高中人工智能課程設計的案例分析

【摘要】以高中人工智能課程中“機器學習”單元為例，闡明該課程突出核心素養的關鍵意義在于發展創新思維、深化學習體驗、豐富設計經驗；從課程目標、內容模塊、學習活動、評價方式的課程編制框架體現核心素養；提出要整合多學科知識、建構真實的情境并重視實踐語境下的技術教學，以期教師在開發AI課程和組織教學活動上有所啟發。

【關鍵詞】人工智能；核心素養；課程設計；機器學習

【中圖分類號】G633.67【文獻標志碼】A【文章編號】1005-6009（2020）43-0012-04

【作者簡介】陳乾，南京市第九中學（南京，210018）教師，二級教師。

如今，人工智能課程的開發與實施已然成為中小學信息技術教師必須要面對的一個話題，本文以筆者參與開發編制的“機器學習”模塊內容為例加以解讀分析，以期為人工智能課程開發及教師組織教學活動提供些許參考。

一、課程目標的確立與聚焦

課程目標的確立為教學過程的組織與開展提供指導方向，無論是單元整體目標的落實要求，還是每節教學目標的具體表現，教師開發課程時都應予以仔細的斟酌。

本單元開端先提出整體學習目標——“了解機器學習的基本概念，比較人類學習與機器學習的特點，通過簡單實例的觀察及體驗，感知機器學習的實現途徑”。這里緊扣了普通高中信息技術課程選修模塊4“人工智能初步”的內容要求4.3。[1]此外，單元課程目標應與信息技術學科核心素養對照落實，如下表：

從高中各學段的知識分布角度來看，本單元學習之前，學生在高一信息技術必修模塊1“數據與計算”中就已學習運用數字化工具解決生活與學習中的問題，認識到人工智能在信息社會中的促進作用；在高一通用技術必修模塊“技術與設計2”中了解了“系統”“控制”的技術思想和方法，對于智能控制系統有一定的理解。在此基礎上，本單元再進一步展開對于“機器學習”等重難點學習，充分考慮了學生的認知發展水平，課程設置上體現了學習進階的設計理念。

再將視角聚焦于本單元的內容編排，“機器學習”單元共由兩節組成，分別為“認識機器學習”和“數據集：采集石頭、剪刀、布的圖片”。其中包含一節實踐課程——“訓練機器人識別石頭、剪刀、布”。這些次級主題從邏輯關系上來看呈現出遞進關系，由熟悉的“人類學習”方式入手，初步建立“學習”的概念，再進一步類比“機器學習”與“人類學習”共同的性質，再上升到應用層面，去訓練機器人識別石頭、剪子、布，進而介紹機器學習對數據的要求，如采集、清洗、測試等，沿著從共性到個性的演繹思想構成單元設計。

二、課程內容的選擇與安排

在選擇與安排單元內容時，主要從知識與科學性、思想品德與文化內涵、認知與心理規律三個維度[2]來具體分析。

從培養和發展學生核心素養的角度出發，通常會將課程內容的學科知識分為概念性知識、事實性知識、方法性知識和價值性知識。[3]例如，以概念性知識引入——關于人類的學習方式，接下來再具體闡述機器學習的方式、利用監督學習實現人工智能等一系列事實性知識。在探討機器識別人類手勢時，就可以將方法性知識和價值性知識暗含其中，如數據采集的方法多種多樣，可以利用攝像頭采集圖像數據，還可以利用麥克風采集聲音數據等。課程中選用了“石頭剪刀布”這一游戲載體，并設計一道問題：“在參與游戲時，一方私自改變手勢的含義并重玩游戲，另一方是否能知道對應手勢的含義并繼續游戲？”從技術的角度去解讀規則的重要性，旨在形成學生正確的競技精神。

課程內容必須幫助學生提高品德修養并不斷產生文化歸屬的認同感。例如，單元情境導入可以是：“在世界殘疾人日，學校組織同學們到敬老院參加活動。活動中，小明發現不少聾啞人雖然無法發出聲音，但他們依然渴望交流，并不斷做出不同的手勢與大家溝通。如果能利用AI設備，自動‘讀懂聾啞人的手語，那該多好啊！”通過“手勢”這一關鍵詞引入機器識別，體現技術視角下的人文關懷，從AI技術引申到人類命運共同體的發展。

