指向深度學(xué)習(xí)的人工智能體驗課的學(xué)習(xí)設(shè)計

【摘 要】信息科技課程旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和科技倫理，樹立總體國家安全觀，提升數(shù)字素養(yǎng)與技能。人工智能領(lǐng)域中的機(jī)器學(xué)習(xí)原理廣泛地應(yīng)用于生活、學(xué)習(xí)領(lǐng)域。本文立足小學(xué)生的學(xué)情特點，以指向深度學(xué)習(xí)的“一起向未來，機(jī)器學(xué)習(xí)初體驗”教學(xué)為例，讓學(xué)生體驗機(jī)器學(xué)習(xí)流程，理解加裝價值瞄準(zhǔn)鏡的重要性，引發(fā)學(xué)生認(rèn)知信息科技前沿內(nèi)容對人類社會的貢獻(xiàn)和挑戰(zhàn)，樹立算法應(yīng)用向上向善的價值觀。

【關(guān)鍵詞】深度學(xué)習(xí);人工智能;機(jī)器學(xué)習(xí)

【中圖分類號】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【論文編號】1671-7384（2022）08-067-03

人工智能體驗課學(xué)習(xí)設(shè)計關(guān)鍵點

深度學(xué)習(xí)，是指在教師引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發(fā)展的有意義的學(xué)習(xí)過程。如何上好人工智能體驗課，當(dāng)前存在缺少體驗平臺及硬件的支持、學(xué)習(xí)過程理論化等問題。筆者從四大關(guān)鍵點來說明指向深度學(xué)習(xí)的人工智能體驗課的學(xué)習(xí)設(shè)計。

1.巧建學(xué)習(xí)平臺，打通個性學(xué)習(xí)路徑

學(xué)習(xí)平臺是實現(xiàn)學(xué)生個性化學(xué)習(xí)的重要支撐工具。UMU平臺支持像搭積木一樣創(chuàng)建學(xué)習(xí)要素，教師可創(chuàng)設(shè)文本、微課、提問、抽獎等學(xué)習(xí)資源，支持選修與必修，打通個性化學(xué)習(xí)路徑。在課堂上，教師展示學(xué)生討論、提問的關(guān)鍵詞云和問卷數(shù)據(jù)，為精準(zhǔn)教學(xué)提供支持。

2.運(yùn)用慧眼識人，體驗機(jī)器學(xué)習(xí)流程

機(jī)器學(xué)習(xí)是計算機(jī)的一個學(xué)習(xí)過程，在此過程中，計算機(jī)可以形成模式認(rèn)知或者基于數(shù)據(jù)持續(xù)學(xué)習(xí)并做出預(yù)測，無須特別編程也可做出相應(yīng)的調(diào)整，專注于使用數(shù)據(jù)和算法來模仿人類學(xué)習(xí)的方式。小學(xué)生理解、體驗機(jī)器學(xué)習(xí)流程，成為教學(xué)需要突破的重難點，而CocoBlockly平臺的慧眼識人模塊提供了解決方案。它提供了輸入、學(xué)習(xí)、輸出的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，輸入是用攝像頭獲取圖像信息;學(xué)習(xí)是圖像采集與數(shù)據(jù)訓(xùn)練過程;輸出是由聲音、說話、模塊三種方式，供用戶識別結(jié)果，結(jié)合硬件編寫程序?qū)崿F(xiàn)功能。

3.分配小組協(xié)作，外顯計算思維過程

周以真將計算思維定義為與形式化問題及其解決方案相關(guān)的思維過程，其解決問題的表示形式應(yīng)該能有效地被信息處理代理執(zhí)行。對于人工智能課程，學(xué)生如何將問題轉(zhuǎn)化為計算思維解決問題的過程，是教學(xué)的重要關(guān)注點。ClassIn平臺的小組討論、小黑板等互動工具，可實現(xiàn)組員協(xié)作討論、實時拖拉等功能，共同完成流程圖、解決問題的方案，將思維外顯化，促進(jìn)學(xué)生與任務(wù)深度互動。

4.多維評價反饋，瞄準(zhǔn)成長價值導(dǎo)向

深度學(xué)習(xí)指向?qū)W科的育人價值和核心素養(yǎng)，以價值導(dǎo)向落實立德樹人。結(jié)合人工智能體驗課特點，教師從計算思維的可視化、學(xué)習(xí)過程的可觀察、學(xué)習(xí)互動的可記錄、學(xué)習(xí)效果的數(shù)據(jù)化等不同維度評價“可見學(xué)習(xí)”。而評價的導(dǎo)向瞄準(zhǔn)學(xué)生對人工智能技術(shù)的體驗與反思。下面以深圳市人工智能在線研討課“一起向未來，機(jī)器學(xué)習(xí)初體驗”為例說明。+LUZydSH0/3ivXFyqzYXPuG2t67D0gXjL1+ZYEJBJos=

