中小學(xué)人工智能教育分學(xué)段進(jìn)階教學(xué)模式研究

李艷

【摘 要】人工智能課程逐漸走進(jìn)中小學(xué)課堂，不同學(xué)段采取什么樣的有效教學(xué)模式呢？面對(duì)這樣的問題，本研究以新時(shí)代培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維為導(dǎo)向，從中小學(xué)人工智能教育的培養(yǎng)目標(biāo)出發(fā)，分析課程內(nèi)容，重點(diǎn)構(gòu)建面向計(jì)算思維培養(yǎng)的游戲化教學(xué)、體驗(yàn)式教學(xué)、項(xiàng)目化教學(xué)三種適合不同學(xué)段逐層遞進(jìn)的人工智能教育教學(xué)模式，為促進(jìn)今后人工智能教育的有效實(shí)施與區(qū)域推廣提供參考。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算思維;人工智能;分學(xué)段;教學(xué)模式

【中圖分類號(hào)】G434? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2022）04-069-04

近年來，隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，深度學(xué)習(xí)、跨界整合、人機(jī)協(xié)同等新特性使得人工智能技術(shù)的應(yīng)用場景越來越豐富。教育界也掀起了一股“人工智能+教育”的浪潮。對(duì)于人工智能課程本身，也由原來的高校，逐漸走向中小學(xué)日常課堂。“人工智能教育從娃娃抓起”，目前全國各地教育部門都在抓緊研究中小學(xué)人工智能課程標(biāo)準(zhǔn)、課程教材，一些基礎(chǔ)好的中小學(xué)校已經(jīng)開展了人工智能課程的教學(xué)探索。在這樣的時(shí)代背景下，如何充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新等核心素養(yǎng)，如何有效開展人工智能教學(xué)成為當(dāng)前信息技術(shù)教學(xué)領(lǐng)域研究的迫切需求。

筆者在2021年上海市浦東新區(qū)55所“人工智能項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)學(xué)?！敝虚_展了中小學(xué)人工智能教學(xué)情況的調(diào)查，得出以下結(jié)論：人工智能教育尚未成為獨(dú)立的課程、義務(wù)教育階段人工智能課程以社團(tuán)拓展課型為主、教師對(duì)人工智能教學(xué)認(rèn)識(shí)程度一般和教師對(duì)人工智能教學(xué)模式與方法亟需提升。義務(wù)教育階段人工智能教學(xué)主要面向三、四年級(jí)和六、七年級(jí)的學(xué)生，怎樣設(shè)計(jì)符合他們的認(rèn)知特點(diǎn)，吸引學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的課程，也是本研究需要關(guān)注的重點(diǎn)。

中小學(xué)人工智能教育分層培養(yǎng)目標(biāo)

人工智能屬于專業(yè)性很強(qiáng)的學(xué)科領(lǐng)域，對(duì)應(yīng)很多門專業(yè)課程。中國教育科學(xué)研究院研究員儲(chǔ)朝暉認(rèn)為，在中小學(xué)階段加強(qiáng)人工智能教育，是為了讓孩子們對(duì)這種新生事物加強(qiáng)了解，培養(yǎng)一種親近感。[1]因此，本研究認(rèn)為中小學(xué)人工智能課程應(yīng)以科普、開拓眼界為基礎(chǔ)，面向計(jì)算思維培養(yǎng)，讓學(xué)生體驗(yàn)到人工智能的魅力，形成大概的知識(shí)脈絡(luò)，體驗(yàn)開發(fā)過程，在此基礎(chǔ)上幫助學(xué)生理解編程思維，進(jìn)而追求創(chuàng)意、創(chuàng)新作品的形成。

在中小學(xué)落實(shí)人工智能教育需要建立發(fā)展性思想，即人工智能教育在中小學(xué)的落實(shí)需要遵循學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，在課程建設(shè)方面要能夠建立覆蓋小學(xué)到高中的一整套完善的課程體系，在不同的階段從內(nèi)容、難度、深度等方面都要與相應(yīng)學(xué)段學(xué)生的年齡特征和知識(shí)基礎(chǔ)相匹配。人工智能課程目標(biāo)需要從操作技能訓(xùn)練轉(zhuǎn)向信息素養(yǎng)提升，重在培養(yǎng)學(xué)生的信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化實(shí)踐能力。借鑒馮艷艷[2]觀點(diǎn)，本研究歸納為：小學(xué)階段的人工智能課程重在讓學(xué)生感悟人工智能，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)人工智能的興趣，簡稱“人工智能初感知”;初中階段的人工智能課程重在讓學(xué)生體驗(yàn)人工智能，并能夠完成簡單的人工智能作品，簡稱“人工智能初體驗(yàn)”;而高中階段的人工智能課程重在讓學(xué)生初步探索人工智能，強(qiáng)調(diào)人工智能基本理念與原理的傳遞，并能夠設(shè)計(jì)出相對(duì)復(fù)雜的人工智能作品，簡稱“人工智能初創(chuàng)造”。

