初中人工智能課程逆向教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐

【摘要】本文基于追求理解的教學(xué)設(shè)計(jì)理論，以初中人工智能課程內(nèi)容中的機(jī)器學(xué)習(xí)為例進(jìn)行逆向教學(xué)設(shè)計(jì)。文中先介紹定位在“初體驗(yàn)”上的初中人工智能課程內(nèi)容，而后闡述了UbD理論指導(dǎo)下逆向教學(xué)設(shè)計(jì)的三個(gè)階段，最后通過實(shí)例論述如何設(shè)計(jì)有助于學(xué)生理解的人工智能教學(xué)，落實(shí)學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)?！娟P(guān)鍵詞】UbD理論;初中人工智能;逆向教學(xué)設(shè)計(jì);機(jī)器學(xué)習(xí);教學(xué)案例我國高度重視學(xué)生信息素養(yǎng)的提升，將包括人工智能編程教育在內(nèi)的信息技術(shù)內(nèi)容納入了中小學(xué)課程。人工智能編程教育在各個(gè)學(xué)段實(shí)施的目標(biāo)定位各有側(cè)重，方式方法也有所不同。那么初中階段開展人工智能教育該學(xué)哪些內(nèi)容、學(xué)到什么程度？如何設(shè)計(jì)有效的教學(xué)方式促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展？又該如何診斷評估學(xué)生的學(xué)習(xí)收獲呢？本文對此開展了研究。初中人工智能課程內(nèi)容目前各學(xué)段人工智能課程尚未有統(tǒng)一的課程標(biāo)準(zhǔn)和課程內(nèi)容。初中階段的學(xué)生已經(jīng)掌握了一定的學(xué)習(xí)方法，邏輯思維開始占優(yōu)勢，抽象的概念思維還需要感性經(jīng)驗(yàn)的支持，可塑性強(qiáng)。面向初中生的人工智能課程可以將重點(diǎn)定位在“初體驗(yàn)”上，用符合初中生認(rèn)知的表述方式，幫助學(xué)生從技術(shù)的角度了解基本的人工智能知識(shí)和原理，從機(jī)器會(huì)看、會(huì)聽、會(huì)說、會(huì)想、會(huì)動(dòng)等多個(gè)維度來體驗(yàn)人工智能技術(shù)的廣泛用途，從而系統(tǒng)地、科學(xué)地認(rèn)識(shí)人工智能;通過動(dòng)腦思考與動(dòng)手實(shí)踐相結(jié)合的課程學(xué)習(xí)過程，培養(yǎng)學(xué)生對人工智能的盎然興趣和人工智能知識(shí)原理的求知欲，鍛煉學(xué)生對人工智能的鑒賞能力、理解能力、應(yīng)用能力和創(chuàng)新能力，為未來做好準(zhǔn)備。以上海教育出版社出版的《人工智能（初中版）》為例，其內(nèi)容有：第一章回顧了人工智能的起源發(fā)展、感受了人工智能技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用，滲透了人工智能倫理，介紹了機(jī)器學(xué)習(xí)的基本知識(shí)原理和機(jī)器通過學(xué)習(xí)具備了看、聽、說、想、動(dòng)的能力。第二章從機(jī)器會(huì)看、會(huì)聽、會(huì)說、會(huì)想、會(huì)動(dòng)五個(gè)維度介紹了人工智能技術(shù)的廣泛用途，每個(gè)維度按照活動(dòng)體驗(yàn)、技術(shù)理解、實(shí)踐操作展開。第三章涉及人工智能技術(shù)的初步應(yīng)用，嘗試基于人工智能技術(shù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)作品解決實(shí)際生活中的問題[1]。UbD理論指導(dǎo)下逆向教學(xué)設(shè)計(jì)的三個(gè)階段20世紀(jì)90年代，美國教育學(xué)者格蘭特·威金斯、杰伊·麥克泰格提出追求理解的教學(xué)設(shè)計(jì)[2]（UnderstandingbyDesign，簡稱UbD），即以具體的學(xué)習(xí)結(jié)果作為目標(biāo)，根據(jù)目標(biāo)進(jìn)行逆向思考的教學(xué)設(shè)計(jì)。