人工智能體驗課教學(xué)案例

1.內(nèi)容分析

本課是校本課程“玩轉(zhuǎn)AI”中“視覺識別”單元的第2課“慧眼識人——機(jī)器學(xué)習(xí)初體驗”。本課先通過人類辯別數(shù)學(xué)規(guī)律題的過程，類比機(jī)器學(xué)習(xí)的流程;再以CocoBlocly平臺為載體，在慧眼識人模塊中，讓學(xué)生體驗圖像輸入、學(xué)習(xí)和輸出的機(jī)器學(xué)習(xí)過程，并以人機(jī)交互、燈光模組體驗機(jī)器學(xué)習(xí)的結(jié)果，表達(dá)“一起向未來”的冬奧祝福。課程最后，教師以《互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)算法推薦管理規(guī)定（征求意見稿）》的新聞解讀，引發(fā)學(xué)生反思機(jī)器學(xué)習(xí)的雙面性，讓學(xué)生懂得為機(jī)器學(xué)習(xí)加裝價值瞄準(zhǔn)鏡的重要性，樹立算法應(yīng)用向上向善的價值觀。

2.學(xué)情分析

桂花智能社團(tuán)由5、6年級學(xué)生組成，2人一組，共16人。學(xué)生有開發(fā)人工智能機(jī)器人的經(jīng)驗，學(xué)習(xí)興趣濃烈，能獨立根據(jù)主題進(jìn)行編程創(chuàng)作，初步具備小學(xué)信息技術(shù)核心素養(yǎng)。

學(xué)生對“AI+機(jī)器學(xué)習(xí)”的認(rèn)識停留在購物、廣告推薦、圖像語音識別等場景的生活體驗，還不能梳理機(jī)器學(xué)習(xí)流程，認(rèn)識機(jī)器學(xué)習(xí)的核心算法應(yīng)用。教師需引導(dǎo)學(xué)生樹立健康的技術(shù)價值追求。

3.教學(xué)目標(biāo)

知識與技能：學(xué)生能說出機(jī)器學(xué)習(xí)的流程（信息意識） ;能利用CocoBlockly平臺進(jìn)行姿態(tài)圖像的采集，并在圖像模型學(xué)習(xí)后，用顏色、語音進(jìn)行輸出表達(dá)（信息意識） ;學(xué)生以“一起向未來”為主題，創(chuàng)作3種姿態(tài)和燈光圖案，表達(dá)對冬奧的祝福，激發(fā)對機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用與奧林匹克精神融合的創(chuàng)新意識 （數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新）。

過程與方法：學(xué)生利用UMU平臺進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，通過體驗三種顏色的識別、聲音播放音樂、說話表達(dá)個性化內(nèi)容的學(xué)習(xí)過程，真實地感受到機(jī)器學(xué)習(xí)的場景（數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新）;學(xué)生通過完成流程圖，梳理出人的姿態(tài)圖像輸入、學(xué)習(xí)和輸出的機(jī)器學(xué)習(xí)過程（計算思維）;在人機(jī)交互模組中，教師借助燈光顯示不同圖案來表示機(jī)器學(xué)習(xí)效果的編程過程，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維（計算思維）。

情感、態(tài)度與價值觀：以“為算法加裝價值瞄準(zhǔn)鏡”的新聞切入，讓學(xué)生體驗“機(jī)器學(xué)習(xí)”的實現(xiàn)過程，關(guān)注現(xiàn)實生活中機(jī)器學(xué)習(xí)的利與弊，提高作為未來信息化公民的社會責(zé)任感（信息社會責(zé)任）。

4.教學(xué)重難點

教學(xué)重點是讓學(xué)生體驗機(jī)器學(xué)習(xí)的流程。教學(xué)難點是基于動作識別的機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)果，讓學(xué)生用人機(jī)交互、燈光模組編創(chuàng)“一起向未來”的冬奧動作造型。

5.課前準(zhǔn)備

文本和微課：以色辯人、以音識人和人機(jī)交互燈光模塊學(xué)習(xí)文本和微課;課前學(xué)情問卷、課后抽獎評價問卷和課件。

6.教學(xué)過程

（1）課前學(xué)習(xí)：線上自學(xué)定機(jī)器學(xué)習(xí)起點

教師在UMU上設(shè)置學(xué)情問卷，讓學(xué)生說一說對機(jī)器學(xué)習(xí)的了解，然后設(shè)置UMU在線討論，用舉例、關(guān)鍵字說明對機(jī)器學(xué)習(xí)的認(rèn)識。

