林思強(qiáng)

摘要：義務(wù)教育階段人工智能教育經(jīng)過近幾年的發(fā)展，已取得了不錯的成效，但人工智能學(xué)科的知識很多都比較抽象枯燥難懂，那么如何提高人工智能課堂教學(xué)的有效性，培養(yǎng)學(xué)生對人工智能學(xué)習(xí)的興趣呢？針對此問題，本文從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)平臺、教學(xué)范式的選擇三個方面簡述了具體做法。

關(guān)鍵詞：人工智能;教學(xué)內(nèi)容;教學(xué)平臺;教學(xué)范式

中圖分類號：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 論文編號：1674-2117（2022）09-0047-03

“人工智能”是一門跨學(xué)科的課程，包含了符號學(xué)、數(shù)理邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、知識表示和推理、模式識別、機(jī)器學(xué)習(xí)等方面的知識，內(nèi)容枯燥難懂，僅適合少數(shù)有特長的學(xué)生。那么，如何讓學(xué)生了解人工智能領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論知識，體驗?zāi)壳叭斯ぶ悄艿那把丶夹g(shù)，擴(kuò)大知識面，培養(yǎng)其對人工智能學(xué)習(xí)的興趣呢？針對此問題筆者進(jìn)行了如下探索。

● 初中人工智能教學(xué)內(nèi)容選擇

當(dāng)前，中小學(xué)階段人工智能的教學(xué)內(nèi)容主要有以下兩個方面：一是將機(jī)器人、自動控制、編程、傳感器、3D打印等都納入到人工智能教學(xué)內(nèi)容中，這種將傳統(tǒng)的自動化與人工智能相混淆的教學(xué)內(nèi)容，易使學(xué)生對人工智能理解產(chǎn)生偏差;二是簡單地把大學(xué)或高中的人工智能教學(xué)內(nèi)容下放，教學(xué)內(nèi)容偏理論和純代碼編程，內(nèi)容枯燥難懂，對大多數(shù)學(xué)生而言缺少吸引力，甚至?xí)箤W(xué)生對人工智能的學(xué)習(xí)失去興趣。

經(jīng)過嘗試，筆者選擇圖形化編程軟件作為人工智能教學(xué)的平臺，將人工智能技術(shù)原理與平臺中的人工智能模塊結(jié)合，以此作為教學(xué)的主要內(nèi)容，其中包括機(jī)器視覺和自然語言處理兩個部分。這樣的內(nèi)容定位，可以避免就原理講人工智能的情況出現(xiàn)，且學(xué)生可以通過人工智能平臺實踐人工智能項目，建立從理論到實踐的完整學(xué)習(xí)鏈，符合現(xiàn)階段的認(rèn)識規(guī)律。

● 初中人工智能課堂教學(xué)平臺選擇

目前，國內(nèi)各創(chuàng)客廠商都推出了自己的圖形化編程平臺，各IT大型企業(yè)都建設(shè)了自己的人工智能平臺。雖然平臺很多，但功能基本相同，這給教學(xué)帶來了選擇困難。筆者經(jīng)過比較，針對零編程基礎(chǔ)的學(xué)生，選擇慧編程平臺開展人工智能教學(xué);針對有一定編程基礎(chǔ)的學(xué)生，選擇kittenblock平臺開展人工智能教學(xué);在人工智能社團(tuán)開展項目式學(xué)習(xí)時，則選擇百度easyDL平臺。

● 初中人工智能課堂教學(xué)范式選擇

人工智能是一門交叉學(xué)科，教學(xué)中會涉及很多專業(yè)術(shù)語，在講授人工智能的原理過程中這些術(shù)語如果反復(fù)出現(xiàn)，會造成學(xué)生認(rèn)知超負(fù)荷，使得課堂變得無趣。那么，如何既讓學(xué)生能理解人工智能的原理，又讓課堂生動有趣呢？下面，筆者以機(jī)器學(xué)習(xí)原理講解為例，探討人工智能課堂教學(xué)的一般范式。

1.創(chuàng)設(shè)情境

對于抽象的人工智能知識來說，在課堂教學(xué)的起始階段創(chuàng)設(shè)情境是十分必要的。因為人工智能的技術(shù)在生活中的很多場景有應(yīng)用到，但是學(xué)生并不了解，這樣的生活情境導(dǎo)入，往往最容易激發(fā)學(xué)生的好奇心、認(rèn)知沖突和求知欲。

