人工智能中的算法

项目简介

项目核心问题为“如何便捷、智能地识别水果，为农民提供便利，为乡村振兴助力？”引导学生围绕核心问题，开展项目式学习活动，建构知识，提升问题解决能力。新课标提出，初中阶段要深化原理认识，鼓励学生做中学、用中学、创中学，凸显学生的主体性。本项目的学习理念为“具身体验、探究原理、提升素养”。项目实施流程及学科核心素养目标如图1 所示。

项目规划

项目源于浙江教育出版社初中《信息科技》八年级下册第8 课“人工智能中的算法”，翻阅教材发现，人工智能中的预测算法原理较难理解，回归分析缺少趣味性。因此，笔者对教材进行了二次开发，选择了人工智能算法中易理解、趣味浓、应用广的算法——K 近邻算法作为研究对象。确定真实情境项目“乡村振兴——水果识别”，围绕具身体验、图表绘制、项目探究、头脑风暴、评价拓展5 个环节，引导学生在体验创造中成长。

项目目标

体验学习 通过“猜水果、猜梨”具身体验，直观感受人类学习与机器学习的过程。

团队协作 在图表绘制环节，通过小组合作，推导算法原理与概念，提升计算思维能力。

问题解决 通过“算法实现”项目探究，了解算法的代码实现，提升计算思维能力。

责任担当 通过“算法运用”头脑风暴，让算法思想服务学习生活，培养信息社会责任。

项目实施

将算法与生活紧密联系，通过K 近邻算法的学习，让学生真切地感受到人工智能算法就在身边。

具身体验

学生通过2个具身体验的游戏（图2），围绕问题链，经历原理运用过程，直观感受、对比人类学习与机器学习的过程，寻找解决问题的思路，建构新知。

特征选取

通过第一个游戏“猜猜是什么水果”探究人类学习过程，选取水果的特征“气味”作为依据，根据以往的经验，可以判断摸的水果为橙子。

通过第二个游戏“猜猜是哪种梨”探究机器学习过程，选取梨的特征——气味、果皮、颜色、重量、大小等，根据课堂的学习，可以判断摸的梨为香梨。在第二个游戏中，放入异常值“苹果”，引发学生关于样本不在学习库的思考。

数据获取

“长宽的数据比较容易获取，能不能仅通过长、宽区分两种梨呢？”在教师的引导下，学生通过探究，获得两种梨的长、宽数据，构建模型。

图表绘制

在图表绘制环节，学生通过小组合作，从已有认知出发，用计算机科学家的思维方式分析问题，逐步推导算法概念，提升计算思维能力。

样本标注

学生在坐标系中标出梨的特征（图3），并通过梨间的距离，判断出未知梨属于哪种梨。将抽象、复杂的原理通过纸笔推算的方式形象化、简单化，强化对原理的理解。

距离计算

学生计算出未知梨与已知梨间的距离。“离未知梨最近的1个、2个、3个……分别是什么梨？”在教师的引导下，学生归纳出K 值，顺势引发相关问题思考：“K 值不同时，未知梨判定结果相同吗？ K 的取值是否有要求？”

项目探究

学生通过真实情境“ 乡村振兴——水果识别”项目探究，为模拟实验赋予现实意义，在现有认知与抽象算法之间搭建桥梁，在问题分析与解决真实项目过程中，验证前期关于梨种类的猜想，锻炼计算思维能力。

预测结果

学生借助探究单、微视频，用Python 编程实现“预测梨”项目探究，可以得到当K=3 时，未知梨属于香梨（图4），归纳出K 值的取值要求：尽量不取偶数；不超过样本数。

头脑风暴

学生通过“算法运用”头脑风暴，将所学K 近邻算法思想运用到学习生活中，成为人工智能的创新应用者，感受算法思想在古代和现代的各类运用，提升知识迁移能力。

“算法思想可以运用于生活、学习的哪些方面？”在教师的引导下，学生进行思维碰撞，激发创新思维，比如应用于信用卡欺诈检测、股票市场分析、医疗诊断……在教师“如何避免算法的不足和伦理安全问题？”的追问下，学生进行思辨交流，探索优化改进的方法。学生将所学知识用于解决真实问题的实践中，发展了信息社会责任。

项目评价

通过过程性评价“教师评价（水果奖励、作品展示）、小组互评（作品点赞）”与终结性评价（问卷星）相结合的方式，考查学生的学习状况，实现教—学—评一致，并为学有余力的学生提供“面包预测”项目、“K 均值聚类”项目拓展素材，让学生运用算法分析与解决新的问题，提升学生的知识迁移能力。课程板书小结如图5所示。