基于學科融合的人工智能品質課堂教學實踐與研究

鄭旭淳 黎清萬 廣東省東莞市第六高級中學

●引言

隨著信息技術學科核心素養的確立、基礎教育階段人工智能教育課程標準（參考）的擬定，以及國家《新一代人工智能發展規劃》的出臺，基于學科核心素養培養的中小學人工智能教育逐步得到重視。人工智能課程對推動我國信息技術教育的發展、幫助學生適應未來智能時代的生活具有至關重要的作用。

但長期以來，人工智能教育更偏向于技能培養，使得我國智能人才培養的路徑更偏向于培養計算機操作工，這種現象迫切需要得到糾正。立德樹人的教育目標如何落到實處？品質教育的教育理念如何變為現實？人工智能教育如何培養學生的信息素養？上述問題是人工智能課程實施中比較突出和集中的問題。筆者認為，面向未來的人工智能學習不應局限于知識傳授，而應注重培育素養，這樣才能促進知識的應用與遷移，引導學生成為真正能應用好人工智能技術的人才。而未來，人工智能將成為改變人類生活的重要方式，因此，人工智能課程的開發與教學普及任重而道遠。

● 探索基于核心素養的人工智能品質課堂模式

隨著大數據分析、人工智能技術的迅猛發展及其與基礎教育的不斷融合創新，“人工智能+教育”已然成為中國基礎教育領域變革與發展的新方向。國務院2017年發布的《新一代人工智能發展規劃》中提到：“在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育，建設和完善人工智能科普基礎設施。”《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）》中，將《人工智能初步》設置為普通高中選擇性必修課程。綜上可知，基礎教育階段的人工智能教育需與高等教育階段的人工智能教育有效銜接，未來教育的發展和社會的進步要求系統培育人工智能方面的人才。

因此，筆者所在學科組以全面提升學生的人工智能素養為目標，遵循“跨學科融合”“校本特色”“生活化視角”等原則，精心打磨“AI+學科融合”課程資源，探索、實踐和豐富“AI+學科融合”課程教學，落實立德樹人，形成了基于核心素養和人工智能平臺等多技術支撐的人工智能品質課堂模式雛形（如下頁圖1）。

圖1

● 在“AI+學科融合”理念下開展課程規劃

《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）》中指出，基于真實情境的項目學習能促進學生信息素養的形成，有利于推動“立德樹人”根本任務的落實。因此，在“AI+學科融合”的理念下，筆者所在學科組基于人工智能平臺和ITtools教學平臺，利用智能機器人和平板電腦，以項目學習活動為途徑，在項目學習中打破學科領域邊界，并把多學科內容交叉融合形成有機整體，注重過程實踐，創新多樣教學策略，實施教學活動，激發學生利用人工智能技術解決問題的興趣，提升跨學科學習能力和信息素養。

進入21世紀，以人工智能等科技為主導，以校園為依托，開發、利用植物資源，是“人工智能+生物”課程實踐的可行思路之一；結合文本分類技術，分析四大名著，是“人工智能+語文”課程實踐的可行思路之一；結合聲紋技術，聽聲辨人，是“人工智能+音樂”課程實踐的可行思路之一；結合人臉識別技術，是“人工智能+美術”課程實踐的可行思路之一。為此，筆者所在學科組開發了“AI+學科融合”課程（如表1），提供真實的有挑戰、有意義的任務情境，著眼于學生的興趣愛好，利用中學生思維活躍、樂于動手的學習特點，引導學生動手實現系統和機器人的開發與制作，跨學科地融合人工智能“圖像識別”“文本分類”“機器學習（監督學習）”“聲紋識別”“人臉識別”技術及相關概念，并進行教學實踐與研究，旨在培養學生利用人工智能開發各類資源的興趣和能力，培育學科核心素養。

表1 “AI+學科融合”課程內容規劃

● 基于學科融合的人工智能品質課堂教學實踐與研究

在建構主義教學理論的指導下，在“AI+學科融合”課程的探索中，筆者所在學科組提煉出了在教學中基于學科核心素養，跨學科融合，以教學目標為依據，以項目活動為路徑，以評價導向為手段，從多個層面促進學生全面發展的教學實施模式。下面，以“室內植物識別”項目為例闡述實踐研究過程。

1.以教學目標為依據，明確學科核心素養的培養維度

在“室內植物識別”項目中，教師通過體驗和示例講解，引出圖像識別技術和植物分類的意義及方式，再引導學生結合學習單中“學習工具卡”和“學習資料卡”等學習支架，利用“機器識別”探究實驗，實現能夠識別3種室內植物的機器識別系統，激發學生利用人工智能技術解決問題的興趣，滲透學科核心素養，提升跨學科學習能力。本項目的教學目標對應的學科核心素養培養維度如下頁圖2所示。