UbD給出了逆向教學(xué)設(shè)計(jì)的具體操作方法，強(qiáng)調(diào)教學(xué)設(shè)計(jì)要從預(yù)期的學(xué)習(xí)結(jié)果出發(fā)，而不是從教師所擅長的教法教材和活動(dòng)出發(fā);強(qiáng)調(diào)評價(jià)要先行于教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)，以此實(shí)現(xiàn)教學(xué)與評價(jià)同步。這一設(shè)計(jì)過程可以有效地幫助教師克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中灌輸式教學(xué)且缺少綜合性目標(biāo)引導(dǎo)、活動(dòng)式學(xué)習(xí)有活動(dòng)無思考的兩大設(shè)計(jì)誤區(qū)，堅(jiān)持以終為始，緊扣學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展，思考預(yù)期結(jié)果，有助于培養(yǎng)學(xué)生的高階思維。第一階段：確定預(yù)期結(jié)果。該階段需要明確通過學(xué)習(xí)學(xué)生應(yīng)該知道什么？理解什么？能夠做什么？什么內(nèi)容值得理解？什么是期望的持久理解？教師需要思考教學(xué)目標(biāo)，查看已發(fā)布的國家或者地區(qū)的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)，檢驗(yàn)課程的預(yù)期結(jié)果。第二階段：確定合適的評估證據(jù)。逆向設(shè)計(jì)方法中，評價(jià)先行于教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)。這個(gè)階段教師需要考慮如何知道學(xué)生是否已經(jīng)達(dá)到了預(yù)期結(jié)果？哪些證據(jù)能夠證明學(xué)生的理解和掌握程度？基于明確的預(yù)期學(xué)習(xí)結(jié)果設(shè)計(jì)有效的表現(xiàn)性任務(wù)，確定需要采集的其他評估證據(jù)。而表現(xiàn)性任務(wù)是指基于一定情境，綜合運(yùn)用知識(shí)和能力，并有相應(yīng)的建構(gòu)反應(yīng)、行為表現(xiàn)或作品形成的任務(wù)。第三階段：設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)體驗(yàn)和教學(xué)。在確定了學(xué)習(xí)預(yù)期結(jié)果和評估證據(jù)的前提下，學(xué)生要有效開展學(xué)習(xí)并獲得預(yù)期結(jié)果，需要哪些知識(shí)和技能？哪些活動(dòng)可以使學(xué)生獲得所需知識(shí)和技能？根據(jù)表現(xiàn)性目標(biāo)，教師需要教哪些內(nèi)容，指導(dǎo)學(xué)生做什么，以及如何用恰當(dāng)?shù)姆绞介_展教學(xué)？要完成這些目標(biāo)，哪些材料和資源是最合適的？教師在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)有目的的、條理清晰的、有效的和生動(dòng)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和教學(xué)。初中人工智能課程逆向教學(xué)設(shè)計(jì)案例機(jī)器通過學(xué)習(xí)可以具備各種各樣的技能，機(jī)器學(xué)習(xí)是一種實(shí)現(xiàn)人工智能的方法，是學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)了解人工智能技術(shù)一定會(huì)涉及的知識(shí)原理，是初中人工智能課程內(nèi)容之一。那么，在初中人工智能教學(xué)中，如何向?qū)W生講授機(jī)器學(xué)習(xí)呢？筆者根據(jù)逆向教學(xué)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)面向初中生的機(jī)器學(xué)習(xí)教學(xué)，幫助學(xué)生對機(jī)器學(xué)習(xí)主要概念和過程進(jìn)行深入、持久的理解。1.確定“機(jī)器學(xué)習(xí)”初始課教學(xué)內(nèi)容的預(yù)期結(jié)果本課指向?qū)W生人工智能素養(yǎng)培養(yǎng)，以初中人工智能課程要求學(xué)生理解和掌握機(jī)器學(xué)習(xí)知識(shí)原理的程度為依據(jù)設(shè)計(jì)。