以機(jī)器學(xué)習(xí)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)高中信息技術(shù)教學(xué)的實(shí)踐研究

一、引言

根據(jù)南京大學(xué)教授周志華的《機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘》對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的定義，“機(jī)器學(xué)習(xí)”是人工智能的核心研究領(lǐng)域之一，其最初的研究動(dòng)機(jī)是為了讓計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有人的學(xué)習(xí)能力，以便實(shí)現(xiàn)人工智能[。機(jī)器學(xué)習(xí)作為人工智能的核心分支，正在重塑信息技術(shù)領(lǐng)域知識(shí)體系與應(yīng)用場(chǎng)景。高中信息技術(shù)教育作為培養(yǎng)學(xué)生信息素養(yǎng)與技術(shù)能力的關(guān)鍵載體，現(xiàn)階段面臨著教學(xué)內(nèi)容、模式、方法的全面革新。“新課標(biāo)”明確要求教師應(yīng)為教學(xué)實(shí)踐劃定新標(biāo)準(zhǔn)，并以學(xué)生對(duì)智能技術(shù)的探究需求驅(qū)動(dòng)教學(xué)方法創(chuàng)新。在此背景下，將機(jī)器學(xué)習(xí)融入高中信息技術(shù)教學(xué)成為亟待探索的課題。本文基于項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)教學(xué)理念，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際案例，在高中信息技術(shù)教學(xué)課堂中，構(gòu)建了“啟蒙，實(shí)踐，拓展，評(píng)價(jià)”的四階段實(shí)踐路徑，以期讓高中信息技術(shù)教學(xué)適應(yīng)智能時(shí)代需求，為培養(yǎng)智能時(shí)代所需人才奠定基礎(chǔ)。

二、人工智能時(shí)代對(duì)高中信息技術(shù)教學(xué)方法的革新要求

（一）技術(shù)發(fā)展倒逼教學(xué)內(nèi)容升級(jí)

人工智能技術(shù)正以前所未有的速度重塑信息技術(shù)領(lǐng)域知識(shí)體系。機(jī)器學(xué)習(xí)作為人工智能的核心分支，其算法模型、應(yīng)用場(chǎng)景和技術(shù)邏輯已成為信息技術(shù)學(xué)科不可分割的部分。傳統(tǒng)以計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)操作和程序設(shè)計(jì)語(yǔ)法為主的教學(xué)內(nèi)容體系，無法覆蓋智能時(shí)代對(duì)信息素養(yǎng)的基本要求，技術(shù)迭代速度與教學(xué)內(nèi)容更新之間的滯后性矛盾日益凸顯，這就要求高中信息技術(shù)教學(xué)內(nèi)容突破傳統(tǒng)框架，把機(jī)器學(xué)習(xí)基本原理、數(shù)據(jù)思維、算法邏輯等納入核心知識(shí)范疇，構(gòu)建適應(yīng)智能社會(huì)發(fā)展的內(nèi)容體系。

（二）素養(yǎng)培育推動(dòng)教學(xué)模式轉(zhuǎn)型

以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的教育改革要求信息技術(shù)教學(xué)從過去單純的“知識(shí)傳授”轉(zhuǎn)變?yōu)椤澳芰?gòu)”。計(jì)算思維、數(shù)據(jù)素養(yǎng)、創(chuàng)新意識(shí)等關(guān)鍵素養(yǎng)的培養(yǎng)不能僅靠單一技能訓(xùn)練，要轉(zhuǎn)向真實(shí)問題解決情境中的深度參與。傳統(tǒng)以教師為中心的講授式教學(xué)難以支撐學(xué)生在復(fù)雜任務(wù)里實(shí)現(xiàn)認(rèn)知遷移和能力內(nèi)化。因而，當(dāng)前高中信息技術(shù)教學(xué)模式需從“教師主導(dǎo)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩W(xué)生主體”。教師應(yīng)借助項(xiàng)目化、探究式的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)，讓學(xué)生在機(jī)器學(xué)習(xí)項(xiàng)目實(shí)踐中體驗(yàn)問題分析、方案設(shè)計(jì)、模型構(gòu)建、結(jié)果評(píng)估的完整過程，實(shí)現(xiàn)知識(shí)到素養(yǎng)的轉(zhuǎn)化。

