科“技”并重的初中人工智能教學(xué)實(shí)踐

【摘要】針對(duì)如何在初中階段推進(jìn)“科”“技”并重的人工智能教學(xué)的問(wèn)題，本文以“機(jī)中生智——AI對(duì)對(duì)聯(lián)”一課為例，深入淺出地講解AI對(duì)對(duì)聯(lián)的原理，以層層遞進(jìn)的探究活動(dòng)，深化學(xué)生對(duì)原理的認(rèn)識(shí)，提升學(xué)生的知識(shí)遷移能力，以期為“科”“技”并重理念的初中人工智能課程創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供新思路。【關(guān)鍵詞】人工智能；科技并重；創(chuàng)新；教學(xué)實(shí)踐案例背景《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》將“人工智能”設(shè)置為課程的六大邏輯主線之一，強(qiáng)調(diào)小學(xué)低年級(jí)注重生活體驗(yàn)；小學(xué)中高年級(jí)初步學(xué)習(xí)基本概念和基本原理，并體驗(yàn)其應(yīng)用；初中階段深化原理認(rèn)識(shí)，探索利用信息科技手段解決問(wèn)題的過(guò)程和方法[1]。然而人工智能涉及的原理深?yuàn)W復(fù)雜，對(duì)于初中階段人工智能教學(xué)而言，過(guò)淺講授原理則只能讓學(xué)生停留于體驗(yàn)和了解階段，過(guò)深突出原理又會(huì)使學(xué)生陷于晦澀難懂的概念當(dāng)中。所以如何把握初中人工智能教學(xué)尺度，立足于初中學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出有深度的教學(xué)案例，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，是當(dāng)前在初中階段開(kāi)展人工智能教學(xué)面臨的難題。筆者認(rèn)為解決這一難題的關(guān)鍵在于要堅(jiān)持“科”“技”并重的教學(xué)理念。熊璋教授指出，信息科技課程應(yīng)該從實(shí)踐應(yīng)用出發(fā)，注重幫助學(xué)生理解基本概念和基本原理，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)信息科技對(duì)人類社會(huì)的貢獻(xiàn)與挑戰(zhàn)，提升學(xué)生的知識(shí)遷移能力和學(xué)科思維水平，體現(xiàn)“科”與“技”并重[2]。當(dāng)前大多數(shù)初中人工智能課程停留在“技”上，重實(shí)踐應(yīng)用輕科學(xué)原理是普遍現(xiàn)象，教師經(jīng)常在課堂上通過(guò)圖形化編程加深學(xué)生對(duì)應(yīng)用的體驗(yàn)，卻忽略了圖形化編程將原理封裝起來(lái)的現(xiàn)實(shí)，導(dǎo)致學(xué)生知其然不知其所以然，缺少“科”的元素。本文以“機(jī)中生智——AI對(duì)對(duì)聯(lián)”一課為例，闡述“科”“技”并重的初中人工智能教學(xué)實(shí)施過(guò)程。案例描述1.活動(dòng)導(dǎo)入：對(duì)聯(lián)我來(lái)對(duì)上課伊始，教師指出對(duì)聯(lián)是中華民族優(yōu)秀傳統(tǒng)文化之一，對(duì)對(duì)聯(lián)更是流傳已久的習(xí)俗，引導(dǎo)學(xué)生參與對(duì)對(duì)聯(lián)活動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。接著，教師展示幾個(gè)難度遞增的上聯(lián)，如“綠水”和“孫行者”，請(qǐng)學(xué)生對(duì)出下聯(lián)。學(xué)生興趣盎然，在對(duì)對(duì)聯(lián)活動(dòng)中感受中華民族優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的魅力。最后，教師提出對(duì)對(duì)聯(lián)要遵循的要求，并展示有趣且有難度的上聯(lián)“朝朝朝朝朝朝落”，從而引出本課主題“機(jī)中生智——AI對(duì)對(duì)聯(lián)”。