學(xué)生要知道機(jī)器學(xué)習(xí)是在數(shù)據(jù)中找尋規(guī)律的一種方式，通過數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型來理解機(jī)器學(xué)習(xí)的原理，了解數(shù)據(jù)對于機(jī)器學(xué)習(xí)的作用。其中學(xué)生需要理解的基本問題、應(yīng)該知道、理解和能夠做的事情，如表1所示。2.設(shè)計(jì)評估任務(wù)驗(yàn)證學(xué)生學(xué)習(xí)預(yù)期結(jié)果該階段的關(guān)鍵是圍繞知識(shí)遷移和應(yīng)用設(shè)計(jì)一個(gè)真實(shí)性評估任務(wù)，通過任務(wù)的完成程度驗(yàn)證學(xué)生達(dá)成學(xué)習(xí)預(yù)期結(jié)果的情況。“機(jī)器學(xué)習(xí)初始課”中的真實(shí)性評估任務(wù)，是要求學(xué)生使用監(jiān)督學(xué)習(xí)方法，訓(xùn)練一個(gè)“石頭、剪刀、布”手勢分類模型實(shí)現(xiàn)新手勢的分類，并評估預(yù)測模型準(zhǔn)確性和影響因素。這個(gè)任務(wù)的完成需要學(xué)生運(yùn)用監(jiān)督學(xué)習(xí)解決問題的基本思想，經(jīng)歷機(jī)器學(xué)習(xí)的基本過程，能夠呈現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)預(yù)期結(jié)果方面的理解和掌握程度。除此之外，教師還通過觀察學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的其他表現(xiàn)，如是否能闡述人類學(xué)習(xí)過程和機(jī)器學(xué)習(xí)過程的關(guān)系、是否能說出機(jī)器學(xué)習(xí)的一般過程、是否能區(qū)分監(jiān)督學(xué)習(xí)與非監(jiān)督學(xué)習(xí)的應(yīng)用場景等，來綜合評估學(xué)生是否達(dá)到了預(yù)期結(jié)果。3.設(shè)計(jì)三項(xiàng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)任務(wù)，在活動(dòng)與問題解決中完成教學(xué)“機(jī)器學(xué)習(xí)”初始課，教師通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)、交流討論、直觀演示、支架教學(xué)、操作練習(xí)等方法，以指向思維發(fā)展的問題為學(xué)習(xí)線索，引導(dǎo)學(xué)生在任務(wù)和活動(dòng)中循序漸進(jìn)地思考和理解機(jī)器學(xué)習(xí)的本質(zhì)、不同機(jī)器學(xué)習(xí)方法解決問題的基本思想和過程，在思考、理解、體驗(yàn)、實(shí)踐中逐步達(dá)成既定的預(yù)期結(jié)果。在課堂教學(xué)中，教師通過游戲?qū)雽W(xué)習(xí)主題，設(shè)計(jì)了三項(xiàng)任務(wù)，任務(wù)開展通過8個(gè)活動(dòng)、11個(gè)問題逐步深入，其中對應(yīng)關(guān)系如圖1所示。（1）游戲?qū)胝n堂教學(xué)通過在計(jì)算機(jī)上玩九宮格的數(shù)字游戲引出，游戲規(guī)則是1～9九個(gè)數(shù)字，橫豎都有三格，使得每行、每列的三數(shù)之和都等于15。與傳統(tǒng)的九宮格游戲不同之處在于，游戲中，師生在計(jì)算機(jī)上通過手寫輸入的方式在空白格中填寫數(shù)字，機(jī)器自動(dòng)識(shí)別手寫的數(shù)字，并判斷是否滿足游戲規(guī)則要求，給出正確或者錯(cuò)誤的應(yīng)答。通過游戲調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，同時(shí)借游戲背后的原理引出機(jī)器學(xué)習(xí)主題。游戲中計(jì)算機(jī)之所以知道學(xué)生寫的數(shù)字是幾，是因?yàn)橛?jì)算機(jī)具有學(xué)習(xí)的能力，可以通過學(xué)習(xí)掌握各種技能。