◎ 朱皓斌

一、引言

人工智能普及教育正走進中小學(xué)課堂，當(dāng)下初中信息科技的人工智能教學(xué)大多停留在應(yīng)用領(lǐng)域，而幫助學(xué)生理解人工智能基礎(chǔ)技術(shù)和原理將幫助學(xué)生更好地成為技術(shù)的主人。［1］在教學(xué)中，人工智能基礎(chǔ)算法涉及的數(shù)學(xué)知識略微高于當(dāng)下初中水平，對于初中生來說有些抽象和難以理解。以自然語言處理（Natural Language Processing， NLP）中的馬爾可夫轉(zhuǎn)移矩陣為例，如果僅僅講解矩陣的計算方法，可能很難取得良好的效果。因此，本課將基于深度學(xué)習(xí)理論，設(shè)計線上線下的教學(xué)材料和卡牌式游戲任務(wù)，通過階段任務(wù)的完成，讓學(xué)生預(yù)測剪刀石頭布游戲的出拳結(jié)果，從而理解馬爾可夫轉(zhuǎn)移矩陣的思想，并初步領(lǐng)會自然語言處理中序列預(yù)測的奧秘。

二、基于深度學(xué)習(xí)理念的初中信息科技教學(xué)準(zhǔn)備

（一）深度學(xué)習(xí)的內(nèi)涵闡釋

深度學(xué)習(xí)從過程來看是一種以學(xué)生為中心、教師為主導(dǎo)的學(xué)習(xí)［2］，其本質(zhì)是強調(diào)學(xué)生在高水平上對有一定挑戰(zhàn)的知識進行認知加工，以實現(xiàn)學(xué)生既能批判性理解知識，也能將所學(xué)知識遷移到相關(guān)領(lǐng)域并解決問題的學(xué)習(xí)效果［3］。隨著信息化教學(xué)給教育帶來更多的方式，深度學(xué)習(xí)從一種被倡導(dǎo)的教學(xué)模式，漸漸轉(zhuǎn)化為一種教學(xué)理念。［4］

初中階段信息科技具有基礎(chǔ)性、綜合性和實踐性，其中人工智能部分的內(nèi)容具有較強的跨學(xué)科和綜合應(yīng)用性質(zhì)［5］。在課堂中基于深度學(xué)習(xí)理念開展教學(xué)工作，將有助于學(xué)生提升自主可控意識，幫助學(xué)生理解人工智能基礎(chǔ)知識本質(zhì)，掌握人工智能技術(shù)在問題解決中的應(yīng)用，以及提升數(shù)字素養(yǎng)與技能。

（二）開展深度學(xué)習(xí)的條件分析與準(zhǔn)備

郭華提出深度學(xué)習(xí)的發(fā)生以教師指導(dǎo)為先決條件［6］，此外還包括四個學(xué)習(xí)條件，即精心設(shè)計的可學(xué)可操作的對象、有計劃有序的思維階梯、寬松平等的合作方式以及信息反饋和及時調(diào)整的策略。以人工智能中自然語言處理的馬爾可夫轉(zhuǎn)移矩陣一課為例，基于深度學(xué)習(xí)理念做了如下準(zhǔn)備。

首先，在校園學(xué)習(xí)網(wǎng)站中搭建項目學(xué)習(xí)平臺，課堂上可以同時在平臺和線下發(fā)布任務(wù)和學(xué)習(xí)材料，形成可學(xué)可操作的對象。教師為本課設(shè)計一系列學(xué)習(xí)卡牌，每張卡牌展示任務(wù)和思考問題，并根據(jù)難易程度分為三條線索。學(xué)生可以根據(jù)小組的能力和興趣選擇合適的路線，在項目中將實際的卡牌學(xué)習(xí)活動結(jié)果輸入平臺，以獲得反饋和下一項任務(wù)的指引。