例如，在“人工智能之機(jī)器學(xué)習(xí)”一課中，筆者在課堂導(dǎo)入部分創(chuàng)設(shè)了如下情境：①如何找出哪個明星最像自己？設(shè)問：大家想不想知道哪個明星長得最像你？演示：微信“搜一搜”功能。②猜照片中的明星是誰？設(shè)問：這位大明星大家認(rèn)識嗎？如果不認(rèn)識，用他們的照片怎么找到他們的介紹資料呢？教師演示百度搜圖找人物的功能，并總結(jié)：不管認(rèn)人還是語言，背后都有機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)在支持，這就是今天要學(xué)習(xí)的主題——機(jī)器學(xué)習(xí)初探。

通過情境的創(chuàng)設(shè)，學(xué)生充分感受到生活中處處都有人工智能，從生活經(jīng)驗中發(fā)現(xiàn)問題，找到認(rèn)知盲區(qū)，激發(fā)了學(xué)習(xí)內(nèi)部動機(jī)，效果良好。

2.揭示人的智能原理

人工智能本質(zhì)上是模擬人的智能，因此技術(shù)原理多是模仿人的智能，而人的智能過程學(xué)生都有經(jīng)驗，比較好理解，所以可以先解釋人的智能原理，再遷移到人工智能的原理。下面，列舉人的學(xué)習(xí)過程的原理講解具體說明。

教師播放電影《超能查派》的片段，引導(dǎo)學(xué)生思考這是否是真正的機(jī)器學(xué)習(xí)，為人的學(xué)習(xí)原理揭示打開思路。并提問：視頻中的機(jī)器人如何學(xué)習(xí)watch和chicken這兩個詞語？

生：反復(fù)聽、看、觸摸……

師：機(jī)器人其實就是模仿人類小時候牙牙學(xué)語的場景，當(dāng)我們學(xué)習(xí)說話時，父母會拿一件物品告訴我們這是什么，如手表，然后讓我們反復(fù)看、聽、觸摸，讓物品的印象進(jìn)入大腦，這個印象稱為模型，有了模型后，當(dāng)下一次再看到手表時我們就會說出這件物品的名稱，這是人的學(xué)習(xí)過程。從上面的分析，我們能否得出這樣一個結(jié)論，我們是否認(rèn)識一件物品，關(guān)鍵看大腦中是否有這個物品的模型。模型是怎么獲得的呢？（提示：回顧電影片段中學(xué)習(xí)認(rèn)識手表的過程）

生：眼睛看耳朵聽、找尋手表特征、記住特征……

師：模型的建立，必須通過五官感知，然后尋找特征，記憶模型，再用模型去預(yù)測判斷新事物，當(dāng)有新的事物出現(xiàn)，無法判斷或判斷出錯時，重復(fù)上述流程。了解了人的學(xué)習(xí)過程，那么機(jī)器學(xué)習(xí)過程呢？

對于專業(yè)術(shù)語的加工處理從上面的教學(xué)例子中可以歸納以下三種方法：①用多媒體素材呈現(xiàn)專業(yè)術(shù)語的應(yīng)用實例，喚醒學(xué)生的記憶，為專業(yè)術(shù)語的講解提前打開思路;②將專業(yè)術(shù)語與生活實例相類比;③將專業(yè)術(shù)語通俗化表達(dá)。

3.揭示人工智能的原理

有了之前的人的智能原理的分析，接下來就可以遷移到人工智能的原理的理解上，人工智能的原理分析同樣也會存在專業(yè)術(shù)語的抽象難懂問題，這時也可以利用上述三種方法降低認(rèn)知難度。同時，還可以借助可視化的工具或素材，形成多感官感知，幫助學(xué)生理解。例如，在揭示機(jī)器學(xué)習(xí)的過程時可以采用以下方法。

師：（展示谷歌機(jī)器學(xué)習(xí)的可視化平臺，如下圖，演示學(xué)習(xí)模型）首先，分別給三個模型起名稱，這樣機(jī)器就會知道它是蘋果、梨、橘子，接下來開始讓機(jī)器訓(xùn)練學(xué)習(xí)：①把蘋果放在鏡頭前讓攝像頭感知，讓計算機(jī)看到蘋果;②學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，點(diǎn)擊訓(xùn)練動作按鈕開始學(xué)習(xí);③不斷地轉(zhuǎn)動蘋果采集蘋果的圖像樣本，提取特征、訓(xùn)練模型，當(dāng)樣本量足夠多的時候，完成蘋果模型的訓(xùn)練。為什么要轉(zhuǎn)動蘋果？

