實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅能提高學(xué)生的技術(shù)實(shí)操能力，而且能夠突破簡(jiǎn)單的技術(shù)應(yīng)用和原理知識(shí)，從實(shí)驗(yàn)觀察、數(shù)據(jù)分析、功能探究等多種角度培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維、工程思維等數(shù)字素養(yǎng)與技能。本期解碼，就讓我們深入教學(xué)一線的實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索，為信息科技新課程實(shí)施尋找新的動(dòng)力。《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》明確提出“通過(guò)不同的人工智能應(yīng)用場(chǎng)景，了解數(shù)據(jù)、算法和算力三大技術(shù)基礎(chǔ)的作用，以及搜索、推理、預(yù)測(cè)和機(jī)器學(xué)習(xí)等常見(jiàn)的人工智能實(shí)現(xiàn)方式，正確對(duì)待人工智能帶來(lái)的倫理與安全挑戰(zhàn)”。當(dāng)前的中小學(xué)人工智能教學(xué)存在兩個(gè)典型問(wèn)題：一是教學(xué)偏向簡(jiǎn)單的應(yīng)用體驗(yàn)，即調(diào)用現(xiàn)成API得出結(jié)果，導(dǎo)致學(xué)生誤以為人工智能就是函數(shù)調(diào)用，不了解其背后的原理；二是存在“認(rèn)知擬人化誤區(qū)”，錯(cuò)誤地認(rèn)為人工智能可以像人一樣思考，如“圖像識(shí)別是因?yàn)闄C(jī)器‘看懂’了圖片內(nèi)容”，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)、計(jì)算等關(guān)鍵要素的理解存在偏差。筆者針對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題，并基于“技術(shù)實(shí)驗(yàn)2探析人工智能的數(shù)據(jù)處理”的相關(guān)內(nèi)容，提煉出“基于思維培養(yǎng)的人工智能實(shí)驗(yàn)”教學(xué)思路，設(shè)計(jì)了“利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別植物實(shí)驗(yàn)”，具體教學(xué)流程如下頁(yè)圖1所示。下面，筆者以“利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別植物實(shí)驗(yàn)”為例，對(duì)開(kāi)展人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要關(guān)注的要點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)的闡述。0實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的針對(duì)性人工智能教學(xué)對(duì)環(huán)境資源有一定的依賴性，本課例中不需要物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、攝像頭、算力平臺(tái)等，只需要常規(guī)的計(jì)算機(jī)機(jī)房，然后安裝必要的第三方擴(kuò)展庫(kù)即可，筆者主要用到了TensorFlow，OpenCV、Os、Numpy、Scikit-learn等。準(zhǔn)備的重點(diǎn)是數(shù)據(jù)集的收集，即學(xué)生要以小組為單位收集連翹和迎春花圖像各30張，并分為訓(xùn)練集和測(cè)試集兩部分。對(duì)收集到的圖像做適當(dāng)處理，剪除不必要的干擾，如建筑雜物等，進(jìn)而突出該植物，并確保圖像有較高的清晰度。數(shù)據(jù)收集是實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)的核心之一，教師可以根據(jù)實(shí)際需求提前部署，由學(xué)生自行收集拷貝到機(jī)房，或者教師集中收集發(fā)放給學(xué)生。若教師收集則需要增加圖片數(shù)量，方便后續(xù)開(kāi)展對(duì)照實(shí)驗(yàn)。依據(jù)學(xué)情進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)初中生對(duì)人工智能的理解往往偏于簡(jiǎn)單，普遍覺(jué)得人工智能技術(shù)很神秘，對(duì)技術(shù)概念和技術(shù)原理的理解不足。教師可以采取“合理化情境”和“人機(jī)對(duì)比”等策略，幫助學(xué)生了解卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行植物識(shí)別的基本流程和技術(shù)原理，促進(jìn)學(xué)生梳理正確的人工智能認(rèn)知，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)水平。1.情境導(dǎo)入，引發(fā)實(shí)驗(yàn)需求①展示校園里的連翹和迎春花照片，讓學(xué)生進(jìn)行識(shí)別學(xué)習(xí)體驗(yàn)。②出示新圖片，學(xué)生回答，引導(dǎo)學(xué)生思考識(shí)別依據(jù)（如花瓣數(shù)量等）。③引出問(wèn)題：人工智能能否高效識(shí)別植物？