其次，每條線索的卡牌組在時間進程上呈現(xiàn)有序的能力提升階梯——卡牌分為知識卡牌和任務(wù)卡牌。知識卡牌提供一個知識，并在卡牌中提出一個問題，解決上一個問題才能開啟下一個卡牌。任務(wù)卡牌則是結(jié)合學(xué)習(xí)進度布置任務(wù)，幫助學(xué)生循序漸進應(yīng)用新知識解決從簡單到復(fù)雜，再到遷移性的實際問題。在前半部分，知識卡牌充當(dāng)了知識聯(lián)系者的角色，幫助學(xué)生將已有經(jīng)驗與新知識聯(lián)系起來解決問題。在后半部分，任務(wù)卡牌作為階梯，每項任務(wù)是上一項任務(wù)的深化或批判問題，學(xué)生在此基礎(chǔ)上進一步探究，并通過完成任務(wù)提升能力和改變對知識的理解方式。

第三，學(xué)生以小組的形式參與項目學(xué)習(xí)，能力水平相近且學(xué)習(xí)興趣相似的同學(xué)組成小組，在自己選擇的難度線索中學(xué)習(xí)。這樣的方式可以幫助不同程度和特點的學(xué)生在各自水平上繼續(xù)進步。例如，對于編程水平較低的小組，可以利用算法知識和圖形化軟件在簡單線索中實現(xiàn)任務(wù)。對于熱衷于電子信息實踐且具有較高學(xué)習(xí)能力和編程能力的小組，則可以利用算法知識和智能硬件在困難線索中實現(xiàn)硬件部署的任務(wù)。無論哪個小組，都將根據(jù)各自的挑戰(zhàn)水平完成學(xué)習(xí)路線。這樣的設(shè)計旨在鼓舞學(xué)生的學(xué)習(xí)信心，激發(fā)他們繼續(xù)探索的熱情。

最后，在學(xué)習(xí)平臺中，教師可以在后臺觀察到所有小組的卡牌學(xué)習(xí)進度和任務(wù)進程，如果發(fā)現(xiàn)有掉隊或遇到問題的學(xué)生，可以及時給予幫助。同時，如果有學(xué)生選擇了和本小組能力不匹配的線索，教師也可提供指導(dǎo)并幫助其轉(zhuǎn)換到合適的線路中，實現(xiàn)了教師在過程中以學(xué)生為本的調(diào)控。在課堂的最后，教師根據(jù)學(xué)習(xí)記錄和學(xué)習(xí)成果，同樣也可以開放給各個小組相互欣賞與評價。最后，為完成卡牌的小組頒發(fā)獎勵卡牌，獎勵卡牌不僅限于完成困難線路的學(xué)習(xí)小組，也包括能夠順利完成簡單或中等難度的學(xué)習(xí)小組，他們同樣將獲得卡牌獎勵。

綜上，基于深度學(xué)習(xí)理念開展初中信息科技的人工智能教學(xué)，將幫助學(xué)生提高對人工智能技術(shù)原理的認知水平，在變式、遷移和應(yīng)用中提升信息科技核心素養(yǎng)，在小組合作與綜合活動中培養(yǎng)協(xié)作能力和問題解決能力。以下將結(jié)合深度學(xué)習(xí)的主要特征闡述如何開展基于深度學(xué)習(xí)的初中信息科技教學(xué)。

三、深度學(xué)習(xí)理念下初中信息科技的人工智能教學(xué)實踐

結(jié)合以上深度學(xué)習(xí)的任務(wù)目標(biāo)、特征，利用依據(jù)深度學(xué)習(xí)的條件準(zhǔn)備，以自然語言處理中馬爾可夫轉(zhuǎn)移矩陣的算法學(xué)習(xí)為例，本教學(xué)活動實施過程如下。

（一）聯(lián)想與探索

1.游戲引入

學(xué)習(xí)小組體驗與AI 對戰(zhàn)活動。學(xué)生打開“石頭剪刀布”網(wǎng)站，可以和AI 玩猜拳游戲。教師觀戰(zhàn)并提出問題：“在進行猜拳游戲時，你覺得人和人工智能之間的對戰(zhàn)會有什么不同？”引導(dǎo)學(xué)生思考并分享自己贏或輸給AI的經(jīng)驗，討論人工智能在游戲中的優(yōu)勢和不足，并指導(dǎo)學(xué)生回顧自然語言處理中的相關(guān)知識，嘗試在預(yù)測下一次出拳概率時進行遷移應(yīng)用。