課程內容在選取方式上還要遵循高中生認識和學習的發展規律。學生此前已經初步形成了有關機器學習的“前概念”，需要教師通過積極引導留給他們足夠的思考和探究空間。在本單元對于數據集的介紹中，從可感觸的硬件操作等內容展開，進而繼續探索高性能GPU、內置智能芯片的機理和構造，以圖文并茂的形式向學生傳授數據劃分等技術知識，這樣不僅能準確判斷學生已達到的認知水平，還可以恰當預設學習后可能達到的層次。

課程內容可以存在豐富多樣的組織形式，以使學生形成對所學內容的完整認知。例如，可以從人類學習方式到類比機器學習方式，以學生自主探究的一般過程為主線，調動五官及運用工具發現兩者之間的異同點，進行歸納整理。或者以學生的生活經驗為主線，并將這種經驗趨于課程化，幫助他們運用所學，獲得成長。

最后，課程內容的呈現方式也直接影響著學生的使用效果。單元中應嵌入適量的插圖，增加一些富有科技感的圖標；不宜選用過難或過長的專業詞匯，個別術語應專門標注，語言表述在保證科學性的情況下，應盡可能流暢生動，增強實質內容的可讀性。

三、核心學習活動的設計與實施

對于核心學習活動，筆者從整體到部分的視角評述設計意圖和主要內容。“機器學習”單元共設計三個核心活動，每個活動分別圍繞一個關鍵問題進行探討。第一個活動旨在通過感知體驗的方式，對猜拳游戲進行技術意義上的分析概括。第二個活動利用AI設備，引導學生熟悉基本界面，對手勢圖像識別的原理有所了解。第三個活動則是在活動2的基礎上，學生進一步自主探究，對數據的清洗與劃分建立感性認知，體現計算思維的運用要求。

活動1：猜拳游戲“石頭剪刀布”。

引導學生觀察并體驗“石頭剪刀布”的猜拳游戲，說出它們的規則有哪些，怎樣判斷猜拳游戲的勝負結果。針對性地指出我們是利用肉眼識別不同的手勢，參照規則判斷勝負。進一步思考猜拳游戲的制勝策略，如何才能戰勝對手，從技術意義上去分析游戲，激發學生興趣，易于過渡到后續的活動。

活動2：訓練機器人識別“石頭”“剪刀”“布”。

這一部分主要是引導學生訓練機器人識別石頭、剪刀、布。可以組織學生4人一組，其中1人操作計算機，1人負責用紙板或白紙隔離雜亂背景；另1人分別出示石頭、剪刀、布手勢，訓練機器人識別，最后1人負責驗證及配音。選擇一定數量的樣本進行訓練，再去觀察、記錄機器人識別的相似度，判斷學習效果。

活動3：統計機器人采集“石頭”“剪刀”“布”手勢圖片數量。

在活動2的基礎上進一步拓展分析，分別擺出“石頭”“剪刀”“布”的手勢，點擊“開始”，直到采集的圖像數量超過10，點擊“停止”，操作完成。對著攝像頭任意做出“石頭”“剪刀”“布”的手勢，觀察右側對應的結果。采用類似操作，調整采集的圖像數量為40、80、200，分別觀察右側對應的結果，隨機向學生拋出對應問題。

學生在參與技術體驗活動過程中還要注重交流與評價的能力培養，引導他們流暢地闡述運作過程并對數據引發更深層次的思考。

四、課程評價的構建和優化

課程評價可以采用形成性評價和總結性評價這兩種常見方式，既對常態化教學中的效果予以監測，也將教與學的過程進行相互交融，建立并優化課程評價的層級架構。

不論是知識內容教授還是實踐活動指導，都應該給學生留下一些具有明確思考價值的問題，如單元開始就提出“人類是如何理解手勢的含義？機器是否也能學會識別手勢并輔助人類交流？機器學習的方式跟人類一樣嗎？”帶著這樣的問題進入學習，有助于學生將離散的知識點進行有意義的聯結，同時教師也可以獲得形成性的學情信息。每一個活動中還需留有一定量的思考討論練習，需要注意的是：首先評測內容適量，不占用學生太多時間，在課堂上可以立即完成；其次難度適宜，即對課上知識的梳理與回顧；最后，問題的結構多采用開放式，對具體的生活情境做出簡答。

