科“技”并重的初中人工智能教学实践

【摘要】针对如何在初中阶段推进“科”“技”并重的人工智能教学的问题，本文以“机中生智——AI对对联”一课为例，深入浅出地讲解AI对对联的原理，以层层递进的探究活动，深化学生对原理的认识，提升学生的知识迁移能力，以期为“科”“技”并重理念的初中人工智能课程创新设计提供新思路。【关键词】人工智能；科技并重；创新；教学实践案例背景《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》将“人工智能”设置为课程的六大逻辑主线之一，强调小学低年级注重生活体验；小学中高年级初步学习基本概念和基本原理，并体验其应用；初中阶段深化原理认识，探索利用信息科技手段解决问题的过程和方法[1]。然而人工智能涉及的原理深奥复杂，对于初中阶段人工智能教学而言，过浅讲授原理则只能让学生停留于体验和了解阶段，过深突出原理又会使学生陷于晦涩难懂的概念当中。所以如何把握初中人工智能教学尺度，立足于初中学生的认知特点，设计出有深度的教学案例，培养学生的核心素养，达成教学目标，是当前在初中阶段开展人工智能教学面临的难题。笔者认为解决这一难题的关键在于要坚持“科”“技”并重的教学理念。熊璋教授指出，信息科技课程应该从实践应用出发，注重帮助学生理解基本概念和基本原理，引导学生认识信息科技对人类社会的贡献与挑战，提升学生的知识迁移能力和学科思维水平，体现“科”与“技”并重[2]。当前大多数初中人工智能课程停留在“技”上，重实践应用轻科学原理是普遍现象，教师经常在课堂上通过图形化编程加深学生对应用的体验，却忽略了图形化编程将原理封装起来的现实，导致学生知其然不知其所以然，缺少“科”的元素。本文以“机中生智——AI对对联”一课为例，阐述“科”“技”并重的初中人工智能教学实施过程。案例描述1.活动导入：对联我来对上课伊始，教师指出对联是中华民族优秀传统文化之一，对对联更是流传已久的习俗，引导学生参与对对联活动，激发学生的学习兴趣。接着，教师展示几个难度递增的上联，如“绿水”和“孙行者”，请学生对出下联。学生兴趣盎然，在对对联活动中感受中华民族优秀传统文化的魅力。最后，教师提出对对联要遵循的要求，并展示有趣且有难度的上联“朝朝朝朝朝朝落”，从而引出本课主题“机中生智——AI对对联”。设计意图：通过对对联活动引出本课主题“机中生智—AI对对联”，旨在引导学生傳承并弘扬中华民族优秀传统文化，并逐步过渡到人工智能对对联中。2.平台体验：评价人工智能对对联学生打开在线智能对联系统，输入上联，体验人工智能对对联的过程。然后，学生打开问卷星“评价人工智能对对联”网页，从“字数相同、对仗工整”“平仄相拗、格律和谐”“语句通顺、句意清晰”“秀词锦句、有创造性”“意蕴悠长、有感染力”等五个维度评价人工智能对对联的水平。接着，教师与学生共同对收集的数据进行分析，得出结论：人工智能对对联能够满足对联的基本要求，而且它还可以帮助人们快速创作对联，但在创造性和感染力方面相对欠缺，不能恰当地表达人类的情感。学生通过客观分析，能够正确认识当前人工智能在创作对联中存在的优缺点。设计意图：学生通过平台体验和评价人工智能对对联，初步感受人工智能在对联创作中的魅力，了解人工智能对对联的水平、优势和能力边界，为探究人工智能怎样对对联做好思维铺垫。3.对比探究：分析人对对联的过程教师以上联“孙行者”为例，带着学生一起分析在对对联活动中人对出下联“祖冲之”的过程（图1）。首先将“孙行者”进行分词，接着对切分的词进行词性标注，最后在脑海中搜寻合适的词汇，对出下联“祖冲之”。这时教师提问：“机器也是运用相同的方法对出下联的吗？”