“科”“技”并重的初中人工智能教學(xué)實(shí)踐

陳衛(wèi)軍　項(xiàng)婉

【摘 要】針對如何在初中階段推進(jìn)“科”“技”并重的人工智能教學(xué)的問題，本文以“機(jī)中生智——AI對對聯(lián)”一課為例，深入淺出地講解AI對對聯(lián)的原理，以層層遞進(jìn)的探究活動，深化學(xué)生對原理的認(rèn)識，提升學(xué)生的知識遷移能力，以期為“科”“技”并重理念的初中人工智能課程創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供新思路。

【關(guān)鍵詞】人工智能；科技并重；創(chuàng)新；教學(xué)實(shí)踐

【中圖分類號】G434? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【論文編號】1671-7384（2023）04-047-04

案例背景

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》將“人工智能”設(shè)置為課程的六大邏輯主線之一，強(qiáng)調(diào)小學(xué)低年級注重生活體驗(yàn)；小學(xué)中高年級初步學(xué)習(xí)基本概念和基本原理，并體驗(yàn)其應(yīng)用；初中階段深化原理認(rèn)識，探索利用信息科技手段解決問題的過程和方法[1]。然而人工智能涉及的原理深奧復(fù)雜，對于初中階段人工智能教學(xué)而言，過淺講授原理則只能讓學(xué)生停留于體驗(yàn)和了解階段，過深突出原理又會使學(xué)生陷于晦澀難懂的概念當(dāng)中。所以如何把握初中人工智能教學(xué)尺度，立足于初中學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出有深度的教學(xué)案例，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，是當(dāng)前在初中階段開展人工智能教學(xué)面臨的難題。筆者認(rèn)為解決這一難題的關(guān)鍵在于要堅(jiān)持“科”“技”并重的教學(xué)理念。

熊璋教授指出，信息科技課程應(yīng)該從實(shí)踐應(yīng)用出發(fā)，注重幫助學(xué)生理解基本概念和基本原理，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識信息科技對人類社會的貢獻(xiàn)與挑戰(zhàn)，提升學(xué)生的知識遷移能力和學(xué)科思維水平，體現(xiàn)“科”與“技”并重[2]。當(dāng)前大多數(shù)初中人工智能課程停留在“技”上，重實(shí)踐應(yīng)用輕科學(xué)原理是普遍現(xiàn)象，教師經(jīng)常在課堂上通過圖形化編程加深學(xué)生對應(yīng)用的體驗(yàn)，卻忽略了圖形化編程將原理封裝起來的現(xiàn)實(shí)，導(dǎo)致學(xué)生知其然不知其所以然，缺少“科”的元素。本文以“機(jī)中生智——AI對對聯(lián)”一課為例，闡述“科”“技”并重的初中人工智能教學(xué)實(shí)施過程。

案例描述

1.活動導(dǎo)入：對聯(lián)我來對

上課伊始，教師指出對聯(lián)是中華民族優(yōu)秀傳統(tǒng)文化之一，對對聯(lián)更是流傳已久的習(xí)俗，引導(dǎo)學(xué)生參與對對聯(lián)活動，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。接著，教師展示幾個難度遞增的上聯(lián)，如“綠水”和“孫行者”，請學(xué)生對出下聯(lián)。學(xué)生興趣盎然，在對對聯(lián)活動中感受中華民族優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的魅力。最后，教師提出對對聯(lián)要遵循的要求，并展示有趣且有難度的上聯(lián)“朝朝朝朝朝朝落”，從而引出本課主題“機(jī)中生智——AI對對聯(lián)”。

設(shè)計(jì)意圖：通過對對聯(lián)活動引出本課主題“機(jī)中生智—AI對對聯(lián)”，旨在引導(dǎo)學(xué)生傳承并弘揚(yáng)中華民族優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，并逐步過渡到人工智能對對聯(lián)中。

2.平臺體驗(yàn)：評價人工智能對對聯(lián)

