基于機器學(xué)習(xí)的通用技術(shù)課程個性化教學(xué)探討

劉 濤

（山東省青島市第九中學(xué)，山東青島 266012）

隨著科技的不斷發(fā)展，人工智能已成為當(dāng)今科技領(lǐng)域最熱門的話題之一，也在包括工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、交通運輸?shù)雀餍懈鳂I(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。針對人工智能在教育教學(xué)工作方面的潛在助力，教育部在2018 年印發(fā)的《教育信息化2.0 行動計劃》指出，要“推動人工智能在教學(xué)、管理等方面的全流程應(yīng)用”，“利用智能技術(shù)加快推動人才培養(yǎng)模式、教學(xué)方法改革”。作為人工智能的重要分支，機器學(xué)習(xí)技術(shù)因其能從海量數(shù)據(jù)中自動學(xué)習(xí)并做出預(yù)測決策，為許多領(lǐng)域的發(fā)展提供了強大的支持，在近年來受到廣泛關(guān)注。以機器學(xué)習(xí)技術(shù)為代表的智能化能使計算機進行擬人思維，可以在教學(xué)上扮演人的角色，實現(xiàn)教學(xué)行為人性化［1］。然而，該項新技術(shù)在教育領(lǐng)域，尤其是中等教育教學(xué)方面的嘗試仍然處于初步探索期，尚缺系統(tǒng)性的分析與大規(guī)模驗證。筆者圍繞高中通用技術(shù)課程的個性化教學(xué)這一教學(xué)質(zhì)量提高思路，對機器學(xué)習(xí)技術(shù)在此的應(yīng)用前景和潛在優(yōu)缺點展開探討，以期為廣大一線教育工作者提供一種新的思路，為教學(xué)實踐提供有益的建議。

一、通用技術(shù)高中課程教學(xué)現(xiàn)狀及需求

高中通用技術(shù)課程教學(xué)的實踐，作為新課程改革不斷推進和發(fā)展的重要部分，對教師教學(xué)的內(nèi)容和方式方法提出了更高的要求。從通用技術(shù)課程主旨出發(fā)，教師應(yīng)當(dāng)立足于課程，為學(xué)生傳授工程技術(shù)和日常生活的各方面內(nèi)容，包括但不限于計算機、電子、機械工程，乃至建筑學(xué)、藝術(shù)、設(shè)計等領(lǐng)域的核心技能和知識。檢驗通用技術(shù)課程教學(xué)成果的重要標(biāo)準(zhǔn)就是學(xué)生作為不同獨立個體，能以何種程度在生活和學(xué)習(xí)中多樣性、創(chuàng)造性地掌握和運用這些技能知識。通用技術(shù)課程所獨有和強調(diào)的適應(yīng)性、通用性、實踐性特點，促使教師需要不斷嘗試和探索新的教學(xué)方式方法，積極引入現(xiàn)代化的教育理論工具和教學(xué)技術(shù)手段，彌補和增強傳統(tǒng)教育教學(xué)方法存在的不足和欠缺，真正充分發(fā)揮學(xué)生的主體地位。正如通用技術(shù)教學(xué)《大綱》指出，通用技術(shù)教學(xué)的目標(biāo)制定和方法實施，需要針對學(xué)生的認(rèn)知特征、知識與技能基礎(chǔ)、個體差異等因素，選擇合適的教學(xué)策略和方法，并根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)反饋信息優(yōu)化教學(xué)環(huán)節(jié)。這對教師凸顯學(xué)生的主體地位，廣泛采納和使用多元化、創(chuàng)新性強、靈活度高的教學(xué)手段提出了很高的要求。

二、基于機器學(xué)習(xí)技術(shù)的個性化教學(xué)的應(yīng)用意義

我國近代著名教育家蔡元培先生曾經(jīng)說過：“與其守成法，毋寧尚自然；與其求劃一，毋寧展個性。”基于此，教師在開展高中通用技術(shù)教學(xué)的時候，要對教學(xué)方法和形式進行不斷完善和升級［2］。隨著信息化以及與之相適應(yīng)的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)為社會帶來革命性變化，以機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)為代表的新一代人工智能技術(shù)與產(chǎn)品為人們帶來了豐富多彩的生活，也為高中階段學(xué)科的智能教學(xué)提供了廣闊的發(fā)展空間。作為智能教學(xué)方法的熱點研究領(lǐng)域之一，個性化學(xué)習(xí)的目標(biāo)是為特定學(xué)習(xí)者提供有效的學(xué)習(xí)資源與方式，從而提升學(xué)習(xí)效果。盡管個性化教學(xué)在部分教學(xué)場景中已有應(yīng)用先例，但鮮有論證闡述如何結(jié)合機器學(xué)習(xí)等先進技術(shù)以及如何應(yīng)用于高中通用技術(shù)課程教學(xué)的探索。這些技術(shù)能夠幫助教師深入理解學(xué)生的需求，進而為學(xué)生設(shè)計和提供更有針對性的教學(xué)內(nèi)容，最大限度地提高教學(xué)質(zhì)量。

