摘要：人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)是現(xiàn)代信息技術(shù)高速發(fā)展背景下增設(shè)的新課程，主要是為了使學(xué)生充分了解人工智能的概念、核心技術(shù)、應(yīng)用等知識(shí)。但是由于此課程實(shí)施的時(shí)間不長，所以在教學(xué)方面存在諸多問題。將學(xué)習(xí)支架這一教學(xué)模式融入其中，不僅有利于學(xué)生參與感的增強(qiáng)，而且學(xué)習(xí)難度會(huì)降低，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣更高。本文在對(duì)學(xué)習(xí)支架概念及設(shè)計(jì)原則進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，簡單闡述了初中人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)遇到的難點(diǎn)，并以可視化機(jī)器學(xué)習(xí)軟件Orange為例，詳細(xì)分析了如何將學(xué)習(xí)支架更好地應(yīng)用于初中人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。通過實(shí)踐研究強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)支架給予支持的重要作用，并提出課前情境創(chuàng)設(shè)、課中主題探究和課后交流評(píng)價(jià)等建議，以促進(jìn)學(xué)生的知識(shí)內(nèi)化和能力提升。本研究為構(gòu)建以知識(shí)為基礎(chǔ)、以技能與思維發(fā)展為核心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的形成提供了方法與思路。

關(guān)鍵詞：學(xué)習(xí)支架；初中人工智能；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

一、引言

信息科技等相關(guān)課程教學(xué)因其高度的實(shí)踐性要求，常借助實(shí)驗(yàn)等一系列活動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生探究，一方面深層次感受人工智能帶來的不一樣體驗(yàn)，另一方面更好的了解人工與機(jī)器在計(jì)算方面存在的差異，進(jìn)而有效促進(jìn)信息科技核心素養(yǎng)的培養(yǎng)[1]。在初中人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，教師可以借助學(xué)習(xí)支架這一教學(xué)模式，鼓勵(lì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究中更好地掌握人工智能應(yīng)用技術(shù)，不斷提高自我信息素養(yǎng)，更好地適應(yīng)現(xiàn)代智能社會(huì)快速發(fā)展背景下對(duì)人才提出的高要求。基于此，本文通過分析學(xué)習(xí)支持的初中人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，借助對(duì)Orange軟件實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐案例的分析，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了學(xué)習(xí)支架在人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢，旨在為構(gòu)建以知識(shí)為基礎(chǔ)、以技能與思維發(fā)展為核心的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式提供切實(shí)可行的方法與思路。

二、學(xué)習(xí)支架概述及設(shè)計(jì)原則

（一）概述

如果僅從字面意思而言，學(xué)習(xí)支架就是以學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)的支撐體系，在學(xué)術(shù)研究中被稱為學(xué)習(xí)的腳手架。這一教學(xué)模式綜合考慮了學(xué)生的當(dāng)前發(fā)展情況，并立足于其潛在發(fā)展能力，將二者有效銜接，構(gòu)成最近發(fā)展區(qū)。學(xué)習(xí)支架能夠在很大程度上為正處于最近發(fā)展區(qū)的學(xué)生提供高效學(xué)習(xí)的方法、平臺(tái)。初中人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)的實(shí)施，利用易于學(xué)生接受的學(xué)習(xí)支架平臺(tái)、軟件，對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)K參數(shù)進(jìn)行分析、調(diào)整，降低了實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的難度，操作簡單快捷且安全可靠，整個(gè)教學(xué)及學(xué)習(xí)過程邏輯清晰，重難點(diǎn)分明。

（二）原則

1.引導(dǎo)性

教學(xué)活動(dòng)的實(shí)施圍繞的是學(xué)生這一主體，發(fā)現(xiàn)、分析以及解決問題的整個(gè)過程必然要求學(xué)生的全程參與[2]。學(xué)習(xí)支架設(shè)計(jì)需要給予學(xué)生更多自主思考、全方位體驗(yàn)的機(jī)會(huì)，使其從中獲取問題解決的思路，能夠獨(dú)立完成學(xué)習(xí)任務(wù)。教師是課堂活動(dòng)的組織者、實(shí)施者、監(jiān)督者，必須想盡一切辦法給予學(xué)生引導(dǎo)，鼓勵(lì)他們自主參與各種各樣的學(xué)習(xí)活動(dòng)，深入探究、思考問題，避免直接給出答案或者過度干預(yù)以節(jié)省課堂時(shí)間。

