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本文是AI專題第36篇文章， 點(diǎn)擊菜單了解更多,！  在高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)中,，“人工智能初步”屬于選擇性必修中的一項(xiàng)模塊，此模塊的總體教學(xué)目標(biāo)的定位,，不僅有“描述典型人工智能算法基本過(guò)程”,，也有“親歷設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單智能系統(tǒng)的基本過(guò)程”。整體考察信息技術(shù)教學(xué)內(nèi)容,，發(fā)現(xiàn)必修模塊中諸多基礎(chǔ)知識(shí)和技能與“人工智能初步”教學(xué)模塊的內(nèi)容有所關(guān)聯(lián),，如必修模塊中的“信息系統(tǒng)”和人工智能中的智能系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)有關(guān)；“數(shù)據(jù)處理與分析”與人工智能中機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練有關(guān),；至于編程和算法,，無(wú)疑更是與機(jī)器學(xué)習(xí)算法有著密切的聯(lián)系。對(duì)于將要開(kāi)設(shè)選擇性必修“人工智能初步”課程的教師來(lái)說(shuō),，研究如何將人工智能的知識(shí)概念以及思想方法融入信息技術(shù)課程必修部分較為基礎(chǔ)的教學(xué)內(nèi)容中,，是十分合理的需求。策略一：建立貫穿始終的任務(wù)驅(qū)動(dòng)路徑對(duì)于已經(jīng)決定選擇“人工智能初步”模塊作為教學(xué)內(nèi)容的教師來(lái)說(shuō),，可以研究如何充分地圍繞必修模塊中教學(xué)內(nèi)容,，為將來(lái)的人工智能教學(xué)做好知識(shí)概念上的鋪墊。教師可以使用思維導(dǎo)圖或知識(shí)圖譜作為工具,，對(duì)知識(shí),、技能相互的關(guān)聯(lián)進(jìn)行梳理，然后規(guī)劃出合理的任務(wù)驅(qū)動(dòng)路徑。如以“K均值聚類算法”為中心繪制思維導(dǎo)圖,，如圖1,，梳理出在日常信息技術(shù)教學(xué)基礎(chǔ)模塊的知識(shí)點(diǎn)與某種機(jī)器學(xué)習(xí)算法的關(guān)系，然后根據(jù)這些關(guān)系合理規(guī)劃不同階段的教學(xué)重點(diǎn),。根據(jù)圖1,，可以試著規(guī)劃出一條有著核心任務(wù)，且又貫徹整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程的任務(wù)驅(qū)動(dòng)路徑,，如圖2,。路徑圖2由左到右提示了概念和技能出現(xiàn)在教學(xué)過(guò)程中可能的進(jìn)度，另外,，圍繞著核心任務(wù),，技能與概念兩兩呼應(yīng)，恰好呈現(xiàn)出對(duì)稱的結(jié)構(gòu),。當(dāng)然,，在實(shí)際教學(xué)中，不一定要求有如此完美的對(duì)稱關(guān)系,，或者,，也可以圍繞其他任務(wù)來(lái)規(guī)劃路徑，也可以在路徑中加入更多內(nèi)容（如信息系統(tǒng),、開(kāi)源硬件等）。但無(wú)論怎樣,，此圖體現(xiàn)出可以對(duì)知識(shí)圖譜進(jìn)行分析,，從而規(guī)劃出在信息技術(shù)教學(xué)基礎(chǔ)模塊中，可融合人工智能教學(xué)驅(qū)動(dòng)任務(wù)的知識(shí)技能提升路徑,。毫無(wú)疑問(wèn),，必然會(huì)有一些人工智能的知識(shí)技能不處于這條進(jìn)階路徑上，如若課時(shí)或教學(xué)資源有限,，則可相對(duì)簡(jiǎn)單地對(duì)其大致工作原理作講解或展示,。策略二：無(wú)遮蔽地展現(xiàn)某一特定人工智能算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程無(wú)遮蔽地展現(xiàn)實(shí)現(xiàn)過(guò)程是指，不僅知道人工智能實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的基本原理,，也要能夠明白實(shí)現(xiàn)過(guò)程中涉及的數(shù)學(xué)公式和程序代碼的作用,。