圖2

2.以項目活動為途徑，促進學科核心素養的培育

在“AI+學科融合”課程中，圍繞教學目標和教學內容，筆者所在團隊通過設置多個問題情境和探究活動，以項目活動為途徑，以“情境創設—知識儲備—探究實踐—成果交流—評價總結”為線索，讓學生在具體的活動探究中思考問題、解決問題，完成學習任務，達到學習目標，促進學科核心素養的培育。“室內植物識別”項目的詳細教學過程如下。

（1）情境創設，引出主題

以真實問題引入：學校正在積極創建東莞市品牌學校，近期給每位教師發了一盆室內植物，用于美化辦公環境，但很多教師對室內植物的知識、分類及意義一知半解。由此引出主題：為了進行室內植物識別模塊的開發，需要了解什么是圖像識別技術？值得納入室內植物智能化資源庫的植物有哪些？“機器識別”實驗如何操作？

布置本節課學習任務：利用所學知識和平板，對室內植物進行訓練和驗證，解決問題。

（2）知識儲備，原理學習

展示一張“鳶尾花”的圖片，提問：這是什么花？接著使用機器人的“識花”功能，識別并報出“鳶尾花”的結果，激發學生學習興趣。以人類識別鳶尾花的過程類比，講解機器人識花的過程和原理，引出“圖像識別”“分類器”“特征”和“特征提取”等概念，組織學生判斷“人類識花”的步驟排序是否正確，并類比“人類識花”，解密機器圖像識別的基本流程，理解特征、分類器的概念。借助微課學習植物分類的方法和意義，引導學生理解AI在植物分類方面的應用。

（3）探究實踐，學以致用

明確任務目標和要求，同時讓學生明確實驗過程中需要填寫的實驗結果表格，記錄兩次實驗的采集樣本數量、識別率和準確程度，通過實驗分析和小組討論，總結出識別率與識別結果受到哪些因素的影響。教師提供《機器識別 實驗操作》微課供部分學生學習，并巡堂給予指導，記錄每個小組的完成情況。

通過項目設計與實踐，引導學生結合學習單中“學習工具卡”和“學習資料卡”等學習支架，利用“機器識別”探究實驗，實現能夠識別3～6種室內植物的機器識別系統，激發學生利用人工智能技術解決問題的興趣，并在此過程中，能夠調用植物分類的相關知識，提升跨學科學習能力。

（4）成果交流，應用分享

根據各小組的完成情況，選擇具有代表性的小組上臺展示實驗結果，小組匯報員對實驗過程和實驗數據分析進行說明。教師總結出識別率與識別結果受到哪些因素的影響，接著對每個小組的匯報進行點評，引導學生理解干擾物、特征、距離和光線等因素對樣本采集、識別結果的影響。

（5）評價總結，拓展延伸

回顧機器人識花的過程，提煉出機器學習的過程（采集—訓練—驗證），對本項目使用到的工具、方法進行小結，提升信息素養，同時引導學生使用東莞慧教育平臺繼續深入學習人工智能方面的知識，滲透終身學習的教育理念。

3.以評價導向為手段，檢驗學科核心素養的達成效果

教師在評價時，以學生的課堂表現為基礎，注重評價對學生行為和動機的引導作用，關注學習過程。在教學中，教師可以通過運用多種評價手段，將自我評價和小組評價相結合，以評價導向為手段，檢驗學生學習成果，從側面檢驗學科核心素養的達成效果。

在“AI+學科融合”課程中，過程性評價包括自我評價和小組評價，通過提供學習評價表（如表2），引導學生完成學習評價。總結性評價則由教師進行評價，借助ITTOOLS教學平臺，利用ITTOOLS實時反饋進行終結性評價。

表2 學習評價表

● 總結反思

1.人工智能課程教師的角色轉變

建構主義教學理論指出，促進學生全面發展，應做到“項目為主線、教師為引導、學生為主體”，在“AI+學科融合”課程中，授課教師在催化劑、顧問、連接者和協作者這幾種角色中自如地切換，這是人工智能課程對授課教師提出的新要求，也是課堂改革與創新轉變教師角色的新思路。

2.學習資源重組，探索翻轉課堂，加強學科融合

興趣和內在動機才是創造力和長期堅持的關鍵，教育不是灌滿一桶水，而是點燃一把火。在“AI+學科融合”課程的導入上，筆者所在團隊立足學生興趣點，以“人機互動”體驗導入，激發學生的學習興趣；在“AI+學科融合”課程的形式上，利用翻轉課堂優勢，發揮學生自主學習的積極性；在“AI+學科融合”課程的平臺上，使用AI教學工具和實驗平臺，引導學生結合課程學習單，基于真實的項目任務情境，利用跨學科知識，分工與合作完成探究實踐任務，促進核心素養的培育。

通過對系列化的人工智能課堂教學實踐和教學分析，筆者發現，雖然高中生身邊存在著眾多的智能工具，但他們很少理解其原理或主動進行深入研究，通過“AI+學科融合”課程的學習，明顯提高了學生對人工智能的好奇心和求知欲，教學評價數據的分析也凸顯了學生在人工智能領域認知層次方面的顯著提升。這也是建構主義提倡的以學生為中心進行教學，個體學習過程是學習者以自己的方式構建事物的意義。