反馈。

课后作业：结合课堂所学，你对外卖预测的人工智能应用有无改进或拓展的想法？请通过网络检索，尝试设计或动手实现你的想法，并阐述它涉及的人工智能技术、实现原理以及应用前景。

● 案例分析

人工智能项目的开发与实施，在高中阶段开展有一定的难度。受限于认知水平和知识储备，学生更多的是学习相关的概念及基础知识。如何既能使学生从数据与计算的角度掌握人工智能的本质，从而感受各类人工智能应用对社会发展的促进作用，又能使学生在人工智能技术服务这一崭新的情境中，系统地了解数据与计算的作用与意义，更能使学生在不断感知、应用人工智能的过程中增强信息意识，在剖析、理解典型人工智能系统的过程中发展计算思维，这一问题对课堂教学案例的设计提出了较高的要求。本课采用典型人工智能案例“BP神经网络预测外卖送达时间”作为突破口，以人工智能发展方向为主线，贯穿课堂始终，组织引导学生分析、归纳各个应用的区别与联系，按照一定的标准对人工智能的应用进行分类。同时，通过对已深入了解学习的案例进行辨析，让学生正确理解人与人工智能的关系。

（1）取材生活，激发兴趣。在课堂引入时，没有采用让学生分享，或教师介绍的形式，而是采用一段记录教师一天行程的短视频，让学生在视频中看到、感受到身边的人工智能应用，意识到已经有大量的信息系统应用了人工智能技术，体会到人工智能技术在生活中的广泛应用，从而以高兴趣的状态进入接下来对人工智能应用、分类的学习。

（2）兼顾高中人工智能课堂的“热度”与“深度”。传统的高中人工智能课堂依旧采用“人脸识别”“Siri语音识别”“在线翻译”等应用层面的“体验活动”，没有详细介绍人工智能应用的工作原理和过程，与小学、初中的人工智能课堂并无太大差别，课堂空有“热度”，但与高中学生的智力、能力发展水平不匹配。为避免机械地陈述教材文本、只有案例体验没有原理讲解等问题，笔者在介绍概念之前，利用“搭建BP神经网络模型预测外卖送达实践”这一案例，进行“人工智能挑战赛”。选择的案例来源于生活，学生不需要花额外的精力去理解案例背景，且有一定的探究兴趣，具有一定的“热度”。该案例的实现原理又在学生的最近发展区内，能通过教师的简单讲解介绍，初步理解BP神经网络训练、评估的过程，让学生能从数据、计算的角度来理解人工智能的智能行为，也具有一定的“深度”，从而有助于理解领域人工智能“依赖于领域知识和数据”这一概念。

（3）学生的主体地位突出，正确认识学生的智力水平和知识储备，注重深度学习。让学生自行探究尝试提升神经网络预测外卖送达实践的模型性能，自行整理学习资料内容，针对感兴趣的话题进行讨论。在讨论、探索问题过程中利用已有的知识经验，同时获得了新的知识技能。

（4）提出的问题、设计的活动、讨论环节都源自学生所关注、所思考的又对其自身有实际意义的内容，因此在问题探究、话题讨论的过程中，学生积极参与，课堂氛围良好。

（5）在注重学生学科核心素养培育的同时，体现学科大概念的设计理念。以人工智能学习为载体，使学生能借助智能数据处理这一新型的计算模式，用发展的眼光去学习数据与计算，能从数据、计算的角度来理解人工智能的智能行為，以适应信息科技的新发展。

● 案例反思

一节课无论准备得多么充分，在正式上课时总会有遗憾的地方，也正是有这样的遗憾，才能督促教师更好地反思、完善、进步。①由于课堂搬到了舞台上，学生稍微有些紧张，所以小组间的相互协作、讨论稍有欠缺。②由于学生自主探究资料的准备不够充分，简洁、直观的图表资料欠缺，视频的冗余信息也较多，所以大部分学生花费较多的时间观看视频资料，阅读大量的文字材料，从而影响了课堂效率，导致最后的课堂完成度不够。③在组织学生讨论时，没有列出较为详细的问题提纲，导致学生在思考讨论、总结回答时，思维过于发散，没有形成有效的核心观点。尽管教师在学生回答时，有意识地按照“改善生活”“社会发展”“引发担忧”等角度进行了总结整理，但学生的重复讨论、回答还是耗费了不少课堂时间，导致没有时间进行更有效的讨论。

新教材、新课标背景下的高中人工智能课堂教学，应坚持以需求为导向，明确学习方向。同时，在教学设计、案例设计的过程中，也要尊重学生的能力水平，正视学生的知识储备，既不可盲目拔高教学目标，也不能以“太难了，学生能力肯定不够”为借口实施“纯体验”的教学。事实证明，经过教师生活化、形象化的人工智能案例原理探究，学生能很好地参与其中，并在参与的过程中理解看似遥不可及的智能系统的工作原理。这也是核心素养培育的体现。