李敏 天津市南開中學(xué)濱海生態(tài)城學(xué)校

● 教學(xué)內(nèi)容分析

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）倡導(dǎo)真實(shí)性學(xué)習(xí)，注重科學(xué)原理指導(dǎo)實(shí)踐應(yīng)用，探索通過場景分析進(jìn)行原理認(rèn)知并能夠應(yīng)用遷移。關(guān)于人工智能的課程內(nèi)容主要為：應(yīng)用系統(tǒng)體驗(yàn)、機(jī)器計算與人工計算的異同、倫理與安全挑戰(zhàn)。在“模塊9 人工智能與智慧社會”中，新課標(biāo)要求通過生活中的人工智能應(yīng)用將智能化全面滲透到社會的各個領(lǐng)域中，讓學(xué)生理解人工智能的特點(diǎn)、優(yōu)勢。本課主要針對新課標(biāo)第2條“通過分析典型的人工智能應(yīng)用場景，了解人工智能的基本特征及所依賴的數(shù)據(jù)、算法和算力三大技術(shù)基礎(chǔ)”開展教學(xué)設(shè)計。學(xué)業(yè)要求為：能識別身邊的人工智能應(yīng)用，理解人工智能與現(xiàn)實(shí)社會的聯(lián)系，了解人工智能的三大技術(shù)基礎(chǔ)。

基于對新課標(biāo)的分析，筆者確定了本課（第二課時）的教學(xué)內(nèi)容：從生活中的交友類比到計算機(jī)中的好友推薦，在此過程中理解協(xié)同過濾，并對人工智能中數(shù)據(jù)和算法的重要性產(chǎn)生直觀的認(rèn)識。

● 學(xué)業(yè)要求分析

新課標(biāo)提出，要了解人工智能的三大技術(shù)基礎(chǔ)，即數(shù)據(jù)、算法和算力。筆者將本課的學(xué)習(xí)要求分解為“生活中的好友推薦→計算機(jī)中的好友推薦”，并將好友的推薦方式分為“志同道合”和“好友關(guān)系”，學(xué)生將生活經(jīng)驗(yàn)遷移到算法原理中，并對其中的數(shù)據(jù)和算法的重要性產(chǎn)生直觀認(rèn)識，由此理解人工智能的技術(shù)基礎(chǔ)。

● 學(xué)習(xí)對象分析

通過問卷調(diào)查，筆者了解到學(xué)生對交友的話題很感興趣，而且他們普遍使用社交軟件和網(wǎng)站，對通過算法進(jìn)行好友推薦的方式感到好奇。學(xué)生雖然對互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的基本概念和常用功能有一定的了解，但對推薦算法的原理和實(shí)際應(yīng)用較為陌生。

● 教學(xué)目標(biāo)

①通過生活中的交友，類比并理解互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的好友推薦方法。（信息意識、計算思維）

②通過對交友過程的抽象，理解根據(jù)興趣愛好等特征及好友之間的關(guān)系推薦好友。（計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新）

③通過親歷好友推薦的過程，初步了解人工智能中的協(xié)同過濾算法的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵。（計算思維）

④能將推薦算法應(yīng)用到更多場景中，并意識到推薦功能中的數(shù)據(jù)安全等問題。（信息社會責(zé)任）

● 教學(xué)重難點(diǎn)

重點(diǎn)：理解好友推薦。

難點(diǎn)：協(xié)同過濾算法實(shí)現(xiàn)過程的理解。

● 教學(xué)策略

筆者采用多元化的教學(xué)方法，包括UMU在線討論、卡片小調(diào)查、角色模擬等，梳理自己在日常生活中的交友過程；在遷移類比到計算機(jī)中之后，通過豐富的教學(xué)素材，包含網(wǎng)頁表單填寫和數(shù)據(jù)下載，輔助學(xué)生親歷數(shù)據(jù)采集的過程，理解數(shù)據(jù)采集的過程和數(shù)據(jù)的重要性；而通過編程運(yùn)行結(jié)果計算得到的好友相似度能吸引學(xué)生的注意，提升他們學(xué)習(xí)本課的興趣，幫助他們養(yǎng)成用數(shù)據(jù)分析問題的思維，并理解算法的重要性。

● 教學(xué)準(zhǔn)備

UMU在線學(xué)習(xí)單、網(wǎng)頁表單、調(diào)查卡片、Python程序。

● 教學(xué)過程

1.課題引入

問題情境：教師提問（學(xué)生）是否經(jīng)歷過互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的好友推薦，并展示互聯(lián)網(wǎng)中的“好友推薦”功能。然后教師提問這種推薦方式如何實(shí)現(xiàn)，引入課題研究。

