摘要：本文以教科版高中信息技術(shù)必修1第五單元“數(shù)據(jù)分析與人工智能”中的《探秘人工智能》一課為例，闡述了高中信息技術(shù)中基于PBL模式的人工智能課程的實施過程，并對PBL模式下的教學(xué)行為和教學(xué)效果進(jìn)行了分析和思考。

關(guān)鍵詞：PBL模式；人工智能；高中信息技術(shù)；教學(xué)實踐

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）23-0000-03

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）明確指出：“課程倡導(dǎo)基于項目的學(xué)習(xí)方式，將知識建構(gòu)、技能培養(yǎng)與思維發(fā)展融入到數(shù)字化工具解決問題和完成任務(wù)的過程中?！贝送?，新課標(biāo)還倡導(dǎo)：讓學(xué)生參與到信息技術(shù)支持的溝通、共享、合作與協(xié)商這一新型的教學(xué)模式中。[1]因此，筆者在教學(xué)中以“數(shù)據(jù)分析與人工智能”單元為藍(lán)本，將Flappy Bird游戲作為項目活動的主線，貫穿以“探秘人工智能”為主題的人工智能課程全過程，希望能為“如何讓學(xué)生參與新型信息技術(shù)支持下的項目式學(xué)習(xí)”這一問題的深究提供新思路。

研究課程要點，優(yōu)化教學(xué)設(shè)計

在教科版高中信息技術(shù)必修1《5.1 走進(jìn)數(shù)據(jù)分析》一課中，學(xué)生已初步學(xué)習(xí)了數(shù)據(jù)分析的概念、特點和工作機(jī)制，對人工智能的基礎(chǔ)思想有了初步的認(rèn)知。但到了《5.2 探秘人工智能》一課，教材仍然以介紹概念與小組討論為主，缺乏具體的項目實踐，學(xué)生難以具象感知人工智能的設(shè)計與實現(xiàn)流程。

因此，筆者以本課的重難點——“遺傳算法”和“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”為切入點，結(jié)合Flappy Bird游戲，融合編程思想，巧妙設(shè)計項目流程，讓學(xué)生在項目實踐中體驗機(jī)器學(xué)習(xí)模型的設(shè)計、調(diào)參、訓(xùn)練和調(diào)試的過程，充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維能力和編程設(shè)計能力。

設(shè)計項目活動，發(fā)揮PBL優(yōu)勢

項目式學(xué)習(xí)（PBL）的核心是以問題為導(dǎo)向，讓學(xué)生通過解決實際問題來學(xué)習(xí)課程知識。項目任務(wù)設(shè)計單是指為達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)要求學(xué)生在本節(jié)課通過自己探索或小組合作完成的任務(wù)清單。項目任務(wù)流程設(shè)計是否恰當(dāng)直接影響項目式學(xué)習(xí)的效果，《探秘人工智能》一課的任務(wù)設(shè)計如下頁表所示。

1.前置任務(wù)的設(shè)計是關(guān)鍵

在《探秘人工智能》一課中，筆者通過安排游戲任務(wù)Flappy Bird（前置任務(wù)），讓學(xué)生在玩的過程發(fā)現(xiàn)flappy bird游戲的規(guī)則并總結(jié)游戲經(jīng)驗。

在體驗時間結(jié)束后，大部分學(xué)生都能總結(jié)出以下游戲規(guī)則：①點擊鼠標(biāo)左鍵，小鳥向上飛，不點擊，小鳥則自由落體；②小鳥碰到地面或者上下柱子時游戲結(jié)束，統(tǒng)計通過的柱子數(shù)量作為游戲總分；③上下柱子間缺口的高度差一致，但是缺口的上下位置隨機(jī)。

在所有學(xué)生總結(jié)歸納出游戲規(guī)則后，隨機(jī)抽出1～2位完成前置任務(wù)的學(xué)生分享獲得高分的游戲經(jīng)驗：①需要時刻關(guān)注是否單擊鼠標(biāo)左鍵來控制小鳥的高度；②需要時刻關(guān)注柱子缺口的高度以及其相對小鳥的高度差。

2.項目任務(wù)的體驗是核心

如何讓學(xué)生直觀體驗不同的人工智能算法，并能夠根據(jù)現(xiàn)實項目需求選擇合適的算法去解決問題是本節(jié)課的重點，也是設(shè)計本節(jié)課PBL任務(wù)單的核心。人工智能算法包含多種技術(shù)，如機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等。筆者在不改變項目活動的前提下，分別選擇機(jī)器學(xué)習(xí)中經(jīng)典的“遺傳算法”以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中用得最多的“BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”作為模板，利用可視化編程軟件幫助學(xué)生快速上手、實操人工智能算法模型的搭建與訓(xùn)練。