設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)對(duì)對(duì)聯(lián)活動(dòng)引出本課主題“機(jī)中生智—AI對(duì)對(duì)聯(lián)”，旨在引導(dǎo)學(xué)生傳承并弘揚(yáng)中華民族優(yōu)秀傳統(tǒng)文化，并逐步過(guò)渡到人工智能對(duì)對(duì)聯(lián)中。2.平臺(tái)體驗(yàn)：評(píng)價(jià)人工智能對(duì)對(duì)聯(lián)學(xué)生打開(kāi)在線智能對(duì)聯(lián)系統(tǒng)，輸入上聯(lián)，體驗(yàn)人工智能對(duì)對(duì)聯(lián)的過(guò)程。然后，學(xué)生打開(kāi)問(wèn)卷星“評(píng)價(jià)人工智能對(duì)對(duì)聯(lián)”網(wǎng)頁(yè)，從“字?jǐn)?shù)相同、對(duì)仗工整”“平仄相拗、格律和諧”“語(yǔ)句通順、句意清晰”“秀詞錦句、有創(chuàng)造性”“意蘊(yùn)悠長(zhǎng)、有感染力”等五個(gè)維度評(píng)價(jià)人工智能對(duì)對(duì)聯(lián)的水平。接著，教師與學(xué)生共同對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出結(jié)論：人工智能對(duì)對(duì)聯(lián)能夠滿足對(duì)聯(lián)的基本要求，而且它還可以幫助人們快速創(chuàng)作對(duì)聯(lián)，但在創(chuàng)造性和感染力方面相對(duì)欠缺，不能恰當(dāng)?shù)乇磉_(dá)人類的情感。學(xué)生通過(guò)客觀分析，能夠正確認(rèn)識(shí)當(dāng)前人工智能在創(chuàng)作對(duì)聯(lián)中存在的優(yōu)缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過(guò)平臺(tái)體驗(yàn)和評(píng)價(jià)人工智能對(duì)對(duì)聯(lián)，初步感受人工智能在對(duì)聯(lián)創(chuàng)作中的魅力，了解人工智能對(duì)對(duì)聯(lián)的水平、優(yōu)勢(shì)和能力邊界，為探究人工智能怎樣對(duì)對(duì)聯(lián)做好思維鋪墊。3.對(duì)比探究：分析人對(duì)對(duì)聯(lián)的過(guò)程教師以上聯(lián)“孫行者”為例，帶著學(xué)生一起分析在對(duì)對(duì)聯(lián)活動(dòng)中人對(duì)出下聯(lián)“祖沖之”的過(guò)程（圖1）。首先將“孫行者”進(jìn)行分詞，接著對(duì)切分的詞進(jìn)行詞性標(biāo)注，最后在腦海中搜尋合適的詞匯，對(duì)出下聯(lián)“祖沖之”。這時(shí)教師提問(wèn)：“機(jī)器也是運(yùn)用相同的方法對(duì)出下聯(lián)的嗎？”啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行遷移學(xué)習(xí)，讓學(xué)生帶著問(wèn)題觀看機(jī)器對(duì)對(duì)聯(lián)運(yùn)用到的“自然語(yǔ)言處理技術(shù)”視頻。設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)分析人對(duì)對(duì)聯(lián)的過(guò)程，遷移到機(jī)器對(duì)對(duì)聯(lián)的過(guò)程，為學(xué)生進(jìn)行遷移學(xué)習(xí)提供支架。4.原理揭秘：探究人工智能對(duì)對(duì)聯(lián)的過(guò)程（1）上聯(lián)解析：分詞、詞性標(biāo)注、韻腳分析教師給出上聯(lián)“爆竹辭舊”，并提出問(wèn)題“機(jī)器是怎么理解上聯(lián)的？”學(xué)生從人理解上聯(lián)的過(guò)程遷移到機(jī)器解析上聯(lián)的過(guò)程，即通過(guò)“分詞—詞性標(biāo)注—韻腳分析”這一過(guò)程解析上聯(lián)。學(xué)生從已知經(jīng)驗(yàn)到未知問(wèn)題，在遷移反思中實(shí)現(xiàn)基于理解的學(xué)習(xí)。