（三）課標(biāo)更新提出教學(xué)實(shí)踐新標(biāo)

新版高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)把人工智能內(nèi)容添加到了必修和選修模塊里，還明確規(guī)定了機(jī)器學(xué)習(xí)的相關(guān)知識(shí)目標(biāo)與能力要求[3]。“新課標(biāo)”著重強(qiáng)調(diào)要通過親身經(jīng)歷人工智能項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過程，以了解人工智能技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景和發(fā)展趨勢(shì)，這為教師開展教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)提出了具體且明確的操作標(biāo)準(zhǔn)。教師的教學(xué)活動(dòng)應(yīng)圍繞課標(biāo)要求進(jìn)行，通過構(gòu)建從基礎(chǔ)概念到綜合應(yīng)用的梯度化實(shí)踐體系，可確保學(xué)生逐步掌握機(jī)器學(xué)習(xí)的基本流程，具備運(yùn)用簡(jiǎn)單算法解決實(shí)際問題的能力。另外，課標(biāo)對(duì)“項(xiàng)目式學(xué)習(xí)”“跨學(xué)科融合”也提出了相應(yīng)要求，也需要教師在開展教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)中突破學(xué)科壁壘，形成開放性的教學(xué)形態(tài)。

（四）學(xué)生需求催生教學(xué)方法創(chuàng)新

當(dāng)代高中生對(duì)智能技術(shù)有著天然的親近感與探究欲，學(xué)生的學(xué)習(xí)需求已從單純地學(xué)會(huì)操作信息技術(shù)，升級(jí)到了理解其原理并發(fā)揮其創(chuàng)造應(yīng)用的地步。傳統(tǒng)以教材為中心的標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)，很難滿足學(xué)生的個(gè)性化探究需求和創(chuàng)新渴望，因此，教師實(shí)施的教學(xué)方法應(yīng)從標(biāo)準(zhǔn)化傳授轉(zhuǎn)變?yōu)閭€(gè)性化引導(dǎo)。通過真實(shí)的機(jī)器學(xué)習(xí)項(xiàng)目，教師可持續(xù)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力，讓學(xué)生在解決感興趣的實(shí)際問題時(shí)，主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)體系。這種以需求為導(dǎo)向的教學(xué)方法創(chuàng)新，是提升高中信息技術(shù)教學(xué)吸引力和有效性的關(guān)鍵路徑。

三、以機(jī)器學(xué)習(xí)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)高中信息技術(shù)教學(xué)的實(shí)踐路徑

（一）啟蒙階段：借助案例類比教學(xué)，滲透機(jī)器學(xué)習(xí)基礎(chǔ)

機(jī)器學(xué)習(xí)概念抽象性比較強(qiáng)，需要依靠生活化的案例和類比思維來搭建認(rèn)知橋梁[4。案例類比教學(xué)法可以把復(fù)雜算法原理跟學(xué)生熟悉的生活場(chǎng)景對(duì)應(yīng)起來，達(dá)成抽象知識(shí)的具象化轉(zhuǎn)化。該路徑符合建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論“從具體到抽象”的認(rèn)知規(guī)律。在此階段，教師應(yīng)把重點(diǎn)放在核心概念的初步理解上，而不是深人掌握技術(shù)細(xì)節(jié)。以廣東教育出版社高中信息技術(shù)基礎(chǔ)（必修）一“數(shù)據(jù)與計(jì)算”模塊中“設(shè)計(jì)從A市到B市最少的旅行路線方案”教學(xué)為例，教師可以從學(xué)生熟悉的出行場(chǎng)景切人，先讓學(xué)生分享自己規(guī)劃旅行路線的經(jīng)驗(yàn)，如考慮距離、交通方式、耗時(shí)等因素，再以此類比機(jī)器學(xué)習(xí)算法的工作邏輯。此階段就如同人們規(guī)劃路線時(shí)參考以往經(jīng)驗(yàn)（數(shù)據(jù)），機(jī)器學(xué)習(xí)算法在解決此問題也會(huì)先“學(xué)習(xí)”大量從A市到B市的路線數(shù)據(jù)并從中找規(guī)律。

