畢琳琳 山東省實驗中學(xué)

周燕 山東省濟南市教育教學(xué)研究院

● “新一代人工智能”課程概述

1.課程目標(biāo)

①通過體驗圖像二分類項目的整個流程，了解機器學(xué)習(xí)的一般過程。

②通過體驗多種優(yōu)秀的機器學(xué)習(xí)算法，了解機器獲得智能的原因。

③通過小組合作探究項目，提高自主學(xué)習(xí)能力、思維能力、表達(dá)能力、合作能力以及解決問題的創(chuàng)新意識等綜合素養(yǎng)。

2.學(xué)情分析

高中生思維活躍、敏感，身處知識爆炸式增長的信息社會，對人工智能相關(guān)的技術(shù)有認(rèn)知基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)驅(qū)動。學(xué)生信息素養(yǎng)存在梯度性的差異，多數(shù)學(xué)生對Python程序設(shè)計有基本的認(rèn)識，但在計算思維與實踐能力方面差距明顯。

3.教學(xué)策略

①項目式學(xué)習(xí)。圖像二分類是貫穿“新一代人工智能”校本課程的學(xué)習(xí)項目，這種建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)方式有利于學(xué)生在一段時間內(nèi)對一組主題相關(guān)的驅(qū)動性問題進(jìn)行深入持續(xù)的探索，主動調(diào)動所有知識、能力、品質(zhì)等創(chuàng)造性地解決問題，形成對核心知識和學(xué)習(xí)歷程的深刻理解并進(jìn)行遷移。

②探究式學(xué)習(xí)。為學(xué)生提供PPT、視頻、操作演示、網(wǎng)站資源等多種學(xué)習(xí)支撐，便于學(xué)生探究摸索。

③小組合作式學(xué)習(xí)。兩人一組，每組一臺計算機，四人一張圓桌。

● “新一代人工智能”課程設(shè)計

1.課程結(jié)構(gòu)

課程結(jié)構(gòu)主要分為“導(dǎo)入”“項目實施”“展評”三個部分。①導(dǎo)入：該部分課程資料以視頻為主，討論人工智能過去的發(fā)展、現(xiàn)在的應(yīng)用和未來的展望。②項目實施：該部分是校本課程的核心，分為五個環(huán)節(jié)，即項目分析、準(zhǔn)備數(shù)據(jù)、SVM支持向量機分類、NN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類、CNN卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類（如圖1）。③展評：包含兩個環(huán)節(jié)，即小組展示和互評自評。

圖1

2.課程實施

（1）導(dǎo)入

導(dǎo)入部分借助視頻資料開拓學(xué)生的眼界，激發(fā)學(xué)生的思考，吸引學(xué)生的注意力。該部分分為三個環(huán)節(jié)，即AI過去、AI現(xiàn)在和AI未來。過去環(huán)節(jié)：了解AI的發(fā)展史和基本概念，領(lǐng)悟大師探究的品格和執(zhí)著的精神；現(xiàn)在環(huán)節(jié)：觀望人工智能在各個領(lǐng)域引發(fā)的變革，促使學(xué)生重新認(rèn)識技術(shù)的跨學(xué)科性；未來環(huán)節(jié)：暢想人工智能的發(fā)展方向，直面隱私泄露、信息繭房、價值沖擊等倫理風(fēng)險，明確人工智能安全的重要性，引導(dǎo)學(xué)生合理合法地使用技術(shù)，落實面向設(shè)計者和創(chuàng)造者的倫理教育。

（2）項目實施

①項目分析。宏觀介紹課程規(guī)劃，明確學(xué)習(xí)任務(wù)——圖像二分類；教師演示案例“荷花與玫瑰”，介紹分類任務(wù)；通過小組討論（異質(zhì)分組，男女搭配）類比小時候?qū)W習(xí)說話的過程以及回顧考前“刷題”的過程，明確分類項目的基本流程——準(zhǔn)備數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)預(yù)處理、訓(xùn)練模型、預(yù)測評估，并明晰項目流程中的難點（如下頁圖2）。

圖2

本環(huán)節(jié)植入機器學(xué)習(xí)的基本概念，準(zhǔn)備視頻資源如“線性回歸與邏輯回歸”“分類與聚類”等供學(xué)生自學(xué)，通過生動且形象的優(yōu)質(zhì)視頻幫助學(xué)生理解抽象的算法思想，探討機器學(xué)習(xí)與人類思維的異同，分析常用算法在生活場景中的應(yīng)用（如表1）。

表1

②準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。該環(huán)節(jié)包含兩個步驟：收集數(shù)據(jù)（各組爬取所需的圖像數(shù)據(jù)）；預(yù)處理數(shù)據(jù)、篩選圖像、調(diào)整圖像大小。