學(xué)生打開在線智能對聯(lián)系統(tǒng)，輸入上聯(lián)，體驗(yàn)人工智能對對聯(lián)的過程。然后，學(xué)生打開問卷星“評價人工智能對對聯(lián)”網(wǎng)頁，從“字?jǐn)?shù)相同、對仗工整”“平仄相拗、格律和諧”“語句通順、句意清晰”“秀詞錦句、有創(chuàng)造性”“意蘊(yùn)悠長、有感染力”等五個維度評價人工智能對對聯(lián)的水平。接著，教師與學(xué)生共同對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出結(jié)論：人工智能對對聯(lián)能夠滿足對聯(lián)的基本要求，而且它還可以幫助人們快速創(chuàng)作對聯(lián)，但在創(chuàng)造性和感染力方面相對欠缺，不能恰當(dāng)?shù)乇磉_(dá)人類的情感。學(xué)生通過客觀分析，能夠正確認(rèn)識當(dāng)前人工智能在創(chuàng)作對聯(lián)中存在的優(yōu)缺點(diǎn)。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過平臺體驗(yàn)和評價人工智能對對聯(lián)，初步感受人工智能在對聯(lián)創(chuàng)作中的魅力，了解人工智能對對聯(lián)的水平、優(yōu)勢和能力邊界，為探究人工智能怎樣對對聯(lián)做好思維鋪墊。

3.對比探究：分析人對對聯(lián)的過程

教師以上聯(lián)“孫行者”為例，帶著學(xué)生一起分析在對對聯(lián)活動中人對出下聯(lián)“祖沖之”的過程（圖1）。首先將“孫行者”進(jìn)行分詞，接著對切分的詞進(jìn)行詞性標(biāo)注，最后在腦海中搜尋合適的詞匯，對出下聯(lián)“祖沖之”。這時教師提問：“機(jī)器也是運(yùn)用相同的方法對出下聯(lián)的嗎？”啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行遷移學(xué)習(xí)，讓學(xué)生帶著問題觀看機(jī)器對對聯(lián)運(yùn)用到的“自然語言處理技術(shù)”視頻。

設(shè)計(jì)意圖：通過分析人對對聯(lián)的過程，遷移到機(jī)器對對聯(lián)的過程，為學(xué)生進(jìn)行遷移學(xué)習(xí)提供支架。

4.原理揭秘：探究人工智能對對聯(lián)的過程

（1）上聯(lián)解析：分詞、詞性標(biāo)注、韻腳分析

教師給出上聯(lián)“爆竹辭舊”，并提出問題“機(jī)器是怎么理解上聯(lián)的？”學(xué)生從人理解上聯(lián)的過程遷移到機(jī)器解析上聯(lián)的過程，即通過“分詞—詞性標(biāo)注—韻腳分析”這一過程解析上聯(lián)。學(xué)生從已知經(jīng)驗(yàn)到未知問題，在遷移反思中實(shí)現(xiàn)基于理解的學(xué)習(xí)。

（2）詞匯匹配：在數(shù)據(jù)庫中匹配合適的詞匯

教師給出例子，如“綠水”匹配“青山”，請學(xué)生打開學(xué)習(xí)單（圖2），將機(jī)器分詞后的“爆竹”和“辭舊”兩個詞匯，在右邊詞庫中匹配合適的詞匯，拖動到左邊合適的框中，在匹配的過程中請學(xué)生自主探究“數(shù)據(jù)庫”的概念。學(xué)生通過實(shí)踐探究，理解機(jī)器匹配詞匯的過程。接著教師請學(xué)生上臺展示探究的成果，并分享討論“數(shù)據(jù)庫”這一概念。