教師可以把Dijkstra算法類比成“問路找最優(yōu)路線”的情形，假設(shè)某人身處A市想要去B市，向當(dāng)?shù)鼐用翊蚵犌巴鵅市的具體路線，這就如同算法初始化。當(dāng)?shù)孛總€(gè)人都會(huì)告訴你附近路段的實(shí)際距離也就是邊的權(quán)重，此時(shí)你會(huì)優(yōu)先選擇離A市距離最近的中轉(zhuǎn)站，該辦法屬于貪心策略；接著，從這個(gè)中轉(zhuǎn)站繼續(xù)去打聽下一段的路線，即進(jìn)行迭代計(jì)算，直至找到到達(dá)B市的最短路徑也就是算法終止。借助這樣的類比方式，學(xué)生能夠理解算法“逐步逼近最優(yōu)解”的核心思想，而無需一開始就陷入復(fù)雜的公式推導(dǎo)過程。此時(shí)，教師可結(jié)合教材中“數(shù)據(jù)與信息”的概念，向?qū)W生說明路線距離、交通方式等原始數(shù)據(jù)是如何被算法轉(zhuǎn)化為“最優(yōu)路線”這一有效信息的，從而讓學(xué)生初步感知機(jī)器學(xué)習(xí)中“數(shù)據(jù)-模型-結(jié)果”的基本鏈條，理解機(jī)器學(xué)習(xí)解決問題的基本思路，為后續(xù)的深入學(xué)習(xí)打下直觀認(rèn)知基礎(chǔ)。

（二）實(shí)踐階段：拆解復(fù)雜問題實(shí)施，規(guī)范項(xiàng)目完整操作

實(shí)踐階段是讓知識(shí)實(shí)現(xiàn)內(nèi)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其核心點(diǎn)在于培養(yǎng)學(xué)生的項(xiàng)目實(shí)施能力[5。依據(jù)問題解決理論，復(fù)雜問題的解決需要經(jīng)歷“拆解，分析，解決，整合”的過程，將機(jī)器學(xué)習(xí)項(xiàng)目分解成若干可操作的子任務(wù)，符合學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷規(guī)律。該階段著重強(qiáng)調(diào)規(guī)范性，要讓學(xué)生掌握數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、模型選擇、結(jié)果評(píng)估等完整流程，以此培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)工程思維和操作規(guī)范。在“設(shè)計(jì)從A市到B市最少的旅行路線方案”這個(gè)項(xiàng)目里，教師可以把該項(xiàng)目拆解成四個(gè)子任務(wù)來引導(dǎo)學(xué)生按規(guī)范流程操作，如圖1所示。

收集：途經(jīng)城市、交通方式、距離/耗時(shí)數(shù)據(jù)收集與建模O結(jié)構(gòu)化：用鄰接矩陣/表（依教材“圖結(jié)構(gòu)”）補(bǔ)全遺漏數(shù)據(jù)（查API/估算）數(shù)據(jù)預(yù)處理標(biāo)準(zhǔn)化單位（公里/小時(shí)，對(duì)應(yīng)“數(shù)據(jù)清洗”）A市到B市最短路線方案項(xiàng)目拆解○算法選擇與實(shí)現(xiàn) 選ra（配（字典存儲(chǔ)+循環(huán)）用已知路線測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證與優(yōu)化修正偏差（補(bǔ)數(shù)據(jù)/改代碼）