2.個(gè)性化

每個(gè)學(xué)生都是獨(dú)立的個(gè)體，認(rèn)知水平、學(xué)情、學(xué)習(xí)能力等存在較大區(qū)別，所以學(xué)習(xí)支架的設(shè)計(jì)與搭建一方面要綜合考慮大部分學(xué)生水平，另一方面也應(yīng)該根據(jù)學(xué)生實(shí)際情況，設(shè)計(jì)針對(duì)性、目的性較強(qiáng)的支架，使每個(gè)學(xué)生都有不同程度的提升。人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)，對(duì)于實(shí)踐應(yīng)用能力要求較高，思維模式要清晰，為此，教師可嘗試設(shè)計(jì)多樣化的支架，鼓勵(lì)學(xué)生在思考與探究中獲得更多的知識(shí)，促進(jìn)學(xué)習(xí)能力的提升。

3.高度適宜且具有動(dòng)態(tài)性

如果將學(xué)習(xí)支架比喻為臺(tái)階，如果臺(tái)階坡度緩且密，大多數(shù)學(xué)生一步便能夠跨過很多臺(tái)階，缺乏一定難度，不具有挑戰(zhàn)性，學(xué)生學(xué)習(xí)會(huì)懈??；如果臺(tái)階坡度非常高，而且很陡，很多學(xué)生無法跨越，即使思維能力較強(qiáng)的學(xué)生也會(huì)產(chǎn)生畏懼之心，極易打消學(xué)習(xí)主動(dòng)性。因此教師搭建學(xué)習(xí)支架時(shí)，要綜合考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)水平，以最近發(fā)展區(qū)為依托，確保適宜性與恰當(dāng)性。除此之外，學(xué)習(xí)支架多為提前預(yù)設(shè)，但是課堂教學(xué)過程并非靜態(tài)的，存在很多不確定性因素，教師很難準(zhǔn)確評(píng)判出課堂教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)生的表現(xiàn)，為此，學(xué)習(xí)支架的設(shè)計(jì)要根據(jù)課堂教學(xué)和學(xué)生表現(xiàn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

三、初中人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)難點(diǎn)

隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了很多與人工智能教育教學(xué)相關(guān)的平臺(tái)、軟件，其中也包含一些科技公司提供的免費(fèi)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目[3]。雖然這些平臺(tái)、軟件及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為初中人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了多種多樣的資源，但是在深入分析這些資源以后會(huì)發(fā)現(xiàn)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的采集作為重點(diǎn)，只需要對(duì)接口進(jìn)行調(diào)整，便能夠完成數(shù)據(jù)的上傳操作，然后再進(jìn)行預(yù)測，也可能夠調(diào)用現(xiàn)有數(shù)據(jù)模型，預(yù)測結(jié)果。很多人工智能實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目能夠通過平臺(tái)順利實(shí)施，但是整個(gè)操作過程以及涉及的數(shù)據(jù)信息專業(yè)性太強(qiáng)，而初中生能力有限，人工智能方面的知識(shí)也僅僅停留于初期理解階段，所以很多現(xiàn)有資源并不適用于初中人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)。此外，學(xué)生需注冊并通過賬號(hào)登錄平臺(tái)，這一步驟增加了教學(xué)實(shí)施的難度，限制了大規(guī)模教學(xué)活動(dòng)的開展。而當(dāng)前出現(xiàn)的圖形編程軟件、平臺(tái)具備較強(qiáng)的趣味性、易于操作，同時(shí)可拓展性功能較強(qiáng)，特別是融入了大量以人工智能為核心的專業(yè)化模塊，降低了學(xué)生操作難度。再加之軟件與多種硬件設(shè)備的連接，充分體現(xiàn)了互融互通的優(yōu)勢。但這些軟件平臺(tái)只能作為初次體驗(yàn)的工具，無法根據(jù)教學(xué)需求調(diào)整模塊參數(shù)，所以在解決具體問題上缺乏優(yōu)勢，難以推動(dòng)實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)的深入進(jìn)行。Python編程工具可以在數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)上完成可視化操作以及模型訓(xùn)練，對(duì)培養(yǎng)初中生計(jì)算思維有益。然而，初中生數(shù)理基礎(chǔ)薄弱，編程能力不足，要想嘗試使用此工具作為學(xué)習(xí)支架，存在一定的難度。