從學(xué)生已有的植物觀察經(jīng)驗(yàn)（如花瓣數(shù)量差異）自然過(guò)渡到人工智能識(shí)別原理的探究，為后續(xù)對(duì)比機(jī)器識(shí)別建立認(rèn)知過(guò)渡，能夠有效降低學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷。④借助“形色\"APP識(shí)別植物，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生在已有的生活經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，歸納人類識(shí)別植物的基本流程和內(nèi)在邏輯，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)原理的學(xué)習(xí)做好鋪墊。2.人機(jī)對(duì)比，明晰實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)比人類視覺(jué)識(shí)別和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本工作流程，將復(fù)雜的機(jī)器學(xué)習(xí)過(guò)程轉(zhuǎn)化為可理解的認(rèn)知模型，幫助學(xué)生明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，具體內(nèi)容包括：①驗(yàn)證卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是如何模擬動(dòng)物視覺(jué)系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)和識(shí)別的；②探究卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本工作流程；③培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維與創(chuàng)新思維等。以可操作的實(shí)驗(yàn)方法來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，具體內(nèi)容包括：①引人圖片的數(shù)字化，引導(dǎo)學(xué)生探究計(jì)算機(jī)加工的本質(zhì)是“計(jì)算”；②對(duì)比人類視覺(jué)識(shí)別和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別的本質(zhì)差異，驗(yàn)證卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)如何通過(guò)卷積運(yùn)算等方法實(shí)現(xiàn)特征提取的工作原理，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)論與反思培養(yǎng)學(xué)生的批判思維，如認(rèn)識(shí)到“人工智能依賴數(shù)據(jù)而非經(jīng)驗(yàn)”、避免對(duì)人工智能能力的“神化”、消除“擬人化認(rèn)知誤區(qū)”等?；谌藱C(jī)對(duì)比，確定實(shí)驗(yàn)原理。在實(shí)驗(yàn)前，師生將人類視覺(jué)識(shí)別過(guò)程分解為“眼睛看到花一大腦提取特征—存儲(chǔ)記憶一分類識(shí)別”。通過(guò)類比，在實(shí)驗(yàn)中將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本工作過(guò)程分解為“讀取數(shù)據(jù)集一卷積計(jì)算提取特征—訓(xùn)練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型—預(yù)測(cè)分類”（如上頁(yè)圖2）。同時(shí)，利用有效的類比，在實(shí)驗(yàn)中可大幅降低人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知難度，提高實(shí)驗(yàn)效率，促進(jìn)學(xué)生對(duì)卷積原理的理解。圖1利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別植物實(shí)驗(yàn)的基本流程卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的工作原理對(duì)比理解圖表用實(shí)驗(yàn)觀察與數(shù)據(jù)分析理解模型訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)的觀察與數(shù)據(jù)分析，是本實(shí)驗(yàn)的核心部分，重在引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)數(shù)據(jù)、現(xiàn)象、結(jié)果的分析，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決的規(guī)律，形成科學(xué)的實(shí)驗(yàn)方法。1.引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的預(yù)處理通過(guò)配置圖像路徑，利用算法代碼實(shí)驗(yàn)如何進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，完成對(duì)收集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)范化處理，強(qiáng)化認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)質(zhì)量對(duì)模型訓(xùn)練的重要性。