融入設計思維和跨學科理念的人工智能課程設計與實踐

姜冰倩 尹君慧 華東師范大學教育信息技術學系

人工智能技術作為新一輪技術和產業革命的重要驅動力，正在深刻改變社會的生產、生活及學習方式。在我國以創新驅動高質量社會發展的國家建設戰略指導下，在中小學開設人工智能教育、提升青少年智能素養，成為普及公民數字化勝任力、儲備創新型人才的重要內容。作為融入數字社會的新興技術，人工智能技術涉及物理、數學、信息科學、認知心理學等多個學科領域，是跨學科學習開展的重要內容平臺。但當前的中小學人工智能課程，存在將教學窄化為編程教育、缺乏與實際應用場景結合等問題，無法真正實現對人工智能技術理解與智能素養的形成，為學生建構有意義的學習。因此，筆者嘗試在人工智能課程中引入設計思維方法，以配合智能硬件開發的真實項目為載體，引導學生開展有目的的實踐和探究，促進核心素養的形成與發展。

●設計思維與跨學科理念支持下的人工智能教學

1.跨學科學習促進有效人工智能學習的產生

跨學科學習融合多學科知識與方法，指向真實的生活情境與問題，是一種建構有意義學習、實現素養導向教學的有效學習方式。人工智能本身就涉及多個學科領域，跨學科學習能夠使學生更全面地理解人工智能的本質和應用。同時，由于智能技術與數字社會的高度融合，所指向的學習問題往往真實且復雜，無法通過孤立的知識或技能予以解決。因此，在中小學人工智能教學中引入跨學科的教學理念，從真實的智能技術應用場景中生成具體的跨學科問題，從而進一步凝練人工智能學習問題，既符合人工智能學科特點及其深度滲透社會生活的技術特點，又能夠激發學生學習興趣，促進有效、持續學習探究的產生。

2.設計思維深化人工智能學習的開展

設計思維是一種解決工程、技術設計中復雜問題的創新性方法，以實踐為導向，將問題進行分階段的定義和設計解決，具有較好的普適性、包容性，被眾多教育者作為一種教學策略整合在人工智能、創客等具有跨學科和技術融合特征的課程教學中。設計思維能夠支持學生進行學科整合的設計研究，關注指向具體需求的問題解決，在此過程中學生能夠找到自身知識技能短板，提高認知能力和決策能力，同時也可以體會作品設計中的樂趣，激發學習動機，發展創造力、溝通協作能力與問題解決能力。

●融入設計思維與跨學科理念的人工智能教學模式設計

EDIPT模型是當前教育領域使用最為廣泛的一種設計思維模型，由斯坦福大學提出，包括共情、定義、構思、原型、測試五個步驟，以“劣構問題”為起點，貫穿“主體性活動”。在設計問題的解決過程中，設計者綜合運用所學知識，學會共情、思考、創想、修正原型制品，進而實現知識遷移和知識創新，其核心強調問題解決過程中的循環迭代。而跨學科學習強調真實情境和問題的構建，在此基礎上生成具體的跨學科問題，進一步凝練分析具體的學科問題，從而逐步推進學習問題的解決和學習目標的達成。

基于此，融入設計思維和跨學科理念的人工智能教學，可以以指向具體問題或任務解決的項目化學習為驅動，以學生為中心，引導學生從真實的項目中學會識別有價值的問題，與學科知識相結合，發展學生提出問題及分析問題的能力。通過學生的自主學習和合作探究，尋找并設計問題解決方案，在完成項目設計與制作的實踐過程中應用并深化所學知識技能，進而實現學習高通路遷移，同時提升學生的團隊協作能力。以此為指導構建的教學模式如下圖所示。