四、學(xué)習(xí)支架支持的初中人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

（一）可視化機(jī)器學(xué)習(xí)軟件Orange概述

此軟件有著良好的應(yīng)用優(yōu)勢，其成本投入較低，而且安裝方便快捷，便于攜帶，界面交互性強(qiáng)，是非常不錯(cuò)的學(xué)習(xí)支架。這一軟件包含的組件數(shù)量非常多，類型豐富，不僅可以完成數(shù)據(jù)的采集、分析，而且有著較強(qiáng)的建模功能，很多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都是根據(jù)中小學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)而設(shè)計(jì)的，下載方便快捷，性能良好。同時(shí)，也可以結(jié)合教學(xué)內(nèi)容自行調(diào)整，預(yù)設(shè)不同類型組件，在畫布中可以隨意拖拽，工作流的形成更加完整，同時(shí)能夠結(jié)合呈現(xiàn)的交互性數(shù)據(jù)引導(dǎo)學(xué)生積極探索未知內(nèi)容；而且可視化操作這一功能為學(xué)生更好了解機(jī)器學(xué)習(xí)知識(shí)提供了幫助，高清的畫面給予學(xué)生不一樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體驗(yàn)。所以教學(xué)中可以嘗試使用此軟件作為學(xué)習(xí)支架，既能使學(xué)習(xí)難度降低，還能給予學(xué)生更加豐富的參與體驗(yàn)。通過全方位參與，學(xué)生能夠輕松獲取并完整記錄實(shí)驗(yàn)中的多種數(shù)據(jù)，從而在應(yīng)用實(shí)踐中深入理解機(jī)器學(xué)習(xí)相關(guān)原理。

（二）基于決策樹的機(jī)器學(xué)習(xí)模型構(gòu)建

在機(jī)器學(xué)習(xí)算法中，決策樹是極具代表性的方法，其以訓(xùn)練集中不同的特點(diǎn)為基礎(chǔ)，在對(duì)各種問題分析的同時(shí)，可以將樣本類型準(zhǔn)確推測出來，以樹狀結(jié)構(gòu)完美呈現(xiàn)決策過程[4]。在“基于決策樹算法處理鳶尾花分類”教學(xué)中，首先學(xué)生導(dǎo)入數(shù)據(jù)集，并根據(jù)特征分類分析測量到的各種與鳶尾花相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，形成以決策樹為依托的機(jī)器學(xué)習(xí)模型。然后在此基礎(chǔ)上通過測試，對(duì)分類效果進(jìn)行評(píng)估，將重點(diǎn)放在如何更好的探究有效特征設(shè)計(jì)重要性方面。鳶尾花分類實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)共有三類，不同的類型又涉及到了50個(gè)數(shù)據(jù)，而且各數(shù)據(jù)中包含了長、寬等特征，在經(jīng)過對(duì)比后，學(xué)生便可以在File組件內(nèi)找到其中的關(guān)鍵特征，在此基礎(chǔ)上通過機(jī)器模型Test and Score組件測試結(jié)果完成更加細(xì)致的訓(xùn)練，以此來評(píng)估特征質(zhì)量對(duì)分類結(jié)果帶來的較大影響。在此基礎(chǔ)上，利用Tree Viewer組件解決策樹算法原理。也可以通過可視化功能，仔細(xì)觀察哪個(gè)組件提供的信息最多，進(jìn)而收獲較好的分析效果。或者，借助組件Rank，結(jié)合變量關(guān)系，采用評(píng)分的形式來理解數(shù)據(jù)集特征，進(jìn)而總結(jié)有效的特征屬性。

