基于“雙師課堂”的人工智能跨學科項目化教學模式構(gòu)建及應(yīng)用

許月媚

（廣州市南武中學，廣東 廣州 510220）

引言

近年來，隨著國家政策的積極推動，人工智能教育已經(jīng)上升為國家戰(zhàn)略，要求在中小學階段設(shè)置人工智能課程[1]。自2018 年以來，多地教育主管部門相繼發(fā)文要求在中小學設(shè)置人工智能課程。從國務(wù)院和各地教育主管部門文件的相繼發(fā)布可以看出，在中小學開展人工智能課程已勢在必行。然而，人工智能課程涉及多學科知識，沒有成熟的教學模型可供借鑒，多學科乃至跨學科的教學內(nèi)容呈現(xiàn)增加了教學難度，學生對新知識的理解需要長時間的思考和消化，教學內(nèi)容需要教師多次講解，這給開展人工智能課程教學帶來了諸多難題。基于此，本研究引入人類教師和虛擬數(shù)字人教師協(xié)同授課的“雙師課堂”教學模式進行實驗，構(gòu)建了包括真實項目活動設(shè)計、學生自主參與知識建構(gòu)、“雙師課堂”協(xié)同教學、學生跨學科能力培養(yǎng)、跨學科學習效果評價的教學模式，并將該模式在中學人工智能教學中進行應(yīng)用探索，把多學科知識進行整合，以學生為中心、以“雙師”為主導(dǎo)開展項目式學習教學實踐，進而培養(yǎng)學生的項目設(shè)計能力、計算思維能力、跨學科學習能力和數(shù)字化應(yīng)用能力。

一、基于“雙師課堂”的人工智能跨學科項目化學習理論基礎(chǔ)

（一）人工智能課程

人工智能教學是指以人工智能技術(shù)為支撐，對其原理、方法和應(yīng)用進行研究的課程教學。目前人工智能在中小學均已上升為國家課程，教育部發(fā)布的《普通高中信息技術(shù)課程標準（2017 年版2020 年修訂）》（以下簡稱“普高版”）必修模塊1“數(shù)據(jù)與計算”內(nèi)容包括人工智能及其應(yīng)用等相關(guān)內(nèi)容[2]；選擇性必修模塊4“人工智能初步”覆蓋了人工智能概念、特征、發(fā)展歷程、核心算法、開發(fā)工具、典型應(yīng)用、倫理與安全等內(nèi)容，著重描述學習層次，設(shè)計與實現(xiàn)簡單智能系統(tǒng)。2022 年4 月，教育部發(fā)布的《義務(wù)教育信息科技課程標準（2022 年版）》（以下簡稱“義教版”）模塊9“人工智能與智慧社會”[3]，將人工智能作為課程的獨立模塊，并設(shè)計了跨學科主題。同時，無論是“普高版”還是“義教版”，都把項目化學習放在了突出位置。

（二）“雙師課堂”

針對“雙師課堂”，多位學者研究的視角不同，其內(nèi)涵也各不相同。目前“雙師課堂”的提法有多種：黃甫全等人[4]所研究的“雙師課堂”是指人工智能教師與真人教師聯(lián)袂執(zhí)教，并開展了雙師課堂人機交互、課堂課程開發(fā)、深度學習和科目學習知識研究。付艷芳等人[5]所指的“雙師課堂”是智能教育機器人和人類教師在課堂教學中，由機器人主講，教師主導(dǎo)兼助教，實現(xiàn)雙師協(xié)作。王同聚[6]提出了“三師課堂”教學模型，即指人類教師、虛擬數(shù)字人教師和智能機器人教師協(xié)同開展課堂教學，三類教師有共同的目標，協(xié)同完成教學任務(wù)。本研究所采用的“雙師課堂”是指虛擬數(shù)字人教師和人類教師二元一體，協(xié)同完成授課任務(wù)。在授課的過程中，虛擬數(shù)字人教師負責視頻授課，人類教師負責項目規(guī)劃指導(dǎo)、線下答疑解惑、動手實操指導(dǎo)、學生心理疏導(dǎo)等。