單元的總結性評價部分主要考查學生對于核心知識的掌握和智能設備的操作，不要求對AI具體算法結構有深入理解，但至少可以用接近專業的術語對機器學習的方式進行描述和解釋。例如，針對活動3的實驗，提出采集圖像數量對結果的影響是怎樣的，試分析規律并解釋模型訓練如何實現效率的最大化等問題。

五、對高中人工智能教育的教學建議

結合上述對課程概貌的分析，從重視多學科知識滲透、建構真實情境和強調技術實踐這些角度對高中人工智能教學提出幾條實施建議。

1.重視多學科知識的滲透。

單元課程定位于機器學習領域的內容，從跨學科的視角來看，需要調用學生數據結構、系統控制的知識，滲透技術試驗和設計的思想，縱橫交聯了歷史與社會等人文信息。例如在學習活動2中引導學生自行訓練機器人識別手勢，先要思考圖樣如何鑒別，這是對科學原理的運用；操作智能設備又是靠技術知識得以保障；分析數據的集中和離散程度離不開必備的數學技能；小組之間的合作討論、分享交流，也反映了工程設計的整體能力在不斷提升。此外，對于技術文本的閱讀能力要求也可以在教學中強化。如在追溯機器學習的發展歷程時，需要學生帶著問題主動地閱讀，提煉機器學習的基本原理，培養學生的綜合素養。

2.著力探索真實情境的建構。

一般來說，建構的情境真實程度可以直接反映出學生在知識、技能和情感態度等方面發展狀況。一方面，學生學習的真實情境在教學中有時難以重現，只能通過情境的模擬，如體驗猜拳游戲，操作智能機器人等，在一個真實情境中開展互動交流并相互影響，進而在不同學習領域之間建立聯系。另一方面，從教學評價的視域來看，一線教師在實踐中，為保證評分規則的信度與效度，可以參照的來源主要有課程標準、實踐經驗、專業判斷和師生共同商討[4]，當然學生的掌握程度達到什么樣的水平，可由具體清晰、操作性強的真實情境來觀測。

3.切實關注實踐語境的教學。

在人工智能教學中，技術實踐的環節尤為關鍵。教師可以嘗試“情境線—問題鏈—任務群”的實踐活動策略組織教學內容。多利用活動單的形式注明技術探究的一般過程，或者采用方框圖、流程圖等方法把整個思維過程可視化。此外，核心素養的認識包含多種維度，實踐操作也并非是唯一有效的深化手段。在科技館、博覽會等技術場所里了解最新的智能技術動態；對各自實踐探究中得出的規律和結論進行論證、辯護；與家長等其他成員共同參與某項社會實踐活動；對某一技術職業進行切身的感知體驗等，上述這些路徑都可以成為教師設計實踐活動時的一種嘗試。

總之，基于核心素養理念的高中人工智能課程除了目標理念科學、內容組織完備、活動設計精巧、評價方式多元，在實際教學過程中還要兼顧實用性，便于引導學生可以更好地適應現在及未來的生活。作為教師需要思考這些問題，靈活地處理和駕馭好這門前沿學科的教學內容，合理開發課程體系。

【參考文獻】

[1]教育部.普通高中信息技術課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：26-28.

[2]高凌飚.教材分析評估的模型和層次[J].課程·教材·教法，2001（3）：1-5.

[3]吳立寶，曹一鳴.中學數學教材的分析策略[J].中國教育學刊，2014（1）：60-64.

[4]張雅君.表現性評價在初中物理科學探究中的應用[D].武漢：華中師范大學，2016：86.