摘"要：當前，由于面向新課標的人工智能教學(xué)案例較少，一線教師缺乏相關(guān)的理論指導(dǎo)和人工智能教學(xué)項目設(shè)計經(jīng)驗，在教學(xué)設(shè)計與實施中存在一些困惑。從情境設(shè)置、目標引導(dǎo)、任務(wù)安排、評價設(shè)計四個方面，提出人工智能教學(xué)項目的設(shè)計策略。同時，以“基于機器學(xué)習(xí)的口罩佩戴智能檢測”為例開展相關(guān)實踐，以期為一線教師提供參考，并豐富相關(guān)教學(xué)研究。關(guān)鍵詞：中學(xué)信息科技；人工智能；教學(xué)項目；項目式學(xué)習(xí)；機器學(xué)習(xí)0"引言近年來，從國家政策到課程標準，我國大力倡導(dǎo)并支持中小學(xué)人工智能教育。2024年，教育部辦公廳發(fā)布《關(guān)于加強中小學(xué)人工智能教育的通知》，明確探索中小學(xué)人工智能教育實施路徑的要求[1]；《普通高中信息技術(shù)課程標準（2017）年版》將人工智能作為高中學(xué)生選擇性必修的學(xué)習(xí)內(nèi)容[2]；《義務(wù)教育信息科技課程標準（2022年版）》將人工智能作為初中學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容[3]。在此背景下，中小學(xué)人工智能教學(xué)研究有了新的時代意義。不同學(xué)段的人工智能在教學(xué)內(nèi)容、難度、深度等方面都有不同的側(cè)重：小學(xué)階段的教學(xué)重點是感悟人工智能，以培養(yǎng)興趣為主；初中階段的人工智能學(xué)習(xí)不僅僅停留在感悟與體驗人工智能的程度，而是讓初中生嘗試完成簡單的人工智能作品；高中階段強調(diào)人工智能基本理念與原理的傳遞，并讓學(xué)生設(shè)計出相對復(fù)雜的人工智能作品[4-5]。然而，當前我國的中小學(xué)人工智能教育剛剛起步，專業(yè)教師較少，相關(guān)的理論研究與實踐經(jīng)驗也不夠豐富[6-7]。因此，本文嘗試提出人工智能教學(xué)項目的設(shè)計策略與可行建議，以供同行交流借鑒。1"人工智能的主要特征1.1"智能模擬人工智能由人類設(shè)計，為人類服務(wù)；能感知環(huán)境，能產(chǎn)生反應(yīng)；可以為人類提供延伸人類能力的服務(wù)，實現(xiàn)對人類期望的一些智能行為的模擬。近年來，智能化技術(shù)逐漸替代了傳統(tǒng)方法，在社會的各個領(lǐng)域產(chǎn)生廣泛的應(yīng)用。1.2"繁復(fù)交叉人工智能是計算機科學(xué)、數(shù)學(xué)、邏輯學(xué)、語言學(xué)、心理學(xué)、認知科學(xué)等諸多學(xué)科的交叉融合，是一門面向復(fù)雜問題解決的綜合應(yīng)用型學(xué)科。人工智能涵蓋文本、語音、視覺、觸覺等基本交互方式，可以通過搜索、推理、預(yù)測、機器學(xué)習(xí)等多種形式實現(xiàn)。1.3"數(shù)據(jù)驅(qū)動在當前的發(fā)展階段，人工智能的決策來自從數(shù)據(jù)中學(xué)到的模型，而非事先預(yù)設(shè)的程序。智能化應(yīng)用也是通過對數(shù)據(jù)進行采集、加工、處理、分析和挖掘，從而形成有價值的信息流和知識模型。1.4"自動適應(yīng)人工智能具備適應(yīng)特性與學(xué)習(xí)能力，可以從復(fù)雜的數(shù)據(jù)中獲取有價值的信息，從而應(yīng)對不斷變化的現(xiàn)實環(huán)境并迭代優(yōu)化。深度學(xué)習(xí)可以根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)和外部環(huán)境的變化，自動調(diào)整參數(shù)；強化學(xué)習(xí)可以通過不斷試錯來學(xué)習(xí)，并通過獎勵和懲罰來自動調(diào)整自己的行為。