融入設計思維和跨學科理念的人工智能教學模式

●設計思維和跨學科理念支持下的人工智能課程設計與實施

基于設計思維與跨學科理念，筆者結合《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）》的“人工智能初步”與“開源硬件項目設計”模塊中關于人工智能技術及應用場景剖析、人工智能應用模塊搭建、開源硬件作品設計與制作等內容要求，設計了《智能垃圾桶設計與制作》人工智能課程，引導學生以小組為單位開展創意設計和學習實踐。

1.共情—真實情境及問題下的需求分析

共情是設計思維的第一個環節，也是教學環節的起點。此階段應以真實情境及問題作為課程導入，需要學生由學習者的視角轉向真實的用戶使用視角，從實際需求的角度分析學習任務、設計學習制品。共情環節可以使學生快速進入問題解決的思維過程，同時激發學習興趣，促進持續學習的產生。

《智能垃圾桶設計與制作》課程選擇了垃圾分類這一與學生日常生活密切相關的真實情境，并從垃圾分類投放過程中存在的諸多問題入手，引起學生的“共情”。在此教學環節中，教師以明確具體的問題解決需求為目的，通過頭腦風暴的形式引發學生討論，使學生從自身生活經驗出發，思考垃圾分類投放中存在的問題，如不清楚垃圾分類的標準、垃圾桶容量太小、濕垃圾投放不便等，為后續課程中確定學習問題、設計與制作學習制品等做準備。

2.定義—人工智能關鍵問題的定義與提取

定義階段包括對課程中所要解決具體問題的明確界定，以及對其中所包含關鍵問題的設計與分析。學生基于“共情”思考發現的實際問題往往是復雜的、多元的，需要多學科的知識方法協同解決。在此階段，教師需要根據課程的教學目標對實際問題進行進一步的凝練和設計，明確界定在人工智能課堂教學中所需解決的關鍵問題，從而使教學始終圍繞課程的核心內容開展。

經過頭腦風暴環節后的智能垃圾桶需求分析，通常會呈現多樣化的功能構想，如干濕垃圾語音識別、自動開蓋、容量報警、自動行走、自動傾倒等，但從需求構想到原型設計、功能實現往往存在一定的差距，或超出學生認知水平，或與人工智能教學內容脫離，無法在課堂環境中實現?；诖?，教師需要在教學中提供必要的學習干預，在諸多功能需求的基礎上幫助學生梳理出具有共性的、聚焦課程教學目標的內容，形成課程所需解決的關鍵問題。在本課程的授課中，教師結合學生的能力達成情況，總結整理各小組提出的共性問題—智能垃圾桶的自動開蓋及容量報警功能作為課程所需解決的關鍵問題，開展人工智能及相關內容學習及項目設計推進。

3.構思—問題解決方案的設計與構想

在確定所需解決的關鍵問題后，需要構想可能的問題解決方案，并通過對比分析選擇最佳解決方案。此過程引導學生從問題設計解決的角度，對所需完成的任務開展學習探究，設計可行的技術路線，并應用所學知識對不同技術路線的可行性進行分析、類比、抽象等?！皹嬎肌笔且粋€對知識與技術方法整合應用的環節，既需要學生能夠準確理解并合理應用所學知識方法，建立已有認知之間的關聯，也需要調用高階認知策略對項目方案進行綜合評估，培養創造性思維、批判性思維以及設計規劃能力、溝通協作能力等，是從跨學科問題轉向具體問題解決的關鍵環節。

在實現智能垃圾桶功能設計的學習探究中，教師會以“為了解決××關鍵問題，你們小組需要使用××技術設計××”等問題支架，引導學生構思智能垃圾桶具體功能可能的實現方案，再次明確核心學習問題。例如，為了解決垃圾桶自動開蓋的功能，除了掌握舵機的正確使用方法外，還需選擇合適的判斷條件：可以采用語音識別功能，調用人工智能算法中的語音識別模塊實現關鍵字的識別控制；或使用熱運動傳感器，感應有人靠近時實現垃圾桶的自動開合?；诮處煹膯栴}引導與自己的方案設計，學生需要對不同的問題解決方案從功能分析、創新點、可行性等角度進行綜合對比，從而確定智能垃圾桶功能實現的最佳技術方案。

