智能大數(shù)據(jù)時代的信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)路徑探析 論文

2022年安徽省中小學(xué)教育教學(xué)論文評選智能大數(shù)據(jù)時代的信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)路徑探析摘要：人工智能和大數(shù)據(jù)分析等先進(jìn)技術(shù)正改變?nèi)藗兊纳?，也為中學(xué)信息技術(shù)學(xué)科教學(xué)工作提出了新挑戰(zhàn)。本文面向智能大數(shù)據(jù)學(xué)科領(lǐng)域，調(diào)研了當(dāng)前中學(xué)智能學(xué)科研究現(xiàn)狀，詳細(xì)討論了當(dāng)前中學(xué)智能大數(shù)據(jù)教學(xué)瓶頸。繼而深入分析智能教學(xué)的技術(shù)特點，綜合探析智能大數(shù)據(jù)在中學(xué)階段的教學(xué)過程，形成一種培養(yǎng)目標(biāo)內(nèi)核化（Kernelization）、培養(yǎng)內(nèi)容典型化（Typicalization）和培養(yǎng)方案牽引化（Traction）的新型核心素養(yǎng)培養(yǎng)路徑，稱為KTT路徑，為智能大數(shù)據(jù)在中學(xué)階段的教學(xué)工作提供方法支持。關(guān)鍵詞：人工智能，大數(shù)據(jù)分析，高中，計算機，信息技術(shù)，核心素養(yǎng)引言：隨著人工智能、大數(shù)據(jù)分析等計算機前沿技術(shù)的發(fā)展，智能大數(shù)據(jù)時代已悄然到來。技術(shù)的革新不僅改變了人們的生活方式，也逐漸成為民眾的學(xué)習(xí)熱點，使得智能技術(shù)的學(xué)習(xí)趨向普世化和基礎(chǔ)化。在此背景下，教育部于2018年公布了高中信息技術(shù)課程教學(xué)的新標(biāo)準(zhǔn),強調(diào)在對學(xué)生進(jìn)行課程素養(yǎng)培養(yǎng)的過程中，應(yīng)當(dāng)貼合當(dāng)前信息技術(shù)數(shù)據(jù)化應(yīng)用的發(fā)展趨勢,將人工智能等新興技術(shù)納入課程教學(xué)內(nèi)容中。毫無疑問，面對智能大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)的出現(xiàn)，中學(xué)信息技術(shù)教育理念及培養(yǎng)方式的調(diào)整和改革勢在必行。近年來，我國很多地區(qū)開展了中學(xué)階段的人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)普及教育，這類教育大多以課外活動或課堂補充等形式為主，雖然取得了一定的教學(xué)成果，但尚未形成統(tǒng)一的學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)路徑，使得教學(xué)成果的持續(xù)性和復(fù)用性大打折扣。目前來看，在智能大數(shù)據(jù)背景下，系統(tǒng)化的信息技術(shù)學(xué)科培養(yǎng)路徑建設(shè)仍存在以下挑戰(zhàn)。首先，如何在原有信息技術(shù)學(xué)科體系之上合理兼容智能大數(shù)據(jù)培養(yǎng)內(nèi)容。人工智能、大數(shù)據(jù)分析等新興領(lǐng)域?qū)W科的理論深度和實操素養(yǎng)較之傳統(tǒng)計算機領(lǐng)域研究方向有很大不同。牽涉到概率論、機器學(xué)習(xí)、分布式計算、智能算法等諸多領(lǐng)域內(nèi)容，對于中學(xué)信息技術(shù)學(xué)習(xí)而言難度難以把控，容易造成內(nèi)容過深過廣，與傳統(tǒng)的計算機編程、邏輯算法銜接不當(dāng)?shù)葐栴}。其次，如何針對智能大數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)特點，科學(xué)制定學(xué)科培養(yǎng)目標(biāo)以合理提升學(xué)生學(xué)12022年安徽省中小學(xué)教育教學(xué)論文評選科核心素養(yǎng)。根據(jù)智能大數(shù)據(jù)的技術(shù)特點，傳統(tǒng)計算機課程的學(xué)科培養(yǎng)目標(biāo)難以適用。