面向核心素養(yǎng)的中學生人工智能課程教學設計

郭御 單昌功

摘?要：針對現階段人工智能課程教學中存在的教學目標定位不清晰、教學規(guī)范指導不充分、教學內容主題不集中、教學邊界不明確等問題，文章基于人工智能教育教學的核心理念，并結合學生在中學學習階段的認知特征和知識結構，基于感知、認識與體驗、應用和創(chuàng)新創(chuàng)造四個層面的教學內容，設計了層次分明并逐級遞進的課程結構，以有效提升中學生信息科學技術的核心素養(yǎng)。

關鍵詞：核心素養(yǎng)；中學課程教育；人工智能；客服機器人

1?概述

為了讓學生了解人工智能相關技術和前沿發(fā)展情況，在中學階段很有必要開展相關內容的教學。人工智能課程作為是一門應用型學科，有助于增強學生智能化意識、提升學生智能應用與創(chuàng)新能力；有利于培養(yǎng)中學生人工智能核心素養(yǎng)的。相對國外來說，我國在人工智能教育教學方面起步相對較晚，目前仍然缺少相對一致的教育教學標準，這也導致教師在教學活動中難以制定教學目標。由于人工智能涉及的學科與技術相對廣泛，在教學內容上也顯得比較分散，這就導致教學知識內容的廣度和深度經常會與教學設計的目標產生偏差。最后鑒于人工智能的教育的特性，一般建議教學課程采用項目式學習的方式，這樣有利于學生能夠更好地掌握所學習的智能知識，但在項目式教學過程中存在教學的評價內容與教學目標不對應、評價由學生素養(yǎng)偏向項目結果導向、有評價結果卻沒有數據證明學生學習實效的問題。鑒于此，為培養(yǎng)中學生的人工智能學科核心素養(yǎng)，提高中學教育中人工智能課程的可理解性，并增進學生對所學人工智能知識的整體理解與橫縱遷移，需要基于我國人工智能教育相關標準，從課程目標、內容體系等方面構建面向核心素養(yǎng)的中學生人工智能課程。

2?人工智能課程

人工智能是一門包含了多個學科知識的交叉學科，涉及多個學科的知識與技術，并且學習內容也與社會生活中的智能應用息息相關。這就要求中學生的人工智能課程需要將以上內容進行整合，進而內聚成緊密關聯的特有內容結構。

同時，人工智能課程教學過程中應該體現教育性，結合人工智能技術特點，引導學生學習人工智能的基礎原理，了解人工智能學科思想與應用方法，課程內容也需要符合中學生的知識體系和學生的理解能力。人工智能課程教學過程中應該注重選擇性，即課程體系需要考慮我國各地辦學的實際水平，在確保教授人工智能基礎知識的基礎上，體現人工智能課程在生產生活中的多樣性、系統性和開放性。最后人工智能課程教學過程中應該確保連貫性，圍繞人工智能教學核心理念，確保課程內容合理滲透于中學教育階段，而且不同階段的教學內容要能夠很好地銜接，保證學生能夠循序漸進地積累知識。

教學課程的核心素養(yǎng)是學生在接受相關課程教育教學過程中學習到的知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀的綜合表現。為了便于學生更好地感受、理解和掌握人工智能的原理、方法與技能，在課程內容設計上，我們選取生活中比較典型的人工智能應用案例進行分析、講解。

3?人工智能課程設計

人工智能課程設計是參考現有信息技術課程標準和國內外人工智能教育研究最新成果，考慮中學生階段學生的認知特征和知識結構，并以項目式學習為課程的主要學習形式，以有效提升信息科技學科核心素養(yǎng)為主要目的。

3.1?面向核心素養(yǎng)的課程目標

人工智能課程設計中，以面向人工智能的核心素養(yǎng)培養(yǎng)作為課程目標。其中課程目標主要分為人工智能意識的認識、人工智能技術的應用以及實驗創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

3.2?課程內容設計

在課程內容上要遵循循序漸進的原則，同時也要兼顧知識技能和學科思維的培養(yǎng)，所以課程內容設計分為感知、認識和體驗、應用和創(chuàng)新創(chuàng)造四個階段。

3.2.1?感知

該章節(jié)重點在于帶領學生認識什么是人工智能，可以通過視頻、實物等形式讓學生感受人工智能在生活場景中的應用（如語音轉寫），體驗人工智能技術支持的人機交互。人工智能課程感知階段的目的在于引起學生對人工智能這門課程的興趣，使其能夠理解人工智能的實現方式，并能在生活中發(fā)現真實應用的人工智能技術，也為之后人工智能課程的深入學習奠定基礎。

3.2.2?認識和體驗

該章節(jié)主要是讓學生體驗真實的人工智能產品，并且在該階段也需要讓學生學習實現人工智能技術的一些底層運算，并在已有人工智能技術應用的基礎上讓學生實現人工智能場景的簡單復現。初步幫助學生學習簡單的邏輯結構，培養(yǎng)學生基于計算機的解決問題的思維方式。在搭建人工智能模型過程中，形成對人工智能系統框架結構的初步認識。在人工智能編程方面，主要以圖形化編程方式為主，這樣可以讓學生直接體驗翻譯、情緒識別、語音識別、圖像識別和神經網絡等人工智能服務和功能模塊，這樣有助于學生的工程與創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