（2）詞匯匹配：在數(shù)據(jù)庫(kù)中匹配合適的詞匯教師給出例子，如“綠水”匹配“青山”，請(qǐng)學(xué)生打開(kāi)學(xué)習(xí)單（圖2），將機(jī)器分詞后的“爆竹”和“辭舊”兩個(gè)詞匯，在右邊詞庫(kù)中匹配合適的詞匯，拖動(dòng)到左邊合適的框中，在匹配的過(guò)程中請(qǐng)學(xué)生自主探究“數(shù)據(jù)庫(kù)”的概念。學(xué)生通過(guò)實(shí)踐探究，理解機(jī)器匹配詞匯的過(guò)程。接著教師請(qǐng)學(xué)生上臺(tái)展示探究的成果，并分享討論“數(shù)據(jù)庫(kù)”這一概念。（3）詞匯PK：特征分析通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)匹配，教師指出匹配的候選詞匯有多個(gè)，要挑選出最佳詞匯就需要進(jìn)行詞匯PK，PK的內(nèi)容是詞匯的特征——內(nèi)容和情感。考慮到學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展處于從具象思維到抽象思維的過(guò)渡時(shí)期，較難理解特征分析這個(gè)抽象過(guò)程，因此教師對(duì)該內(nèi)容進(jìn)行加工，將抽象內(nèi)容具象化，把詞匯特征映射到學(xué)生能直觀理解的平面直角坐標(biāo)系中（圖3）。用x軸表示詞匯的內(nèi)容特征，內(nèi)容值分布在0～10單位之間，0代表非物品，5代表普通物品，10代表過(guò)節(jié)物品。用y軸表示詞匯的情感特征，情感值分布也在0～10單位之間，0代表的情感是悲，5代表的情感是中性，10代表的情感是喜。教師引導(dǎo)學(xué)生打開(kāi)學(xué)習(xí)單進(jìn)行小組探究，將詞匯映射到坐標(biāo)系的合適位置。如“爆竹”是過(guò)節(jié)物品，表達(dá)喜悅的情感較重，所以它的橫坐標(biāo)取10，縱坐標(biāo)取8～10之間均可，這里取爆竹的坐標(biāo)為（10，10）；“桃符”是傳統(tǒng)的漢族文化，古人在辭舊迎新之際，在桃木板上刻寫(xiě)神靈的名字，粘貼在門(mén)首，用來(lái)祈福滅禍，情感中性偏喜，這里取桃符的坐標(biāo)為（10，6）；“磐石”指厚而大的石頭，它是普通物品，中性情感，所以取磐石的坐標(biāo)為（5，5）；“楊柳”無(wú)生命特征，屬于非物品，寓意“留”，古代親友離去，都會(huì)用楊柳相贈(zèng)，表達(dá)的情感是悲，所以取楊柳的坐標(biāo)為（0，0）。（4）精確查找：計(jì)算歐氏距離相似度，找出最佳詞匯通過(guò)特征分析，學(xué)生能直觀地在平面直角坐標(biāo)系中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)詞匯與候選詞匯之間的距離關(guān)系。這時(shí)，教師請(qǐng)學(xué)生進(jìn)行自主探究，學(xué)習(xí)歐氏距離相似度的計(jì)算方法。通過(guò)自主學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握分步計(jì)算詞匯相似度的方法，首先寫(xiě)出各詞匯的坐標(biāo)，再根據(jù)公式計(jì)算出各候選詞匯與目標(biāo)詞匯之間的歐氏距離相似度，如圖4所示。通過(guò)以上計(jì)算，發(fā)現(xiàn)桃符的歐氏距離相似度最小，而歐氏距離相似度越小，表示該候選詞匯與目標(biāo)詞匯越相似，越可能被優(yōu)先篩選出來(lái)。這樣，“爆竹”找出的最佳詞匯是“桃符”，“辭舊”也用相同的方法，找出的最佳詞匯是“迎新”，再將它們組合在一起，輸出下聯(lián)“桃符迎新”。（5）歸納概括：自然語(yǔ)言處理的一般過(guò)程在該環(huán)節(jié)，教師和學(xué)生共同梳理人工智能對(duì)對(duì)聯(lián)的詳細(xì)過(guò)程（圖5）：首先輸入上聯(lián)，第一步對(duì)上聯(lián)進(jìn)行分詞、詞性標(biāo)注、韻腳分析；第二步在數(shù)據(jù)庫(kù)中匹配合適的詞匯；第三步對(duì)詞匯進(jìn)行特征分析；第四步計(jì)算歐式距離相似度，找出最佳詞匯；最后將對(duì)應(yīng)的詞匯組合成下聯(lián)輸出。