一方面，傳統(tǒng)的以計算機編程和邏輯思考為主的培養(yǎng)目標(biāo)并不能覆蓋智能大數(shù)據(jù)時代的知識學(xué)習(xí)需求，需要從計算思維逐步演化為智能思維。另一方面，考慮到智能大數(shù)據(jù)技術(shù)本身的難度構(gòu)成，培養(yǎng)目標(biāo)應(yīng)當(dāng)循序漸進(jìn)，以啟發(fā)式、引導(dǎo)式為主，既要避免大而全，又要舍棄深而專，應(yīng)制定適合中學(xué)學(xué)生特點的智能信息技術(shù)培養(yǎng)目標(biāo)。再者，如何面向?qū)W科核心素養(yǎng)需求確立合理可行的培養(yǎng)方案。由于人工智能、大數(shù)據(jù)分析涉及的學(xué)習(xí)內(nèi)容廣泛，所需的知識背景和支撐環(huán)境相對嚴(yán)苛，傳統(tǒng)的軟硬件相關(guān)培養(yǎng)路徑在數(shù)據(jù)、平臺、算法等方面難以支撐其課程培養(yǎng)目標(biāo)，需要針對學(xué)科核心素養(yǎng)增加多維度培養(yǎng)方案，此外亦需通過迭代更新精簡課程設(shè)置，挖掘?qū)W習(xí)重點，提升學(xué)生興趣，探索場景導(dǎo)入、由點及面等新型培養(yǎng)方式。當(dāng)前，針對人工智能在中學(xué)課程培養(yǎng)目標(biāo)及路徑的調(diào)查和研究逐步興起。其中，彭瑋麗[1]針對新課標(biāo)下的人工智能課程建設(shè)進(jìn)行了目標(biāo)調(diào)研，并從教學(xué)目標(biāo)構(gòu)建、教學(xué)過程考核等方面提出了構(gòu)建設(shè)想。劉軍芳等人[2]針對新課標(biāo)下中學(xué)信息技術(shù)教育和人工智能教育創(chuàng)新發(fā)展趨勢，研究了虛擬機器人在程序設(shè)計和綜合實踐方面的應(yīng)用。其他相關(guān)研究[3-9]對人工智能相關(guān)技術(shù)在中學(xué)階段的教學(xué)應(yīng)用均進(jìn)行了一定程度的調(diào)研，對其在中學(xué)學(xué)科素養(yǎng)培養(yǎng)過程中的前景、表現(xiàn)和評價進(jìn)行了一定程度的探討。然而這些研究尚停留在教育策略探討階段，未能對人工智能學(xué)科本質(zhì)進(jìn)行梳理，并未緊密聯(lián)系中學(xué)信息課程的教學(xué)需求，因此難以解決上述培養(yǎng)路徑建設(shè)的諸多挑戰(zhàn)。本文從技術(shù)分析入手，首先深入探討人工智能、大數(shù)據(jù)分析等相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)特點，結(jié)合中學(xué)信息技術(shù)及人工智能教育現(xiàn)狀，著力分析和研究符合信息學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)內(nèi)容和目標(biāo)，提出一種新的智能大數(shù)據(jù)中學(xué)核心素養(yǎng)培養(yǎng)路徑（簡稱KTT路徑），涵蓋了培養(yǎng)目標(biāo)、培養(yǎng)內(nèi)容和培養(yǎng)方案的具體設(shè)計。一、人工智能及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)特點近年來，隨著機器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機學(xué)科迎來了智能大數(shù)據(jù)時代。人工智能及大數(shù)據(jù)分析涵蓋的內(nèi)容廣泛而深刻，包含計算機視覺、自然語言處理、虛擬現(xiàn)實、推薦系統(tǒng)、云計算、機器人智能等諸多智能領(lǐng)域，涉及機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、強化學(xué)習(xí)、分布式系統(tǒng)、智能搜索、模式識別、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)存儲、邊緣計算等相關(guān)計算機技術(shù)，連接概率論、線性代數(shù)、圖論、離散數(shù)學(xué)、面向?qū)ο笈c程序設(shè)計、數(shù)據(jù)庫等數(shù)學(xué)、計算機方向的基礎(chǔ)科學(xué)理論?！爸悄堋笔窃擃I(lǐng)域?qū)W科的核心，智能不僅22022年安徽省中小學(xué)教育教學(xué)論文評選包含了傳統(tǒng)計算機編程中自動化程式的內(nèi)涵，更表示讓機器主動計算和學(xué)習(xí)，產(chǎn)生符合人類預(yù)期，甚至超出人類預(yù)期的有價結(jié)論。