（3）詞匯PK：特征分析

通過數(shù)據(jù)庫匹配，教師指出匹配的候選詞匯有多個，要挑選出最佳詞匯就需要進(jìn)行詞匯PK，PK的內(nèi)容是詞匯的特征——內(nèi)容和情感?？紤]到學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展處于從具象思維到抽象思維的過渡時期，較難理解特征分析這個抽象過程，因此教師對該內(nèi)容進(jìn)行加工，將抽象內(nèi)容具象化，把詞匯特征映射到學(xué)生能直觀理解的平面直角坐標(biāo)系中（圖3）。用x軸表示詞匯的內(nèi)容特征，內(nèi)容值分布在0～10單位之間，0代表非物品，5代表普通物品，10代表過節(jié)物品。用y軸表示詞匯的情感特征，情感值分布也在0～10單位之間，0代表的情感是悲，5代表的情感是中性，10代表的情感是喜。教師引導(dǎo)學(xué)生打開學(xué)習(xí)單進(jìn)行小組探究，將詞匯映射到坐標(biāo)系的合適位置。

如“爆竹”是過節(jié)物品，表達(dá)喜悅的情感較重，所以它的橫坐標(biāo)取10，縱坐標(biāo)取8～10之間均可，這里取爆竹的坐標(biāo)為（10，10）；“桃符”是傳統(tǒng)的漢族文化，古人在辭舊迎新之際，在桃木板上刻寫神靈的名字，粘貼在門首，用來祈福滅禍，情感中性偏喜，這里取桃符的坐標(biāo)為（10，6）；“磐石”指厚而大的石頭，它是普通物品，中性情感，所以取磐石的坐標(biāo)為（5，5）；“楊柳”無生命特征，屬于非物品，寓意“留”，古代親友離去，都會用楊柳相贈，表達(dá)的情感是悲，所以取楊柳的坐標(biāo)為（0，0）。

（4）精確查找：計(jì)算歐氏距離相似度，找出最佳詞匯

通過特征分析，學(xué)生能直觀地在平面直角坐標(biāo)系中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)詞匯與候選詞匯之間的距離關(guān)系。這時，教師請學(xué)生進(jìn)行自主探究，學(xué)習(xí)歐氏距離相似度的計(jì)算方法。通過自主學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握分步計(jì)算詞匯相似度的方法，首先寫出各詞匯的坐標(biāo)，再根據(jù)公式計(jì)算出各候選詞匯與目標(biāo)詞匯之間的歐氏距離相似度，如圖4所示。

通過以上計(jì)算，發(fā)現(xiàn)桃符的歐氏距離相似度最小，而歐氏距離相似度越小，表示該候選詞匯與目標(biāo)詞匯越相似，越可能被優(yōu)先篩選出來。這樣，“爆竹”找出的最佳詞匯是“桃符”，“辭舊”也用相同的方法，找出的最佳詞匯是“迎新”，再將它們組合在一起，輸出下聯(lián)“桃符迎新”。

（5）歸納概括：自然語言處理的一般過程

在該環(huán)節(jié)，教師和學(xué)生共同梳理人工智能對對聯(lián)的詳細(xì)過程（圖5）：首先輸入上聯(lián)，第一步對上聯(lián)進(jìn)行分詞、詞性標(biāo)注、韻腳分析；第二步在數(shù)據(jù)庫中匹配合適的詞匯；第三步對詞匯進(jìn)行特征分析；第四步計(jì)算歐式距離相似度，找出最佳詞匯；最后將對應(yīng)的詞匯組合成下聯(lián)輸出。接著，教師引導(dǎo)學(xué)生歸納自然語言處理的一般過程：輸入自然語言—理解自然語言—運(yùn)用模型—輸出自然語言。

設(shè)計(jì)意圖：原理揭秘環(huán)節(jié)，將原理內(nèi)容巧妙設(shè)計(jì)成各種遞進(jìn)式探究活動，將深奧的原理轉(zhuǎn)化成學(xué)生感興趣的學(xué)習(xí)活動，使學(xué)生在探究中深化對原理的認(rèn)識，親身經(jīng)歷利用信息科技手段解決問題的過程。同時，將人工智能對對聯(lián)的過程歸納成自然語言處理的一般流程，為遷移學(xué)習(xí)提供理論支撐。