課題引入：教師引導(dǎo)學(xué)生思考日常生活中的交友方式或推薦好友的方式有哪些，并根據(jù)學(xué)生的回答引出好友推薦的兩種方式：①在某些興趣方面比較相似，也就是志同道合。②通過好友關(guān)系認(rèn)識。

設(shè)計意圖：由學(xué)生感興趣的話題和互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用引入本課，能起到很好的激趣作用。同時，通過生活中的交友引入兩種交友方式，為后續(xù)基于協(xié)同過濾算法展開好友推薦做鋪墊。

2.以“志同道合”推薦好友

問題情境：生活中“志同道合”的好友是怎么推薦的呢？你們之間有多像才成為朋友？如何遷移到計算機(jī)中通過“志同道合”來推薦好友呢？

活動1：學(xué)生在UMU中對話題“你認(rèn)為志同道合要在哪些方面比較相同或者合得來呢？”展開在線討論。

活動小結(jié)：教師將學(xué)生的討論結(jié)果生成UMU關(guān)鍵詞畫面，揭示“志同道合”的熱詞，包含品格、性格、學(xué)習(xí)、興趣等。師生共同討論，明確還需要進(jìn)一步將討論結(jié)果中的興趣詳細(xì)化，補(bǔ)充了畫畫、音樂、唱歌、籃球、看書等。

小調(diào)查：生活中如何根據(jù)特征確定好友？學(xué)生在卡片上勾選這幾個特征的重要程度，并交換查看是否可以成為好朋友。教師隨機(jī)選取兩位學(xué)生的卡片（如上頁表1），全班學(xué)生共同分析這兩位同學(xué)是否有可能成為朋友。

表1

小調(diào)查小結(jié)：師生在分析過程中歸納關(guān)鍵點(diǎn)，兩個人是好友的關(guān)鍵——找特征，特征關(guān)聯(lián)且重要性相似，如果相似，可以把相似度高的人推薦為好友。也就是我喜歡的朋友是跟我有一樣特征的人，因此如果A和B在這些特征方面與我的相似度高，就會推薦給我做朋友。

活動2：計算機(jī)通過“志同道合”推薦好友。

數(shù)據(jù)采集：學(xué)生通過網(wǎng)頁表單填寫數(shù)據(jù)，全班一半學(xué)生采集的是4項特征數(shù)據(jù)，另一半學(xué)生采集的是8項特征數(shù)據(jù)（如上頁圖1）。

圖1

簡析程序：學(xué)生通過程序注釋理解算法，分小組討論，完成UMU中的算法步驟排序。教師分析排序結(jié)果，統(tǒng)一簡析程序的算法核心，認(rèn)識“算法”的意義。

核心程序：（略）。

運(yùn)行程序：學(xué)生運(yùn)行程序，觀察結(jié)果。

教師分別請兩個組的學(xué)生展示他們的程序運(yùn)行結(jié)果，如圖2所示（a為4個特征的數(shù)據(jù)運(yùn)行結(jié)果，b為8個特征的數(shù)據(jù)運(yùn)行結(jié)果）。使用了4個特征的學(xué)生相似度都很高而且差別小，而使用了8個特征的學(xué)生相似度有所降低且差距拉大，師生共同梳理：在特征選擇時要注意能刻畫人物特點(diǎn)且數(shù)量適中，雖然特征數(shù)量越多刻畫得越準(zhǔn)確，但是這也會引起效果的降低和數(shù)據(jù)量的加大。

圖2

活動小結(jié)：師生共同整理好友推薦過程——確定特征→確定描述特征的方法→采集數(shù)據(jù)→計算相似度→推薦好友。用到的算法是協(xié)同過濾算法。

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)首先通過卡片調(diào)查的方式從學(xué)生的實(shí)際入手，梳理交友過程和其中的關(guān)鍵點(diǎn)，然后引申到計算機(jī)中的好友推薦，引導(dǎo)學(xué)生初步理解協(xié)同過濾算法。

3.“好友關(guān)系”推薦好友

問題情境：你是如何通過朋友認(rèn)識其他朋友的？計算機(jī)如何描述關(guān)注點(diǎn)贊等好友關(guān)系？如何通過復(fù)雜的好友關(guān)系向你推薦好友？

角色扮演：由兩位學(xué)生扮演具有共同朋友的A和B兩個人，這兩個人因?yàn)橛泄餐呐笥讯哂邢嗨菩?，所以，?dāng)其中一人還有其他朋友的時候，這個朋友也會被推薦給另外一個人做朋友（由生活經(jīng)歷進(jìn)入計算機(jī)根據(jù)好友關(guān)系的推薦）。