中小學(xué)人工智能教育教學(xué)模式

根據(jù)以上分層培養(yǎng)目標(biāo)，在教學(xué)中也要針對(duì)每個(gè)學(xué)段的學(xué)生構(gòu)建符合其認(rèn)知規(guī)律的教學(xué)模式策略，不同學(xué)段之間的教學(xué)模式也要有明顯的區(qū)分和承接。對(duì)于教學(xué)模式，我國不少學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入的研究，本研究綜合學(xué)者觀點(diǎn)認(rèn)為：對(duì)于某種特定課程的教學(xué)模式而言，首先應(yīng)明確該課程的教學(xué)目標(biāo)，然后在相關(guān)理論指導(dǎo)下圍繞教學(xué)目標(biāo)構(gòu)建相對(duì)穩(wěn)定的操作程序和結(jié)構(gòu)范式。鐘志賢教授認(rèn)為教學(xué)模式主要包含理論基礎(chǔ)、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)程序、輔助條件以及教學(xué)評(píng)價(jià)五個(gè)部分。[3]

當(dāng)前人工智能課程教學(xué)模式有很多種：情境體驗(yàn)式、游戲?qū)W習(xí)式、新知講授式、項(xiàng)目活動(dòng)式、問題解決式、設(shè)計(jì)實(shí)踐式、探究創(chuàng)新式等。本研究從當(dāng)前中小學(xué)人工智能教學(xué)現(xiàn)狀出發(fā)，以培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維為導(dǎo)向，根據(jù)不同學(xué)段學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，綜合上述教學(xué)模式的各自優(yōu)勢，按照教學(xué)模式的構(gòu)成要素，重點(diǎn)構(gòu)建以下三種有效可行的教學(xué)模式。

1.面向計(jì)算思維培養(yǎng)的游戲化教學(xué)模式

游戲的趣味性、挑戰(zhàn)性、體驗(yàn)性和交互性一直深受學(xué)生們的喜愛。我國學(xué)者尚俊杰、蔣宇、莊紹勇認(rèn)為：教育游戲可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，促進(jìn)知識(shí)的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)手眼互動(dòng)的能力，培養(yǎng)解決問題的能力，促進(jìn)情感態(tài)度價(jià)值觀的形成，創(chuàng)設(shè)探究式學(xué)習(xí)環(huán)境，提供體驗(yàn)學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，提高媒體素養(yǎng)。[4]依據(jù)教學(xué)模式的構(gòu)成要素，面向計(jì)算思維培養(yǎng)的游戲化教學(xué)模式如圖1。

游戲化教學(xué)首先要確定好學(xué)習(xí)目標(biāo)，本研究認(rèn)為游戲化教學(xué)尤其適合低齡段的學(xué)習(xí)者，在剛剛進(jìn)入人工智能教育入門階段采用。

教師在教學(xué)中將巨大的目標(biāo)分解成一個(gè)個(gè)的子目標(biāo)，即學(xué)習(xí)主題，圍繞學(xué)習(xí)主題進(jìn)行游戲設(shè)計(jì)，使學(xué)習(xí)者更容易完成游戲。在教學(xué)環(huán)節(jié)上，教師先進(jìn)行游戲情境的導(dǎo)入，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入本課學(xué)習(xí)主題，接著把教學(xué)內(nèi)容融入游戲設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，明確游戲規(guī)則。學(xué)生在游戲案例中一邊欣賞，一邊理解新知。然后是游戲的實(shí)施，也是教學(xué)中最重要的環(huán)節(jié)，學(xué)生在教師設(shè)計(jì)好的游戲任務(wù)中開展實(shí)踐、探索，教師全程參與引導(dǎo)，對(duì)出現(xiàn)的問題給予指導(dǎo)和幫助，實(shí)時(shí)調(diào)控游戲進(jìn)度，保證大多數(shù)學(xué)生完成游戲。最后是游戲評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，教師要對(duì)游戲中的學(xué)習(xí)重點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)提煉，開展學(xué)生游戲作品的交流評(píng)價(jià)。

在整個(gè)教學(xué)流程中，計(jì)算思維對(duì)于低齡學(xué)習(xí)者是初步滲透的，體現(xiàn)在對(duì)游戲理解中的初步抽象學(xué)習(xí)新知，游戲設(shè)計(jì)中的簡單概括游戲規(guī)則，實(shí)施游戲中的初步分解游戲任務(wù)、學(xué)習(xí)初步算法解決游戲問題，總結(jié)評(píng)價(jià)中的簡單概括游戲心得，初步對(duì)自己或同伴作品做出評(píng)價(jià)。

