高中信息技术人工智能选修内容融入必修模块的实践

陈智敏

摘要：本文通过“剖析智能分类系统”项目串联了必修2《信息系统与社会》第二章“信息系统的组成与功能”与选择性必修4《人工智能初步》第三章“机器学习与人工智能的核心算法”中的多个知识与技能，并从创设项目情境、提出项目问题、开展项目规划、实施项目活动、进行项目汇报与评价五个方面阐述了高中信息技术人工智能选修内容融入必修模块的实践，希望能给一线教师带来高中人工智能普适性教学的启示。

关键词：高中信息技术；选择性必修；人工智能；融入；项目教学

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2023）16-0047-04

高中信息技术人工智能选修内容融入必修模块的可行性

近年来，人工智能的发展推动着社会各领域从数字化、网络化向智能化转变，人工智能技术正深刻并将持续地改变人类的生活及思维方式。《普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）》中已明确将“人工智能初步”列为“选择性必修模块4”，希望能够借此帮助高中学生充分了解人工智能的相关概念和典型的算法、核心原理。[1]

目前，课程的实施方式主要有三种：第一种是先在高一上下学期常规课堂中完成两个必修模块的教學任务，然后继续在高二开设有关人工智能内容的选修教学，但事实上很多学校由于常规信息技术课课时不足，在高二还需要继续完成必修模块内容的教学，更何况高二还有通用技术学科的教学任务；第二种则是采用课外研修的方式，对高中信息技术学科常规课堂教学进行补充，如清华大学附属中学采用这种方式直接参与清华大学的人工智能大中衔接课程培训，其他实验学校则采用线上观看直播或者回放的方式参与课程的学习，这种援助式的“双师课堂”虽然在一定程度上有助于推动中小学人工智能教育的发展，但由于不同区域使用的教材不一致、课堂互动体验不好等最终影响了课程的实施效果；第三种则是将选修模块的人工智能相关知识内容等融入高中信息技术课程必修部分较为基础的教学内容中[2]，以环环相扣的项目活动为途径，引导学生开展自主、协作、探究学习，有利于学生在理论学习中掌握必修内容以及人工智能的核心算法，在深入思考中体会到人工智能在解决实际问题的过程中所存在的问题等。[3]

通过整体考察粤教版普通高中信息技术必修1《数据与计算》以及必修2《信息系统与社会》的教学内容，笔者发现诸多基础知识和技能与选修4《人工智能初步》的内容有所关联[4]，如必修1第三章“算法基础”、第四章“程序设计”与《人工智能初步》的第二章“人工智能基础算法及应用”、第三章“机器学习与人工智能的核心算法”相关联；必修1第五章“数据处理与可视化表达”、必修2第二章“信息系统的组成与功能”和《人工智能初步》的第三章“机器学习与人工智能的核心算法”相关联；必修1第六章“人工智能及其应用”与《人工智能初步》第一章“人工智能概述”相关联……因此，围绕必修模块中的教学内容充分研究如何融合人工智能选修内容，设计并规划出合理的主题项目以开展教学实践，是很有必要的。

高中信息技术人工智能选修内容融入必修模块的实践

必修2《信息系统与社会》第二章“信息系统的组成与功能”要求通过分析典型的信息系统，帮助学生了解信息系统的组成与功能，理解计算机等在信息系统中的作用，而选择性必修4《人工智能初步》第三章“机器学习与人工智能的核心算法”要求通过剖析具体的智能信息系统，帮助学生在了解智能分类系统的组成时，也能够对相关的人工智能核心算法的实现原理和技术应用的基本过程有一定的理解，两者在教学内容上具有一定的关联性。

笔者根据所教学生的实际情况以及机房机位设置情况，将学生三人或四人组成一组，通过“剖析智能分类系统”项目开展教学，串联了必修模块“信息系统的组成与功能”与选修模块“机器学习概述”“贝叶斯分类器”等多个知识与技能，基于日常生活以及社会发展中起到重要作用的智能信息系统，借助多种数字化学习工具开展了环环相扣且具有针对性的探究活动，课时安排为6课时，项目设计与实施过程如下图所示。

