新課標視域下義務教育階段人工智能課程主題式教學探索
——以“自然語言處理”為例

范 潔

(北京市大興區教師進修學校，北京，102600)

一、引言

2017年7月，《國務院關于印發新一代人工智能發展規劃的通知》提出要把在中小學推行人工智能、普及人工智能知識作為推動我國人工智能發展的一項重要保障措施。[1]《普通高中信息技術課程標準(2017年版 2020年修訂)》指出，《人工智能初步》作為選擇性必修模塊進入高中課程內容。[2]《義務教育信息科技課程標準(2022年版)》(以下簡稱信息科技課程標準)指出，人工智能成為義務教育信息科技課程知識體系中六條邏輯主線之一，“人工智能與智慧社會”設定為第四學段(七至九年級)的內容模塊。[3]這些信息技術(信息科技)課程標準進一步明確了在中小學開展人工智能教育的必要性。

在一系列國家政策和課程標準的指引下，人工智能教育在我國基礎教育領域被按下“加速鍵”，國內教研單位、企業、學校和課外培訓機構相繼推出各具特色的人工智能課程。這些課程，在定位、內容、開發思路和受眾群體上各有不同，極大地豐富了教學資源，加速了人工智能課程在中小學的落地實施。技術快速迭代發展，給人工智能課程教學帶來挑戰，如“學習人工智能讓學生獲得什么”“如何選擇適切的技術和學生感興趣的應用場景”“怎樣更高效地組織教學”“哪種學習方式更適合學生”等問題需要研究解決。以人工智能知識為載體，培養學生計算思維能力，促進學生數字素養與技能的提升是當前義務教育階段人工智能教學實踐的應然形態。

二、主題視角下的義務教育階段人工智能課程

作為當前研究熱點，人工智能涉及計算機科學、控制論、信息論、神經心理學、哲學及語言學等多個學科知識。結合學生的認知能力和水平，在義務教育階段開設人工智能課程側重普及教育，讓學生了解人工智能的基本知識、感受人工智能對人類社會的積極影響，培養學生成為適應智能化社會的合格公民。[4]

主題是學生能夠主動參與的、有情境的復雜問題。[5]主題式教學是圍繞某一主題構建學習單元，讓學生借助各種探究手段和活動及與主題相關的各類資源，使學生認知發生遷移，提高其高階思維能力及主動探究精神的有效教學方式。[6]義務教育階段人工智能課程(以下簡稱人工智能課程)具有普及性和開放性，適合開展主題式教學。在主題統領下，結合真實情境多角度挖掘與主題相關的內容，以問題探究和項目實踐為驅動，促進學生在實踐中感悟和理解人工智能知識，拓展學生學習的廣度和深度。

信息科技課程標準對中小學生學習人工智能提出了具體學業要求，如表1所示。[3]從表述可以看出，人工智能在生活中的應用是中小學生與智能社會連接的橋梁，也是展開人工智能課程主題式學習的優質載體。根據應用來劃分教學主題，能有效地提高學生學習的代入感和興趣。學生從體驗應用出發，感受人工智能的魅力；探究應用背后的技術實現，了解人工智能的原理和方法；探討應用給人類社會帶來的挑戰，提高信息意識，增強信息社會責任感。

表1 信息科技課程標準中人工智能模塊學業要求

結合當前主流的智能應用，信息科技課程標準根據人工智能技術的研究領域劃分，將教學主題設定為智能語音、計算機視覺、自然語言處理和機器學習。根據研究領域劃分主題，與學科知識的內在邏輯一致，有利于學生在知識結構化過程中實現自身學科核心素養的提升。

三、人工智能課程主題式教學案例設計

參考信息科技課程標準的內容要求，本研究面向六、七年級學生開設人工智能課程，設計了四個主題：“智能語音”(六年級，8課時)，在信息科技課程中實施； “計算機視覺”“自然語言處理”和“機器學習”(七年級，共24課時)，在信息科技和校本課程中實施。每個主題聚焦一個技術研究的核心領域，以“應用體驗—原理探究—項目實踐”為路徑展開學習活動，整體設計如表2所示。

表2 人工智能課程主題式教學整體設計

下面以“自然語言處理”主題為例，以信息科技課程標準中提出的課程內容和學業要求為依據，從分析主題學習內容、設定教學目標、設計學習任務、細化活動方案和評價學習效果五個方面探索如何開展主題式教學。

(一)梳理技術任務框架，分析主題學習內容

從理論上說，人工智能可分為運算智能、感知智能、認知智能和創造智能。[7]自然語言處理(Natural Language Processing，NLP)屬于認知智能層次，被譽為人工智能皇冠上的明珠，主要研究人與計算機之間使用自然語言進行溝通與交流的各種理論和方法。自然語言處理技術任務框架，如圖1所示。生活中常見的機器人客服、搜索引擎、在線翻譯、新聞自動寫作等都屬于自然語言處理技術的典型應用。