在此過程中，“數(shù)據(jù)”是運轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)，“模型”是分析的關(guān)鍵。在計算機領(lǐng)域，智能分析預(yù)測的成功往往伴隨著合理的數(shù)據(jù)集收集和處理、先進(jìn)的模型選擇與設(shè)計、細(xì)致的實現(xiàn)與調(diào)試手段。結(jié)合實際應(yīng)用需求場景，需要首先收集相關(guān)數(shù)據(jù)集（往往是大規(guī)模的），利用分布式、云計算、數(shù)據(jù)庫技術(shù)將數(shù)據(jù)按照一定格式組織起來，對于有監(jiān)督分析還需要收集或制作標(biāo)簽數(shù)據(jù)，并利用一定清洗手段去除無效數(shù)據(jù)。其次，基于應(yīng)用場景確定模型范圍，選擇現(xiàn)有智能模型或設(shè)計自身模型，例如對于圖像處理問題往往選擇或改進(jìn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)模型，而對于自然語言相關(guān)的時序問題卻傾向于應(yīng)用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其變種模型，此過程需要對模型本身和背后的科學(xué)原理和應(yīng)用場景有較深的掌握。再者，模型的實現(xiàn)需要借助面向?qū)ο蟪绦蛘Z言、智能學(xué)習(xí)代碼框架等確定，再通過對數(shù)據(jù)集的訓(xùn)練測試劃分，細(xì)粒度地調(diào)試超參和優(yōu)化方式。最終得出滿意的預(yù)測分析結(jié)果。智能大數(shù)據(jù)涉及的知識原理眾多、模型繁雜、調(diào)試?yán)щy，但核心技術(shù)特點相對明晰。對于中學(xué)階段的智能大數(shù)據(jù)課程及相應(yīng)的學(xué)科素養(yǎng)培養(yǎng)，應(yīng)當(dāng)圍繞其核心技術(shù)特點鋪陳展開，這也是容易被當(dāng)前中學(xué)人工智能教育忽略的重點。二、智能大數(shù)據(jù)背景下中學(xué)信息技術(shù)教學(xué)現(xiàn)狀 2.1教師團隊的理論實踐經(jīng)驗有待改善

當(dāng)前中學(xué)人工智能教師團隊主要從傳統(tǒng)信息技術(shù)學(xué)科教師隊伍發(fā)展而來，由于教師們普遍具備良好的計算思維、計算機基礎(chǔ)理論和編程能力基礎(chǔ)，因此掌握基本的人工智能原理和技術(shù)較為容易。然而，由于工作環(huán)境等因素的制約，教師知識能力提升渠道仍然集中于課余的培訓(xùn)、進(jìn)修、自學(xué)，加之實驗環(huán)境、硬件支持、數(shù)據(jù)獲取等方面的限制，難以對人工智能整體知識框架進(jìn)行系統(tǒng)性掌握，理論實踐經(jīng)驗尚顯不足。教學(xué)過程中，多數(shù)圍繞既有經(jīng)典理論進(jìn)行簡單講解，對現(xiàn)有案例和數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，少有面向?qū)W科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的發(fā)散和拓展。 2.2學(xué)科影響力有待增強

信息技術(shù)學(xué)科在中學(xué)階段的學(xué)科影響力相較于語數(shù)外等學(xué)科仍處于弱勢地位，雖然現(xiàn)階段經(jīng)歷了新課改，包括大數(shù)據(jù)人工智能在內(nèi)的計算機學(xué)科重要性日益凸顯，但其在升學(xué)考試中的占比仍然不高，家長和學(xué)生容易忽略或選擇性放棄，這樣直接影響了學(xué)科教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成和教學(xué)水平的提升。在大數(shù)據(jù)人工智能飛速發(fā)展的大環(huán)境下，中學(xué)信息技術(shù)學(xué)科的學(xué)科影響力仍有待增強，這一方面依靠國家層面的方針政策，更重要的是需32022年安徽省中小學(xué)教育教學(xué)論文評選要提升家長學(xué)生的整體認(rèn)識，普及學(xué)科內(nèi)容對學(xué)生整體素質(zhì)和長期能力提升的重要性。 2.3教學(xué)經(jīng)費和設(shè)施有待提升