（三）基于k近鄰算法的機(jī)器學(xué)習(xí)模型構(gòu)建

此方法基于設(shè)定的待預(yù)測數(shù)據(jù)，總結(jié)最接近的k個(gè)點(diǎn)，在對(duì)未知數(shù)據(jù)類型進(jìn)行預(yù)測時(shí)則以點(diǎn)類型頻數(shù)為重要依據(jù)。此算法整體思路簡單易懂，k值的選取是其中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。例如，在“基于k近鄰算法處理鳶尾花分類”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生首先將數(shù)據(jù)導(dǎo)入，分析特征以后明確當(dāng)前已經(jīng)知道的鳶尾花測量的重發(fā)數(shù)據(jù)。其次以數(shù)據(jù)為依托采用k近鄰算法構(gòu)建模型，測試分類效果的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理評(píng)估。整個(gè)學(xué)習(xí)過程關(guān)鍵是有效探究模型參數(shù)的調(diào)整對(duì)分類準(zhǔn)確性的影響。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生可以借助比較的方法，從組KNN中選出多種類型的k值，通過組件Test and Score對(duì)數(shù)據(jù)集內(nèi)訓(xùn)練集、測試集相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以此為根本，實(shí)現(xiàn)機(jī)器模型測試結(jié)果訓(xùn)練的目的，以此來更加清晰地了解k值的變化，進(jìn)而作出調(diào)整。在k值小時(shí)，鄰近實(shí)例點(diǎn)會(huì)影響預(yù)測的結(jié)果；當(dāng)k值大時(shí)，表明預(yù)測時(shí)可選擇較大鄰域訓(xùn)練數(shù)據(jù)，這一模型預(yù)測能力變?nèi)酢?/p>

（四）不同機(jī)器學(xué)習(xí)模型預(yù)測效果分析

機(jī)器學(xué)習(xí)重點(diǎn)在于訓(xùn)練已有數(shù)據(jù)時(shí)得到某一模型，借助此模型對(duì)新數(shù)據(jù)進(jìn)行深層次的分析[5]。例如，在“不同分類模型預(yù)測效果對(duì)比”教學(xué)時(shí)，學(xué)生通過分析鳶尾花數(shù)據(jù)，獲得基于決策樹與基于k近鄰算法兩大模型，并對(duì)對(duì)兩種模型預(yù)測效果進(jìn)行比較，從而更好地了解機(jī)器學(xué)習(xí)原理以及各個(gè)模型特征。在實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)Test and Score、ROC Analysis、Confusion Matrix組件數(shù)據(jù)集并無太大區(qū)別，而泰坦尼克號(hào)數(shù)據(jù)集分類效果差異明顯：決策樹模型曲線將k近鄰算法模型ROC曲線包裹住，表明前者性能要比后者更占優(yōu)勢。由此，學(xué)生能夠認(rèn)識(shí)到，在機(jī)器學(xué)習(xí)時(shí)，需要綜合分析特定數(shù)據(jù)集，進(jìn)而完成多種模型的訓(xùn)練操作，以訓(xùn)練結(jié)果為依托從中挑選出最適合的模型。

五、學(xué)習(xí)支架支持的初中人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略

（一）課前情境創(chuàng)設(shè)，激發(fā)興趣

初中生對(duì)于人工智能有著強(qiáng)烈的求知欲，但受到自身認(rèn)知水平以及能力的局限性，他們計(jì)算思維發(fā)展不足。如果依然采用傳統(tǒng)教學(xué)方法，學(xué)生不僅聽不懂，而且長期如此，會(huì)慢慢失去學(xué)習(xí)興趣。針對(duì)此情況，教師可以學(xué)習(xí)支架為依據(jù)，在人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)開展之前，采用情境創(chuàng)設(shè)方法，以激趣為切入點(diǎn)，將學(xué)生帶入最佳的學(xué)習(xí)狀態(tài)。課前創(chuàng)設(shè)情境時(shí)可以融入一些圖片、視頻、動(dòng)畫等多種形式，吸引學(xué)生注意力，并緊密聯(lián)系教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)其求知欲、好奇心；教師也可以在教學(xué)過程中積極創(chuàng)設(shè)生活化的實(shí)踐情境，鼓勵(lì)學(xué)生將掌握的知識(shí)靈活運(yùn)用到實(shí)踐中，更好的解決生活難題；或者采用多種方法，使用翻轉(zhuǎn)課堂、微課給予學(xué)生引導(dǎo)，以學(xué)習(xí)單、學(xué)習(xí)任務(wù)、學(xué)習(xí)指導(dǎo)為基礎(chǔ)，鼓勵(lì)學(xué)生在反思中總結(jié)方法，并做好相應(yīng)記錄，有問題及時(shí)反饋給教師，以便教師的課堂講解更具針對(duì)性、目的性。