1.创设项目情境

通过“垃圾邮件智能分类系统”这一主题让学生认识到人工智能与现实生活的关联：绿水青山就是金山银山，网络空间也需要“绿水青山”。垃圾邮件通常定义为未经用户请求就强行发送到用户信箱中，可能带有广告、宣传资料和病毒等内容的电子邮件，一般具有批量发送的特征。随着人工智能技术的快速发展，智能工具与技术在日常生活中发挥了重要的作用，垃圾邮件智能分类系统利用人工智能技术，如朴素贝叶斯分类器，可以通过推测的概率判断接收到的邮件中哪些是对接收方完全没有意义的邮件，并进行拦截、删除等操作，从而有效过滤垃圾邮件，减少垃圾邮件对用户的干扰，改善用户体验。因此，学生在教师的引导下进入某AI训练平台，训练一个能够“识猫辨狗”的机器学习模型，体验智能分类系统。

2.提出项目问题

项目问题是驱动学生前进的核心要素，在创设的真实人工智能情境的基础上，针对情境中已经发生或可能发生的问题提出项目问题，有助于帮助学生明确整个项目的核心任务以及活动方向。[5]笔者围绕学习活动大主题“剖析智能分类系统”，根据人工智能的应用领域以及生活中常见的信息系统，细化项目主题，组织学生开展项目选题，具体包括“剖析垃圾邮件分类系统”“剖析垃圾短信分类系统”“剖析手写数字智能识别分类系统”等。

3.开展项目规划

根据项目选题，各小组在团队成员的共同协作下，参照项目范例开展项目规划，形成项目实施方案，明确需要解决的问题。例如，选择“剖析垃圾邮件智能分类系统”选题，那么需要学习并解决的内容包括“信息系统的作用与组成”“信息系统的五个基本的功能”等，学生需将学习过程记录在《项目学习活动记录表》中，同时根据教师和其他同学的建议进行修订与完善，为后续的探究活动奠定基础。

4.实施项目活动

通过有意义且具有针对性的探究活动培养学生利用人工智能技术和计算思维解决实际问题的能力。学生根据项目规划及安排，通过体验活动、查阅资料、微课学习等开展项目探究活动。

探究活动1：剖析信息系统及其组成

组织学生结合小组的项目主题，通过相关操作分析“智能分类系统的组成要素”“系统是如何开展工作的”“计算机和移动终端的作用”。学生在完成探究并记录好探究结论的同时，以小组为单位谈谈对信息系统组成要素的理解，以及信息系统对人类生产生活的影响。

探究活动2：信息系统的五个基本的功能

组织学生以小组的形式绘制智能分类系统的工作流程图，进而分析该系统的功能及作用，包括“输入”“存储”“处理”“输出”和“控制”。学生在完成探究并记录好探究结论的同时，以小组为单位谈谈对系统的改进建议。

探究活动3：智能信息系统对人类生产或生活的影响

组织学生以小组为单位学习相关文献资料，进而讨论垃圾邮件的影响，了解垃圾邮件处理的相关法律法规以及技术处理方法，学生在完成探究并记录好探究结论的同时，结合小组的项目主题，以小组为单位谈谈智能信息系统对人类生产或生活的影响。

探究活动4：智能分类系统的实现原理和基本过程

组织学生根据选题针对性地查找并阅读相应的学习资料，如针对“剖析垃圾邮件智能分类系统”需要阅读“认识文本分类”“自动提取关键词”等材料。借助中小学人工智能教学平台引导学生体验文本分类，通过中文分词、词袋构建、特征提取、分类预测等过程初步认识朴素贝叶斯分类器；通过“疾病诊断”案例具体讲解条件概率、贝叶斯公式的应用，帮助学生理解贝叶斯定理主要用于在给定特征数据的情况下，判定样本属于某个类别的概率；引导学生结合教师以及教材的讲解，理解朴素贝叶斯分类法的计算过程和中心思想，并进一步结合小组选题开展探究，记录好探究结论，把小组观点记录在项目活动表格中。