機(jī)器學(xué)習(xí)的目的是獲取新的知識或技能，通過重新組織已有的知識結(jié)構(gòu)，不斷完善自身的性能，從而使計算機(jī)能模擬實現(xiàn)人類的學(xué)習(xí)行為。在了解機(jī)器學(xué)習(xí)的基本定義后，筆者提出將生物學(xué)的人工智能算法思想（遺傳進(jìn)化思想）作為學(xué)習(xí)支架，它是根據(jù)大自然中生物體進(jìn)化規(guī)律而設(shè)計提出的，是模擬達(dá)爾文生物進(jìn)化論的自然選擇和遺傳學(xué)機(jī)理的生物進(jìn)化過程的計算模型，是一種通過模擬自然進(jìn)化過程搜索最優(yōu)解的方法。這種算法思想的介紹，學(xué)生并不陌生，進(jìn)化論是高中生物的重要知識點，大部分學(xué)生對相關(guān)知識點都有所了解，但是對如何將遺傳算法運用到機(jī)器學(xué)習(xí)上來卻是一頭霧水。此時，筆者及時布置任務(wù)二，要求學(xué)生通過可視化編程平臺優(yōu)化模型代碼，結(jié)合實時運行結(jié)果讓學(xué)生直觀體驗并理解遺傳算法的設(shè)計與訓(xùn)練。

3.項目任務(wù)的差異是亮點

為了讓學(xué)生深刻理解不同算法的特性和優(yōu)勢，筆者選擇了某可視化編程平臺，平臺新增了實時演示經(jīng)典人工智能代碼訓(xùn)練過程的功能。同時，將Flappy Bird游戲作為核心項目，引入了機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的“遺傳算法”和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的“BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”兩種算法。這兩種算法在解決優(yōu)化問題和模式識別方面各有所長，學(xué)生通過親手操作和觀察這兩種算法在訓(xùn)練過程中的表現(xiàn)，可以直觀地感受到算法之間的差異。例如，遺傳算法通過模擬自然選擇和遺傳機(jī)制來優(yōu)化問題解決方案，而BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則通過反向傳播算法調(diào)整權(quán)重來學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)模式。通過對比這兩種算法的訓(xùn)練效率、穩(wěn)定性以及最終的游戲表現(xiàn)，學(xué)生不僅能夠理解算法的工作原理，還能夠認(rèn)識到它們在實際應(yīng)用中的適用場景和限制。這種項目驅(qū)動的學(xué)習(xí)方式，使得抽象的算法概念變得生動和具體，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加了理解深度。

分析PBL教學(xué)效果，思考優(yōu)化PBL模式

在本節(jié)課中，筆者探索通過PBL模式將學(xué)生感興趣的一款網(wǎng)頁游戲作為項目活動主題貫穿課程始終。學(xué)生通過項目的前置任務(wù)理解游戲規(guī)則，通過上機(jī)體驗項目任務(wù)感知機(jī)器學(xué)習(xí)模型的設(shè)計、訓(xùn)練過程，通過可視化編程比較不同算法下的項目任務(wù)，由此總結(jié)出兩種人工智能算法的優(yōu)異性。

筆者還設(shè)計了基于PBL模式的高中人工智能課程系列的項目評價表（小組自評表），通過收集課后項目小組的自評和互評表，量化評價每節(jié)課小組項目活動的完成情況以及教學(xué)效果的達(dá)成情況。項目成果評價和項目過程評價是評價表設(shè)計的主要方面，通過自評和互評達(dá)成主觀評價和客觀評價相統(tǒng)一的評價要求。美中不足的是，在設(shè)計本節(jié)課時，筆者并未充分考慮跨學(xué)科知識的融合，在今后的教學(xué)設(shè)計中，還應(yīng)加強相關(guān)跨學(xué)科內(nèi)容的鋪設(shè)。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬尚輝.高中信息技術(shù)教學(xué)中的信息核心素養(yǎng)初探[J].中小學(xué)電教（教學(xué)），2019（06）：5-6.

[2]程雅，戚珩，闞樹林，等.基于遺傳算法的供應(yīng)商組合選擇[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2013（02）：59-61+65.

本文系蘇州市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2021年度立項課題“PBL模式下高中科創(chuàng)技術(shù)類校本課程的研究”（2021/LX/02/233/04）的研究成果。