（三）跨學科學習

張華[7]認為，跨學科學習是基于跨學科意識，運用兩種及以上不同學科的觀念來解決真實問題的課程和學習方式。“義教版”在不同章節(jié)多次強調(diào)跨學科主題學習,倡導(dǎo)“做中學”“用中學”“創(chuàng)中學”，要求跨學科實踐活動不少于本學科總課時的10%。李克東等人[8]認為，跨學科學習是對復(fù)雜問題進行不同的認識以及更深層次的內(nèi)化與理解的過程。筆者在歸納各位學者針對跨學科學習的論述，結(jié)合人工智能課程的特點對跨學科學習進行梳理后認為，在人工智能課程教學中，跨學科學習是基于學科核心素養(yǎng)，整合多學科知識，以特殊的方式組織課程、創(chuàng)設(shè)多學科學習環(huán)境、搭建跨學科課程學習平臺、實現(xiàn)多學科內(nèi)容整合的學習方式。跨學科學習過程通過跨學科整合、跨學科思考、跨學科實踐、跨學科評價，在探索中進行創(chuàng)新，將跨學科知識進行融合、內(nèi)化和吸收，從而培養(yǎng)學生的跨學科融合能力、創(chuàng)新能力和解決問題能力等。

（四）項目化學習

劉景福等人[9]提出，項目學習是指以學科的概念和原理為中心，在真實世界和一定時間內(nèi)借助多種資源開展探究活動。“普高版”“義教版”均強調(diào)項目學習的重要性，要求以項目學習為主線，讓學生開展項目主題探究活動，經(jīng)過知識建構(gòu)、知識遷移、問題解決和創(chuàng)造價值的過程，體會探究新知的樂趣。在開展人工智能課程教學時，采用項目式學習，設(shè)計教學項目，選擇“項目范例”，讓學生通過“情境導(dǎo)入→選擇主題→項目規(guī)劃→項目探究→項目實施→成果展示→教學評價”等環(huán)節(jié)開展項目學習活動。

綜上，人工智能課程教學是依據(jù)“普高版”“義教版”，在知識建構(gòu)理念指導(dǎo)下，通過將跨學科知識與項目式教學相結(jié)合，教師進行精心設(shè)計和指導(dǎo)，以人工智能項目問題為中心，引導(dǎo)學生在真實情境中探究、設(shè)計和實踐，從而培養(yǎng)學生的解決問題能力。本研究引入虛擬數(shù)字人教師，優(yōu)化教學環(huán)境，開發(fā)教育數(shù)字化教學資源，采用“雙師課堂”教學模式，能為學生提供跨學科學習、項目學習實踐指導(dǎo)，從而培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和綜合技能，拓展人工智能數(shù)字化教育資源，提升課堂教學質(zhì)量。基于“雙師課堂”的人工智能跨學科項目化教學能推動人工智能教學創(chuàng)新，為人工智能教學資源的開發(fā)提供借鑒。

二、構(gòu)建基于“雙師課堂”的人工智能跨學科項目化教學模式

構(gòu)建基于“雙師課堂”的人工智能跨學科項目化教學模式，其核心是將“知識建構(gòu)、雙師課堂、教學評價”進行三位一體的有機融合，基于“普高版”和“義教版”、知識建構(gòu)理論、跨學科學習理論，運用項目化學習方法，開展人工智能課程教學研究，培養(yǎng)學生的計算思維、設(shè)計思維和創(chuàng)新思維能力。模式的具體內(nèi)容包含五部分：設(shè)計真實的項目活動、“雙師課堂”協(xié)同教學、運用指向?qū)W生跨學科能力培養(yǎng)的設(shè)計、主動參與自主建構(gòu)、制定學生跨學科學習的評價方式等教學策略。基于“雙師課堂”的人工智能跨學科項目化教學模式如圖1 所示。