活動3：計算機(jī)通過“好友關(guān)系”推薦好友。

數(shù)據(jù)采集：學(xué)生在網(wǎng)頁表單中選擇自己的好友（如圖3），提交數(shù)據(jù)后（如上頁表2），下載數(shù)據(jù)。

圖3

表2

簡析程序：學(xué)生通過程序注釋理解算法，分小組討論，完成UMU中的算法步驟排序。教師分析排序結(jié)果，統(tǒng)一簡析程序的算法核心，認(rèn)識“算法”的意義。

核心程序代碼：（略）。

運(yùn)行程序：學(xué)生運(yùn)行程序，并觀察結(jié)果（如圖4）。在程序運(yùn)行結(jié)果中進(jìn)一步體會根據(jù)好友關(guān)系推薦好友的過程。

圖4

活動小結(jié)：在通過好友關(guān)系進(jìn)行好友推薦時，協(xié)同過濾算法的“同”不再是根據(jù)特征，而是根據(jù)兩個人在共同好友方面的相似度，在計算得到相似度之后，根據(jù)相似的人的好友進(jìn)行好友推薦。

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)首先通過角色模擬的小活動引入生活中如何通過好友關(guān)系交到新的朋友，再引申到計算機(jī)中，引導(dǎo)學(xué)生對協(xié)同過濾算法推薦的另一種方式有新的認(rèn)識。

4.協(xié)同過濾算法的其他應(yīng)用

課堂總結(jié)：學(xué)生結(jié)合兩種方法的好友推薦進(jìn)行異同點(diǎn)比較（如圖5），再次深化好友推薦的過程，并從中感受數(shù)據(jù)和算法的重要性。師生共同總結(jié)這節(jié)課學(xué)習(xí)的好友推薦的兩種方法和其中的協(xié)同過濾算法。

圖5

拓展：學(xué)生根據(jù)已有的經(jīng)歷和本節(jié)課的學(xué)習(xí)拓展協(xié)同過濾算法的應(yīng)用。

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)在總結(jié)基于協(xié)同過濾的好友推薦的基礎(chǔ)上，由人到物，拓展思路，同時為引入下一個課時做鋪墊。

5.推薦系統(tǒng)的兩面性

問題情境：推薦系統(tǒng)中可能會隱含哪些問題？該如何避免？

活動4：請你結(jié)合所學(xué)知識分析推薦系統(tǒng)可能存在的問題，并談?wù)勀阌X得該如何避免這些問題的出現(xiàn)。

活動小結(jié)：推薦系統(tǒng)可能會泄露個人隱私、不停推薦同一類物品、不能看到其他類型的信息和物品（信息繭房）。結(jié)合使用互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的經(jīng)歷，需要在注冊軟件時關(guān)閉一些權(quán)限和個性化推薦等。

設(shè)計意圖：本環(huán)節(jié)主要圍繞好友推薦中可能隱含的弊端以及相應(yīng)的應(yīng)對措施進(jìn)行分析。學(xué)生在學(xué)習(xí)本課之后，能提升數(shù)據(jù)安全意識和防范能力。

● 教學(xué)反思

本課圍繞互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的好友推薦，基于學(xué)生生活中的交友情境，由學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，類比到計算機(jī)中的好友推薦。從學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，根據(jù)志同道合和好友關(guān)系進(jìn)行好友推薦，這兩種方法分別指向了計算機(jī)中的好友推薦采用的協(xié)同過濾算法的兩種經(jīng)典使用方法：基于項目的協(xié)同過濾和基于用戶的協(xié)同過濾。學(xué)習(xí)中通過形式各樣的活動和信息科技課程獨(dú)有的網(wǎng)頁表單數(shù)據(jù)采集和編程驗(yàn)證方式，使學(xué)生親歷了整個好友推薦的過程，從確定采集數(shù)據(jù)到采集數(shù)據(jù)、下載數(shù)據(jù)，再到運(yùn)用數(shù)據(jù)進(jìn)行程序計算，這些環(huán)節(jié)讓學(xué)生對整個過程有了清晰的認(rèn)識，體會到數(shù)據(jù)和編碼的重要性。本課在評價環(huán)節(jié)還有需改進(jìn)的地方，如果能使用更加清晰的評價方式，如制作過程性評價表以及自評和互評表，讓學(xué)生的過程性評價變得更加明確，會幫助學(xué)生更好地吸收課堂新知。