通過自動適應(yīng)，人工智能可以自主地學(xué)習(xí)、優(yōu)化、適應(yīng)和推理，從而提高智能化應(yīng)用的效果和精度，更好地應(yīng)對現(xiàn)實生活中的各種問題。2"人工智能教學(xué)項目設(shè)計策略基于對人工智能特征的剖析與對課程標準的研究，結(jié)合中學(xué)信息科技課程的人工智能教學(xué)經(jīng)驗，本文針對項目式學(xué)習(xí)的四個重要要素（情境設(shè)置、目標引導(dǎo)、任務(wù)安排、評價設(shè)計）提出設(shè)計策略，如圖1所示。2.1"情境設(shè)置在項目情境設(shè)置方面，要以貼近學(xué)生生活的真實情境作為指引展開項目。真實情境的事物是可以不斷優(yōu)化的，這與人工智能迭代的特征相契合。在項目情境中，教師展示一些用傳統(tǒng)技術(shù)難以解決的、機械重復(fù)的場景，可以引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系人工智能技術(shù)，思考如何用智能替代機械重復(fù)的人力勞動。2.2"目標引導(dǎo)人工智能對人類智能的模擬，不僅創(chuàng)造了巨大的價值，也帶來倫理與安全挑戰(zhàn)。目標引導(dǎo)應(yīng)重視技術(shù)倫理，讓技術(shù)服務(wù)于社會進步、造福人類，保持科技向善發(fā)展。同時，要注意讓人類和機器在工作中緊密合作，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，實現(xiàn)高效的工作成果，實現(xiàn)人機協(xié)同。2.3"任務(wù)安排人工智能具有繁復(fù)交叉的特征，涉及多學(xué)科內(nèi)容，對相關(guān)知識和技能的要求較高。但若拘泥于個別難點，學(xué)生會陷入技術(shù)的漩渦。因此，教師需要降低技術(shù)難度，著重任務(wù)設(shè)置，讓學(xué)生認識人工智能與傳統(tǒng)技術(shù)的不同之處，感受數(shù)據(jù)、算法、算力三大要素對人工智能項目的影響，即要“關(guān)注三個要素”。2.4"評價設(shè)計在項目評價設(shè)計方面，不僅要采用多元、綜合、多樣的方式進行較為全面的評價設(shè)計，還要聯(lián)系數(shù)據(jù)驅(qū)動、自動適應(yīng)的特征，讓學(xué)生能夠根據(jù)人工智能項目模型表現(xiàn)，通過改善訓(xùn)練數(shù)據(jù)、調(diào)整參數(shù)等方式進行模型優(yōu)化，引導(dǎo)學(xué)生產(chǎn)生不斷迭代優(yōu)化的意識。3"人工智能教學(xué)項目設(shè)計實施要點與案例分析以“基于機器學(xué)習(xí)的口罩佩戴智能檢測”為例，進行人工智能教學(xué)項目設(shè)計的實施要點闡述與案例分析。3.1"情境設(shè)置：立足真實情境，關(guān)注機械重復(fù)的人力勞動3.1.1"實施要點在項目中創(chuàng)設(shè)真實情境，課堂上呈現(xiàn)的場景要貼近學(xué)生生活，以引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，并利用人工智能技術(shù)解決問題。同時，在情境中還要著重展現(xiàn)涉及機械重復(fù)的人力勞動場景，啟發(fā)學(xué)生思考、分析“可以借助人工智能技術(shù)對傳統(tǒng)工作流程中的哪些環(huán)節(jié)進行改進”，進而引導(dǎo)學(xué)生暢想用人工智能等技術(shù)改善后的形式、做法，形成作品方案的初步構(gòu)思。3.1.2"案例分析在本案例中，教師需要展示情境：隨著某病毒不斷地演化，傳染力上升到較高的程度。