人工智能中的算法

項(xiàng)目簡介

項(xiàng)目核心問題為“如何便捷、智能地識別水果，為農(nóng)民提供便利，為鄉(xiāng)村振興助力？”引導(dǎo)學(xué)生圍繞核心問題，開展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)活動(dòng)，建構(gòu)知識，提升問題解決能力。新課標(biāo)提出，初中階段要深化原理認(rèn)識，鼓勵(lì)學(xué)生做中學(xué)、用中學(xué)、創(chuàng)中學(xué)，凸顯學(xué)生的主體性。本項(xiàng)目的學(xué)習(xí)理念為“具身體驗(yàn)、探究原理、提升素養(yǎng)”。項(xiàng)目實(shí)施流程及學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)如圖1所示。

項(xiàng)目規(guī)劃

項(xiàng)目源于浙江教育出版社初中《信息科技》八年級下冊第8課“人工智能中的算法”，翻閱教材發(fā)現(xiàn)，人工智能中的預(yù)測算法原理較難理解，回歸分析缺少趣味性。因此，筆者對教材進(jìn)行了二次開發(fā)，選擇了人工智能算法中易理解、趣味濃、應(yīng)用廣的算法——K近鄰算法作為研究對象。確定真實(shí)情境項(xiàng)目“鄉(xiāng)村振興——水果識別”，圍繞具身體驗(yàn)、圖表繪制、項(xiàng)目探究、頭腦風(fēng)暴、評價(jià)拓展5個(gè)環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生在體驗(yàn)創(chuàng)造中成長。

項(xiàng)目目標(biāo)

體驗(yàn)學(xué)習(xí)通過“猜水果、猜梨”具身體驗(yàn)，直觀感受人類學(xué)習(xí)與機(jī)器學(xué)習(xí)的過程。

團(tuán)隊(duì)協(xié)作在圖表繪制環(huán)節(jié)，通過小組合作，推導(dǎo)算法原理與概念，提升計(jì)算思維能力。

問題解決通過“算法實(shí)現(xiàn)”項(xiàng)目探究，了解算法的代碼實(shí)現(xiàn)，提升計(jì)算思維能力。

責(zé)任擔(dān)當(dāng)通過“算法運(yùn)用”頭腦風(fēng)暴，讓算法思想服務(wù)學(xué)習(xí)生活，培養(yǎng)信息社會責(zé)任。

項(xiàng)目實(shí)施

將算法與生活緊密聯(lián)系，通過K近鄰算法的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生真切地感受到人工智能算法就在身邊。

具身體驗(yàn)

學(xué)生通過2個(gè)具身體驗(yàn)的游戲（圖2），圍繞問題鏈，經(jīng)歷原理運(yùn)用過程，直觀感受、對比人類學(xué)習(xí)與機(jī)器學(xué)習(xí)的過程，尋找解決問題的思路，建構(gòu)新知。

特征選取

通過第一個(gè)游戲“猜猜是什么水果”探究人類學(xué)習(xí)過程，選取水果的特征“氣味”作為依據(jù)，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，可以判斷摸的水果為橙子。

通過第二個(gè)游戲“猜猜是哪種梨”探究機(jī)器學(xué)習(xí)過程，選取梨的特征——?dú)馕丁⒐ぁ㈩伾⒅亓俊⒋笮〉龋鶕?jù)課堂的學(xué)習(xí)，可以判斷摸的梨為香梨。在第二個(gè)游戲中，放入異常值“蘋果”，引發(fā)學(xué)生關(guān)于樣本不在學(xué)習(xí)庫的思考。

數(shù)據(jù)獲取

“長寬的數(shù)據(jù)比較容易獲取，能不能僅通過長、寬區(qū)分兩種梨呢？”在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生通過探究，獲得兩種梨的長、寬數(shù)據(jù)，構(gòu)建模型。

圖表繪制

在圖表繪制環(huán)節(jié)，學(xué)生通過小組合作，從已有認(rèn)知出發(fā)，用計(jì)算機(jī)科學(xué)家的思維方式分析問題，逐步推導(dǎo)算法概念，提升計(jì)算思維能力。

樣本標(biāo)注

學(xué)生在坐標(biāo)系中標(biāo)出梨的特征（圖3），并通過梨間的距離，判斷出未知梨屬于哪種梨。將抽象、復(fù)雜的原理通過紙筆推算的方式形象化、簡單化，強(qiáng)化對原理的理解。

距離計(jì)算

學(xué)生計(jì)算出未知梨與已知梨間的距離。“離未知梨最近的1個(gè)、2個(gè)、3個(gè)……分別是什么梨？”在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生歸納出K值，順勢引發(fā)相關(guān)問題思考：“K值不同時(shí)，未知梨判定結(jié)果相同嗎？K的取值是否有要求？”

項(xiàng)目探究

學(xué)生通過真實(shí)情境“鄉(xiāng)村振興——水果識別”項(xiàng)目探究，為模擬實(shí)驗(yàn)賦予現(xiàn)實(shí)意義，在現(xiàn)有認(rèn)知與抽象算法之間搭建橋梁，在問題分析與解決真實(shí)項(xiàng)目過程中，驗(yàn)證前期關(guān)于梨種類的猜想，鍛煉計(jì)算思維能力。

預(yù)測結(jié)果

學(xué)生借助探究單、微視頻，用Python編程實(shí)現(xiàn)“預(yù)測梨”項(xiàng)目探究，可以得到當(dāng)K=3時(shí)，未知梨屬于香梨（圖4），歸納出K值的取值要求：盡量不取偶數(shù)；不超過樣本數(shù)。

頭腦風(fēng)暴

學(xué)生通過“算法運(yùn)用”頭腦風(fēng)暴，將所學(xué)K近鄰算法思想運(yùn)用到學(xué)習(xí)生活中，成為人工智能的創(chuàng)新應(yīng)用者，感受算法思想在古代和現(xiàn)代的各類運(yùn)用，提升知識遷移能力。

“算法思想可以運(yùn)用于生活、學(xué)習(xí)的哪些方面？”在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生進(jìn)行思維碰撞，激發(fā)創(chuàng)新思維，比如應(yīng)用于信用卡欺詐檢測、股票市場分析、醫(yī)療診斷……在教師“如何避免算法的不足和倫理安全問題？”的追問下，學(xué)生進(jìn)行思辨交流，探索優(yōu)化改進(jìn)的方法。學(xué)生將所學(xué)知識用于解決真實(shí)問題的實(shí)踐中，發(fā)展了信息社會責(zé)任。

項(xiàng)目評價(jià)

通過過程性評價(jià)“教師評價(jià)（水果獎(jiǎng)勵(lì)、作品展示）、小組互評（作品點(diǎn)贊）”與終結(jié)性評價(jià)（問卷星）相結(jié)合的方式，考查學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，實(shí)現(xiàn)教—學(xué)—評一致，并為學(xué)有余力的學(xué)生提供“面包預(yù)測”項(xiàng)目、“K均值聚類”項(xiàng)目拓展素材，讓學(xué)生運(yùn)用算法分析與解決新的問題，提升學(xué)生的知識遷移能力。課程板書小結(jié)如圖5所示。