人工智能課程學(xué)習(xí)者特征分析與教學(xué)建議

石苗苗 劉峽壁 常青 袁中果 張毅

1 首都師范大學(xué)教育學(xué)院 北京 100048 2 北京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院 北京 100081 3 中國人民大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100080 4 北京教育科學(xué)研究院 北京 100036 5 北京青少年科技創(chuàng)新學(xué)院 北京 100036

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G 技術(shù)、人工智能等新技術(shù)的快速發(fā)展，教育形態(tài)正在發(fā)生深刻的變革，深度學(xué)習(xí)、人機(jī)協(xié)作、自然語言處理等技術(shù)的出現(xiàn)表明人工智能正在融合各領(lǐng)域飛速發(fā)展。2017 年7 月，國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出“在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程、逐步推廣編程教育”[1]。人工智能走進(jìn)中小學(xué)課程已成為國家發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃。現(xiàn)如今，中小學(xué)的人工智能課程體系正處于逐步探索階段，構(gòu)建適合中小學(xué)學(xué)生特點(diǎn)的課程體系尤為重要。這需要教育教學(xué)研究者與一線教師共同努力，為學(xué)生提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)環(huán)境，引導(dǎo)學(xué)生將人工智能與人們的生活結(jié)合，將充滿創(chuàng)意的智慧想法落實(shí)到課堂的具體教學(xué)與人們的實(shí)際生活中。而中等教育的課程體系中，人工智能課程現(xiàn)多以選修課的類別供感興趣的學(xué)生選擇性學(xué)習(xí)，這部分學(xué)生一般綜合素質(zhì)較高，有一定的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，能夠綜合運(yùn)用多種學(xué)科知識(shí)完成挑戰(zhàn)性任務(wù)。如何面向這部分學(xué)生進(jìn)行有針對(duì)性的學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)，選擇合適的教學(xué)方法與模式，成為人工智能課程教學(xué)和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的關(guān)鍵所在。

1 研究設(shè)計(jì)

1.1 研究目標(biāo)

本研究擬通過調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)在人工智能學(xué)習(xí)中學(xué)習(xí)行為表現(xiàn)較優(yōu)秀的學(xué)生（以下簡稱“優(yōu)等生”）的特點(diǎn)，從課程內(nèi)容、學(xué)習(xí)活動(dòng)、教學(xué)資源等方面，有針對(duì)性地研究人工智能課程教學(xué)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵要素，為教育研究者和一線教師的教學(xué)實(shí)踐提供參考和指導(dǎo)，從而更好地提升教育教學(xué)效果。

1.2 研究樣本的選取

為選取人工智能學(xué)習(xí)中具有代表性的優(yōu)等生，筆者以中國人民大學(xué)附屬中學(xué)（以下簡稱“人大附中”）高一年級(jí)選修人工智能入門課程[2]的學(xué)生作為本次調(diào)查研究的對(duì)象，因其在學(xué)校、課程、學(xué)生三方面都具有一定的代表性。首先,人大附中作為全國中等教育領(lǐng)域首個(gè)開設(shè)人工智能實(shí)驗(yàn)班的北京市重點(diǎn)中學(xué)，在人工智能師資培訓(xùn)、課程建設(shè)、人才培養(yǎng)等方面做出了積極探索。其次，人工智能入門課程是該校選修課程體系中跨學(xué)科培養(yǎng)學(xué)生人工智能素養(yǎng)的重點(diǎn)課程之一，課程基于人工智能的“六大實(shí)現(xiàn)途徑”，設(shè)計(jì)了機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、符號(hào)智能、進(jìn)化計(jì)算等教學(xué)內(nèi)容，已在北京市各中小學(xué)實(shí)施且取得顯著教學(xué)成果。最后，選修該課程的學(xué)生大部分表現(xiàn)優(yōu)秀，在一學(xué)期的課程教學(xué)中，學(xué)生的知識(shí)掌握、學(xué)習(xí)興趣、綜合素養(yǎng)都得到了顯著提升。基于這三點(diǎn)，筆者選取該班級(jí)學(xué)生作為研究對(duì)象。