三、通用技術(shù)教學(xué)個性化思路

（一）基于學(xué)生學(xué)習(xí)能力與進度的個性化學(xué)習(xí)

對學(xué)生的學(xué)習(xí)能力與學(xué)習(xí)進度進行動態(tài)、全面的建模，是實現(xiàn)精準(zhǔn)、優(yōu)質(zhì)的個性化學(xué)習(xí)的先決條件。在通用技術(shù)教學(xué)過程中，教師應(yīng)當(dāng)充分利用學(xué)習(xí)相關(guān)大數(shù)據(jù)的積累和機器學(xué)習(xí)技術(shù)，判斷和建模學(xué)生的學(xué)習(xí)進度和能力，并為他們提供個性化的學(xué)習(xí)方案和學(xué)習(xí)內(nèi)容。這種方式使得學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)習(xí)計劃更加精準(zhǔn)和有針對性，以幫助學(xué)生快速提高學(xué)習(xí)能力。在前信息化教學(xué)時代，由于相關(guān)數(shù)據(jù)收集困難、分析處理方法缺乏，教學(xué)只能對全體學(xué)生采取一碗水端平的方式，無論是能力還是精力均難以做到精準(zhǔn)因材施教。伴隨機器學(xué)習(xí)等一系列數(shù)據(jù)智能條件的發(fā)展和逐步成熟，教師能夠在保證教學(xué)公平的情況下，為每一名學(xué)生量身定制個性化的教學(xué)歷程，同時也無須額外付出大量精力。

（二）基于課程內(nèi)容與學(xué)生建模的聯(lián)合個性化學(xué)習(xí)

課程內(nèi)容的準(zhǔn)確、有效建模對于個性化學(xué)習(xí)的效果起到舉足輕重的影響。在通用技術(shù)課程的日常教學(xué)中，盡管其在學(xué)習(xí)目標(biāo)、知識背景、總體用時、知識點覆蓋等方面具有統(tǒng)一化的教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)要求，然而在學(xué)習(xí)資源、學(xué)習(xí)路徑以及教學(xué)風(fēng)格等方面的個性化調(diào)整，尤其是結(jié)合學(xué)生特征和行為數(shù)據(jù)建模的聯(lián)合個性化教學(xué)策略，能夠有針對性地安排教學(xué)工作。比如，部分通用技術(shù)的課程內(nèi)容更側(cè)重于實驗和實踐，而另外一些內(nèi)容則更注重理論知識的講解和探討。基于不同課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)資源本體建構(gòu)和積累，結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)過程建模，可以借助機器學(xué)習(xí)模型提取出學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)習(xí)者的深度特征向量。基于高維空間內(nèi)的馬式距離計算和向量最優(yōu)化匹配，得到最具效率和效果的課程學(xué)習(xí)安排和規(guī)劃。舉例來說，作為通用技術(shù)必修二的“技術(shù)與設(shè)計”課程的最初部分內(nèi)容，“結(jié)構(gòu)設(shè)計”與物理課程所學(xué)內(nèi)容接近，而“流程設(shè)計”更偏向于數(shù)學(xué)與信息學(xué)科。當(dāng)了解了學(xué)生對物理、數(shù)學(xué)相關(guān)內(nèi)容的掌握程度之后，教師便能更好地規(guī)劃這兩部分通用技術(shù)課程的教授用時和方式。而通過機器學(xué)習(xí)的建模工作，能夠幫助教師自動發(fā)現(xiàn)和利用大量此類信息，完善個性化學(xué)習(xí)的效果。

（三）基于大數(shù)據(jù)的班級統(tǒng)籌個性化學(xué)習(xí)