2.記錄觀察模型訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)反饋結(jié)果根據(jù)學(xué)情，本實(shí)驗(yàn)采用簡(jiǎn)單的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以降低技術(shù)難度。實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)在于探究卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工作的基本流程和原理，在實(shí)驗(yàn)中記錄、觀察、分析訓(xùn)練結(jié)果，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的《卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)記錄表》及實(shí)驗(yàn)思考（如下表），學(xué)生可以對(duì)基于深度學(xué)習(xí)的人工智能模型訓(xùn)練和算法框架形成基本認(rèn)識(shí)，理解機(jī)器可以通過(guò)“特征自動(dòng)提取”實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)的重要結(jié)論。首先，通過(guò)觀察、分析記錄的模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)程序運(yùn)行體驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，引導(dǎo)學(xué)生思考問(wèn)題，如為什么相同的程序、數(shù)據(jù)集和計(jì)算設(shè)備，多次訓(xùn)練的時(shí)間、結(jié)果卻不一樣？學(xué)生由此直觀感知到人工智能程序與傳統(tǒng)程序的確定性結(jié)論的不同，認(rèn)識(shí)到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練中存在不確定性。其次，引導(dǎo)學(xué)生思考人工智能的不確定性可能帶來(lái)人工智能幻覺(jué)、錯(cuò)誤觀點(diǎn)等倫理風(fēng)險(xiǎn)，培養(yǎng)學(xué)生正確的人工智能倫理觀念和批判性思維。再次，引導(dǎo)學(xué)生課后繼續(xù)了解導(dǎo)致不確定性的可能原因，激發(fā)學(xué)生的好奇心和求知欲，并通過(guò)“運(yùn)行代碼一記錄數(shù)據(jù)一分析結(jié)果”反復(fù)迭代，以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的實(shí)證思維。在該實(shí)驗(yàn)中，教師要引導(dǎo)學(xué)生使用不同的數(shù)據(jù)集訓(xùn)練同一個(gè)算法模型，進(jìn)而對(duì)比訓(xùn)練精度和識(shí)別精度的整體變化，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告中的利用模型識(shí)別事物的“實(shí)驗(yàn)思考1：哪些因素可能會(huì)干擾識(shí)別效果”“實(shí)驗(yàn)思考2：如何避免這些因素，提高識(shí)別效果”。最后，引導(dǎo)學(xué)生積極討論，歸納出背景、雜物、光線、拍攝角度、圖片清晰度、圖片尺寸格式是否統(tǒng)一等因素，均有可能干擾識(shí)別效果，以此建立對(duì)“數(shù)據(jù)質(zhì)量一模型表現(xiàn)”的因果關(guān)系的認(rèn)知，了解機(jī)器學(xué)習(xí)“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”的特點(diǎn)，理解數(shù)據(jù)是人工智能訓(xùn)練的基礎(chǔ)，以及數(shù)據(jù)對(duì)人工智能的發(fā)展的重要意義。3.多種、多張圖片進(jìn)行識(shí)別測(cè)試教師利用多種、多張新的迎春花、連翹圖片測(cè)試模型，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步觀察預(yù)測(cè)結(jié)果。針對(duì)出現(xiàn)的誤判情況，及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生歸納可能的原因，如除了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)本身存在的不確定性，是不是由于訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)量不足、圖片質(zhì)量不高、圖片中的花朵混亂等因素導(dǎo)致利用模型識(shí)別產(chǎn)生的誤差，為后續(xù)理解“為何人工智能需要多次、大數(shù)據(jù)量的訓(xùn)練”打下認(rèn)知基礎(chǔ)。4.