1.3 研究方法

本研究采用問卷調(diào)查法來分析人工智能課程優(yōu)等生的學(xué)習(xí)者特征。問卷調(diào)查法是研究者向調(diào)查對(duì)象發(fā)放統(tǒng)一設(shè)置的問卷來獲取情況或征詢意見的調(diào)查方法。學(xué)習(xí)者特征指學(xué)習(xí)者具有的與具體學(xué)科內(nèi)容無關(guān)，但影響其學(xué)習(xí)的生理、心理和社會(huì)特征，包括學(xué)習(xí)者的年齡、性別、年級(jí)水平、認(rèn)知成熟度、智能、學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、個(gè)人對(duì)學(xué)習(xí)的期望、生活經(jīng)驗(yàn)、經(jīng)濟(jì)、文化、社會(huì)背景等因素[3]。

本研究在參考前人相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，編制了《學(xué)習(xí)者特征調(diào)查問卷》。問卷主要包括人口學(xué)信息、學(xué)習(xí)者特征兩大部分，共計(jì)24 小題。其中，人口學(xué)信息采集了學(xué)生的性別、年齡；學(xué)習(xí)者特征主要包括四個(gè)維度，采用李克特五點(diǎn)量表（從1—非常不同意到5—非常同意）分別測量人大附中優(yōu)等生在學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、學(xué)習(xí)風(fēng)格、學(xué)習(xí)習(xí)慣方面的基本情況。學(xué)習(xí)興趣量表參考Deng 等人的學(xué)習(xí)投入量表，從行為、認(rèn)知、情感、社交四個(gè)方面編制問卷，共計(jì)5 個(gè)題項(xiàng)；學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)量表參考Biggs基于學(xué)習(xí)過程SPQ 提出的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)量表，從心理滿足、就業(yè)促進(jìn)、學(xué)習(xí)成績等方面編制問卷，共計(jì)5個(gè)題項(xiàng)；學(xué)習(xí)風(fēng)格量表參考Kolb 學(xué)習(xí)風(fēng)格量表的四種風(fēng)格，圍繞具體的經(jīng)驗(yàn)、省思的觀察、抽象的概念、主動(dòng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)置4 個(gè)題項(xiàng)；學(xué)習(xí)習(xí)慣量表參考Dickinson、Black＆Deci、Benson 等人對(duì)于學(xué)習(xí)的研究，從學(xué)習(xí)準(zhǔn)備狀態(tài)、學(xué)習(xí)能力、自主學(xué)習(xí)行為三個(gè)方面編制問卷，共計(jì)8 個(gè)題項(xiàng)。

2 優(yōu)等生的學(xué)習(xí)特征調(diào)查結(jié)果與分析

研究采用目的抽樣的方式進(jìn)行問卷調(diào)查，針對(duì)人大附中人工智能入門選修課程的學(xué)生進(jìn)行線上發(fā)放問卷，回收有效問卷13 份，其中男生11 名，女生2 名。通過SPSS Statistics 26 工具進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，該問卷的信度系數(shù)α=0.878，說明該問卷的整體信度非常好，能夠用于測量研究對(duì)象的學(xué)習(xí)特征。問卷在學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、學(xué)習(xí)風(fēng)格和學(xué)習(xí)習(xí)慣的調(diào)查結(jié)果如表1 所示，其中超過一題的二級(jí)指標(biāo)后選取各題的平均數(shù)作統(tǒng)計(jì)。