項(xiàng)目實(shí)施首先圍繞“數(shù)據(jù)收集與建模”這一環(huán)節(jié)。學(xué)生要去收集從A市到B市的交通網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，其中涵蓋途經(jīng)城市（節(jié)點(diǎn)）、城市間的交通方式（公路、鐵路等），以及對(duì)應(yīng)的距離或者耗時(shí)（邊的權(quán)重），并且需參照教材中“圖結(jié)構(gòu)”的知識(shí)點(diǎn)，采用鄰接矩陣或者鄰接表把上述信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，如用表格記錄“起點(diǎn)-終點(diǎn)-距離”等內(nèi)容。隨后，開展“數(shù)據(jù)預(yù)處理”工作。此時(shí)，學(xué)生要檢查數(shù)據(jù)的完整性，如查看是否存在遺漏的路段信息，要是存在缺失值，可通過查詢地圖API或者進(jìn)行合理估算做補(bǔ)充。同時(shí)，還要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，統(tǒng)一距離單位，比如將距離都換算成公里、時(shí)間都換算成小時(shí)，以此避免因單位混亂影響算法精度，以對(duì)應(yīng)“數(shù)據(jù)清洗”的要求。此后，進(jìn)人“算法選擇與實(shí)現(xiàn)”。學(xué)生依據(jù)教材中所介紹的最短路徑算法，分析其適用場(chǎng)景。最后，按照教材中“程序設(shè)計(jì)的基本步驟”，先畫流程圖描述算法邏輯，再用Python語(yǔ)言編寫代碼，使用字典存儲(chǔ)城市間的距離數(shù)據(jù)，通過循環(huán)迭代來實(shí)現(xiàn)算法功能。最后實(shí)施“結(jié)果驗(yàn)證與優(yōu)化”，學(xué)生要使用已知的最短路線數(shù)據(jù)來測(cè)試程序，比如用A市到B市經(jīng)C市的已知最短距離去測(cè)試，檢查算法輸出的結(jié)果是否正確，要是結(jié)果存在偏差，就要分析具體原因，需要補(bǔ)充之后重新運(yùn)行程序。通過拆解操作，學(xué)生能夠完整地經(jīng)歷“數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，算法實(shí)現(xiàn)，結(jié)果驗(yàn)證”的項(xiàng)目流程，掌握機(jī)器學(xué)習(xí)項(xiàng)目里數(shù)據(jù)處理、模型選擇，以及結(jié)果評(píng)估的規(guī)范操作。

（三）拓展階段：引用跨學(xué)科類問題，孵化學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目

拓展階段可以助力學(xué)生打破學(xué)科之間的界限，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和綜合應(yīng)用能力。依據(jù)STEAM教育理念，跨學(xué)科學(xué)習(xí)能夠整合多學(xué)科知識(shí)，解決復(fù)雜問題，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新潛能。機(jī)器學(xué)習(xí)的本質(zhì)是依靠數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)來解決問題，其應(yīng)用場(chǎng)景本身就具備跨學(xué)科屬性。在此階段，教師需引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)不同學(xué)科中的數(shù)據(jù)問題，通過機(jī)器學(xué)習(xí)方法尋求問題的解決方案，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移與創(chuàng)新。

例如，在“設(shè)計(jì)從A市到B市最少的旅行路線方案”的項(xiàng)目里，教師可以結(jié)合地理學(xué)科和數(shù)學(xué)學(xué)科開展跨學(xué)科拓展。在地理學(xué)科方面，學(xué)生需要考慮A市到B市沿途的地形地貌（如平原、山地、河流等）對(duì)交通路線產(chǎn)生的影響，如山地路段可能車速較慢、距離雖短但耗時(shí)更長(zhǎng)，這就需要在數(shù)據(jù)中加入“地形系數(shù)”來修正距離權(quán)重。在數(shù)學(xué)學(xué)科方面，教師可引人“加權(quán)平均數(shù)”知識(shí)，解釋算法怎樣綜合距離、耗時(shí)、費(fèi)用等多因素來計(jì)算最優(yōu)路線（如給距離賦予0.4權(quán)重，耗時(shí)賦予0.6權(quán)重）。