5.拓展遷移：自然語言處理在生活中的應(yīng)用

在該環(huán)節(jié)，教師提出問題：“自然語言處理技術(shù)除了能創(chuàng)作對聯(lián)，還能創(chuàng)作哪些內(nèi)容？”學(xué)生回答詩歌、繪畫、作曲等。接著，教師展示手機(jī)的智能問答系統(tǒng)，帶領(lǐng)學(xué)生一起分析智能問答系統(tǒng)運(yùn)用到的自然語言處理技術(shù)原理。隨后，師生共同尋找身邊的自然語言處理應(yīng)用，如智能翻譯、自動導(dǎo)航、微信的語音轉(zhuǎn)文字等。最后，教師請學(xué)生分組體驗(yàn)并探究不同應(yīng)用背后的自然語言處理技術(shù)原理。其中，第一、二組探究智能寫詩，第三、四組探究智能創(chuàng)作，第五、六組探究近鄰詞匯檢索，并用自然語言描述原理的詳細(xì)過程，如圖6。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生分組探究不同應(yīng)用背后運(yùn)用的自然語言處理技術(shù)原理，在探究中實(shí)現(xiàn)遷移學(xué)習(xí)，以此達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，突破教學(xué)難點(diǎn)，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

6.總結(jié)提升：科技與文化并重

學(xué)生借助思維導(dǎo)圖梳理本節(jié)課內(nèi)容，教師展示存在缺點(diǎn)的智能對聯(lián)，請學(xué)生思考當(dāng)前智能對聯(lián)系統(tǒng)存在的局限性，順勢引導(dǎo)學(xué)生正確認(rèn)識人工智能的優(yōu)缺點(diǎn)，增強(qiáng)自我判斷意識和信息社會責(zé)任感，學(xué)會與人工智能良好共處。同時教師提出，由于現(xiàn)代人對傳統(tǒng)文學(xué)的生疏和缺乏對對聯(lián)的練習(xí)，使得對對聯(lián)變得困難重重?？茖W(xué)家研發(fā)智能對聯(lián)系統(tǒng)的初衷是為了幫助人們更好地認(rèn)識對聯(lián)、學(xué)習(xí)對聯(lián)，通過人工智能使得對對聯(lián)活動煥發(fā)出新的生命力。教師鼓勵學(xué)生充分利用人工智能技術(shù)學(xué)習(xí)和弘揚(yáng)中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化。

設(shè)計(jì)意圖：利用思維導(dǎo)圖，總結(jié)鞏固所學(xué)內(nèi)容。提出科技和文化并重的觀點(diǎn)，升華學(xué)生思維情感，培育正確的世界觀、人生觀和價值觀，促進(jìn)學(xué)生在數(shù)字世界與現(xiàn)實(shí)世界中健康成長。

本課是“中山—揭陽—韶關(guān)三地教研基地信息科技新課標(biāo)專題研修暨送教活動”的一節(jié)展示課，送教對象是揭陽市實(shí)驗(yàn)中學(xué)初三（4）班學(xué)生。學(xué)生課堂上任務(wù)的完成度達(dá)到96%，93%以上的學(xué)生表示能夠深刻理解人工智能對對聯(lián)的原理，90%以上的學(xué)生能運(yùn)用所學(xué)知識進(jìn)行遷移學(xué)習(xí)，探究出生活中常用的自然語言處理應(yīng)用及其背后的原理。

教學(xué)反思

1.充分借助人工智能開放資源，搭建學(xué)習(xí)支架

“科”“技”并重的初中人工智能教學(xué)實(shí)踐需要教師給學(xué)生提供及時且充足的學(xué)習(xí)支架，促使學(xué)生有效利用各種學(xué)習(xí)資源，開展積極主動的學(xué)習(xí)活動。當(dāng)前，網(wǎng)上有眾多的人工智能開放資源，如百度AI開放平臺、騰訊AI開放平臺等，這些平臺的開放能力涉及圖像識別、語音識別、自然語言處理等眾多人工智能模塊。本案例借助了開放的人工智能對聯(lián)系統(tǒng)、智能詩歌寫作系統(tǒng)、智能創(chuàng)作平臺、近鄰詞匯檢索平臺，讓學(xué)生在體驗(yàn)和探究中深刻感受人工智能的魅力。

