學習科學視域下的中小學人工智能教學資源應用策略

林昉 福建省福州教育研究院

2017年7月國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》通知中明確提出“廣泛開展人工智能科普活動，在中小學階段設置人工智能相關課程”，隨后，全國各地陸續以試點校課程或校本特色課程等形式開展多樣化的人工智能教學實踐。在各類實踐中，教師通常會利用人工智能資源來達成或提升課程實施效果。因此，如何在人工智能教學中利用資源促進學生進行有意義的學習是筆者課題研究的主要方向。美國加州大學心理學教授理查德·E·梅耶在其專著《應用學習科學》中提出“教育的核心價值即是幫助人學習”，同時他也指出“意義學習發生于學習者在學習時進行適當認知加工的過程”，梅耶對如何進行認知加工也給出了“選擇、組織和整合”的三類有效策略，這為筆者的研究提供了可行路徑。本文將基于梅耶的學習科學理論，結合具體課例，分析中小學人工智能教學資源應用的有效策略。

●中小學人工智能教學中資源應用研究現狀

人工智能因其涉及領域較多，在目前中小學開展的各類普適性人工智能教學中往往需要各類資源來支撐教與學活動，以達成基本教學目標。截至2022年2月，筆者通過中國知網以“中小學人工智能、資源”為關鍵詞檢索出278篇相關文獻，以“中小學人工智能教學、資源”為關鍵詞檢索出59篇相關文獻。從檢索結果來看，文章大部分是圍繞人工智能教學進行實踐案例分析或對教學模式進行總結，針對教學中資源應用策略的文章鮮見。筆者以“學習科學”為關鍵詞在中國知網檢索到336條信息，其中大部分是對學習科學的理論研究，對其在基礎教育領域的實踐分析不多，相關的研究成果很少，從文獻分析上缺乏可借鑒的經驗。

在地區教學教研活動中，筆者注意到教師在實施人工智能教學時會使用大量外部資源助力課堂。從實施效果來看，這種“助力”對輔助教、促進學是有一定成效的。但教師對資源的應用如何激發意義學習，以及在學生認知加工過程中可采用哪些策略來優化學習，并沒有進行歸納和總結，更沒有理論支撐下的深入思考和研究。

●常見中小學人工智能教學資源

教學資源一般是指可用于支持教與學活動的各種軟、硬件材料。本文所界定的教學資源特指可以在各類教學終端上進行觀看或使用的數字化資源。

通過課后交流，筆者了解到在實施人工智能教學時，大部分學校并未購置專業材料，即使部分實驗（試點）校提供了指定的教學資源，也很難完全支撐教學的需要。人工智能技術發展迅速，但目前的課程體系并沒有具體的國家標準，教材選用也沒有規范指標，因此教學內容的選擇和目標的確定往往取決于實施教師，所需資源也更偏向于教師自身從互聯網上搜索到的可用數字化材料。按其教學功能，通常可分為三類：①激趣認知類資源。一般為可視化素材，如文本、表格、圖片、動畫、視頻等，教學中可用于呈現應用情境、解讀知識概念、介紹基本原理、梳理邏輯結構等。②體驗感受類資源。其中包括專業的人工智能開放平臺、智能終端APP應用、微信小程序等，學生在使用過程中了解人工智能應用領域，感受人工智能技術的魅力，形成正確的人工智能倫理道德。③實踐探究類資源。其中包括各類具有人工智能接口（如計算機視覺、機器學習、自然語言理解等）的編程軟件、開源人工智能實驗室等，學生通過實踐操作，經歷用人工智能解決問題的基本過程，初步了解人工智能技術的基本原理，規劃簡單人工智能應用的解決方案。

●中小學人工智能教學資源應用策略分析

梅耶的學習科學理論將意義學習過程中的認知加工分為選擇、組織和整合三類，同時也對應了三類加工策略來促進認知和學習。

1.合理安排，促進選擇的教學策略

“選擇”認知加工是指引導學生聚焦與課程相關的信息，通常可以通過明確學習目標、設置學習問題、學習反饋內容等，來幫助學生在學習活動中關注重點。在教學中對資源的應用可根據具體情況，合理安排使用資源前后的活動內容，促進意義學習。

2.靈活設計，便于組織的教學策略

“組織”認知加工通過對學習活動提供方向指引，幫助學生明白各活動中的關鍵信息，了解內容的基本組成和結構，以提高學生遷移能力。一般可用引言（概述）、目錄標題、層級聯系或繪制圖表等方式，促進學生把握學習活動之間的組織關系。

3.有效規劃，達成整合的教學策略

“整合”認知加工是在學習活動中將待學知識與前有知識聯系起來，幫助學生厘清知識線索，提高對知識的理解和應用能力。可采用具體先導和具體示范的方式來達成知識內化整合的目標。基于梅耶學習科學理論中的選擇、組織和整合三類認知加工策略的視角，筆者選擇中小學人工智能教學中兩節有代表性的課例，從資源應用的環節、內容、類型、意圖等方面，分析其在教學中的應用策略。

（1）《認識計算機視覺》

課例執教教師從身邊的計算機視覺應用引入，逐步分解計算機視覺涉及的關鍵概念，剖析計算機處理圖像的方式，進而通過不同的體驗來了解視覺識別的過程和基本原理。計算機視覺是通過對采集到的圖片或視頻信息進行處理來模擬人類視覺感知，因此教學中教師將計算機視覺的學習分解為對計算機對圖像處理的基本方法的了解和對視覺識別過程的簡單體驗兩大部分，并使用了多種資源來促進學生掌握相關內容（如表1）。

表1

本課例學習活動豐富，具有遞進性。對資源的應用，采用了前置問題、具體先導、具體示范等策略，能較好地促進認知的加工，但在學習活動設計中，建議能在適當環節通過“組織”的加工策略，幫助學生梳理各學習活動間的關系，小結計算機視覺的知識框架，以把握學習與體驗活動中知識的內在結構。

（2）《機器學習初探》

課例制訂了初步了解機器學習基本原理的學習目標。機器學習是人工智能的重要技術，但機器學習又是一個多學科交叉的概念，其工作原理涉及高等數學、生物神經學等多個領域，認知難度高，學生不易把握。因此，執教教師從人類學習遷移到機器學習的思路來進行學習設計，在教學資源準備上，教師在不同環節提供不同類型的資源來促進學生了解概念，認知原理（如表2）。

表2

本課例學習活動包含了“選擇、組織及整合”三類認知加工策略，從實施效果來看，建議在學習活動中適當增加對認知的“整合”加工，可以在后續課程中延伸本課的應用實踐活動，或提供一些創新應用的機會，以促進學生對人工智能中機器學習應用場景的遷移理解，更好地達成人工智能思維培養的目標。

總之，基于學習科學的認知理論，在資源應用時結合加工策略能有效降低認知負荷，提升學習收益。因此，在中小學人工智能教學中，對引入的外部資源合理規劃，靈活結合加工策略，對于內化知識、外化應用均具有一定的促進意義。