2.卡牌探索

學(xué)生在平臺可以獲取卡牌線索，教師可以通過教室內(nèi)的智能機器人來分發(fā)線下真實知識卡牌，以調(diào)整課堂進度。學(xué)生以卡牌問題為導(dǎo)向，自主學(xué)習(xí)馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣在游戲中的應(yīng)用。每個小組的學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)難度（簡單、中等和困難）選擇第二張卡牌，每張卡牌上都會有一個知識點和一個相應(yīng)的問題。問題會結(jié)合新知識和過去的知識，答題成功后，答案就是下一張卡牌的編號。流程主要界面如圖1 所示。

圖1 卡牌活動

通過游戲和卡牌的探索，能夠迅速使學(xué)生進入學(xué)習(xí)狀態(tài)，參與問題探究并主動進行自我思考，從而展開自主式學(xué)習(xí)，實現(xiàn)對信息的初步提取。教師在情境導(dǎo)入環(huán)節(jié)時已經(jīng)考慮到學(xué)生已有的知識經(jīng)驗，并思考如何喚醒他們的原有經(jīng)驗，以便提取與新課相關(guān)的知識點。

3.討論與思考

教師在課堂上分析講解馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣，并得出其兩個主要特點。隨后，教師提出問題：“如何使用馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣預(yù)測下一次出拳的概率？”引導(dǎo)學(xué)生參與討論，共同分析猜拳游戲背后的思路以及如何基于已有信息進行預(yù)測。學(xué)生可以提出自己的想法和解決方案，并將其與馬爾科夫轉(zhuǎn)移矩陣的概念聯(lián)系起來。通過使用簡單模型完成預(yù)測（非實時更新的一階馬爾科夫矩陣），學(xué)生可以體驗使用模型進行決策的過程。

【設(shè)計意圖】在教學(xué)中，讓學(xué)生進入真實的問題情境中是很重要的，這樣可以激發(fā)學(xué)生的前知識和學(xué)習(xí)動機。通過引導(dǎo)學(xué)生進入情境，不僅可以吸引他們的注意力，還可以幫助他們更好地理解和表達問題。因此，我們應(yīng)該把學(xué)生置于問題情境中，讓他們直接參與其中，并提供足夠的時間給他們自己去發(fā)現(xiàn)、理解和分析問題。這樣，他們就能夠與新知識建立起聯(lián)系了。

（二）活動與體驗

1.活動一：基于圖形化編程完成剪刀石頭布出拳游戲

教師要求學(xué)生在圖形化編程任務(wù)中，補充記錄出拳次數(shù)的功能，并完成代碼的填寫，以便程序能夠根據(jù)本次出拳記錄次數(shù)，判斷下次可能出拳的種類。通過直觀且簡單的任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生掌握大小比較的算法，初步實現(xiàn)程序化的剪刀石頭布小游戲設(shè)計，為后續(xù)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

教師繼續(xù)通過卡牌引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)馬爾可夫概率矩陣：請學(xué)生從機器人身上取下剩余的卡牌，完成第三張卡牌的入庫操作。在入庫的同時，根據(jù)馬爾可夫轉(zhuǎn)移矩陣的特征，填寫卡牌中缺省處的數(shù)字。經(jīng)過卡牌的探索后，我們總結(jié)出轉(zhuǎn)移矩陣具有如下特點：從某一狀態(tài)出發(fā)，到其他狀態(tài)的概率之和為1，這是因為某一狀態(tài)必須轉(zhuǎn)移到三種狀態(tài)中的一個。在進行運算時，下一個狀態(tài)只與上一個狀態(tài)有關(guān)。

2.活動二：基于概率矩陣完成出拳預(yù)測

在此任務(wù)中，學(xué)生需要完成兩部分的操作。首先，在舞臺中初始化轉(zhuǎn)移矩陣的9 個概率值，這些概率值對應(yīng)著卡牌上的數(shù)值，將這些數(shù)值所對應(yīng)的狀態(tài)作為下一次出手的預(yù)測。其次，點擊按鈕出拳后，需要判斷當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)化概率的三個值中哪一個是最大的，并將其作為下一次出拳的預(yù)測。