小學(xué)階段人工智能課程內(nèi)容突出科普、趣味、好玩的特點(diǎn)，吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教師可以設(shè)計(jì)如智能語音之小蝌蚪找媽媽游戲、圖像識(shí)別之識(shí)物小助手游戲、智能運(yùn)動(dòng)之機(jī)器人走迷宮游戲、語音轉(zhuǎn)寫之詩詞聽寫小達(dá)人游戲等，讓學(xué)生初步感知計(jì)算思維與編程樂趣。

2.面向計(jì)算思維培養(yǎng)的體驗(yàn)式教學(xué)模式

體驗(yàn)式學(xué)習(xí)指的是學(xué)習(xí)者親歷實(shí)踐活動(dòng)，通過自身的反思獲得新的知識(shí)、技能和態(tài)度。哈佛大學(xué)教授David Kolb提出了體驗(yàn)式學(xué)習(xí)的理論模型，包括有具體的體驗(yàn)、觀察與反思、抽象概念的形成和在新情境中檢驗(yàn)概念的意義等元素。依據(jù)教學(xué)模式的構(gòu)成要素，面向計(jì)算思維培養(yǎng)的體驗(yàn)式教學(xué)模式如圖2。

體驗(yàn)式教學(xué)需要學(xué)習(xí)者有一定的生活經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)需要一定的抽象概念能力，在新情境中檢驗(yàn)概念。

教師在教學(xué)中圍繞教學(xué)目標(biāo)，選擇學(xué)習(xí)主題，首先是生活案例的情境引入，激活學(xué)生日常的體驗(yàn)認(rèn)知，教師由此提出問題，激發(fā)學(xué)生探究本課新知。學(xué)生在教師帶領(lǐng)下結(jié)合體驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，逐步探究與理解。在實(shí)踐體驗(yàn)環(huán)節(jié)，教師可以通過問題引領(lǐng)或任務(wù)驅(qū)動(dòng)讓學(xué)生完成一個(gè)個(gè)創(chuàng)意小實(shí)驗(yàn)或小作品，遇到問題時(shí)教師及時(shí)幫助引導(dǎo)，學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)中體驗(yàn)自己設(shè)計(jì)的成效。最后的展示評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，教師展示學(xué)生的實(shí)踐作品，相互交流與評(píng)價(jià)。

在整個(gè)教學(xué)中，學(xué)生的計(jì)算思維培養(yǎng)由小學(xué)的初級(jí)階段，逐步向中級(jí)階段邁進(jìn)，從情境案例中概括、探究任務(wù)分解、作品評(píng)估能力都有所增強(qiáng)，復(fù)雜問題的抽象與通過算法解決問題的能力還在進(jìn)一步發(fā)展中。

初中階段，對(duì)于課程中“人工智能與社會(huì)”的主題內(nèi)容，教師可以帶領(lǐng)學(xué)生到人工智能場館體驗(yàn)參觀或平臺(tái)學(xué)習(xí)資源感知智能設(shè)備、智能產(chǎn)品、智能App的特色功能，如小米AI音箱、微軟的小冰聊天機(jī)器人、谷歌的智能人機(jī)交互體驗(yàn)程序猜畫小歌等。學(xué)生在親身參與中感受人工智能技術(shù)的無窮魅力。“在人工智能技術(shù)”主題方面，可以聯(lián)系生活設(shè)計(jì)門禁系統(tǒng)車牌識(shí)別，感受機(jī)器會(huì)“看”（圖像識(shí)別）;手機(jī)百度地圖軟件中的人機(jī)對(duì)話，體驗(yàn)機(jī)器會(huì)“聽”（語音識(shí)別）;機(jī)器人彈鋼琴，感受機(jī)器會(huì)“動(dòng)”（機(jī)器控制）等。

3.面向計(jì)算思維培養(yǎng)的項(xiàng)目化教學(xué)模式

項(xiàng)目化教學(xué)通過項(xiàng)目的形式，將傳統(tǒng)學(xué)科體系中的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新整合，將要掌握的知識(shí)內(nèi)容劃分為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的教學(xué)項(xiàng)目，每個(gè)教學(xué)項(xiàng)目都有一定的工作任務(wù)[5]。項(xiàng)目化教學(xué)基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，教師通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)并富有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)情境，讓學(xué)生通過獨(dú)立探究、合作討論等方式進(jìn)行學(xué)習(xí)。依據(jù)教學(xué)模式的構(gòu)成要素，面向計(jì)算思維培養(yǎng)的項(xiàng)目化教學(xué)模式如圖3。