接著，教師引導(dǎo)學(xué)生歸納自然語(yǔ)言處理的一般過(guò)程：輸入自然語(yǔ)言—理解自然語(yǔ)言—運(yùn)用模型—輸出自然語(yǔ)言。設(shè)計(jì)意圖：原理揭秘環(huán)節(jié)，將原理內(nèi)容巧妙設(shè)計(jì)成各種遞進(jìn)式探究活動(dòng)，將深?yuàn)W的原理轉(zhuǎn)化成學(xué)生感興趣的學(xué)習(xí)活動(dòng)，使學(xué)生在探究中深化對(duì)原理的認(rèn)識(shí)，親身經(jīng)歷利用信息科技手段解決問(wèn)題的過(guò)程。同時(shí)，將人工智能對(duì)對(duì)聯(lián)的過(guò)程歸納成自然語(yǔ)言處理的一般流程，為遷移學(xué)習(xí)提供理論支撐。5.拓展遷移：自然語(yǔ)言處理在生活中的應(yīng)用在該環(huán)節(jié)，教師提出問(wèn)題：“自然語(yǔ)言處理技術(shù)除了能創(chuàng)作對(duì)聯(lián)，還能創(chuàng)作哪些內(nèi)容？”學(xué)生回答詩(shī)歌、繪畫(huà)、作曲等。接著，教師展示手機(jī)的智能問(wèn)答系統(tǒng)，帶領(lǐng)學(xué)生一起分析智能問(wèn)答系統(tǒng)運(yùn)用到的自然語(yǔ)言處理技術(shù)原理。隨后，師生共同尋找身邊的自然語(yǔ)言處理應(yīng)用，如智能翻譯、自動(dòng)導(dǎo)航、微信的語(yǔ)音轉(zhuǎn)文字等。最后，教師請(qǐng)學(xué)生分組體驗(yàn)并探究不同應(yīng)用背后的自然語(yǔ)言處理技術(shù)原理。其中，第一、二組探究智能寫(xiě)詩(shī)，第三、四組探究智能創(chuàng)作，第五、六組探究近鄰詞匯檢索，并用自然語(yǔ)言描述原理的詳細(xì)過(guò)程，如圖6。設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生分組探究不同應(yīng)用背后運(yùn)用的自然語(yǔ)言處理技術(shù)原理，在探究中實(shí)現(xiàn)遷移學(xué)習(xí)，以此達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，突破教學(xué)難點(diǎn)，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。6.總結(jié)提升：科技與文化并重學(xué)生借助思維導(dǎo)圖梳理本節(jié)課內(nèi)容，教師展示存在缺點(diǎn)的智能對(duì)聯(lián)，請(qǐng)學(xué)生思考當(dāng)前智能對(duì)聯(lián)系統(tǒng)存在的局限性，順勢(shì)引導(dǎo)學(xué)生正確認(rèn)識(shí)人工智能的優(yōu)缺點(diǎn)，增強(qiáng)自我判斷意識(shí)和信息社會(huì)責(zé)任感，學(xué)會(huì)與人工智能良好共處。同時(shí)教師提出，由于現(xiàn)代人對(duì)傳統(tǒng)文學(xué)的生疏和缺乏對(duì)對(duì)聯(lián)的練習(xí)，使得對(duì)對(duì)聯(lián)變得困難重重。科學(xué)家研發(fā)智能對(duì)聯(lián)系統(tǒng)的初衷是為了幫助人們更好地認(rèn)識(shí)對(duì)聯(lián)、學(xué)習(xí)對(duì)聯(lián)，通過(guò)人工智能使得對(duì)對(duì)聯(lián)活動(dòng)煥發(fā)出新的生命力。教師鼓勵(lì)學(xué)生充分利用人工智能技術(shù)學(xué)習(xí)和弘揚(yáng)中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化。設(shè)計(jì)意圖：利用思維導(dǎo)圖，總結(jié)鞏固所學(xué)內(nèi)容。提出科技和文化并重的觀點(diǎn)，升華學(xué)生思維情感，培育正確的世界觀、人生觀和價(jià)值觀，促進(jìn)學(xué)生在數(shù)字世界與現(xiàn)實(shí)世界中健康成長(zhǎng)。