4.原型—技術融合的學習制品設計與構建

原型階段包括原型設計和原型構建兩個主要環節，此過程不僅是對人工智能學習中具體學習任務的設計落實，同時也是建構學生對人工智能知識、技術、技能綜合應用的認知過程。在原型設計與構建階段，學生在具體的學習制品設計與構建過程中展開探索，通過完成表現性學習任務產生深度學習。這是對人工智能學習內容及問題解決方法的實踐，能夠有效促進學生核心素養的發展。

在智能垃圾桶原型的設計與制作過程中，需要綜合應用人工智能、開源硬件相關的知識技能。首先，各小組在確定智能垃圾桶的設計方案后，要通過繪制草圖明確智能垃圾桶的外觀造型；其次，明確功能設計所需的材料清單及構建流程，通過流程圖的形式梳理智能垃圾桶的工作過程，確定每一個功能實現所需選用的智能硬件及配合的代碼編寫，并規劃完成外觀制作的技術條件；最后，學生分工合作，完成智能垃圾桶外觀設計，利用3D打印或激光切割技術完成桶身制作，同時將控制垃圾桶開合、感應等相關功能的傳感器、控制器、執行器合理地放置于制作的垃圾桶外殼上，并完成相應的控制代碼編寫。

5.測試—學習制品的功能測試與迭代優化

測試環節不僅包括對制品功能的測試，還包括在測試完成后的評估及迭代優化。此環節與原型設計構建環節是螺旋交叉的，在原型設計與制作過程中，需要進行反復測試、改進、完善，以產出最終的學習作品。此環節能夠有效提升學生對問題的解釋分析能力和實施驗證能力，是從人工智能學習問題解決向真實場景中智能技術應用的遷移。

在實際教學中，智能垃圾桶的測試環節是學生對小組學習成果檢驗及反思的關鍵環節。一方面，需要對智能垃圾桶的造型進行測試，如桶身結構是否穩定、傳感器放置是否合理、連桿部位能否順利實現垃圾桶開合等；另一方面，需要檢測預設功能的達成情況，如人工智能算法調用是否正確、程序編寫邏輯是否合理等。此過程學生需要對遇到的問題進行調整與迭代，這是完整學習制品的輸出與反思總結。同時，測試完成后的作品展示與分享交流，也是重要的教學組成部分。在課程實施過程中，筆者設計了明確的智能垃圾桶評價方案，包括智能垃圾桶設計的美觀性、實用性、創新性，并強調了對功能實現多樣性、技術路線合理性、程序算法準確性等人工智能技術方面的評價要素，指導學生開展小組自評與組間互評。通過展示交流及評價活動，引導學生對人工智能項目設計制作中所學習的知識與技能進行總結，了解他人觀點，拓展設計思路，并對本小組作品設計進行反思，從“共情”角度進一步考慮項目可能的迭代優化方案，發展學生的批判性思維，形成設計思維閉環。

●思考與總結

在中小學逐步推廣實施人工智能教學的當下，教師應嘗試探索新的教學理念，豐富教學模式，以真實的學習問題促進學生有意義學習的產生，從而真正培養學生運用智能技術適應智能社會的能力。本課程的設計嘗試解決當前人工智能教學過分關注人工智能技術算法本身、以抽象理論或編程教學為主、缺乏學科核心實踐等問題，在中學的教學實踐中獲得了積極的反饋。在設計思維支持下，通過真實場景中的項目化作品創作實踐，有效提高了學生的人工智能技術應用能力，學生的學習參與度、完成度與作品創新性較高，驗證了此模式在人工智能教學中的有效性。后續研究將應用該模式進行行動研究，在實踐中不斷調整完善，進一步推進中小學人工智能教學的開展，促進數字社會青少年智能素養培養。