由于項(xiàng)目化教學(xué)是一種基于探究和產(chǎn)出的教學(xué)方法，讓學(xué)習(xí)者通過應(yīng)用學(xué)科知識(shí)，解決有挑戰(zhàn)的問題，完成有意義的項(xiàng)目和開發(fā)滿足現(xiàn)實(shí)世界需要的產(chǎn)品，以投入到知識(shí)的積極建構(gòu)過程中。在教學(xué)過程中教師需要將知識(shí)模塊組織成完整的項(xiàng)目，再將項(xiàng)目拆分成不同的任務(wù)。因此，該模式對(duì)學(xué)習(xí)者的知識(shí)體系、完成任務(wù)的能力有一定的要求。

教師在教學(xué)中的項(xiàng)目設(shè)計(jì)非常重要，既要圍繞教學(xué)目標(biāo)選擇生活情境，又要統(tǒng)整單元教學(xué)知識(shí)能力要求的項(xiàng)目，設(shè)計(jì)項(xiàng)目主題，分析項(xiàng)目需求，制定項(xiàng)目方案。如果項(xiàng)目綜合性較高，教師需要將項(xiàng)目拆解成多個(gè)任務(wù)，組織新知的探究學(xué)習(xí)。學(xué)生以小組的形式，認(rèn)知、理解，分析與合作。項(xiàng)目方案的實(shí)施有的周期短，有的周期較長，教師和學(xué)生根據(jù)任務(wù)要求，層層遞進(jìn)，共同參與。學(xué)生需要具備一定的編程能力，充分發(fā)揮創(chuàng)意，完成小作品的設(shè)計(jì)。交流展示環(huán)節(jié)，學(xué)生通過自評(píng)、互評(píng)等多元評(píng)價(jià)方式相互取長補(bǔ)短。

計(jì)算思維培養(yǎng)在此階段由中級(jí)逐步向高級(jí)邁進(jìn)，學(xué)生的任務(wù)分解、抽象建模和算法思維逐步提升。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，不僅學(xué)到知識(shí)概念，更重要的是分析問題、解決問題能力的提升。

高中階段的新教材，“人工智能”教學(xué)內(nèi)容已成為必修模塊和選擇性必修內(nèi)容之一，教材編寫已采用項(xiàng)目化教學(xué)方式，有“智能工具好幫手”“創(chuàng)新園區(qū)自由行”“探索深度學(xué)習(xí)技術(shù)”等多個(gè)項(xiàng)目主題。教師在實(shí)際教學(xué)中，可以參考書本項(xiàng)目，也可以結(jié)合生活素材，如創(chuàng)建“校園智能參觀小助手”項(xiàng)目，其中有“校園植物識(shí)別”“校園智能導(dǎo)引”“校園垃圾智能分類”等不同的任務(wù)活動(dòng)，學(xué)生在活動(dòng)中既完成了創(chuàng)意作品的設(shè)計(jì)，同時(shí)也學(xué)習(xí)了“人工智能技術(shù)”主題方面的圖像識(shí)別、語音識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)等課程知識(shí)。

以上三種教學(xué)模式的共同特點(diǎn)是依據(jù)一般教學(xué)模式的構(gòu)成要素，從教師上課的基本環(huán)節(jié)出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)，區(qū)別在于教學(xué)目標(biāo)、模式類型與側(cè)重點(diǎn)不同。但三種模式又依據(jù)學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)和教學(xué)側(cè)重點(diǎn)而逐層遞進(jìn)，尤其體現(xiàn)在計(jì)算思維能力的不斷發(fā)展與進(jìn)階。當(dāng)然，三種模式與學(xué)段的對(duì)應(yīng)關(guān)系并不是絕對(duì)的，只是總體而言更適合，教師可以根據(jù)教學(xué)需求選擇運(yùn)用。

目前，上海市浦東新區(qū)已成為教育部“基于教學(xué)改革、融合信息技術(shù)的新型教與學(xué)模式”實(shí)驗(yàn)區(qū)，其中區(qū)域推進(jìn)中小學(xué)人工智能教育已成為實(shí)驗(yàn)區(qū)的重要內(nèi)容之一。本研究也在這樣的區(qū)域?qū)嶒?yàn)背景下開展具體的研究與實(shí)踐，期待后續(xù)把構(gòu)建面向計(jì)算思維培養(yǎng)的分學(xué)段三種有效教學(xué)模式，在實(shí)驗(yàn)學(xué)校的實(shí)際教學(xué)中繼續(xù)深入實(shí)踐與完善。

注： 本文系教育部“基于教學(xué)改革、融合信息技術(shù)的新型教與學(xué)模式”實(shí)驗(yàn)區(qū)研究成果之一;系上海市浦東新區(qū)教育科學(xué)研究2020年區(qū)級(jí)重點(diǎn)課題“面向計(jì)算思維培養(yǎng)的人工智能教育有效教學(xué)模式研究”（課題編號(hào)：2020A09）研究成果之一

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