在追求高效、精準(zhǔn)的個性化教學(xué)思路的同時，教師切不可輕視乃至忽略班集體層面的工作在通用技術(shù)教學(xué)中的重要性。作為具備共同目標(biāo)、共守規(guī)章制度的學(xué)習(xí)團體，班級能夠通過合作學(xué)習(xí)凝聚全體學(xué)生合力，在整體上提高學(xué)習(xí)效率，有效補充和統(tǒng)籌單點、孤立的個性化學(xué)習(xí)，解決如個性化參數(shù)不明、目標(biāo)設(shè)定不準(zhǔn)確、評價標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等機器學(xué)習(xí)方法的難點，提高基于機器學(xué)習(xí)的個性化教學(xué)的質(zhì)量。有計劃地利用好班級層面的學(xué)習(xí)大數(shù)據(jù)，能夠使教師更加有效地獲取關(guān)于通用技術(shù)教學(xué)的全景式認(rèn)知，包括準(zhǔn)確及時地學(xué)習(xí)進度和能力分析、完整全面的教學(xué)效果評估等，為教師提供及時的反饋與更多的數(shù)據(jù)輸入，從而有針對性地調(diào)整教學(xué)方案，提高教學(xué)質(zhì)量，最終實現(xiàn)教學(xué)效益的最大化。例如，通用技術(shù)課堂上的分組實踐類內(nèi)容較多，傳統(tǒng)的分組方式往往是隨機分配、學(xué)生自發(fā)組隊，或者由教師手工指定，因此難以統(tǒng)籌兼顧組內(nèi)每一名學(xué)生的能力與需求，也極難匹配和鑒別每名學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。通過機器學(xué)習(xí)，我們能夠?qū)W(xué)生情況和教學(xué)內(nèi)容進行分析，在提高組隊學(xué)習(xí)效率的同時顯著提升整體學(xué)習(xí)效果。

四、基于機器學(xué)習(xí)的個性化教學(xué)應(yīng)用

（一）預(yù)測模型的使用

作為機器學(xué)習(xí)方法的核心功能之一，預(yù)測模型能夠基于歷史數(shù)據(jù)，并利用統(tǒng)計和機器學(xué)習(xí)技術(shù)來判斷未來結(jié)果的可能性，并廣泛成功應(yīng)用于智能投資、天氣預(yù)報和醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域。機器學(xué)習(xí)預(yù)測模型來輔助個性化教學(xué)，重點在于收集清理包括學(xué)習(xí)習(xí)慣、成績、對于課程各內(nèi)容的興趣程度等方面的數(shù)據(jù)，使用這些數(shù)據(jù)來訓(xùn)練合適的模型，并根據(jù)預(yù)測結(jié)果調(diào)整教學(xué)方案。需要注意的是，預(yù)測模型在個性化教學(xué)中的使用，需要注意學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的及時性、全面性與準(zhǔn)確性，也需要注意結(jié)合教師或者專家對學(xué)生的特點和需求的深入分析，才能確保最終教學(xué)方案的合理性與適用性。

（二）知識圖譜的構(gòu)建

作為一項新興人工智能技術(shù)，知識圖譜能夠?qū)Ａ繑?shù)據(jù)進行聚合整理，迅速描述各個事物的概念及其關(guān)系，已被廣泛應(yīng)用于智能搜索、大數(shù)據(jù)分析、智能決策等領(lǐng)域。通過對數(shù)據(jù)以結(jié)構(gòu)化語義知識庫形式呈現(xiàn)和使用，知識圖譜能夠極大增強和擴展機器學(xué)習(xí)的性能和在個性化教學(xué)中的應(yīng)用范疇。比如，教師可以使用知識圖譜來構(gòu)建高中通用技術(shù)課程的知識結(jié)構(gòu)，以便于清晰地展示各學(xué)期乃至每堂課的課程教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容。通過結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的分析和嵌入圖譜，教師能夠更好地理解和發(fā)現(xiàn)學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)需求和提升教學(xué)效率的突破點，從而對課程進行定制化調(diào)整。

（三）數(shù)據(jù)挖掘與搜索

數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)能夠從大量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)潛在和高價值的信息，搜索技術(shù)能夠?qū)⒂脩舻牟樵兒鸵阎畔⑦M行匹配并返回最相關(guān)的結(jié)果。基于知識圖譜的構(gòu)建和學(xué)生信息的獲取，以機器學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)挖掘與搜索能力，能夠為學(xué)生提供個性化的學(xué)習(xí)資源和內(nèi)容，以及定制化的教學(xué)計劃和方案。這種技術(shù)應(yīng)該以激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)習(xí)動機，提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)積極性和持久性，達到提升學(xué)習(xí)效率為目標(biāo)［3］。隨著教學(xué)數(shù)據(jù)的不斷積累和教學(xué)案例應(yīng)用的持續(xù)增加，相關(guān)數(shù)據(jù)挖掘和搜索的準(zhǔn)確性和全面性也將會自然得到提升，實現(xiàn)正向反饋的促進作用。此外，這類技術(shù)可以有效減輕教師的工作負擔(dān)，讓教師更專注于個性化教學(xué)的內(nèi)容修訂、策略制定和教學(xué)反饋，提高教學(xué)效率和質(zhì)量。