通過(guò)參數(shù)調(diào)優(yōu)提升模型訓(xùn)練質(zhì)量學(xué)生在上述三個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)操作中已觀察到初始模型表現(xiàn)（如識(shí)別迎春花準(zhǔn)確率僅65%，教師由此引導(dǎo)學(xué)生思考如何提升識(shí)別準(zhǔn)確率，從而引入優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中，教師引導(dǎo)學(xué)生調(diào)整卷積核數(shù)量、神經(jīng)元數(shù)量和迭代次數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)并觀察程序運(yùn)行時(shí)間及模型性能的變化，幫助學(xué)生進(jìn)一步理解卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練過(guò)程，直觀掌握模型優(yōu)化的核心思想，培養(yǎng)學(xué)生調(diào)試優(yōu)化人工智能模型的創(chuàng)新思維和工程思維，使其學(xué)會(huì)全面地看待運(yùn)行成本與模型性能的關(guān)系，進(jìn)而為后續(xù)學(xué)習(xí)算力要素打下基礎(chǔ)。在該實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，“卷積核”“神經(jīng)元”“迭代”等概念較難理解，學(xué)生能夠簡(jiǎn)述即可，不要求細(xì)致掌握，但要把握重點(diǎn)，即讓學(xué)生通過(guò)修改體驗(yàn)，了解參數(shù)調(diào)優(yōu)是人工智能訓(xùn)練的必需過(guò)程。如果學(xué)情允許，教師可通過(guò)類比的方法來(lái)解釋這些技術(shù)概念，如將卷積核比作“管理森嚴(yán)的秘密基地”“特征提取”的觀察員，將神經(jīng)元比作“通信員”，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層的迭代次數(shù)比作“門崗數(shù)”，讓其共同完成“外來(lái)人”信息的加工、傳遞與判斷，決定是否“放行”，以故事式、通俗化的方式降低技術(shù)概念的理解門檻。5.以拓展實(shí)驗(yàn)，探索數(shù)據(jù)集的作用通過(guò)前面的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)“擴(kuò)展數(shù)據(jù)集的數(shù)量對(duì)提升識(shí)別準(zhǔn)確人工智能技術(shù)。率是否有幫助”進(jìn)行了猜想，教師這時(shí)就可以根據(jù)學(xué)情和課堂情況選擇性地開(kāi)展拓展實(shí)驗(yàn)。例如，指導(dǎo)學(xué)生將相同類別的數(shù)據(jù)集匯總起來(lái)，去掉重復(fù)數(shù)據(jù)，運(yùn)行程序，觀察運(yùn)行時(shí)間和識(shí)別準(zhǔn)確率的變化，指導(dǎo)學(xué)生探索數(shù)據(jù)集的大小會(huì)影響運(yùn)行時(shí)間和識(shí)別準(zhǔn)確率，同時(shí)提升學(xué)生積極進(jìn)行“假設(shè)-驗(yàn)證”的科學(xué)理念。6.以實(shí)驗(yàn)報(bào)告，貫穿學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)根據(jù)認(rèn)知科學(xué)和人工智能理論，人類的學(xué)習(xí)也需要構(gòu)建一個(gè)認(rèn)知閉環(huán)，即“學(xué)習(xí)材料加工-知識(shí)結(jié)論”的完整過(guò)程。在操作實(shí)驗(yàn)前、中、后，用實(shí)驗(yàn)報(bào)告貫穿學(xué)生實(shí)施過(guò)程，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、指導(dǎo)、交流與評(píng)價(jià)，尤其在最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)論來(lái)引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本工作流程、原理和特點(diǎn)，歸納數(shù)據(jù)、參數(shù)對(duì)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的影響和關(guān)鍵作用，引導(dǎo)學(xué)生理解可能影響識(shí)別準(zhǔn)確率的因素，如數(shù)據(jù)集大小、數(shù)據(jù)集質(zhì)量、參數(shù)的變化等，并進(jìn)一步分析卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)與局限性。通過(guò)討論人工智能與人類智能的異同，知曉人工智能目前存在的不足，強(qiáng)調(diào)人工智能是輔助人類發(fā)展的工具而非人類的替代品，引導(dǎo)學(xué)生批判性著待人工智能技術(shù)，在學(xué)習(xí)和生活中合理應(yīng)用結(jié)語(yǔ)在本節(jié)課中，學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)、觀察、分析，從原理層面基本了解了“數(shù)據(jù)、算法、算力”三要素中“數(shù)據(jù)”的作用，對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”和“特征自動(dòng)提取”等特點(diǎn)有了較為深刻的理解，促進(jìn)了核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綇?qiáng)調(diào)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐，淡化了編程語(yǔ)