【設(shè)計意圖】緊密相關(guān)的兩個任務(wù)引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)馬爾可夫鏈思想應(yīng)用于剪刀石頭布游戲的出拳預(yù)測。通過基于圖形化編程的基礎(chǔ)技能進一步發(fā)展大小比較的方法，并結(jié)合具體的圖形化編程和概率矩陣應(yīng)用場景，學(xué)生扮演人機對戰(zhàn)游戲開發(fā)者的角色，從主人公的視角思考序列預(yù)測問題。這樣引導(dǎo)學(xué)生了解和掌握算法過程的原理，提升計算思維和問題解決能力。

（三）討論與調(diào)整

1.思考與討論

在完成活動二后，教師引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)一個問題：“為什么固定的轉(zhuǎn)移矩陣不能預(yù)測多變的思維方式？”即固定轉(zhuǎn)移矩陣無法準(zhǔn)確反映不斷變化的思維方式，在實際應(yīng)用中可能存在一些不足。通過這個問題，可以更深入地了解轉(zhuǎn)移矩陣的局限性。接下來，教師可以介紹一些解決這個問題的方法，即通過實時數(shù)據(jù)來更新轉(zhuǎn)移矩陣，以更好地反映當(dāng)前的思維狀態(tài)。例如，利用歷史數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練，或者使用機器學(xué)習(xí)算法進行優(yōu)化。這些方法可以幫助學(xué)生更好地理解和應(yīng)用轉(zhuǎn)移矩陣。

2.活動三：實現(xiàn)轉(zhuǎn)移矩陣的自動更新

通過活動二，學(xué)生已經(jīng)了解了更新轉(zhuǎn)移矩陣的重要性和方法。在這個活動中，學(xué)生將對上一個程序進行修改，以便使轉(zhuǎn)移矩陣能夠根據(jù)記錄數(shù)據(jù)的更新而進行調(diào)整。通過這個活動，學(xué)生將學(xué)會利用實時數(shù)據(jù)來更新轉(zhuǎn)移矩陣，從而能夠更準(zhǔn)確地進行預(yù)測。

【設(shè)計意圖】此處為基于知識要點的問題鏈，幫助學(xué)生在理解分析的基礎(chǔ)上重新實現(xiàn)知識的意義建構(gòu)。在課中，引導(dǎo)學(xué)生認識到序列本身變化的本質(zhì)和上一方案的矛盾，能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，活躍其思維，思考如何實現(xiàn)動態(tài)矩陣和序列預(yù)測。在新的變式中使學(xué)生能夠更快速有效地掌握課程的核心知識。

（四）遷移與應(yīng)用

在活動三完成后，教師可以演示卡牌任務(wù)中難度3 的內(nèi)容，運用行空板實現(xiàn)相關(guān)程序。這個拓展部分讓學(xué)生關(guān)注到更高級的轉(zhuǎn)移矩陣更新方法，了解更復(fù)雜的技術(shù)應(yīng)用。學(xué)生通過觀摩教師的演示，嘗試?yán)斫夂湍７聦崿F(xiàn)。最后是實踐應(yīng)用活動，基于本課所學(xué)馬爾可夫轉(zhuǎn)移矩陣思想，學(xué)生將在不同難度線索中利用不同技術(shù)實現(xiàn)能動態(tài)變化的剪刀石頭布人機對戰(zhàn)游戲。簡單線路是通過點擊屏幕對象出拳，中等線路是通過手勢識別出拳并記錄，困難線路是借助智能硬件實現(xiàn)移動終端的游戲完善。

教師應(yīng)該為學(xué)生留出后續(xù)學(xué)習(xí)的空間，以鼓勵他們繼續(xù)深入學(xué)習(xí)和探索相關(guān)的人工智能技術(shù)和應(yīng)用。通過課堂上的提問，學(xué)生將思考人工智能預(yù)測的準(zhǔn)確性和局限性，從而培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維。此外，教師還可以引導(dǎo)學(xué)生思考轉(zhuǎn)移矩陣在更多場景中的應(yīng)用，例如天氣預(yù)測和語言預(yù)測等。學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣和能力進一步拓展研究，挑戰(zhàn)更復(fù)雜的問題，并加深對自然語言處理的理解和應(yīng)用。