設(shè)計意圖：基于精準(zhǔn)教學(xué)的教學(xué)理念，教師課前對學(xué)生的編程基礎(chǔ)、使用UMU平臺和ClassIn平臺學(xué)習(xí)的經(jīng)驗進(jìn)行前測問卷調(diào)查，了解學(xué)生進(jìn)行混合教學(xué)所需的信息素養(yǎng);拋出機(jī)器學(xué)習(xí)問題，把握學(xué)生對機(jī)器學(xué)習(xí)前置概念的了解程度。

（2）課中學(xué)習(xí)：雙線互學(xué)探機(jī)器學(xué)習(xí)體驗

課前熱身，詞云展示機(jī)器學(xué)習(xí)印象。教師以詞云點題，展示課前UMU討論“機(jī)器學(xué)習(xí)認(rèn)識”的詞云，再用ClassIn隨機(jī)選人提問：從詞云中，你知道了什么？讓學(xué)生思考并表達(dá)觀點。

設(shè)計意圖：教師以課前討論機(jī)器學(xué)習(xí)的詞云結(jié)果導(dǎo)入，聚焦生活中學(xué)生關(guān)注機(jī)器學(xué)習(xí)的內(nèi)容，隨機(jī)選人帶來的不確定感，激發(fā)學(xué)生體驗機(jī)器學(xué)習(xí)的求知欲。

猜解圖形，入境引機(jī)器學(xué)習(xí)問題。教師利用動畫幕布效果，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)給定條件猜出冰敦敦，引出主題：一起向未來;在冬奧會場的機(jī)器人笨笨功能自述中，引出機(jī)器學(xué)習(xí)的問題：我是怎樣學(xué)會這些技能？

設(shè)計意圖：教師用冰墩墩引出“一起向未來”的冬奧主題，由清潔機(jī)器人笨笨的功能自述中，引出本課的課題：機(jī)器學(xué)習(xí)初體驗。開門見山，直奔智能機(jī)器人主題和冬奧場景。

巧用類比，妙解機(jī)器學(xué)習(xí)流程。第一關(guān)：找一找。教師出示殘奧越野滑雪和殘奧單板滑雪圖標(biāo)規(guī)律題，運(yùn)用ClassIn答題器，實時顯示答題數(shù)據(jù)。學(xué)生分析圖標(biāo)的規(guī)律，表達(dá)所觀察的內(nèi)容，引出類比板書。

設(shè)計意圖：教師采用類比分析法，說明機(jī)器學(xué)習(xí)像人類學(xué)習(xí)過程，由訓(xùn)練—特征—建模—模型—應(yīng)用，為后續(xù)體驗機(jī)器學(xué)習(xí)做鋪墊。

慧眼識人，體驗機(jī)器學(xué)習(xí)流程。第二關(guān)：以色辯人。教師展示學(xué)習(xí)內(nèi)容，請學(xué)生打開CocoBlockly平臺，“實驗室——慧眼識人”，訓(xùn)練“OK”“點贊”“耶”的姿態(tài)，以顏色表示識別反饋。教師提供學(xué)習(xí)支架，規(guī)定學(xué)習(xí)時間，請學(xué)生自主探究。學(xué)生登錄UMU平臺，打開微課學(xué)習(xí);在CocoBlockly平臺，登錄“實驗室——慧眼識人”，體驗三個姿勢的輸入、學(xué)習(xí)、輸出。在學(xué)習(xí)評價環(huán)節(jié)，教師利用ClassIn平臺，屏幕共享，現(xiàn)場演示識別效果與互動表揚(yáng)。

設(shè)計意圖：教師讓學(xué)生體驗機(jī)器學(xué)習(xí)流程，具身實踐增強(qiáng)對機(jī)器學(xué)習(xí)的感悟。學(xué)生利用UMU平臺提供的學(xué)習(xí)支架自定學(xué)習(xí)步調(diào)。而搶答選人環(huán)節(jié)，教師用屏幕共享展示機(jī)器學(xué)習(xí)—顏色識別的效果，給學(xué)生展示自我的舞臺。

語音說話，反饋機(jī)器學(xué)習(xí)效果。第三關(guān)：以聲識人。在CocoBlockly平臺上，學(xué)生利用語音，選擇合適的音樂，表達(dá)使用三種手勢的心情;說話、輸入文字，賦予使用三種手勢的意義。學(xué)生利用UMU平臺，選擇自主探究或小組協(xié)作的學(xué)習(xí)方式，在規(guī)定時間內(nèi)完成任務(wù)。而評價方式，教師則用classIn的舉手功能，授權(quán)屏幕共享點評。

設(shè)計意圖：學(xué)生以小組協(xié)作方式選修語音或說話的內(nèi)容，體驗“以聲識人”，進(jìn)一步理解機(jī)器學(xué)習(xí)的效果反饋有不同的表達(dá)方式。學(xué)生關(guān)注用戶的體驗感，在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域中，意識到用戶思維的特點。