③SVM支持向量機分類。認(rèn)識SVM：SVM支持向量機是機器學(xué)習(xí)的經(jīng)典算法，也被稱為傳統(tǒng)分類算法中的天花板。其中，理論介紹以視頻為主，從相對典型的線性分類講起（如下頁圖3）。機器識別圖像的原理借助網(wǎng)上交互學(xué)習(xí)平臺進(jìn)行學(xué)習(xí)。用SVM算法訓(xùn)練模型、測試模型：教師首先用案例“荷花與玫瑰”講解代碼，指導(dǎo)學(xué)生修改代碼、調(diào)整參數(shù)，并形成自己的SVM分類代碼，其次引導(dǎo)學(xué)生訓(xùn)練模型、評估模型、進(jìn)行預(yù)測，并填寫SVM分類情況統(tǒng)計表，完成小組階段性總結(jié)。SVM分類是該項目第一種分類算法，暴露出實踐操作中的各種問題，階段性總結(jié)探討各小組的準(zhǔn)確率，探索影響準(zhǔn)確率背后的各種因素。

圖3

④NN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類。認(rèn)識NN：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是指人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其結(jié)構(gòu)如下頁圖4所示。用NN算法訓(xùn)練模型與測試模型：學(xué)生修改代碼、調(diào)整參數(shù)，形成自己的NN分類代碼，接著訓(xùn)練模型、評估模型，進(jìn)行預(yù)測，并填寫NN分類情況統(tǒng)計表，完成小組階段性總結(jié)。NN分類是該項目第二種分類算法，學(xué)生的思路相對明朗。前兩種分類算法的核心思想雖然不同，但是操作過程卻有相似之處，操作迭代，有利于知識的構(gòu)建。

圖4

⑤CNN卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類。認(rèn)識CNN：卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CNN是深度學(xué)習(xí)中的著名算法，它在普通神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上加入了卷積層與池化層（理論知識的講解借助視頻資源，卷積和池化的數(shù)學(xué)計算借用小動畫）。模型訓(xùn)練與模型評估：通過修改代碼、調(diào)整參數(shù)，學(xué)生形成自己的CNN分類代碼，通過訓(xùn)練模型、評估模型，進(jìn)行預(yù)測，并填寫CNN分類情況統(tǒng)計表，完成小組階段性總結(jié)。CNN分類是學(xué)生體驗的第三種分類方法，在前兩種分類的實踐基礎(chǔ)上，學(xué)生思路和操作再次迭代，從傳統(tǒng)機器學(xué)習(xí)到深度學(xué)習(xí)的知識構(gòu)建逐步完善。

（3）展評

展評部分有兩個環(huán)節(jié)。其一，小組重新梳理整個項目，反思總結(jié)，匯報實踐操作的得失；其二，小組自評和組間互評。

3.實施總結(jié)與反思

（1）重視教師的專業(yè)發(fā)展

①提高專業(yè)起點，優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容。教師只有提高了專業(yè)水平，才能夠更好地理解人工智能的原理和應(yīng)用，從而更有效地組織教學(xué)活動。②更新專業(yè)知識，提高教學(xué)效率。教師只有緊跟時代，不斷更新自己的專業(yè)知識，才能優(yōu)化教學(xué)設(shè)計。

（2）急需適合中小學(xué)生學(xué)習(xí)的人工智能交互平臺

人工智能難以理解，如果有交互性強的AI平臺，可以有效降低中小學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能的門檻。目前，人工智能頭部企業(yè)的開放平臺有很多優(yōu)勢：①實踐性強。平臺提供了大量的實踐項目和案例。②資源豐富。大量的數(shù)據(jù)集、算法庫和模型庫，方便教師進(jìn)行課程設(shè)計。③更新及時。平臺不斷更新和優(yōu)化教學(xué)資源。但開放平臺也存在問題，在登錄方式、賬號規(guī)模和算力支持上都存在限制，不適合班級授課模式常態(tài)化使用。所以，尋找一個適合學(xué)生長久使用的人工智能開放平臺，是人工智能教學(xué)順利開展的重要環(huán)節(jié)。

（3）建立人性化評價機制

校本課程適合建立人性化的評價機制，通過分類評價量表設(shè)定清晰的評價標(biāo)準(zhǔn)，通過階段性總結(jié)進(jìn)行定期檢查和反饋，通過學(xué)生自評、學(xué)生互評、教師點評等方式開展多元化評價，通過詳細(xì)的項目日志落實學(xué)生自我評價……總之，加強學(xué)習(xí)的過程性評價，可以更好地監(jiān)督學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和學(xué)習(xí)質(zhì)量。

● 結(jié)束語

綜上所述，高中“新一代人工智能”校本課程從社會的發(fā)展需求、人工智能學(xué)科的發(fā)展需求和學(xué)生心理的發(fā)展需求出發(fā)，幫助學(xué)生運用邏輯思維和計算思維去發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。所以，教師在校本課上應(yīng)重視學(xué)生思維層次的提升、行為習(xí)慣的養(yǎng)成和情感品性的陶冶，關(guān)注學(xué)生的道德完善和生命成長，讓教學(xué)回歸最本真的教育性價值，讓學(xué)生在問題的解決過程中建構(gòu)自己的知識體系，并不斷成長，形成項目化思維。