表1 學(xué)習(xí)特征分析

結(jié)果表明，優(yōu)等生學(xué)習(xí)具有以下特點(diǎn)。

2.1 學(xué)生對(duì)人工智能課程的學(xué)習(xí)興趣濃厚

具體表現(xiàn)在四個(gè)方面：在行為上，學(xué)生熱愛探索未知世界且相信自己的探究能力，當(dāng)面對(duì)未知的問題時(shí)，他們勇于探索問題背后的原因，并積極尋找解決問題的方法；在認(rèn)知上，學(xué)生普遍認(rèn)為，人工智能對(duì)于人們的生活有很大影響；在情感上，絕大多數(shù)的學(xué)生認(rèn)為雖然在學(xué)習(xí)的過程中可能會(huì)遇到挫折，產(chǎn)生短暫的消極情緒，但是在完成整個(gè)階段的學(xué)習(xí)后，學(xué)生普遍認(rèn)為人工智能課程非常有趣；在社交上，七成以上的學(xué)生喜歡小組合作探究的學(xué)習(xí)模式，認(rèn)為小組合作學(xué)習(xí)能夠提高他們學(xué)習(xí)的積極性。

2.2 學(xué)生對(duì)人工智能的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)呈現(xiàn)多元化特征

表層動(dòng)機(jī)、深層動(dòng)機(jī)和成就動(dòng)機(jī)都促使優(yōu)等生積極參與人工智能的學(xué)習(xí)。其中，受表層動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的學(xué)生占九成以上，“希望取得較高的學(xué)習(xí)成績”、“不想落后于其他人”是所有優(yōu)等生最強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。近七成的學(xué)生認(rèn)為學(xué)習(xí)人工智能課程有益于他們未來的職業(yè)發(fā)展規(guī)劃，近八成的學(xué)生表示該課程能夠使他們獲得成就與心理的滿足。

2.3 學(xué)生在人工智能課程中最喜歡的學(xué)習(xí)風(fēng)格是主動(dòng)的實(shí)踐

九成以上的學(xué)生認(rèn)為直接動(dòng)手，從做中學(xué)是最傾向選擇的學(xué)習(xí)方式；此外，省思的觀察也是學(xué)生喜愛的學(xué)習(xí)風(fēng)格，在計(jì)算機(jī)教室中，除了實(shí)踐動(dòng)手操作外，學(xué)生喜歡通過觀察現(xiàn)象、省思本質(zhì)、聽取意見的方式來完成學(xué)習(xí)任務(wù)；而具有知覺與感受型學(xué)習(xí)風(fēng)格與概念思考型學(xué)習(xí)風(fēng)格的優(yōu)等生是占比最少的，尤其是概念思考型最少，學(xué)生對(duì)人工智能課程涉及的相關(guān)概念的學(xué)習(xí)積極性一般。

2.4 學(xué)生在學(xué)習(xí)準(zhǔn)備、課堂學(xué)習(xí)行為、自主學(xué)習(xí)上都有著良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣

在學(xué)習(xí)前的準(zhǔn)備狀態(tài)上，五成以上的學(xué)生表示在課前就有了解和學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)，七成以上的學(xué)生在課前就有明確、具體的學(xué)習(xí)目標(biāo)；在課程學(xué)習(xí)過程中，九成以上的學(xué)生能夠和老師一起學(xué)習(xí)，參與實(shí)踐并按要求完成老師布置的任務(wù)，七成以上的學(xué)生能夠集中注意認(rèn)真聽課，且喜歡與同學(xué)分享學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)，相互討論，但是在課堂提問環(huán)節(jié)，在被調(diào)查的優(yōu)等生中，僅有四成喜歡上課主動(dòng)回答老師問題；在課程結(jié)束后，有六成以上的學(xué)生會(huì)對(duì)課堂上未理解的問題進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。

3 人工智能課程的教學(xué)建議

基于以上分析結(jié)果，為了從源頭上使人工智能課程的教學(xué)更加有效率，提升不同水平學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，教師對(duì)人工智能課程進(jìn)行有針對(duì)性的教學(xué)設(shè)計(jì)是非常有必要的，具體來說，可以從以下幾點(diǎn)反思、優(yōu)化人工智能課程。