启发学生进行迁移学习，让学生带着问题观看机器对对联运用到的“自然语言处理技术”视频。设计意图：通过分析人对对联的过程，迁移到机器对对联的过程，为学生进行迁移学习提供支架。4.原理揭秘：探究人工智能对对联的过程（1）上联解析：分词、词性标注、韵脚分析教师给出上联“爆竹辞旧”，并提出问题“机器是怎么理解上联的？”学生从人理解上联的过程迁移到机器解析上联的过程，即通过“分词—词性标注—韵脚分析”这一过程解析上联。学生从已知经验到未知问题，在迁移反思中实现基于理解的学习。（2）词汇匹配：在数据库中匹配合适的词汇教师给出例子，如“绿水”匹配“青山”，请学生打开学习单（图2），将机器分词后的“爆竹”和“辞旧”两个词汇，在右边词库中匹配合适的词汇，拖动到左边合适的框中，在匹配的过程中请学生自主探究“数据库”的概念。学生通过实践探究，理解机器匹配词汇的过程。接着教师请学生上台展示探究的成果，并分享讨论“数据库”这一概念。（3）词汇PK：特征分析通过数据库匹配，教师指出匹配的候选词汇有多个，要挑选出最佳词汇就需要进行词汇PK，PK的内容是词汇的特征——内容和情感。考虑到学生的认知发展处于从具象思维到抽象思维的过渡时期，较难理解特征分析这个抽象过程，因此教师对该内容进行加工，将抽象内容具象化，把词汇特征映射到学生能直观理解的平面直角坐标系中（图3）。用x轴表示词汇的内容特征，内容值分布在0～10单位之间，0代表非物品，5代表普通物品，10代表过节物品。用y轴表示词汇的情感特征，情感值分布也在0～10单位之间，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。教师引导学生打开学习单进行小组探究，将词汇映射到坐标系的合适位置。如“爆竹”是过节物品，表达喜悦的情感较重，所以它的横坐标取10，纵坐标取8～10之间均可，这里取爆竹的坐标为（10，10）；“桃符”是传统的汉族文化，古人在辞旧迎新之际，在桃木板上刻写神灵的名字，粘贴在门首，用来祈福灭祸，情感中性偏喜，这里取桃符的坐标为（10，6）；“磐石”指厚而大的石头，它是普通物品，中性情感，所以取磐石的坐标为（5，5）；“杨柳”无生命特征，属于非物品，寓意“留”，古代亲友离去，都会用杨柳相赠，表达的情感是悲，所以取杨柳的坐标为（0，0）。（4）精确查找：计算欧氏距离相似度，找出最佳词汇通过特征分析，学生能直观地在平面直角坐标系中发现目标词汇与候选词汇之间的距离关系。这时，教师请学生进行自主探究，学习欧氏距离相似度的计算方法。通过自主学习，学生掌握分步计算词汇相似度的方法，首先写出各词汇的坐标，再根据公式计算出各候选词汇与目标词汇之间的欧氏距离相似度，如图4所示。通过以上计算，发现桃符的欧氏距离相似度最小，而欧氏距离相似度越小，表示该候选词汇与目标词汇越相似，越可能被优先筛选出来。这样，“爆竹”找出的最佳词汇是“桃符”，“辞旧”也用相同的方法，找出的最佳词汇是“迎新”，再将它们组合在一起，输出下联“桃符迎新”。（5）归纳概括：自然语言处理的一般过程在该环节，教师和学生共同梳理人工智能对对联的详细过程（图5）：首先输入上联，第一步对上联进行分词、词性标注、韵脚分析；第二步在数据库中匹配合适的词汇；第三步对词汇进行特征分析；第四步计算欧式距离相似度，找出最佳词汇；最后将对应的词汇组合成下联输出。接着，教师引导学生归纳自然语言处理的一般过程：输入自然语言—理解自然语言—运用模型—输出自然语言。设计意图：原理揭秘环节，将原理内容巧妙设计成各种递进式探究活动，将深奥的原理转化成学生感兴趣的学习活动，使学生在探究中深化对原理的认识，亲身经历利用信息科技手段解决问题的过程。