人機(jī)交互，玩轉(zhuǎn)機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用。第四關(guān)：祝福冬奧。在ClassIn中，學(xué)生調(diào)出學(xué)習(xí)內(nèi)容：以“一起向未來”為主題，選擇3種最喜歡的冬奧運(yùn)動姿態(tài)，進(jìn)行圖像訓(xùn)練;當(dāng)識別成功后，用燈光模塊制作電子獎牌，祝福奧運(yùn)健兒，賽出中國范兒。學(xué)生用分組討論工具，組內(nèi)成員實時協(xié)作，拖拉算法流程圖，設(shè)計3個手勢和3個圖案，說明燈光圖案特征與手勢關(guān)系。學(xué)生學(xué)習(xí)時間為20分鐘，若學(xué)習(xí)過程遇到問題，實時輸入聊天室。學(xué)習(xí)評價方式為組內(nèi)一名學(xué)生當(dāng)助教，教師授權(quán)視頻墻功能，另一名學(xué)生現(xiàn)場演示。

設(shè)計意圖： 小組經(jīng)歷主題分析、功能設(shè)計、算法分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、腳本設(shè)計、硬件測試和效果展演的創(chuàng)作過程。學(xué)生一人擺運(yùn)動姿勢，一人舉燈顯示圖案，分工協(xié)作實時發(fā)生。學(xué)習(xí)反饋以實時互動為主，拍照上傳，學(xué)生拖拉解說過程中展示計算思維。視頻墻把課堂變成一個為冬奧送祝福的秀場，融入愛國主義情感，展現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)為生活帶來的妙處。

算法解讀，思辯機(jī)器學(xué)習(xí)價值。機(jī)器學(xué)習(xí)是否可以任意收集信息，經(jīng)過算法訓(xùn)練后，輸出任何信息呢？教師請學(xué)生交流所思所想，然后出示《互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)算法推薦管理規(guī)定（征求意見稿）》的解讀新聞，共同樹立機(jī)器學(xué)習(xí)的邊界。

設(shè)計意圖：教師拋出問題引發(fā)價值沖突，樹立君子有所為，有所不為的價值觀。

（3）課后學(xué)習(xí)：線上評學(xué)析機(jī)器學(xué)習(xí)感悟

在UMU上，教師展示抽獎游戲，讓學(xué)生評價自我表現(xiàn)、組員協(xié)作等，然后教師進(jìn)行點評。討論版塊，教師請學(xué)生談?wù)剬C(jī)器學(xué)習(xí)的收獲。

設(shè)計意圖：教師以抽獎游戲來評價學(xué)生信息技術(shù)核心素養(yǎng)的變化;在UMU討論版塊，匯聚學(xué)生的關(guān)鍵字，產(chǎn)生詞云，展示每個學(xué)生的內(nèi)容和所獲贊數(shù)。

7.教學(xué)反思

面向深度學(xué)習(xí)的人工智能體驗課的學(xué)習(xí)設(shè)計，以促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)為導(dǎo)向，將信息技術(shù)核心素養(yǎng)的四大要素貫穿到主題活動中。學(xué)生在經(jīng)歷完成任務(wù)的過程中，改變了人工智能課注重理論傳授、缺少實操體驗，注重軟件應(yīng)用、缺少硬件實踐，注重技術(shù)規(guī)范、缺少倫理思考的狀況，體驗人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器、人與人之間的相互協(xié)作和相互連接，真正地感受冬奧精神，以機(jī)器學(xué)習(xí)初體驗，攜手一起向未來。

注：本文系廣東省中小學(xué)教師培訓(xùn)中心專項科研項目2021年度課題“指向深度學(xué)習(xí)的STEAM項目式教學(xué)課例開發(fā)與實踐研究”（課題立項號：GDSP-2021-Q008）和廣東省STEM教育實踐研究課題“基于項目的‘STEM+’學(xué)科教育活動專題開發(fā)與實踐研究”（課題立項號：2018GDSTEM061）的階段性研究成果，受廣東省周莉萍名教師工作室資助

參考文獻(xiàn)

田慧生. 深度學(xué)習(xí)： 走向核心素養(yǎng)[M]. 北京： 教育科學(xué)出版社，2018.

王旭卿.從計算思維到計算參與：美國中小學(xué)程序設(shè)計教學(xué)的社會化轉(zhuǎn)向與啟示[J].中國電化教育，2014（3）.

李鋒，趙健.高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)修訂： 理念與內(nèi)容[J].中國電化教育，2016（12）： 4-9.

作者單位：廣東深圳市龍華區(qū)桂花小學(xué)