張兆迪 張馨月

摘要：在信息科技新課程的教學(xué)中，真實(shí)性學(xué)習(xí)扮演著至關(guān)重要的角色。本文基于真實(shí)性學(xué)習(xí)的基本意涵，以“探索人工智能之神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”為例，分析、探討其實(shí)踐路徑，以期為信息科技教學(xué)提供新的視角和方法。

關(guān)鍵詞：真實(shí)性學(xué)習(xí)；信息科技；教學(xué)策略；人工智能；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：G434 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?論文編號(hào)：1674-2117（2024）12-0013-03

真實(shí)性學(xué)習(xí)的基本意涵

著名學(xué)者多諾萬、布蘭斯福德和佩萊格里諾將真實(shí)學(xué)習(xí)定義為：允許學(xué)生在涉及真實(shí)世界的、與學(xué)習(xí)者關(guān)聯(lián)的問題和項(xiàng)目的情境脈絡(luò)中進(jìn)行探索、討論和有意義地建構(gòu)概念和關(guān)系。[1]實(shí)際上，真實(shí)性學(xué)習(xí)除了具有認(rèn)知的價(jià)值，相對(duì)于傳統(tǒng)課堂學(xué)習(xí)而言，它還強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者的身份構(gòu)建。[2]在真實(shí)性學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)者有機(jī)會(huì)參與及體驗(yàn)專家的工作與認(rèn)知旅程，通過理解學(xué)科內(nèi)在的認(rèn)識(shí)論與知識(shí)結(jié)構(gòu)，同時(shí)也在實(shí)踐共同體的話語、價(jià)值觀、規(guī)范及社會(huì)關(guān)系的互動(dòng)中發(fā)生著從實(shí)踐共同體的邊緣參與者向核心成員逐漸過渡的身份構(gòu)建。[3]

真實(shí)性學(xué)習(xí)是一種強(qiáng)調(diào)在真實(shí)情境中解決真實(shí)問題的學(xué)習(xí)方式，它要求學(xué)生置身于真實(shí)或模擬的情境中，通過參與實(shí)踐活動(dòng)、解決真實(shí)問題來獲取知識(shí)、發(fā)展能力。在真實(shí)性學(xué)習(xí)中，學(xué)生不再是被動(dòng)接受知識(shí)的容器，而是主動(dòng)探究、積極構(gòu)建的主體。教師則扮演著引導(dǎo)者和支持者的角色，為學(xué)生提供必要的資源和指導(dǎo)。

真實(shí)性學(xué)習(xí)的教學(xué)策略

筆者針對(duì)“探索人工智能之神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”這一教學(xué)主題，設(shè)計(jì)了以下五個(gè)步驟的教學(xué)策略，旨在讓學(xué)生在真實(shí)情境中主動(dòng)探索、實(shí)踐應(yīng)用，進(jìn)而深入理解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理和應(yīng)用價(jià)值。

1.創(chuàng)設(shè)情境，聚焦問題

為了引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入真實(shí)的學(xué)習(xí)情境，筆者設(shè)計(jì)了一系列與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的現(xiàn)實(shí)問題或挑戰(zhàn)，通過展示這些問題的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望。同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生思考這些問題背后的技術(shù)原理——神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從而明確學(xué)習(xí)目標(biāo)和方向。

案例：請(qǐng)同學(xué)們觀看視頻，觀看結(jié)束后回答兩個(gè)問題——①在這個(gè)視頻中，有一位顧客被推薦衣服，請(qǐng)問視頻中推薦衣服的方式與你們?cè)诂F(xiàn)實(shí)生活中遇到的推薦方式有區(qū)別嗎？②如果有區(qū)別，請(qǐng)問有什么區(qū)別？