同时，将人工智能对对联的过程归纳成自然语言处理的一般流程，为迁移学习提供理论支撑。5.拓展迁移：自然语言处理在生活中的应用在该环节，教师提出问题：“自然语言处理技术除了能创作对联，还能创作哪些内容？”学生回答诗歌、绘画、作曲等。接着，教师展示手机的智能问答系统，带领学生一起分析智能问答系统运用到的自然语言处理技术原理。随后，师生共同寻找身边的自然语言处理应用，如智能翻译、自动导航、微信的语音转文字等。最后，教师请学生分组体验并探究不同应用背后的自然语言处理技术原理。其中，第一、二组探究智能写诗，第三、四组探究智能创作，第五、六组探究近邻词汇检索，并用自然语言描述原理的详细过程，如图6。设计意图：学生分组探究不同应用背后运用的自然语言处理技术原理，在探究中实现迁移学习，以此达成教学目标，突破教学难点，进而培养学生的学科核心素养。6.总结提升：科技与文化并重学生借助思维导图梳理本节课内容，教师展示存在缺点的智能对联，请学生思考当前智能对联系统存在的局限性，顺势引导学生正确认识人工智能的优缺点，增强自我判断意识和信息社会责任感，学会与人工智能良好共处。同时教师提出，由于现代人对传统文学的生疏和缺乏对对联的练习，使得对对联变得困难重重。科学家研发智能对联系统的初衷是为了帮助人们更好地认识对联、学习对联，通过人工智能使得对对联活动焕发出新的生命力。教师鼓励学生充分利用人工智能技术学习和弘扬中华优秀传统文化。设计意图：利用思维导图，总结巩固所学内容。提出科技和文化并重的观点，升华学生思维情感，培育正确的世界观、人生观和价值观，促进学生在数字世界与现实世界中健康成长。本课是“中山—揭阳—韶关三地教研基地信息科技新课标专题研修暨送教活动”的一节展示课，送教对象是揭阳市实验中学初三（4）班学生。学生课堂上任务的完成度达到96%，93%以上的学生表示能够深刻理解人工智能对对联的原理，90%以上的学生能运用所学知识进行迁移学习，探究出生活中常用的自然语言处理应用及其背后的原理。教学反思1.充分借助人工智能开放资源，搭建学习支架“科”“技”并重的初中人工智能教学实践需要教师给学生提供及时且充足的学习支架，促使学生有效利用各种学习资源，开展积极主动的学习活动。当前，网上有众多的人工智能开放资源，如百度AI开放平台、腾讯AI开放平台等，这些平台的开放能力涉及图像识别、语音识别、自然语言处理等众多人工智能模块。本案例借助了开放的人工智能对联系统、智能诗歌写作系统、智能创作平台、近邻词汇检索平台，让学生在体验和探究中深刻感受人工智能的魅力。2.充分设计多元化学习活动，构建探究式学习环境“科”“技”并重的初中人工智能教学实践的关键在于探究式学习活动的设计。作为信息科技教师，要遴选出科学原理和实践应用并重的课程内容，对教学内容进行优化，并充分结合学生的认知特点，设计生动有趣的多元化学习活动，推进以学生为主体的学习方式创新。本案例结合初中阶段学生的认知特点，以人工智能对对联为教学主线，提取原理的关键内容进行精细化加工，设计了“对联我来对”“平台体验”“词汇匹配”“词汇PK”和“精确查找”等多个递进式探究活动，充分调动了学生学习的积极性，使学生在探究中掌握人工智能对对联的原理，在探究中实现迁移学习。3.充分发挥课程育人功能，反映数字时代正确的育人方向“科”“技”并重的初中人工智能教学实践需要增强课程的思想性，贯彻党的教育方针，落实立德树人根本任务。本案例将中华优秀传统文化“對联”与人工智能科技进行有机融合，使文化与科技碰撞出新的火花。同时，教师引导学生思考当前智能对联系统存在的局限性，帮助学生正确认识人工智能的优缺点，树立科技活动中应遵循的价值观、