在某學(xué)校門口，值班教師正在逐一檢查學(xué)生的口罩佩戴情況，如未佩戴口罩或者口罩未掩住口鼻，會進行語言提醒，待學(xué)生正確佩戴口罩后方可進入。通過展示真實情境引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)，檢查佩戴口罩的工作是機械重復(fù)且耗時耗力的，從而引出主題項目，即智能檢測口罩佩戴情況。對口罩佩戴檢測問題進行仔細剖析，有利于后續(xù)項目目標的制定與項目任務(wù)的完成?？谡峙宕髦悄軝z測問題分析如表1所示。在實際教學(xué)中，教師可以呈現(xiàn)實際生活中的相關(guān)影像，幫助學(xué)生對該問題進行思考并分享；還可以采用模擬情境方法，以接近現(xiàn)實的工作內(nèi)容和范圍為場景，讓學(xué)生親身體驗口罩佩戴檢測工作角色來展開教學(xué)。3.2"目標引導(dǎo)：重視技術(shù)倫理，構(gòu)建和諧共生的人機關(guān)系3.2.1"實施要點《義務(wù)教育信息科技課程標準（2022年版）》中強調(diào)人工智能倫理、安全與發(fā)展。教師要讓學(xué)生了解人工智能帶來的倫理與安全挑戰(zhàn)，增強自我判斷意識和責(zé)任感，做到與人工智能良好共處。在進行項目目標引導(dǎo)時，要重視技術(shù)倫理教育，避免人工智能技術(shù)的濫用和對個人隱私的侵犯，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注“人”的主體性。同時，目標引導(dǎo)還要結(jié)合人類擁有的情感、思維和創(chuàng)造力與機器的高效計算、自動化和精確性，以創(chuàng)造出具有和諧人機關(guān)系的智能系統(tǒng)。3.2.2"案例分析在本案例中，目標設(shè)定為：自動對攝像頭捕捉的視頻圖像信息進行分析識別，無須人工干預(yù)地進行口罩佩戴檢測。對校門口的師生入校實時檢測時，當檢測到師生未佩戴口罩或未規(guī)范佩戴口罩會立即觸發(fā)提示，并最大限度地降低誤報和漏報現(xiàn)象。本案例的第一個子目標是：從攝像頭獲取的畫面中檢測出人臉。第二個子目標是：判斷人臉是否佩戴且正確佩戴了口罩。第三個子目標設(shè)立為開放性目標，由學(xué)生小組自行確定對未正確佩戴口罩人員的處理方式，引導(dǎo)學(xué)生要注意在有效與合理有度之間取得平衡，即關(guān)注技術(shù)倫理與人機關(guān)系。如在傳染病肆虐的時期，對在公共場合不佩戴口罩或未規(guī)范佩戴口罩的人進行禮貌勸導(dǎo)，但不可做過激的制止舉動，更不可侵犯個人隱私。在實踐中，針對案例中的開放性目標，有的小組采用通過揚聲器播報“請佩戴好口罩再進入”的方式；有的小組采用通過大屏幕放大人臉的方式進行提醒；也有的小組結(jié)合學(xué)校的學(xué)生項目和證件照信息，識別未正確佩戴口罩學(xué)生的具體身份后點名提醒。3.3"任務(wù)安排：降低技術(shù)難度，聚焦人工智能的三個要素3.3.1"實施要點在安排項目任務(wù)時需要注意降低技術(shù)難度。若項目中涉及的技術(shù)過于深奧，學(xué)生易面臨概念難理解、算法太復(fù)雜、編程不熟練等困難，不利于對人工智能原理的體會和對人工智能項目的推進。教師可以通過提供主要程序，讓學(xué)生完成部分程序的方式，幫助學(xué)生解決編程基礎(chǔ)不佳的問題；還可以選擇功能特點相符、難度適宜的開源人工智能平臺展開教學(xué)。同時，教師可以結(jié)合人工智能的三要素進行任務(wù)安排，有針對性地設(shè)計學(xué)習(xí)支架，降低技術(shù)難度。人工智能的三要素是數(shù)據(jù)、算力、算法，但并非要學(xué)生學(xué)會底層的數(shù)據(jù)模型與算法，而是讓學(xué)生知道數(shù)據(jù)有好壞、算法有優(yōu)劣、算力有強弱，感受三要素的相互關(guān)系與對人工智能模型的影響。3.3.2"案例分析在本案例中，可以利用機器學(xué)習(xí)技術(shù)的圖像識別，搭建能夠智能檢測口罩佩戴情況的系統(tǒng)。