因?yàn)榻虒W(xué)時(shí)間或?qū)W生水平的限制，顯然不可能對(duì)許多種不同的人工智能算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程都做到無(wú)遮蔽展現(xiàn),，但仍然可以考慮至少選取某一特定的人工智能算法作為無(wú)遮蔽展現(xiàn)計(jì)算過(guò)程的重點(diǎn)講解對(duì)象,。根據(jù)心理學(xué)“激勵(lì)—反饋”理論，學(xué)習(xí)者在對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容有真正的了解后,，就會(huì)對(duì)自己的學(xué)習(xí)動(dòng)力產(chǎn)生強(qiáng)化作用,，促進(jìn)其能以更積極的態(tài)度投入到新的學(xué)習(xí)中，從而提高學(xué)習(xí)效率,。另外,，若能無(wú)遮蔽地展現(xiàn)某種人工智能算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程,，那么教師也能比較方便地組織實(shí)踐活動(dòng)，對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)情況進(jìn)行評(píng)價(jià),。同時(shí),，學(xué)生也可以借助這些比較簡(jiǎn)單的可以無(wú)遮蔽展現(xiàn)過(guò)程的算法的學(xué)習(xí)過(guò)程，體驗(yàn)比較普遍的計(jì)算思維的形成過(guò)程和計(jì)算機(jī)科學(xué)方法的應(yīng)用,，從而為將來(lái)更艱深的算法學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ),。根據(jù)一項(xiàng)針對(duì)已經(jīng)開(kāi)展過(guò)人工智能教學(xué)的教師的小范圍調(diào)查，在諸多人工智能算法中,，教師們認(rèn)為較能適應(yīng)高中階段學(xué)生水平,，且能在比較少的課時(shí)（調(diào)查以8課時(shí)為教學(xué)時(shí)間限制）中，無(wú)遮蔽地展現(xiàn)實(shí)現(xiàn)過(guò)程的算法有：廣度優(yōu)先搜索算法,、深度優(yōu)先搜索算法,、貝葉斯分類算法、決策樹(shù)分類算法,、K近鄰算法等,，這些算法具有涉及的數(shù)學(xué)原理相對(duì)淺顯、算法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程相對(duì)比較簡(jiǎn)單,、算法過(guò)程細(xì)節(jié)中的每一步都能進(jìn)行跟蹤等特點(diǎn),。而那些教師們認(rèn)為不太能夠無(wú)遮蔽地展現(xiàn)完整過(guò)程的算法，要么是計(jì)算模型構(gòu)建復(fù)雜,，要么是涉及比較艱深的數(shù)學(xué)知識(shí),，或者是很難跟蹤計(jì)算過(guò)程中的具體步驟細(xì)節(jié)。對(duì)于那些暫時(shí)無(wú)法做到無(wú)遮蔽展現(xiàn)過(guò)程的算法,，教師在擱置問(wèn)題的同時(shí),，應(yīng)為算法中涉及的計(jì)算機(jī)科學(xué)以及數(shù)學(xué)上的工具或原理，給出有指向性的進(jìn)階路徑,，鼓勵(lì)學(xué)生自主探究學(xué)習(xí),。策略三：創(chuàng)設(shè)突出機(jī)器學(xué)習(xí)思維的簡(jiǎn)單任務(wù)在高中階段，是否應(yīng)該將無(wú)遮蔽地展現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)的過(guò)程,，落實(shí)在具體的程序代碼上,，目前還有很大的爭(zhēng)論。因?yàn)榻處熀蛯W(xué)生會(huì)面臨一個(gè)非常實(shí)際的問(wèn)題,，那就是,，無(wú)論再簡(jiǎn)單的人工智能算法，其代碼量還是非常大的,。但有一個(gè)辦法,，可以消解教學(xué)中的負(fù)擔(dān)，按照自頂向下，逐段分解的辦法,，把特定的人工智能算法的某些部分,，分配到前期基礎(chǔ)模塊算法學(xué)習(xí)的各個(gè)部分中去，如此,，當(dāng)整體的人工智能算法出現(xiàn)時(shí),，再按機(jī)器學(xué)習(xí)的思維，對(duì)前期已經(jīng)講解過(guò)的各個(gè)模塊重新進(jìn)行總裝,。