2.活動(dòng)體驗(yàn)，總結(jié)過程

在明確學(xué)習(xí)目標(biāo)和方向后，教師組織學(xué)生進(jìn)行活動(dòng)體驗(yàn)，如體驗(yàn)“分辨馬和驢”的游戲。在體驗(yàn)過程中鼓勵(lì)學(xué)生嘗試總結(jié)自己分辨事物的規(guī)律和步驟，以便更深入地理解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建模流程。

案例：按序播放24張圖片，在播放第一張圖片時(shí)，讓1號(hào)同學(xué)回答是馬還是驢，回答后教師給出答案，繼續(xù)播放第二張圖片，讓2號(hào)學(xué)生回答第二張圖片是馬還是驢，2號(hào)學(xué)生回答后教師給出第二張圖片的答案，以此類推。

組織學(xué)生進(jìn)行討論、交流，歸納人腦學(xué)習(xí)分類的過程，進(jìn)而引出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建模流程（如下圖）類似于人腦學(xué)習(xí)分類的過程：首先，需要采集大量的數(shù)據(jù)；其次，搭建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型架構(gòu)；再次，將采集的大量數(shù)據(jù)輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中；最后，訓(xùn)練該模型，當(dāng)模型的精確度達(dá)到預(yù)期時(shí)，則可以使用該模型預(yù)測(cè)未知數(shù)據(jù)。

通過具象的游戲，讓學(xué)生歸納總結(jié)人腦學(xué)習(xí)分類的大致流程，為后續(xù)學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建模流程做鋪墊。

3.遷移提煉，揭秘原理

在游戲活動(dòng)體驗(yàn)的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)總結(jié)的規(guī)律和步驟進(jìn)行遷移和提煉。通過對(duì)比分析人類和計(jì)算機(jī)分類事物的共性和差異，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的建模流程。同時(shí)，利用可視化工具和技術(shù)手段，幫助學(xué)生直觀地理解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制。這樣不僅可以加深學(xué)生對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理的理解，還可以提高他們的邏輯思維和抽象能力。

案例：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是一種模擬人類大腦工作方式的數(shù)學(xué)模型，它是人工智能領(lǐng)域中最重要的技術(shù)之一。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型由許多被稱為神經(jīng)元的單元組成，這些神經(jīng)元之間通過連接進(jìn)行信息傳遞。每個(gè)神經(jīng)元都有許多輸入，它們來自其他神經(jīng)元。神經(jīng)元將這些輸入加權(quán)求和，并通過一個(gè)激活函數(shù)進(jìn)行處理，產(chǎn)生一個(gè)輸出。這個(gè)輸出會(huì)傳遞給其他神經(jīng)元，從而形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。在訓(xùn)練過程中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)輸入的已知數(shù)據(jù)和對(duì)應(yīng)的正確答案，通過不斷調(diào)整連接的權(quán)重值和節(jié)點(diǎn)的偏置值來學(xué)習(xí)正確的映射關(guān)系。通過反復(fù)迭代這個(gè)過程，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以逐漸優(yōu)化自己，提高對(duì)未知數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)能力。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型有很多種不同的結(jié)構(gòu)和類型，如前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。每種類型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)都有其特定的應(yīng)用場(chǎng)景和優(yōu)勢(shì)，如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在圖像識(shí)別中表現(xiàn)出色，而循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則擅長(zhǎng)處理序列數(shù)據(jù)。信息科技學(xué)科主要以簡(jiǎn)單的前饋全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為例展開教學(xué)。

4.實(shí)踐分析，優(yōu)化策略

在揭示了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理后，教師引導(dǎo)學(xué)生嘗試體驗(yàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效果，并進(jìn)行深入分析。通過分析運(yùn)行結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生思考如何改進(jìn)和優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能和應(yīng)用效果。同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生嘗試不同的優(yōu)化策略和技巧，如調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、預(yù)處理訓(xùn)練數(shù)據(jù)集等，以便更深入地掌握神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化方法和技巧。