（二）課中主題探究，助力合作

一個(gè)班級(jí)中每個(gè)學(xué)生的水平都是不同的，這就需要教師在人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)準(zhǔn)確了解學(xué)生學(xué)情，才能做到學(xué)習(xí)任務(wù)的便利布置，或者采用小組合作的形式，引導(dǎo)他們在互幫互助、互相探討中有針對(duì)性地提升與學(xué)習(xí)[6]。

課堂中教師要以知識(shí)的難易程度為基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合教材、利用現(xiàn)有學(xué)習(xí)工具完成自主探究，或通過導(dǎo)學(xué)單、任務(wù)單、微課等不同工具進(jìn)行教學(xué)。當(dāng)學(xué)生意見不統(tǒng)一時(shí)，可以小組為單位進(jìn)行探討，以便在思考過程中，找到最佳的解決辦法，完成學(xué)習(xí)任務(wù)。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)并完善知識(shí)體系，結(jié)合小組成員的具體需求，進(jìn)行分層學(xué)習(xí)，逐步推進(jìn)學(xué)習(xí)任務(wù)，旨在提升學(xué)生的操作能力。在人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)習(xí)支架的設(shè)計(jì)要綜合考慮學(xué)生這一主體，設(shè)置他們感興趣的學(xué)習(xí)任務(wù)，合理選擇相關(guān)工具和方法，并重視滿足學(xué)生需求，可通過小組比賽、游戲教學(xué)等方法，激發(fā)學(xué)生的參與熱情。

（三）課后交流評(píng)價(jià)，促進(jìn)內(nèi)化

在以學(xué)習(xí)支架為依據(jù)的初中人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)全過程中，課堂中的實(shí)踐固然重要，但是也不能忽視課后交流與評(píng)價(jià)，這是教師充分了解學(xué)生學(xué)習(xí)效果以及教學(xué)活動(dòng)開展成效的重要環(huán)節(jié)。為此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)束以后，教師應(yīng)該主動(dòng)與學(xué)生溝通，學(xué)生也應(yīng)及時(shí)向教師反饋學(xué)習(xí)成果。通過交流，教師給予學(xué)生評(píng)價(jià)，幫助他們查漏補(bǔ)缺，促進(jìn)知識(shí)內(nèi)化，幫助他們增強(qiáng)知識(shí)的深度理解，同時(shí)通過對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評(píng)估，了解學(xué)習(xí)支架這一教學(xué)模式應(yīng)用過程中存在哪些不足，以便于在以后的教學(xué)中進(jìn)行合理調(diào)整與優(yōu)化。

六、結(jié)束語

在初中人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，要想充分發(fā)揮學(xué)習(xí)支架的支持作用，教師需要進(jìn)行綜合考慮，除了要了解學(xué)習(xí)支架設(shè)計(jì)的原則以外，還應(yīng)該全面了解當(dāng)前初中人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)遇到的具體問題，深入掌握不同類型學(xué)習(xí)支架的優(yōu)勢與劣勢，結(jié)合學(xué)生學(xué)情以及學(xué)習(xí)支架特點(diǎn)，選擇最適合的。本文通過分析Orange軟件在人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用表明，該學(xué)習(xí)支架降低了學(xué)生學(xué)習(xí)難度，以一種直觀可視的方式展示了模型參數(shù)，并通過比較，使學(xué)生更好地了解機(jī)器學(xué)習(xí)原理。隨著時(shí)代的快速發(fā)展，學(xué)習(xí)支架類型越來越多，初中人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)進(jìn)一步探索其他更有效、適用性更強(qiáng)的學(xué)習(xí)支架，同時(shí)重視課前、課中、課后各個(gè)環(huán)節(jié)教學(xué)活動(dòng)的有效銜接，通過激發(fā)興趣，引導(dǎo)學(xué)生在積極協(xié)作中，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的內(nèi)化，促進(jìn)學(xué)生能力的全面提升與發(fā)展。

作者單位：包艷艷 海寧市第一初級(jí)中學(xué)

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