本課是“中山—揭陽(yáng)—韶關(guān)三地教研基地信息科技新課標(biāo)專題研修暨送教活動(dòng)”的一節(jié)展示課，送教對(duì)象是揭陽(yáng)市實(shí)驗(yàn)中學(xué)初三（4）班學(xué)生。學(xué)生課堂上任務(wù)的完成度達(dá)到96%，93%以上的學(xué)生表示能夠深刻理解人工智能對(duì)對(duì)聯(lián)的原理，90%以上的學(xué)生能運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行遷移學(xué)習(xí)，探究出生活中常用的自然語(yǔ)言處理應(yīng)用及其背后的原理。教學(xué)反思1.充分借助人工智能開(kāi)放資源，搭建學(xué)習(xí)支架“科”“技”并重的初中人工智能教學(xué)實(shí)踐需要教師給學(xué)生提供及時(shí)且充足的學(xué)習(xí)支架，促使學(xué)生有效利用各種學(xué)習(xí)資源，開(kāi)展積極主動(dòng)的學(xué)習(xí)活動(dòng)。當(dāng)前，網(wǎng)上有眾多的人工智能開(kāi)放資源，如百度AI開(kāi)放平臺(tái)、騰訊AI開(kāi)放平臺(tái)等，這些平臺(tái)的開(kāi)放能力涉及圖像識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、自然語(yǔ)言處理等眾多人工智能模塊。本案例借助了開(kāi)放的人工智能對(duì)聯(lián)系統(tǒng)、智能詩(shī)歌寫(xiě)作系統(tǒng)、智能創(chuàng)作平臺(tái)、近鄰詞匯檢索平臺(tái)，讓學(xué)生在體驗(yàn)和探究中深刻感受人工智能的魅力。2.充分設(shè)計(jì)多元化學(xué)習(xí)活動(dòng)，構(gòu)建探究式學(xué)習(xí)環(huán)境“科”“技”并重的初中人工智能教學(xué)實(shí)踐的關(guān)鍵在于探究式學(xué)習(xí)活動(dòng)的設(shè)計(jì)。作為信息科技教師，要遴選出科學(xué)原理和實(shí)踐應(yīng)用并重的課程內(nèi)容，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，并充分結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，設(shè)計(jì)生動(dòng)有趣的多元化學(xué)習(xí)活動(dòng)，推進(jìn)以學(xué)生為主體的學(xué)習(xí)方式創(chuàng)新。本案例結(jié)合初中階段學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，以人工智能對(duì)對(duì)聯(lián)為教學(xué)主線，提取原理的關(guān)鍵內(nèi)容進(jìn)行精細(xì)化加工，設(shè)計(jì)了“對(duì)聯(lián)我來(lái)對(duì)”“平臺(tái)體驗(yàn)”“詞匯匹配”“詞匯PK”和“精確查找”等多個(gè)遞進(jìn)式探究活動(dòng)，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使學(xué)生在探究中掌握人工智能對(duì)對(duì)聯(lián)的原理，在探究中實(shí)現(xiàn)遷移學(xué)習(xí)。3.充分發(fā)揮課程育人功能，反映數(shù)字時(shí)代正確的育人方向“科”“技”并重的初中人工智能教學(xué)實(shí)踐需要增強(qiáng)課程的思想性，貫徹黨的教育方針，落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)。本案例將中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化“對(duì)聯(lián)”與人工智能科技進(jìn)行有機(jī)融合，使文化與科技碰撞出新的火花。同時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生思考當(dāng)前智能對(duì)聯(lián)系統(tǒng)存在的局限性，幫助學(xué)生正確認(rèn)識(shí)人工智能的優(yōu)缺點(diǎn)，樹(shù)立科技活動(dòng)中應(yīng)遵循的價(jià)值觀、