案例：借用平臺(tái)為學(xué)生搭建項(xiàng)目，并提供神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練過程、使用模型預(yù)測(cè)未知數(shù)據(jù)的代碼。

引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的基本架構(gòu)、計(jì)算原理等知識(shí)點(diǎn)，體驗(yàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的代碼實(shí)現(xiàn)過程，并感受神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的應(yīng)用潛力。首先，通過實(shí)際運(yùn)行代碼體驗(yàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建模流程，學(xué)生可以深入理解人工智能技術(shù)的原理和應(yīng)用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是人工智能領(lǐng)域的核心技術(shù)之一，其訓(xùn)練過程涉及大量的數(shù)學(xué)運(yùn)算和算法實(shí)現(xiàn)。通過親自運(yùn)行和調(diào)試代碼，學(xué)生可以深入了解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的工作原理，加深對(duì)人工智能技術(shù)的理解。其次，通過實(shí)際運(yùn)行代碼體驗(yàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測(cè)過程，學(xué)生可以掌握人工智能技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，提高解決問題的能力。通過實(shí)際體驗(yàn)?zāi)Ｐ偷念A(yù)測(cè)過程，學(xué)生可以了解人工智能技術(shù)在實(shí)際生活中的應(yīng)用場(chǎng)景和效果，培養(yǎng)解決問題的能力和創(chuàng)新思維。

在運(yùn)行代碼的過程中，有的學(xué)生訓(xùn)練出來的模型精確度相對(duì)較低，十張圖片中分類正確的只有一張，教師可引導(dǎo)學(xué)生思考是否有辦法提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的分辨正確率，并根據(jù)學(xué)生的回答總結(jié)出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型精確度的優(yōu)化策略之一，即增加數(shù)據(jù)量，進(jìn)而引入增加數(shù)據(jù)量的相關(guān)技術(shù)。

還有的學(xué)生回答可以將圖片中的無關(guān)要素刪除，只關(guān)注少部分像素即可進(jìn)行分辨。教師提煉總結(jié)出提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型精確度的另一個(gè)優(yōu)化策略是對(duì)圖片進(jìn)行預(yù)處理，如裁剪等。

在學(xué)生體驗(yàn)的過程中，教師還發(fā)現(xiàn)有學(xué)生對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的架構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整，如將激活函數(shù)由ReLU修改為Sigmoid，這也是提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型精確度的優(yōu)化策略之一。除了可以修改激活函數(shù)，還可以修改層數(shù)、每層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)等。

了解提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型精確度的優(yōu)化策略可以幫助學(xué)生深入理解人工智能技術(shù)的原理和應(yīng)用。精確度優(yōu)化策略涉及多個(gè)方面，如數(shù)據(jù)預(yù)處理、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、超參數(shù)調(diào)優(yōu)等。在實(shí)際應(yīng)用中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的精確度影響著模型的實(shí)際效果和應(yīng)用效果。通過了解和掌握精確度優(yōu)化策略，學(xué)生可以有效提高模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率，在解決實(shí)際問題的過程中，提高解決問題的能力和創(chuàng)新思維。

5.拓展交流，歸納總結(jié)

學(xué)生通過分享各自的學(xué)習(xí)成果和經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、討論神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的前沿技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)等拓寬了視野，深化了理解，同時(shí)，通過梳理所學(xué)的知識(shí)點(diǎn)和技巧方法，形成系統(tǒng)的知識(shí)體系和技能框架。這樣的方式不僅可以鞏固學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，還可以培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和創(chuàng)新思維。

通過實(shí)施以上五個(gè)步驟的教學(xué)策略，讓學(xué)生在真實(shí)情境中主動(dòng)探索并實(shí)踐應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，從而深入理解其基本原理和應(yīng)用價(jià)值。這種基于真實(shí)性學(xué)習(xí)的教學(xué)策略不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率，還可以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神，有利于學(xué)科素養(yǎng)的形成和發(fā)展。

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