3.2.3?應用

在人工智能應用教學階段應包括“智能控制”和“人機交互”兩個方面的教學，主要讓學生能夠使用人工智能技術，解決生活中遇到的實際問題。如利用規(guī)定巡線，讓AGV小車按照要求循跡、搬運貨物等任務。讓學生初步體驗到如何人機協同解決一些現實的問題；培養(yǎng)學生從模仿學習到自主創(chuàng)作的重要過渡。

3.2.4?創(chuàng)新創(chuàng)造

創(chuàng)新創(chuàng)造階段主要重點在于讓學生暢想未來社會人工智能將會如何發(fā)展；并讓學生利用現有的智能設備進行創(chuàng)作，獨立完成相關類似的智能產品。在這一階段，就需要將知識進行遷移應用，關聯內化，讓學生掌握人工智能的核心概念和典型特征，最終達到能夠學會選擇合適的人工智能技術、去搭建自己想要功能產品的目的。并基于已有的人工智能技術的知識和技能，運用設計思維的方法，設計出一款可以解決實際問題并具有鮮明特色的人工智能產品。

3.3?教學案例

現以“剖析智能客服機器人工作原理”為例，簡單闡述人工智能課程教學基本過程。

3.3.1?學習目標

（1）能夠通過體驗智能客服機器人，剖析智能客服機器人的工作原理和實現的技術模塊；

（2）能夠利用Python語言編程實現分詞和Jaccard相似度系數算法；

（3）能夠利用開放平臺自主設計一款智能問答機器人。

3.3.2?學習內容

（1）重點知識：剖析智能客服機器人的工作原理和實現的技術模塊；

教學策略：通過引導學生體驗智能客服機器人，并且運用問題啟發(fā)的教學方法，幫助學生層層剖析智能客服機器人的工作原理和實現的技術模塊。

（2）難點知識：利用Python語言編程實現分詞和Jaccard相似度系數算法；

教學策略：通過任務驅動引導學生對相關實例進行分詞并計算相關系數，從而理解其內涵。

3.3.3?教學過程

教學過程主要分為四個階段：情境導入、探索新知、應用拓展和總結設疑。

（1）情境導入：首先匯總人工智能產品的應用情況，通過與學生分享調研的結果，然后聚焦到智能問答機器人，將本課時的探究內容與學生的調研結果聯系起來，既可以激發(fā)學生的學習興趣，也可以引導學生對智能問答機器人進行深度的探究與學習。

（2）探索新知：針對在線體驗聯想智能客服機器人，讓學生操作、熟悉該機器人的功能、原理以及系統的設計開發(fā)。

在學生親身體驗了智能客服機器人以后，教師隨即提出機器人是如何執(zhí)行命令等問題；引導學生思考智能客服機器人的工作流程及工作原理，如圖2所示。

在探討“機器人如何做”的問題時，重點探討以下三個問題：

①機器人為什么能回答我們的問題？

②機器人答復的內容有可能保存在哪里？僅保存答復的內容是否可以？

③機器人得到一個問題，是如何進行答案匹配的？

在分析客服機器人的工作流程時，對涉及的關鍵技術點進行詳細解答，如：什么是中文分詞；如何計算Jaccard相似度等，并給出相應的例程進行展示，如圖4所示。

（3）應用拓展：通過掌握客服機器人，獨立設計一款“所答即所問”的機器人。讓學生初步體驗如何設計開發(fā)一款問答機器人，鍛煉學生利用計算思維解決實際問題的能力，也進一步幫助學生理解智能問答機器人的開發(fā)步驟及運行原理。

（4）總結設疑：通過設置的疑問，讓學生對機器人的發(fā)展進行思考。

問題1：如果機器人的感知能力遠遠超過人類，我們的世界將會變成什么樣？

問題2：當機器人有了意識后，在法律上機器人是人，還是機器？

結語

針對當前人工智能課程未成體系，未能達到中學生學習進階需求。通過厘清面向核心素養(yǎng)的課程目標，基于人工智能的核心理念，考慮中學生階段學生的認知特征和知識結構，并以項目式學習為課程的主要學習形式，提出所感知、認識與體驗、應用和創(chuàng)新創(chuàng)造四個階段課程內容設計，以有效提升信息科技學科核心素養(yǎng)。

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基金項目：國家重點研發(fā)計劃課題（批注號：2022YFB3904805）；國家自然科學基金（批準號：41775025）資助的課題

作者簡介：郭御（1990—?），女，漢族，安徽蚌埠人，碩士研究生，中學二級，研究方向：信息技術教學。

*通訊作者：單昌功（1992—?），男，漢族，安徽蚌埠人，博士，助理研究員，研究方向：環(huán)境光學。