摘要：目前，人工智能（AI）教學正在中國各級教育體系中逐步推進，并呈現(xiàn)出一些積極的發(fā)展態(tài)勢，其中機器學習（ML）已成為AI教學中的重要內容。然而，由于其復雜性，運用傳統(tǒng)的教學方法可能無法有效傳授相關技能。而逆向設計強調了教學的目的性和學生學習的中心地位，這與人工智能教育的目標——培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和解決問題的能力是一致的。因此，本文探討了逆向設計在人工智能“機器學習”教學中的應用，旨在提高教學質量和學生的學習成效。

關鍵詞：逆向設計；人工智能；機器學習

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）15-0053-03

隨著科技的飛速發(fā)展，人工智能正深刻影響著我們生活的各個領域，人工智能教育的重要意義不言而喻。機器學習作為人工智能的核心分支，其教學對學生理解AI的概念和技能至關重要，如何在中學階段采用合適的教學方式引導學生學習和理解人工智能，是目前信息技術教師積極探索和研究的方向。在傳統(tǒng)教學設計中學生往往處于被動的學習狀態(tài)，而逆向教學設計以終為始，從學習結果出發(fā)，確保教學活動與學習目標高度匹配，使教師的教學活動完全以預期的學習成果為中心，保證了教學的有效性。因此，本文嘗試在人工智能“機器學習”的教學中采用逆向設計的教學設計方法，以提高教學質量和學生的學習成效。

機器學習教學的挑戰(zhàn)

機器學習教學在中學階段面臨著一系列挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)與學生的學習階段、認知發(fā)展水平以及學校的資源和課程設置有關。綜合來講，挑戰(zhàn)主要包括十個方面：①設置適度的課程難度。中學生通常缺乏高級數(shù)學和統(tǒng)計學知識，這使得學生理解機器學習中的復雜算法和理論變得困難。因此，設計適合中學生認知水平的課程內容是一個挑戰(zhàn)。②實踐機會有限。機器學習需要大量的實踐來鞏固理論知識，但在中學階段，學生沒有足夠的機會進行編程和數(shù)據(jù)分析練習。

③教師專業(yè)知識。機器學習是一個高度專業(yè)化的領域，許多中學教師沒有相關的專業(yè)背景或經驗，因此難以有效地教授相關課程。④資源限制。學校缺乏必要的計算資源，如計算機實驗室、軟件和數(shù)據(jù)集。⑤課程時間有限。學校的課程表通常已經排滿，要在其中加入新的機器學習課程需要重新調整現(xiàn)有的課程結構，難度較大。⑥評估方法。傳統(tǒng)的考試和作業(yè)不適合評估學生在機器學習領域的理解和技能，需要開發(fā)新的評估方法。⑦學生的先入為主觀念。中學生對機器學習持有簡化或錯誤的概念，這會影響他們對新知識的接受和應用。⑧倫理和社會問題。機器學習涉及數(shù)據(jù)隱私、算法偏見等敏感話題，這些問題超出中學生的生活經驗和理解范圍。⑨激發(fā)興趣。在中學階段，學生的興趣和動機差異很大，教師需要找到有效的方法來激發(fā)學生對機器學習的興趣。⑩跨學科整合。機器學習與其他學科（如數(shù)學、科學、計算機科學）緊密相關，跨學科教學對教師來說是一個挑戰(zhàn)。

逆向設計在機器學習教學中的應用

1.課程內容規(guī)劃

逆向設計強調從期望的學習成果出發(fā)，反向推導課程內容和教學方法。在機器學習課程中，首先，要明確學生應該掌握的核心技能和知識，如算法原理、模型訓練、數(shù)據(jù)處理等。其次，根據(jù)目標規(guī)劃課程內容，確保學生能夠通過學習達到預期的成果?！镀胀ǜ咧?b id="4nlF4TjU1EyUW6rnZwYGyQ==">信息技術課程標準（2017年版）》（以下簡稱“新課標”）將人工智能教學列入必修1“數(shù)據(jù)與計算”，并要求“通過人工智能典型案例的剖析，了解智能信息處理的巨大進步和應用潛力，認識人工智能在信息社會中的重要作用”，確定“人工智能技術是當前信息技術應用發(fā)展的熱點之一，它在求解策略和處理手段上具有獨到之處”，要求“通過部分信息技術工具軟件的使用，體驗其基本工作過程，了解其實際應用價值”。

結合新課標可以確定教學內容：①了解人工智能的基本概念；②掌握機器學習的概念和一般過程；③通過在機器學習訓練平臺進行實踐探究，體驗機器學習的一般過程。

2.實踐項目設計

在機器學習中，實踐項目對提升學生的動手能力和問題解決能力至關重要。逆向設計幫助教師從學生未來需求或實際應用場景出發(fā)，設計具有挑戰(zhàn)性的實踐項目。這些項目可以涵蓋從數(shù)據(jù)收集、預處理、模型構建到結果評估和知識提煉的全過程，讓學生在實踐中深化對機器學習原理和方法的理解。在實踐中，將教學活動分為課前、課中、課后三個環(huán)節(jié)，教學評價融入到三個環(huán)節(jié)中。課前，引導學生自學并布置相關任務；課中，依托機器學習平臺的訓練，體驗機器學習的一般過程，即采集數(shù)據(jù)→訓練→測試評估→應用，加深學生對機器學習過程的理解和應用；課后，通過作業(yè)和測試題評價學習效果。評價作用于三個環(huán)節(jié)，整體設計思路如下圖所示。