（2）任務(wù)一：學(xué)習(xí)機(jī)器學(xué)習(xí)的本質(zhì)機(jī)器學(xué)習(xí)獲得智能是對人類學(xué)習(xí)獲得智慧的模仿，因此教師在教學(xué)中可以先回顧人類學(xué)習(xí)的過程，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行類比學(xué)習(xí)，降低學(xué)生理解機(jī)器學(xué)習(xí)本質(zhì)的認(rèn)知負(fù)荷。在這項(xiàng)任務(wù)中，教師通過“活動(dòng)1：回想人類學(xué)習(xí)的過程”和“活動(dòng)2：認(rèn)識(shí)機(jī)器學(xué)習(xí)的過程”，以及啟發(fā)學(xué)生思考的問題支架，幫助學(xué)生在類比中理解機(jī)器學(xué)習(xí)的本質(zhì)。在活動(dòng)1中，教師通過“問題1：你是如何教小孩子認(rèn)識(shí)貓的？”引導(dǎo)學(xué)生回想自己認(rèn)識(shí)貓或者教小孩子認(rèn)識(shí)貓的過程，通過不斷地觀察特征、總結(jié)規(guī)律、不斷實(shí)踐，最終學(xué)會(huì)了認(rèn)識(shí)貓。教師通過“問題2：小孩子要經(jīng)過怎樣的過程才能在大腦中形成貓的特征模型？”的思考，引導(dǎo)學(xué)生將人類學(xué)習(xí)過程中在大腦中建立并不斷優(yōu)化貓的特征模型的隱形過程通過圖示的方式顯性呈現(xiàn)，將思維發(fā)展和學(xué)習(xí)發(fā)生的過程可視化，幫助學(xué)生形成自己對人類學(xué)習(xí)過程的概括歸納。在活動(dòng)2中，學(xué)生帶著問題觀看微視頻，可以聚焦學(xué)習(xí)方向，提高學(xué)習(xí)效率。學(xué)生可以較為輕松地在生動(dòng)形象的微視頻中找到“問題3：機(jī)器又是如何通過學(xué)習(xí)學(xué)會(huì)認(rèn)識(shí)貓的？”的回答，學(xué)習(xí)到機(jī)器學(xué)習(xí)要經(jīng)歷的輸入數(shù)據(jù)、訓(xùn)練模型、驗(yàn)證模型三大步驟。教師通過“問題4：機(jī)器對貓的外貌特征模型的訓(xùn)練過程是怎樣的？”的設(shè)問，以及機(jī)器對貓的外貌特征模型的訓(xùn)練過程留白圖示支架[3]（圖2），可以有效幫助學(xué)生更好地類比人類認(rèn)識(shí)貓的過程來理解機(jī)器對貓外貌特征模型訓(xùn)練的過程。（3）任務(wù)二：學(xué)習(xí)機(jī)器學(xué)習(xí)的方法和基本思想通過前面的學(xué)習(xí)，學(xué)生對機(jī)器學(xué)習(xí)本質(zhì)有了一個(gè)初步的知識(shí)層面的認(rèn)識(shí)。初中階段學(xué)生抽象的概念思維建構(gòu)需要感性經(jīng)驗(yàn)的支持，因此在機(jī)器學(xué)習(xí)方法和基本思想的學(xué)習(xí)過程中，教師通過實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)、直觀演示、操作練習(xí)的方式幫助學(xué)生建構(gòu)自身經(jīng)歷和體驗(yàn)過程，通過直觀感受強(qiáng)化學(xué)生對利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法解決問題的基本過程的認(rèn)識(shí)和理解。任務(wù)完成的過程拆分成五個(gè)依次遞進(jìn)的活動(dòng)，同樣以問題鏈的方式啟發(fā)學(xué)生思考，領(lǐng)航學(xué)生思維發(fā)展，如表2。在活動(dòng)3中，學(xué)生帶著問題5體驗(yàn)了教機(jī)器識(shí)別貓狗的實(shí)驗(yàn)過程。教師通過預(yù)設(shè)問題支架、記錄實(shí)驗(yàn)步驟的圖示支架幫助學(xué)生將關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)步驟與前面學(xué)習(xí)的機(jī)器學(xué)習(xí)三大步驟對應(yīng)起來，通過直觀的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)加深理解機(jī)器學(xué)習(xí)“輸入數(shù)據(jù)、訓(xùn)練模型、驗(yàn)證模型”的基本過程?