圖1 自然語言處理技術任務框架

信息科技課程標準指出，課程內容應同時注重科學原理與實踐應用。[3]對應自然語言處理技術的任務框架，“自然語言處理”主題的學習內容聚焦在三個方面：體驗自然語言處理技術的應用；了解基本概念、基本原理，探究基礎技術和核心技術的實現方法；運用技術解決生活中的實際問題。

(二)以學科核心素養為導向，設定主題教學目標

主題教學目標的設定建立在學科核心素養的特征和內涵之上，且每個活動環節均有明確的學習目標和素養培養目標。在“自然語言處理”主題中，主題教學目標采用遞進式設計，隨著體驗、探究和實踐相關活動的開展，逐步深化學生對原理的認知，提升學生學科思維水平和運用信息科技手段解決實際問題的能力，如表3所示。

表3 “自然語言處理”主題教學目標

續表

(三)以真實完整的任務為載體，設計學習任務群

以真實完整的任務為載體，設計特征多樣化、難度遞增的系列任務，并推動學習與評價的一體化，借助任務序列促進學習的遷移。[8]圍繞“自然語言處理”主題，設計的學習任務群如圖2所示。

(四)分解學習任務，細化活動方案

以下給出“自然語言處理”主題下的一個學習活動案例——“機器翻譯”，如表4所示。

圖2 “自然語言處理”主題學習任務

表4 “機器翻譯”學習活動方案

(五)運用多元化評價方式，評價學習效果

在“自然語言處理”主題教學中，采用多元化方式評價學習效果。針對不同活動環節設計相應的評價指標，并開展自評、互評和師評，將形成性評價與總結性評價有機結合起來，如表5所示。

表5 “自然語言處理”主題評價量規

四、實踐中取得的成效

本研究選取了兩所九年一貫制學校的六、七年級學生展開教學實踐。在主題統領下，學生依托豐富的資源，在真實情境中進行自主探究學習，完成了信息科技課程標準“模塊9 人工智能與智能社會”的內容要求和學業要求。實踐結果表明，主題式教學模式的應用在人工智能課程教學中取得了一定的成效。

(一)促進了學科核心素養培養目標的達成

信息科技課程標準指出，應使學生“初步具備應用信息科技解決問題的能力，發展計算思維”[3]，而主題式教學具有實踐性、綜合性和開放性的特點，是發展學生解決問題能力的有效途徑。例如，“自然語言處理”主題實踐環節的“同聲翻譯機器人”項目，源于真實的生活情境，能有效地激發學生的興趣；實現“同聲翻譯”功能，需對問題進行分解，轉化成“識別語音輸入的中文句子”“把中文句子翻譯成英語”“朗讀翻譯后生成的英語句子”三個子任務，再分別利用語音識別、機器翻譯和語音合成等人工智能技術實現。通過項目實踐，在問題解決過程中促進學生計算思維品質的提升。

(二)提升了學生自主構建知識體系的能力

圍繞主題，把數據、算法、信息安全、系統等學科大概念投射到人工智能的應用中，形成具象表達，促進學生知識結構化構建。例如，在“自然語言處理”主題的體驗環節，通過對“在線翻譯”軟件的應用和探究，學生對數據的認知擴展到大數據，知道如何從數據中獲取知識，進一步理解數據的作用與價值。

(三)幫助學生從多角度感知人工智能對學習和生活產生的積極影響

例如，在“自然語言處理”主題中體驗“作文自動批改”應用，該應用會提供批閱報告和修改建議，如提示作文中詞匯、語法、結構等方面可能存在的問題，并提供參考例句，幫助學生提高作文寫作能力；通過對比機器與教師的批改結果，學生可以分析人工方法和人工智能方法處理相同問題的效果與效率，進而認識人工智能的特點、優勢和能力邊界。

五、結語

信息科技課程標準明確闡述了義務教育階段人工智能模塊的內容要求和學業要求，為學校解決人工智能課程“學什么”和“學到什么程度”的問題提供了依據。在“舊教材——新課標”的過渡期，探索主題式教學在人工智能課程中的應用有助于落實新課標理念，彰顯信息科技學科的育人價值。圍繞主題建構學習單元，加強了人工智能知識與學生經驗、社會實踐的聯系；通過“應用體驗—原理探究—項目實踐”進階式學習和多元化評價方式，提高了學生對人工智能的興趣和理解力，提升了學生的學科核心素養。展望未來，主題式教學必將為教師組織學生開展跨學科學習起到積極的作用。