機器學(xué)習(xí)是學(xué)生作品制作的重中之重，在利用機器學(xué)習(xí)進行圖像識別處理部分，本案例提供了項目書。為了幫助學(xué)生克服知識技能困難，項目書通過問題的形式，引導(dǎo)學(xué)生完成各個任務(wù)，并思考三要素對人工智能模型的影響。項目書中的機器學(xué)習(xí)步驟如表2所示。在數(shù)據(jù)收集環(huán)節(jié)，教師為學(xué)生提供了基礎(chǔ)的訓(xùn)練集，學(xué)生只需要針對模型表現(xiàn)不佳的情況補充數(shù)據(jù)。教師也可以提供“爬蟲”（Python）程序和操作視頻幫助學(xué)生批量下載數(shù)據(jù)，減輕人工下載的負擔(dān)。在選擇算法時，教師提供多種算法，讓學(xué)生通過多次測試選擇最適合的算法訓(xùn)練模型，避免學(xué)生陷入復(fù)雜的算法和編程困難。3.4"評價設(shè)計：強調(diào)全面評價，注重精益求精的迭代優(yōu)化3.4.1"實施要點在評價方面注重評價主體多元、評價內(nèi)容綜合、評價方法多樣。1）評價主體多元：師生互評、生生互評，不僅可以讓學(xué)生獲得教師和同學(xué)的建議，也能幫助教師了解學(xué)生的感受。2）評價內(nèi)容綜合：對教學(xué)過程中的表現(xiàn)、學(xué)習(xí)成果作品、學(xué)習(xí)反思文本等進行評價，有利于綜合了解學(xué)生在學(xué)習(xí)過程與結(jié)果中的表現(xiàn)。3）評價方法多樣：可以采用訪談、測試等傳統(tǒng)方法，也可以采用課堂教學(xué)行為量化分析、人工智能師生情緒識別等新型方法。人工智能具有迭代優(yōu)化的特征，利用訓(xùn)練集訓(xùn)練模型之后，可以使用測試集測試模型在新數(shù)據(jù)上的表現(xiàn)。學(xué)生針對測試效果，通過優(yōu)化訓(xùn)練集、調(diào)整超參數(shù)，讓模型處于更好的狀態(tài)。教師可以參考學(xué)生項目書中記錄的調(diào)整過程進行評價。人工智能項目會形成一定的作品，教師在進行學(xué)生作品評價時可以使用量表的方法進行評價。量表要結(jié)合提出的項目目標進行設(shè)計，不僅要關(guān)注項目目標的完成情況，也要注重觀察學(xué)生對項目的優(yōu)化過程與未來展望。3.4.2"案例分析本案例在評價環(huán)節(jié)設(shè)計了攻防游戲，小組間互為攻守：一方負責(zé)攻擊對方模型，找尋漏洞；另一方負責(zé)守衛(wèi)模型，不斷優(yōu)化數(shù)據(jù)集，選擇更合適的算法。針對人工智能項目，設(shè)計學(xué)生作品評價量規(guī)，如表3所示。該學(xué)生作品評價量規(guī)不僅關(guān)注學(xué)生對人工智能倫理的認識（技術(shù)倫理）和學(xué)習(xí)的過程與結(jié)果（機器學(xué)習(xí)模型），還關(guān)注其對生活的思考（應(yīng)用性）與創(chuàng)新能力（創(chuàng)新性）。在評價內(nèi)容方面，不僅評價學(xué)生小組的作品功能和效果，還要評價項目書上的學(xué)習(xí)過程。教師著重關(guān)注學(xué)生能否反思數(shù)據(jù)和模型測試結(jié)果的關(guān)系，在課后可以通過問卷了解學(xué)生對于課堂的感受與建議，還可以對表現(xiàn)不同層次的學(xué)生進行訪談，了解不同層次學(xué)生對于課堂的感受的差別，對教學(xué)設(shè)計進行優(yōu)化。多種評價方法相互佐證，教師可以全面地了解教學(xué)情況，完善教學(xué)設(shè)計。4"結(jié)束語本文針對項目式學(xué)習(xí)的要素，總結(jié)中學(xué)信息科技課程人工智能教學(xué)項目的設(shè)計策略，結(jié)合教學(xué)案例