生：訓(xùn)練機(jī)器、認(rèn)識蘋果……

師：人看到的是現(xiàn)實事物，計算機(jī)采集的圖像是數(shù)據(jù)。不同的角度采集到的蘋果圖像，其數(shù)據(jù)特征是完全不一樣的。所以要有足夠的數(shù)據(jù)樣本特征，訓(xùn)練出來的模型才足夠準(zhǔn)確。

教師開始下一個水果模型——梨的訓(xùn)練，并強(qiáng)調(diào)梨的模型訓(xùn)練同蘋果，引導(dǎo)學(xué)生回憶訓(xùn)練學(xué)習(xí)的三個步驟。

師：機(jī)器已經(jīng)學(xué)習(xí)了蘋果和梨的模型。為了驗證學(xué)習(xí)的效果，接下來要檢測一下機(jī)器學(xué)會了沒有。（非訓(xùn)練集測試）

互動體驗：請兩位學(xué)生上臺來訓(xùn)練橘子的模型，并檢測學(xué)習(xí)效果。

師：實驗中，計算機(jī)成功識別了三種水果，其背后都有建立模型，并通過模型來預(yù)測判斷。計算機(jī)建立模型的過程與人建立模型的過程相似。

4.應(yīng)用人工智能技術(shù)

通過前面的學(xué)習(xí)，學(xué)生雖然了解了人工智能原理，但還是會有疑問：在課堂調(diào)查中出現(xiàn)的人工智能應(yīng)用場景是怎么用上機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的呢？對于初中階段的學(xué)生來說，了解技術(shù)原理及其技術(shù)的應(yīng)用方法就算達(dá)成目標(biāo)。因此，在課堂教學(xué)中如果硬件條件允許，可讓學(xué)生體驗技術(shù)的應(yīng)用方法。技術(shù)的應(yīng)用也應(yīng)該建立在一定的解決問題的情境下，這樣基于問題解決的學(xué)習(xí)才更有意義。因此，教師可以借助“猜拳小達(dá)人”游戲來創(chuàng)建解決問題情境，幫助學(xué)生體驗應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)建立模型和應(yīng)用模型的方法。具體做法如下。

師：同學(xué)們都喜歡玩游戲，接下來我們體驗一個應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的小游戲——猜拳小達(dá)人，與計算機(jī)比猜拳，看看你能不能贏？（學(xué)生上臺與計算機(jī)比猜拳）計算機(jī)每次都能贏是什么原因呢？

生：因為計算機(jī)準(zhǔn)確判斷出我的手勢。準(zhǔn)確判斷的背后，就是有三種手勢的模型。

師：接下來，我們設(shè)計制作一個屬于自己的猜拳小達(dá)人游戲。首先，要完成石頭、剪刀、布模型的建立。（教師演示操作流程）

學(xué)生完成作品，教師展示學(xué)生成果，引導(dǎo)學(xué)生思考：如何提高識別準(zhǔn)確率？

互動歸納小結(jié)：編程實現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)模型的建構(gòu)，即“準(zhǔn)備環(huán)境→分類命名→訓(xùn)練模型→測試模型”。

拓展任務(wù)：引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維，思考利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)還能解決生活中的哪些問題。

語音交互、文字識別、圖像識別、人體識別、自然語言處理等人工智能技術(shù)的應(yīng)用都可以用到類似“猜拳小達(dá)人”游戲項目的問題情境，讓學(xué)生在完成項目的過程中利用編程實現(xiàn)人工智能技術(shù)解決問題，體驗在完成項目問題解決過程中帶來的成功感，讓每位學(xué)生都愛上人工智能。

● 結(jié)束語

初中階段人工智能教學(xué)一定要注意基于學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，對現(xiàn)行教材的內(nèi)容進(jìn)行取舍，并根據(jù)學(xué)生的層次差異，選擇相適應(yīng)的平臺。同時，在具體實施教學(xué)過程中，還要對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行打磨和加工，注重從人的智能向人工智能的知識遷移，特別是對專業(yè)術(shù)語的通俗化表達(dá)，能夠讓人工智能課堂教學(xué)變得更有效。

本文系福州市教育科學(xué)研究“十三五”規(guī)劃2020年度立項課題“晉安區(qū)義務(wù)教育階段人工智能主題教學(xué)設(shè)計與實踐研究”階段性成果，課題立項編號：FZ2020GH061。