由于人工智能大數(shù)據(jù)的領(lǐng)域特殊性，需要一定的教學(xué)經(jīng)費和硬件設(shè)備支持，這與傳統(tǒng)的以軟件或網(wǎng)絡(luò)編程為主的教學(xué)模式有所區(qū)別。首先，在實現(xiàn)一些深度學(xué)習(xí)算法和大數(shù)據(jù)分析算法時，傳統(tǒng)個人計算機難以滿足訓(xùn)練性能，需要具備高性能顯卡的服務(wù)器以及分布式集群的支持。其次，一些框架軟件和數(shù)據(jù)的獲取需要購買相關(guān)版權(quán)。而現(xiàn)階段中學(xué)信息技術(shù)學(xué)科少有這樣的設(shè)備支撐和經(jīng)費支持，一定程度限制了人工智能等新興計算機技術(shù)的教學(xué)效果和拓展范圍。三、學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)路徑探析 結(jié)合人工智能及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)特點以及現(xiàn)階段中學(xué)信息技術(shù)教學(xué)現(xiàn)狀，本文圍繞新背景下的中學(xué)信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)，探析合理有效的培養(yǎng)路徑。圖1新背景下信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)路徑（KTT路徑）探析圖1新背景下信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)路徑（KTT路徑）探析 3.1培養(yǎng)目標(biāo)內(nèi)核化（Kernelization）

傳統(tǒng)計算機學(xué)科旨在培養(yǎng)學(xué)生的計算思維、計算機編程、軟件使用等能力，將現(xiàn)實問題抽象為計算機模型，再通過計算機算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來設(shè)計解決方案，利用計算機編程實現(xiàn)方案并自動化運行和測試。然而傳統(tǒng)的信息技術(shù)培養(yǎng)目標(biāo)難以覆蓋智能大數(shù)據(jù)的技術(shù)特點。首先，智能大數(shù)據(jù)在傳統(tǒng)計算思維基礎(chǔ)上增加了智能的概念，即讓機器理解數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)甚至生成數(shù)據(jù)。其次，智能大數(shù)據(jù)的程序運行機制、方法與傳統(tǒng)計算機學(xué)習(xí)思路相異，相較于算法編程，智能學(xué)習(xí)更注重機制的理解、模型選擇和方法設(shè)計。由于智能大數(shù)據(jù)涉及到的全新的技術(shù)特點和廣泛的知識原理，對于中學(xué)教學(xué)而言，其培養(yǎng)目標(biāo)不宜分散，既要覆蓋智能大數(shù)據(jù)的核心機制，也要契合學(xué)生的接受能力，即實現(xiàn)42022年安徽省中小學(xué)教育教學(xué)論文評選培養(yǎng)目標(biāo)的內(nèi)核化。如圖1所示，旨在1）提升學(xué)生的智能思維能力，重在培養(yǎng)學(xué)生深刻理解智能大數(shù)據(jù)的作用和來源。2）理解智能機制，重點培養(yǎng)學(xué)生如何讓大數(shù)據(jù)智能從理論上可行。3）掌握智能方法，培養(yǎng)學(xué)生如何實現(xiàn)智能大數(shù)據(jù)的模型和任務(wù)。 3.2培養(yǎng)內(nèi)容典型化（Typicalization）

人工智能大數(shù)據(jù)分析的領(lǐng)域內(nèi)容與傳統(tǒng)的計算機信息技術(shù)學(xué)科內(nèi)容既有交叉又較為獨立。在進(jìn)行智能學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)分析時，需要掌握傳統(tǒng)計算機學(xué)科的計算思維和編程基礎(chǔ)等內(nèi)容，涉及python、計算思維模型、智能框架的學(xué)習(xí)。此外，基于人工智能大數(shù)據(jù)本身的新特性，需要引入額外的培養(yǎng)內(nèi)容，然而完全掌握相關(guān)知識原理，相對于中學(xué)教育而言，顯得難度過大、范圍過廣。