；趯?shí)驗(yàn)體驗(yàn)，在活動(dòng)4中，教師通過問題6對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行追問，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)提煉監(jiān)督學(xué)習(xí)中數(shù)據(jù)樣本同時(shí)包含數(shù)據(jù)和標(biāo)簽的規(guī)律特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)從具體實(shí)例到一般特征的概括歸納。在活動(dòng)5中，學(xué)生圍繞介紹機(jī)器學(xué)習(xí)常見方式的微視頻開展學(xué)習(xí)，帶著問題7學(xué)習(xí)微視頻，通過微視頻學(xué)習(xí)建構(gòu)對監(jiān)督學(xué)習(xí)、非監(jiān)督學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)的認(rèn)知和理解。問題在學(xué)習(xí)開始前提出，能夠引導(dǎo)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中準(zhǔn)確定位和捕捉關(guān)鍵內(nèi)容，提高效率。在微視頻中介紹了非監(jiān)督學(xué)習(xí)的基本思想。在活動(dòng)6中，學(xué)生通過觀察機(jī)器學(xué)習(xí)沒有標(biāo)簽的貓狗圖片得出的學(xué)習(xí)結(jié)果，對比使用監(jiān)督學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)貓狗圖片的過程，思考問題8和問題9，概括監(jiān)督學(xué)習(xí)和非監(jiān)督學(xué)習(xí)的不同。最后，在活動(dòng)7中，教師通過三組機(jī)器學(xué)習(xí)的例子，檢驗(yàn)學(xué)生是否已經(jīng)理解監(jiān)督學(xué)習(xí)和非監(jiān)督學(xué)習(xí)兩種方式的特點(diǎn)及各自的適用場景。（4）任務(wù)三：應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)方法解決實(shí)際問題在該任務(wù)中，教師設(shè)計(jì)“活動(dòng)8：訓(xùn)練手勢分類模型”，學(xué)生分小組基于AI體驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)踐操作，應(yīng)用監(jiān)督學(xué)習(xí)方法訓(xùn)練手勢分類模型，其中采集的手勢樣本數(shù)量有30～40和110～120兩種，模型訓(xùn)練好之后輸入新的手勢，評估預(yù)測的準(zhǔn)確性，猜想“問題11：影響分類模型預(yù)測準(zhǔn)確性的因素可能有哪些？”的答案。學(xué)生在實(shí)踐操作中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過較多樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練得到的模型A相較經(jīng)過較少樣本數(shù)量訓(xùn)練得到的模型B，預(yù)測新手勢的準(zhǔn)確性較高。其體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是新手勢識(shí)別的正確率，模型A的正確率較高;二是正確識(shí)別手勢時(shí)預(yù)測的相似度，模型A預(yù)測的相似度較高。（5）課堂小結(jié)適當(dāng)?shù)恼n堂小結(jié)可以幫助學(xué)生理清知識(shí)結(jié)構(gòu)，掌握內(nèi)在聯(lián)系，對學(xué)生構(gòu)建完善自己的知識(shí)體系有很大的幫助。課堂小結(jié)不是對知識(shí)內(nèi)容的簡單重復(fù)，而是從總體上把握知識(shí)。“機(jī)器學(xué)習(xí)”初始課采用圖示的方式幫助學(xué)生回顧機(jī)器學(xué)習(xí)的流程、類型以及利用監(jiān)督學(xué)習(xí)解決分類問題的過程，有助于學(xué)生理順各知識(shí)間的聯(lián)系，將對機(jī)器學(xué)習(xí)基本知識(shí)原理的認(rèn)知和理解建構(gòu)到自己的知識(shí)體系中，促