為了提高教學效率和學生的實際情況，在教學中為學生選擇合格的“機器學習”訓練平臺尤其重要。在線機器學習平臺極大地提高了學生的實踐參與度，平臺上的交互式教程、項目挑戰(zhàn)和社區(qū)支持，增強了學生的學習動機和自主學習能力。此外，學生能夠通過平臺獲得即時反饋，這有助于他們更好地理解機器學習的概念，但缺乏適當?shù)闹笇Ш椭С挚赡軙е聦W生在面對復雜任務時感到困惑。為了幫助學生體驗機器學習的整個過程，即“創(chuàng)建項目→訓練→學習與測試→應用開發(fā)”，在教學中筆者為學生設計了三個遞進的項目任務：①利用網(wǎng)絡收集圖片，并導入到特征庫中，訓練機器對圖片的識別，如識別水果、動物或鮮花，再利用攝像頭拍攝實物，測試機器的識別能力，體驗機器學習的訓練和應用過程；②練習難度較大的文本訓練；③通過前面的訓練和測試，自主提煉機器學習的過程。

3.課程評估與反饋

逆向設計強調在課程結束后對學生的學習成果進行評估，并根據(jù)評估結果對課程內容和教學方法進行改進。在機器學習課程中，筆者設計了“知識小測”和“學以致用”兩個環(huán)節(jié)?！爸R小測”環(huán)節(jié)主要通過選擇題的形式，測試學生在“自主學習”和“實驗探究”過程中所學習和理解的知識，如機器學習的關鍵概念、理論和方法?！爸R小測”根據(jù)不同水平的學生設計不同難度的題目，包括基礎題目以及挑戰(zhàn)性的題目。同時，設定合理的時間限制，確保學生有足夠的時間完成測驗。

“學以致用”環(huán)節(jié)則是幫助學生鞏固和檢驗他們對課程內容的理解和掌握，主要針對現(xiàn)實中的實際案例進行分析，并將分析結果分享到學習平臺的討論區(qū)，讓學生將理論知識應用于實際問題解決中。借助學習平臺的收集和統(tǒng)計功能可以檢測和評估學生對機器學習知識的理解與應用，同時了解他們在學習過程中的困難和需求，從而不斷優(yōu)化課程設計。

4.教學資源開發(fā)

在逆向設計中，需要根據(jù)學生的需求和課程目標，在教學中設計配套的微課、平臺操作說明、學習資料等有針對性的教學資源，這些資源可以幫助學生更好地理解和掌握機器學習知識。

5.跨學科整合

在機器學習課程中，還可以整合其他領域的知識，特別是計算機科學、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等。逆向設計可以幫助教師從跨學科的角度出發(fā)，設計綜合性的課程內容和項目，培養(yǎng)學生的綜合能力和創(chuàng)新思維。

逆向設計的教學效果

1.教學設計更優(yōu)化

傳統(tǒng)的教學方法先根據(jù)教材內容設計課程和教學計劃，然后進行教學活動，最后通過考試或其他形式的評估來測試學生的學習成果。而逆向設計則強調教學的目的性和學生學習的中心地位。首先，確定學生應該達到的學習目標；其次，設計評估方法來衡量這些目標的達成程度；最后，開發(fā)教學活動幫助學生達到這些目標。

2.學生參與度更高

在傳統(tǒng)教學中，學生被動接受知識，參與度較低。逆向設計則強調學生的主動學習和批判性思維，學生往往更加注重學習過程，因為他們需要通過項目、討論和其他互動活動來展示他們的理解。

3.體現(xiàn)了深度學習思想

傳統(tǒng)教學更側重于記憶和理解，不足以促進高階思維技能的發(fā)展。逆向設計鼓勵深度學習，學生必須通過應用和擴展他們的知識來達成課程的學習目標。

4.靈活性和適應性更強

逆向設計可以根據(jù)學生的反饋和學習成果調整教學活動，具有更大的靈活性，而傳統(tǒng)教學的課程結構則相對固定。

5.技術整合要求高

傳統(tǒng)教學中的技術使用可能是附加的，而不是課程設計的核心部分，使用逆向設計更容易整合新技術和資源。

6.評估手段更方便

傳統(tǒng)教學中的評估更多地關注知識的覆蓋范圍，而不是知識的實際理解和應用。在逆向設計中評估方法與學習目標緊密對應，更能準確地反映學生是否達到了預期的學習成果。

結束語

研究表明，當教學設計以學習目標為中心時，學生的學習成效往往更好，因為他們能夠更清晰地理解課程的期望，并且更有機會通過各種方式展示他們的學習。當然，有效的教學往往需要根據(jù)具體的學生群體、課程內容和資源條件來選擇最合適的方法。

參考文獻：

[1][美]格蘭特·威金斯，[美]杰伊·麥克泰格.追求理解的教學設計（第2版）[M].閆寒冰，宋雪蓮，賴平，譯.上海：華東師范大學出版社，2017.

[2]中華人民共和國教育部.普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[3]余勝泉.智能時代的深度教學理念與模式[J].中小學數(shù)字化教學，2022（12）：34-40.

[4]楊竹君.基于UbD模式的高中美術鑒賞教學設計[D].上海：上海師范大學，2021（05）：16.

[5]糜莉.打破傳統(tǒng)設計思路，逆向重構教學目標——高中信息技術大概念單元教學逆向設計運用例談[J].中國信息技術教育，2023（15）：35-39.