探究活动5：机器学习的基本原理及主要类型

组织学生阅读学习资料“识猫辨狗：监督学习中的感知器分类”“物以类聚：非监督学习中的K均值聚类”等，通过具体的生活应用帮助学生理解人工智能技术如何模拟人类建立计算模型，结合输入数据，通过数据计算最终呈现智能行为的工作原理和过程，从而引导学生了解机器学习以及机器学习的主要类型，理解“机器学习”“监督学习”“无监督学习”等概念和特点。组织学生观看有关人工智能伦理的微课，引导学生结合智能信息系统给人类生产生活带来的变化以及相关的法律法规辩证分析特定的人工智能技术应用与人类的关系。[6]

5.进行项目汇报与评价

拟定项目评价量规组织各个小组进行成果汇报，引导学生回顾、理清、串联本项目中完成的内容，凝练出汇报重点并合理运用数字化工具总结学习所得，在互动与交流中促进思维的提升。组织小组间根据评价量规开展自评与互评，评价内容包括知识技能的掌握情况以及小组协作完成项目实施等方面，这些方面的评价在一定程度上能够反映学生的计算思维以及数字化学习创新水平。

结语

当然，根据内容的关联性，还可以在必修1第一章“数据与信息”以及第二章“知识与数字化学习”中，基于真实情境与问题解决，开展项目教学，让学生在小组合作中经历运用数字化工具制作完成有关人工智能的数字化作品，在了解数据、信息知识以及智慧等知识内容，体验数字化学习过程，树立数字化学习意识的同时，深刻地理解人工智能的基本概念及其在各行各业的应用，提升学生的创新创造和计算思维能力以及智能素养。在第五章“数据处理和可视化表达”中，可以通过关联分析、聚类分析等数据分析微项目，以及体验在线制作词云和编程制作词云等项目活动，让学生初步了解人工智能相关核心算法及其应用。[7]

缺少学习人工智能课程的课时是目前学校开展人工智能教学的主要困境之一。通过项目教学的方式，将选修模块人工智能的相关知识内容等融入高中信息技术课程必修部分较为基础的教学内容中，可以帮助学生在了解、掌握相关的必修知识与技能的同时，对人工智能的发展历程或者相关典型的算法的原理以及技术的实现过程等有一定的探究，有助于学生体会到人工智能与人类、社会和环境的紧密关系，增强利用智能技术服务人类发展的责任感，形成适应新时代的正确价值观和关键能力，更能使更多有潜质、有才华的学生得到锻炼和发展，为将来进入高校继续开展相关方向的学习以及应用人工智能进行创新创造做好准备，以适应新形势下国家和社会发展对拔尖创新与应用复合型高端人才的需求，从而在人工智能教育大中衔接中推进拔尖创新人才培养的持续、健康发展。[8]

参考文献：

[1]张志新，杜慧，高露，等.发达地区中小学人工智能课程建设现状、问题与对策[J].中国电化教育，2020（09）：40-49.

[2]于勇，徐鹏，刘未央.我国中小学人工智能教育课程体系现状及建议[J].中国电化教育，2020（08）：93-99.

[3]卢宇，汤筱玙，宋佳宸，等.智能时代的中小学人工智能教育：总体定位与核心内容领域[J].中国远程教育，2021（05）：22-31+77.

[4]陳凯.人工智能教学融入高中信息技术课程基础模块的几个策略[J].中小学信息技术教育，2020（Z2）：103-105.

[5]秦朋绪，陈明选.高中人工智能课程中项目化学习设计与实施——以“智能语音电话簿的制作”为例[J].中国信息技术教育，2022（07）：38-42.

[6]黎清万，钟嘉宝.AI视觉识别——人工智能项目式学习实践（PBL）设计[J].中国信息技术教育，2022（04）：16-20.

[7]姜正梅.综合实践活动视角下的高中人工智能教育创新实践[J].中国信息技术教育，2021（16）：49-53.

[8]冯士海.融入信息技术课程的人工智能教育思考[J].中国信息技术教育，2021（05）：87-89.