還可以從簡(jiǎn)化機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)及精煉算法過(guò)程方面來(lái)進(jìn)行考慮,。下面列舉一些已有過(guò)實(shí)踐且有初步成效的方法，并不全面,，權(quán)當(dāng)拋磚引玉,。（1）簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)輸入和輸出形式。許多代碼案例都是從數(shù)據(jù)集,、電子表格或數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取供機(jī)器訓(xùn)練的大量數(shù)據(jù),，這就增加了實(shí)施的復(fù)雜性，可以考慮預(yù)先將數(shù)據(jù)以列表的形式準(zhǔn)備好,，供學(xué)生復(fù)制粘貼到代碼中,，這樣就大大減少了程序代碼的復(fù)雜性。在運(yùn)算結(jié)果的輸出環(huán)節(jié),，既可以讓學(xué)生調(diào)用由教師預(yù)先編寫(xiě)好圖表顯示的函數(shù),，也可以直接以字符形式輸出，復(fù)制粘貼到電子表格中,，再以圖表形式展現(xiàn),，也可降低代碼量。當(dāng)然,，如果在課程計(jì)劃中，原本就打算將數(shù)據(jù)輸入和輸出展示這部分內(nèi)容,，作為整個(gè)人工智能學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)任務(wù)的一部分,，就另當(dāng)別論了。（2）簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),。在許多人工智能算法的實(shí)施場(chǎng)景中,，需要處理的數(shù)據(jù)是二維形式存儲(chǔ)的，但有許多算法,，其最關(guān)鍵的解決問(wèn)題的思維方法,，即便對(duì)一維的數(shù)據(jù)也是同樣有效的，如一般會(huì)用點(diǎn)乘運(yùn)算來(lái)提取二維圖像特征,，但實(shí)際上,，也可以用點(diǎn)乘運(yùn)算提取一維數(shù)據(jù)（比如某個(gè)波形）的特征。在算法實(shí)現(xiàn)上，對(duì)一維數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)乘運(yùn)算無(wú)疑要容易得多,，效果也很突出,，甚至用電子表格就可以實(shí)現(xiàn)了。如用多個(gè)一維的列表來(lái)代替矩陣的使用,，從而使得學(xué)習(xí)曲線變得平緩,。教師應(yīng)該提醒學(xué)生，這只是為了聚焦人工智能實(shí)現(xiàn)算法的關(guān)鍵思想,，而暫且擱置了對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,。（3）降低算法實(shí)現(xiàn)的普遍性。一些算法之所以復(fù)雜,，是因?yàn)樗紤]多種不同的用戶需求,，若降低算法實(shí)現(xiàn)的普遍性，便可大幅度減少代碼量,，也可突出算法中體現(xiàn)智能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵思維方法,。如以K均值聚類為例，它要考慮用戶可能將數(shù)據(jù)按特征分成多少類,；它還要考慮初始多個(gè)分類中心點(diǎn)的選取,。若不考慮這些普遍性的要求，“粗暴”地設(shè)置初始數(shù)據(jù)在一條直線上,，K值為2,，且初始中心點(diǎn)位于數(shù)軸兩端，那么程序代碼就可以簡(jiǎn)單到僅有20行左右,。以上是圍繞“人工智能初步”教學(xué)目標(biāo)的定位,，討論人工智能教學(xué)融入高中信息技術(shù)課程基礎(chǔ)模塊的幾種不同的策略，可供有需要的教師參考,，并希望能在更多的教學(xué)實(shí)踐后得到反饋和持續(xù)改進(jìn),。內(nèi)容來(lái)源 | 《中小學(xué)信息技術(shù)教育》雜志2020年第7/8期《人工智能教學(xué)融入高中信息技術(shù)課程基礎(chǔ)模塊的幾個(gè)策略》一文
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