（四）人工智能生成內(nèi)容

人工智能自動生成內(nèi)容（即AIGC，AI Generated Content），是信息時代的專業(yè)生產(chǎn)內(nèi)容和用戶生產(chǎn)內(nèi)容的有力補充，能夠充分利用現(xiàn)有的機器學(xué)習(xí)技術(shù)在計算機視覺、自然語言處理、語音合成等前沿領(lǐng)域的成果，并且在其內(nèi)容迭代速度、表現(xiàn)力、傳播方式等各方面均有極大優(yōu)勢。將人工智能生成內(nèi)容技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)之中，可以自動生成多樣化的教學(xué)內(nèi)容，滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和興趣，從本質(zhì)上十分貼合個性化教學(xué)對內(nèi)容和形式的訴求。另外，引入人工智能自動生成內(nèi)容之后，也能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和創(chuàng)意，在實踐中對課堂氛圍的提升有著顯著作用。當(dāng)然，人工智能生成內(nèi)容目前在其準(zhǔn)確性、安全性上還有不完善之處，需要教師仔細甄別、謹(jǐn)慎使用。

五、機器學(xué)習(xí)應(yīng)用于個性化教學(xué)的風(fēng)險

（一）個人隱私與數(shù)據(jù)安全

采用機器學(xué)習(xí)的教學(xué)方法，難免需要學(xué)生主動或被動提供大量數(shù)據(jù)，因此，對個人數(shù)據(jù)和隱私保護的問題也比起傳統(tǒng)教學(xué)方法重要得多，采取相應(yīng)保障措施刻不容緩。在數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理階段盡可能避免包含個人身份和敏感信息，并通過隱私保護技術(shù)對數(shù)據(jù)進行處理和保護；在算法使用階段，保證數(shù)據(jù)不濫用、不進行非必要傳播。除了監(jiān)管政策、法律方面的舉措，在技術(shù)方面也可以通過諸如“聯(lián)邦學(xué)習(xí)”等技術(shù)，通過數(shù)據(jù)加密、混淆、不移動，切實保護每一名學(xué)生的隱私和數(shù)據(jù)安全。

（二）算法公平性

算法公平性特指機器學(xué)習(xí)算法決策中對個人和群體不存在偏見或偏愛，不論這些成見來自其固有或后天屬性。在個性化教學(xué)中，教師也應(yīng)該公正地對待每個學(xué)生，不歧視或偏袒任何一個學(xué)生。在傳統(tǒng)教學(xué)方法中，公平性更多是對教師自身素質(zhì)提出的要求，而在基于機器學(xué)習(xí)的個性化教學(xué)中，算法公平性更應(yīng)該根植于算法設(shè)計和實現(xiàn)過程中，如采用公平性約束和公平性評估機制，確保算法結(jié)果對不同群體的學(xué)生都是公平、中立的。有效提高算法的公平性，也是對個性化教育效果和質(zhì)量的保證。

（三）應(yīng)用門檻較高

機器學(xué)習(xí)技術(shù)內(nèi)容新、發(fā)展快，對學(xué)校和教師的投入和基礎(chǔ)也提出了相應(yīng)的高要求。各類機器學(xué)習(xí)技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用均需要一定的訓(xùn)練數(shù)據(jù)和算力支持，這對學(xué)校相應(yīng)的資源和資金基礎(chǔ)也提出了較高的要求。除了技術(shù)問題外，教師和教學(xué)管理者對新鮮事物的投入使用意愿、家長和學(xué)生的接受和配合程度等等，都增高了此類教學(xué)方法的實際應(yīng)用門檻［4］。這就要求學(xué)校乃至地區(qū)間多傳播先進教育理念和優(yōu)秀教研成果，對教學(xué)成果能夠及時復(fù)盤和調(diào)整，以交流和互助推動后進學(xué)校和地區(qū)的教學(xué)效果。

六、結(jié)語

本文以個性化教學(xué)方案為出發(fā)點，結(jié)合高中通用技術(shù)課程教學(xué)實際和機器學(xué)習(xí)前沿技術(shù)，探討了基于機器學(xué)習(xí)的新教學(xué)方法的應(yīng)用與實踐，也思考了應(yīng)用此類教學(xué)新方法所需要注意的問題。本文所探討的基于機器學(xué)習(xí)技術(shù)發(fā)展的教學(xué)思路，可以為學(xué)生提供更好的學(xué)習(xí)體驗，并幫助他們在未來的學(xué)習(xí)乃至更長遠的職業(yè)生涯中取得成功。隨著人工智能和機器學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，包括個性化教學(xué)的精準(zhǔn)推薦、機器學(xué)習(xí)模型的可解釋性、引入人工反饋的強化學(xué)習(xí)方法等，帶來新的教學(xué)思路、教學(xué)方法不斷涌現(xiàn)。這也督促一線教育工作者持續(xù)探索、有效實踐，用奮斗詮釋初心、用專業(yè)承載使命，更好做到“傳道、授業(yè)、解惑”，也為促進學(xué)生的全面發(fā)展和終身學(xué)習(xí)做出良好的榜樣。