3.1 注重從多角度激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

人工智能課程多采用項(xiàng)目式教學(xué)，學(xué)生在完成較為困難的任務(wù)時(shí)，通過小組合作的方式，逐步克服突破阻礙，找到解決問題的正確方式，這種教學(xué)形式能夠讓學(xué)生從社交、情感的角度激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣時(shí)，可以從人工智能與生活的緊密聯(lián)系出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注校園生活、家庭生活中的人工智能應(yīng)用，并引導(dǎo)學(xué)生思考如何運(yùn)用人工智能使我們的生活更加便利。應(yīng)繼續(xù)探索項(xiàng)目式教學(xué)模式，結(jié)合實(shí)際生活，讓學(xué)生思考人工智能能夠解決哪些問題，從而調(diào)動(dòng)學(xué)生在認(rèn)知和行為上的學(xué)習(xí)興趣。

3.2 構(gòu)建科學(xué)的人工智能課程評(píng)價(jià)體系

學(xué)生的動(dòng)機(jī)主要受學(xué)習(xí)成績和學(xué)生自我的競爭意識(shí)影響，因此，構(gòu)建科學(xué)的評(píng)價(jià)體系，能夠很大程度提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。科學(xué)的評(píng)價(jià)體系不僅包括課程結(jié)束后的終結(jié)性評(píng)價(jià)，還應(yīng)在課程進(jìn)行過程中設(shè)置形成性評(píng)價(jià)。形成性評(píng)價(jià)側(cè)重反映日常教學(xué)過程中學(xué)生表現(xiàn)出來的學(xué)習(xí)進(jìn)步情況，應(yīng)貫穿整個(gè)教學(xué)過程；終結(jié)性評(píng)價(jià)側(cè)重反映學(xué)生階段性學(xué)習(xí)目標(biāo)達(dá)成度。對(duì)于形成性評(píng)價(jià)的設(shè)置，可以在學(xué)生小組合作學(xué)習(xí)過程中，通過設(shè)置不同類型的任務(wù)，在各階段設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)度表，學(xué)生綜合評(píng)價(jià)表等，讓小組成員之間、小組之間相互幫助和監(jiān)督，營造競爭與合作的學(xué)習(xí)氛圍，提高學(xué)生課堂的參與度。在進(jìn)行終結(jié)性評(píng)價(jià)時(shí)，除了傳統(tǒng)的紙質(zhì)化考試，還可以組織上機(jī)實(shí)踐、自適應(yīng)測評(píng)或?qū)W(xué)生的作品進(jìn)行評(píng)價(jià)。無論是何種方式的評(píng)價(jià)，要注重評(píng)價(jià)主體的多元化，學(xué)生小組間互評(píng)與個(gè)人自評(píng)、教師評(píng)價(jià)等多種評(píng)價(jià)方式相結(jié)合，評(píng)價(jià)的內(nèi)容應(yīng)體現(xiàn)全面性，要從學(xué)生的能力表現(xiàn)、思維過程、情感態(tài)度等角度，全面評(píng)價(jià)學(xué)生。

3.3 增加人工智能課程中的實(shí)踐內(nèi)容占比

人工智能課程中涉及多種基礎(chǔ)學(xué)科的知識(shí)，且涉及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法、編程語言等多領(lǐng)域的知識(shí)，而該課程優(yōu)等生的學(xué)習(xí)風(fēng)格多以主動(dòng)實(shí)踐為主，概念思考型較少，因此，教師在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)時(shí)，要注意人工智能課程與其他課程之間的區(qū)別與聯(lián)系，可以適當(dāng)以案例分析的方式展開人工智能過程涉及的各個(gè)模塊的內(nèi)容，但是要盡量減少概念類、理論類知識(shí)的灌輸式學(xué)習(xí)，避免傳統(tǒng)的以講授為主的教學(xué)方式。要把課堂交給學(xué)生，讓學(xué)生通過搜索引擎、社交媒體、短視頻和協(xié)同寫作等互聯(lián)網(wǎng)工具或平臺(tái)，進(jìn)行較精準(zhǔn)的信息搜索、溝通交流與合作，并貢獻(xiàn)有價(jià)值的數(shù)據(jù)和資源，要增加實(shí)踐類知識(shí)在課程中的占比，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，拆分任務(wù)并進(jìn)行實(shí)施落地，邊學(xué)邊做，在做中學(xué)，在學(xué)中做，感悟人工智能在實(shí)際生活中的運(yùn)用，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