在項(xiàng)目實(shí)施過程中，學(xué)生先組建跨學(xué)科小組，其涵蓋信息技術(shù)、地理、數(shù)學(xué)等學(xué)科。地理小組負(fù)責(zé)調(diào)研沿途地形并量化地形對(duì)交通的影響數(shù)據(jù)；數(shù)學(xué)小組負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)多因素權(quán)重，并計(jì)算相關(guān)模型；信息技術(shù)小組基于跨學(xué)科數(shù)據(jù)，需對(duì)路線算法進(jìn)行優(yōu)化。此外，學(xué)生還可結(jié)合經(jīng)濟(jì)學(xué)里成本效益分析，計(jì)算不同路線的時(shí)間成本，以及相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)成本，為旅行者提供個(gè)性化的路線方案。

通過跨學(xué)科學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠?qū)⑿畔⒓夹g(shù)算法知識(shí)與其他學(xué)科知識(shí)融會(huì)貫通。這不僅能夠深化學(xué)生對(duì)最短路徑問題的理解程度，更能培養(yǎng)學(xué)生從多維度分析問題的能力，最終幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移與應(yīng)用。

（四）評(píng)價(jià)階段：聚焦過程結(jié)果雙軌，評(píng)估項(xiàng)目質(zhì)量目標(biāo)

拓展階段開展的跨學(xué)科項(xiàng)目能夠有效培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)遷移能力和創(chuàng)新思維。學(xué)生通過參與此類項(xiàng)目實(shí)踐，不僅能夠深化對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的理解，還能夠?qū)W會(huì)從多學(xué)科視角分析問題，進(jìn)而形成個(gè)人的綜合創(chuàng)新能力。

例如，在“設(shè)計(jì)從A市到B市最少的旅行路線方案”的項(xiàng)目結(jié)束后，教師可觀察學(xué)生在數(shù)據(jù)收集階段是否能全面考慮各種影響因素，觀察學(xué)生在小組討論中是否能清晰表達(dá)自己的想法并傾聽他人意見，觀察學(xué)生在算法實(shí)現(xiàn)遇到困難時(shí)，是否能主動(dòng)查閱教材或?qū)で髱椭Ｆ陂g，教師可通過課堂觀察記錄、小組合作日志、學(xué)生反思報(bào)告等方式收集過程性證據(jù)。結(jié)果性評(píng)價(jià)則聚焦于學(xué)生項(xiàng)目成果的質(zhì)量，考察內(nèi)容如表1所示。

表1A市到B市最短路線方案項(xiàng)目結(jié)果性評(píng)價(jià)考察方案

將過程性評(píng)價(jià)和結(jié)果性評(píng)價(jià)結(jié)合起來，既可以看到學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施期間的成長(zhǎng)過程，又能夠客觀評(píng)估項(xiàng)目成果的質(zhì)量水平。這種雙軌評(píng)價(jià)方式能夠全面反映學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，引導(dǎo)學(xué)生不只是關(guān)注最終達(dá)成的結(jié)果，更加重視在實(shí)踐過程當(dāng)中的探索與提升。

四、結(jié)束語(yǔ)

隨著智能時(shí)代的發(fā)展，人工智能越來越多地被應(yīng)用在人們生活的方方面面。以機(jī)器學(xué)習(xí)項(xiàng)自驅(qū)動(dòng)教學(xué)為高中信息技術(shù)教學(xué)注人了新的活力，有效回應(yīng)了人工智能時(shí)代對(duì)教學(xué)內(nèi)容、模式、方法的革新要求。未來，教師需進(jìn)一步開發(fā)更多貼合高中教學(xué)實(shí)際的機(jī)器學(xué)習(xí)項(xiàng)目資源，優(yōu)化跨學(xué)科協(xié)同機(jī)制，使項(xiàng)自驅(qū)動(dòng)教學(xué)真正成為連接課堂與智能時(shí)代的橋梁，以培養(yǎng)具備信息素養(yǎng)與創(chuàng)新能力的人才。

作者單位：王作琳甘肅省景泰縣第一中學(xué)

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