因此需要根據(jù)領(lǐng)域技術(shù)特點提煉典型核心的培養(yǎng)內(nèi)容。經(jīng)過長期調(diào)研和分析，結(jié)合中學(xué)信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)特點，本文從三個維度選取和劃分培養(yǎng)內(nèi)容，即技能、模型和方法（如圖1所示）。技能指的是學(xué)習(xí)智能大數(shù)據(jù)所需掌握的前期技術(shù)基礎(chǔ)，例如編程語言基礎(chǔ)，即基本的python語法及其庫函數(shù)調(diào)用；智能學(xué)習(xí)框架的簡單掌握；調(diào)參技巧，如如何設(shè)置學(xué)習(xí)率、dropout比例、訓(xùn)練優(yōu)化等；數(shù)據(jù)前期處理，如刪選無效數(shù)據(jù)、歸一化和reshape等。模型是基于數(shù)學(xué)公式的智能算法，用于實現(xiàn)具體的學(xué)習(xí)功能，不同的模型意味著不同的學(xué)習(xí)能力和預(yù)測能力，是學(xué)習(xí)的重點。方法是模型的分類，不同的方法面向不同的任務(wù)，大數(shù)據(jù)智能領(lǐng)域的方法包括機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、推薦系統(tǒng)等。典型化的培養(yǎng)內(nèi)容不僅覆蓋了智能大數(shù)據(jù)核心素質(zhì)的內(nèi)涵，而且考慮了與傳統(tǒng)信息技術(shù)教學(xué)的銜接以及學(xué)生的接受能力的平衡。 3.3培養(yǎng)方案牽引化（Traction）

由于智能大數(shù)據(jù)教學(xué)涉及面廣，一些背景原理知識較為深入，難以對中學(xué)階段的學(xué)生進(jìn)行全面細(xì)致的講解。因此應(yīng)制定牽引化的培養(yǎng)方案來加深學(xué)生的理解。主要從三個方面入手，如圖1所示，1）問題場景驅(qū)動，從實際案例中提煉問題，如人臉識別的問題，引發(fā)學(xué)生思考和對相關(guān)知識的學(xué)習(xí)和理解；2）任務(wù)驅(qū)動，以多樣任務(wù)類別為牽引，如分類、回歸、博弈等，激發(fā)學(xué)生思考學(xué)習(xí)相應(yīng)的模型和技能；3）模式驅(qū)動，提煉智能大數(shù)據(jù)技術(shù)特點并形成學(xué)習(xí)模式，引發(fā)學(xué)生在其技術(shù)特點上進(jìn)行發(fā)散思考和學(xué)習(xí)，由點及面，加深對智能大數(shù)據(jù)分析核心內(nèi)容的理解。四、結(jié)語 人工智能大數(shù)據(jù)分析屬于信息技術(shù)學(xué)科的前沿技術(shù)領(lǐng)域，在此背景下的中學(xué)信息學(xué)科教學(xué)路徑存在一系列挑戰(zhàn)。在新課標(biāo)指導(dǎo)下，本文面向中學(xué)階段學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)，52022年安徽省中小學(xué)教育教學(xué)論文評選首先詳細(xì)總結(jié)了智能大數(shù)據(jù)學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)特點，繼而分析了當(dāng)前中學(xué)智能大數(shù)據(jù)教學(xué)的現(xiàn)狀和問題，并具體探析了合理可行的培養(yǎng)路徑，為提升中學(xué)階段學(xué)生在智能大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的核心素養(yǎng)提供了方法支撐。參考文獻(xiàn)[1]彭瑋麗.新課標(biāo)理念下高中人工智能課程模式構(gòu)建研究[J].科技視界,2022(12):86-88.DOI:10.19694/ki.issn2095-2457.2022.12.25.[2]劉軍芳,謝珍珍,張媛媛,等.基于虛擬機器人開展初中人工智能教育的策略研究[J].電腦愛好者（電子刊）,2021(2):120.[3]程焱.人工智能在中學(xué)輔助教育中的應(yīng)用前景探討[J].互動軟件,2021(8):3241.[4]詹澤慧,姚佳靜,吳倩意,等.人工智能課程中表現(xiàn)性評價的設(shè)計與應(yīng)用[J].現(xiàn)代教育技術(shù),2022,32(5):32-41.[5]鄭招泉.人工智能背景下中學(xué)生信息技術(shù)教育淺