3.4 為學(xué)生提供課下學(xué)習(xí)資源與平臺(tái)

在人工智能課堂上，學(xué)生能夠完成教師布置的任務(wù)，但是不少學(xué)生認(rèn)為人工智能可以學(xué)習(xí)的知識(shí)非常廣泛，人工智能作為計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，涉及的領(lǐng)域包括機(jī)器人、語言識(shí)別、圖像識(shí)別、自然語言處理和專家系統(tǒng)等等內(nèi)容，在課堂教學(xué)結(jié)束后，不少優(yōu)等生會(huì)有一知半解的感受，學(xué)生經(jīng)常會(huì)對(duì)課堂上尚未深入講解的一些知識(shí)產(chǎn)生疑問，在課后，學(xué)生也會(huì)在網(wǎng)上自主學(xué)習(xí)，但由于人工智能涉及知識(shí)的廣泛性，學(xué)生反映網(wǎng)上學(xué)習(xí)常常缺少針對(duì)性的學(xué)習(xí)指導(dǎo)，因此，教師可以面向這部分學(xué)有余力、興趣濃厚、探索欲強(qiáng)的學(xué)生，提供補(bǔ)充學(xué)習(xí)材料，如人工智能各個(gè)模塊的資源學(xué)習(xí)平臺(tái)、人工智能相關(guān)學(xué)習(xí)網(wǎng)站、該領(lǐng)域的優(yōu)秀學(xué)習(xí)者的自媒體推薦等等，也可以構(gòu)建班級(jí)線上學(xué)習(xí)社區(qū)，設(shè)計(jì)開放交流平臺(tái)，鼓勵(lì)同學(xué)之間相互分享所學(xué)到的更深入的知識(shí)，針對(duì)疑惑的問題，教師要及時(shí)對(duì)學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)，以輔助學(xué)生在課堂外也能高效探索人工智能相關(guān)知識(shí)。

4 結(jié)束語

研究發(fā)現(xiàn)，人工智能課程學(xué)習(xí)的優(yōu)等生具有良好的知識(shí)基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)習(xí)慣和求知意愿。面向這部分學(xué)生的人工智能教學(xué)，最核心的并不是各種相關(guān)概念的學(xué)習(xí)或技術(shù)的簡單運(yùn)用，而是抓住學(xué)生對(duì)未來人工智能的想象和期待，從生活情景出發(fā)設(shè)計(jì)項(xiàng)目式教學(xué)，提供學(xué)習(xí)資源與平臺(tái)，構(gòu)建科學(xué)的評(píng)價(jià)體系，引導(dǎo)學(xué)生在團(tuán)體合作的過程中，邊學(xué)邊做，深刻認(rèn)識(shí)人工智能與現(xiàn)實(shí)社會(huì)的聯(lián)系，解決實(shí)際問題，從而提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。本研究從學(xué)習(xí)者特征的角度分析了人工智能課程的教學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題，而作為貫穿中小學(xué)信息科技課程的一個(gè)重要模塊，人工智能課程的探索需要一線教師、校長、教育教學(xué)研究者結(jié)合學(xué)生的發(fā)展情況與時(shí)代變革，不斷改進(jìn)教學(xué)方法，解決教學(xué)問題，探索教學(xué)模式，從而更好地為國家培養(yǎng)適應(yīng)未來發(fā)展的高素質(zhì)人才。