【設(shè)計意圖】通過教學(xué)實踐，在知識點之間建立某種聯(lián)系，通過發(fā)現(xiàn)問題更新程序活動，幫助學(xué)生及時鞏固知識點，不斷完善自我認知結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)知識內(nèi)化。通過思考討論，客觀認識人工智能技術(shù)對社會的價值，形成正確的科學(xué)技術(shù)應(yīng)用觀。

（五）記錄與評價

本節(jié)課中，當(dāng)學(xué)生完成了所有三個環(huán)節(jié)的課堂活動后，教學(xué)網(wǎng)站也同步記錄了每個小組同學(xué)的學(xué)習(xí)進度。于是教師給完成所有任務(wù)的小組發(fā)出了最后一張獎勵卡牌，并提出了進階問題：盡管我們在三個不同難度等級下復(fù)現(xiàn)了剪刀石頭布的游戲，但在對戰(zhàn)過程中，我們會發(fā)現(xiàn)勝率隨著對局次數(shù)的增加而降低。在確認程序沒有出錯后，引導(dǎo)學(xué)生從算法和數(shù)據(jù)的角度思考這個問題。

深度學(xué)習(xí)的教學(xué)評價重心并不在于對學(xué)生知識掌握程度的評價，而更注重對學(xué)生認知思維過程的評價。例如，組長可以觀察記錄小組在問題抽象、算法設(shè)計、勘誤修正、歸納遷移等環(huán)節(jié)中的表現(xiàn)，并為小組進行打分記錄。通過整理各組的得分?jǐn)?shù)據(jù)，可以了解各組的學(xué)習(xí)情況，詳見表1。

表1 小組評價表

四、結(jié)語

本研究結(jié)合深度學(xué)習(xí)的主要特征和實現(xiàn)條件，結(jié)合初中信息科技中人工智能部分的內(nèi)容特點，構(gòu)建了一個學(xué)習(xí)和操作平臺。該平臺設(shè)計了幫助學(xué)生深度參與的材料和卡牌道具，并設(shè)置了難度區(qū)分和遞進層次的任務(wù)鏈。經(jīng)過教學(xué)實踐，學(xué)生在具有挑戰(zhàn)性且與自己經(jīng)歷密切相關(guān)的任務(wù)中，成功設(shè)計了基于序列預(yù)測的人機對戰(zhàn)游戲。在后臺統(tǒng)計結(jié)果中，所有學(xué)生都完成了知識卡牌問題，并完成了前兩個挑戰(zhàn)任務(wù)。其中63%的學(xué)生小組完成了所有挑戰(zhàn)并獲得了最終獎勵。這意味著學(xué)生通過學(xué)習(xí)理解了馬爾可夫轉(zhuǎn)移矩陣的思想，并且大部分學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識遷移應(yīng)用到其他領(lǐng)域。此外，在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識應(yīng)用到自然語言處理、天氣預(yù)測等序列預(yù)測的情景中，并構(gòu)思可能的問題解決方案，實現(xiàn)了對知識的內(nèi)化和拓展應(yīng)用。

綜上，本研究為人工智能教育以及跨學(xué)科深度學(xué)習(xí)教學(xué)實踐提供參考。同時，未來的教育研究者也可以在以下幾個方面進行進一步探究：首先，可以進一步完善課程內(nèi)容和教學(xué)資源，以確保課程設(shè)計與人工智能領(lǐng)域的最新發(fā)展保持同步；其次，可以探索更多多元化的教學(xué)方法和工具，滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和學(xué)習(xí)風(fēng)格。個性化教學(xué)和技術(shù)支持可以進一步提升學(xué)生的學(xué)習(xí)動機和學(xué)習(xí)成果。此外，可以進行長期的效果評估研究，跟蹤學(xué)生在核心素養(yǎng)培養(yǎng)方面的長期發(fā)展和應(yīng)用能力。這樣的研究將為進一步優(yōu)化課程設(shè)計和教學(xué)方法提供有力的依據(jù)。最后，可以加強與實際應(yīng)用領(lǐng)域的聯(lián)系，引入實踐案例和行業(yè)合作，使學(xué)生更好地理解人工智能的實際應(yīng)用和發(fā)展趨勢，培養(yǎng)他們在實踐中應(yīng)用人工智能技術(shù)解決問題的能力。