2.充分設(shè)計(jì)多元化學(xué)習(xí)活動，構(gòu)建探究式學(xué)習(xí)環(huán)境

“科”“技”并重的初中人工智能教學(xué)實(shí)踐的關(guān)鍵在于探究式學(xué)習(xí)活動的設(shè)計(jì)。作為信息科技教師，要遴選出科學(xué)原理和實(shí)踐應(yīng)用并重的課程內(nèi)容，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，并充分結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，設(shè)計(jì)生動有趣的多元化學(xué)習(xí)活動，推進(jìn)以學(xué)生為主體的學(xué)習(xí)方式創(chuàng)新。本案例結(jié)合初中階段學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，以人工智能對對聯(lián)為教學(xué)主線，提取原理的關(guān)鍵內(nèi)容進(jìn)行精細(xì)化加工，設(shè)計(jì)了“對聯(lián)我來對”“平臺體驗(yàn)”“詞匯匹配”“詞匯PK”和“精確查找”等多個遞進(jìn)式探究活動，充分調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使學(xué)生在探究中掌握人工智能對對聯(lián)的原理，在探究中實(shí)現(xiàn)遷移學(xué)習(xí)。

3.充分發(fā)揮課程育人功能，反映數(shù)字時代正確的育人方向

“科”“技”并重的初中人工智能教學(xué)實(shí)踐需要增強(qiáng)課程的思想性，貫徹黨的教育方針，落實(shí)立德樹人根本任務(wù)。本案例將中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化“對聯(lián)”與人工智能科技進(jìn)行有機(jī)融合，使文化與科技碰撞出新的火花。同時，教師引導(dǎo)學(xué)生思考當(dāng)前智能對聯(lián)系統(tǒng)存在的局限性，幫助學(xué)生正確認(rèn)識人工智能的優(yōu)缺點(diǎn)，樹立科技活動中應(yīng)遵循的價值觀、道德責(zé)任和行為準(zhǔn)則，養(yǎng)成在信息社會中學(xué)習(xí)和生活的良好習(xí)慣。

4.充分挖掘人工智能原理，弱化對硬件的依賴

“科”“技”并重的初中人工智能教學(xué)實(shí)踐需要教師培養(yǎng)自己的教學(xué)智慧，立足于學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，深度挖掘人工智能原理，調(diào)整教學(xué)重心，既重實(shí)踐應(yīng)用也重科學(xué)原理，這樣就能弱化人工智能教學(xué)中對硬件的強(qiáng)烈需求，有利于在初中普及人工智能教學(xué)。本案例不需要借助任何人工智能硬件，教學(xué)資源只需稍做調(diào)整，在普通的教室也能順利開展，打破了傳統(tǒng)人工智能課程的時空限制，探索出一種新的人工智能課程教學(xué)方式。

注：本文系廣東省中小學(xué)“百千萬人才培養(yǎng)工程”專項(xiàng)科研項(xiàng)目課題“初中信息技術(shù)人工智能模塊的項(xiàng)目教學(xué)實(shí)踐研究”（項(xiàng)目編號：BQW2021JCL003）階段性研究成果

參考文獻(xiàn)

中華人民共和國教育部. 義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）[S]. 北京：北京師范大學(xué)出版社，2022： 2.

熊璋.“科”“技”并重： 義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)解讀——訪義教信息科技課標(biāo)組組長熊璋教授[J]. 中國信息技術(shù)教育，2022（9）： 4-7.

作者單位：廣東中山市第一中學(xué)

編? ?輯：馮艷艷