圖1 基于“雙師課堂”的人工智能跨學科項目化教學模式

（一）真實項目活動設(shè)計

該模式在人工智能項目教學中引入了設(shè)計思維，幫助學生解決實際問題，設(shè)計真實的項目情境。所選擇的項目主題應(yīng)與學生的生活息息相關(guān)，以提高學生學習的動機，為學生提供共情的可能性。設(shè)計適切的項目活動有利于學生主動學習，提出解決問題的方法，篩選出最優(yōu)解決方案，建立模型并創(chuàng)造出實物作品，最后對創(chuàng)作的作品進行測試和評價，進一步完善項目活動設(shè)計。融入設(shè)計思維的人工智能項目教學架構(gòu)分為“發(fā)現(xiàn)問題—定義問題—方案設(shè)計—原型制作—測試改進—分享評價”六個階段。在發(fā)現(xiàn)問題階段，開展學情分析，了解學生的認知水平，以此為依據(jù)提出項目的主題，創(chuàng)建合適的問題情境，布置調(diào)查研究任務(wù)；在定義問題階段，提倡用共情的方式，引導(dǎo)學生聚焦問題的本質(zhì)，確定需求，剖析問題產(chǎn)生的原因；在方案設(shè)計階段，提倡各小組成員根據(jù)不同的認知提出豐富的設(shè)計方案，由小組成員梳理想法，并對想法進行目標評估及可行性分析，學習新知，確定擬使用的解決方案；在原型制作階段和測試改進階段，小組成員利用軟硬件設(shè)備，將設(shè)計方案可視化，學生在這個過程中需要通過搭建、測試和修正完善模型，逐步生成更佳的解決方案；在分享評價階段，小組成員展示各自的創(chuàng)意設(shè)計，收集同伴的反饋意見，依此改進、完善解決方案。所以，方案設(shè)計、原型制作、測試改進是一個循環(huán)迭代過程。融入設(shè)計思維的人工智能項目教學架構(gòu)如圖2 所示（見下頁）。

圖2 融入設(shè)計思維的人工智能項目教學架構(gòu)

（二）學生自主參與知識建構(gòu)

人工智能課程教學注重學生主動參與知識建構(gòu)、積極探究提出問題，通過與他人的合作交流，不斷建構(gòu)、重構(gòu)和優(yōu)化自己的知識體系，從而幫助學生更好地理解知識的本質(zhì)和核心，培養(yǎng)學生的高階思維能力。在人工智能課程教學中，需要將學習任務(wù)情境化，讓學生在學習過程中，通過自主探究學習和小組協(xié)作學習，動手創(chuàng)作項目作品，最終完成具有創(chuàng)新性的作品。因此，知識建構(gòu)理論可以幫助學生更加深入地理解人工智能知識，在實踐中促進學生的知識應(yīng)用和創(chuàng)新思維的形成。

（三）“雙師課堂”協(xié)同教學

“雙師課堂”是由人類教師、虛擬數(shù)字人教師協(xié)同開展的課堂教學，其教學模型如圖3 所示（見下頁）。“雙師課堂”中的兩類教師通過不同的方式進行授課，學生通過聆聽虛擬數(shù)字人教師的講解，獲取人工智能課程的新知識、接受項目任務(wù)，學習硬件組裝設(shè)計方案和軟件編程思路。在原型制作階段，學生根據(jù)虛擬數(shù)字人教師講授的內(nèi)容，用微型計算機、各種傳感器、攝像頭等硬件進行組裝，程序設(shè)計則采用Python 語言編程。在測試改進階段，學生如果遇到知識性問題就向虛擬數(shù)字人教師求助，遇到動手實操技能性疑難問題則向人類教師求助，通過自主探究、小組協(xié)商、共同創(chuàng)作，完成項目的制作。最后，學生將完成的作品進行分組展示、交流分享和相互評價。

圖3 “雙師課堂”教學模型

1.虛擬數(shù)字人教師：負責視頻授課

虛擬數(shù)字人技術(shù)是語音識別、語音合成、自然語言理解、動畫生成等多種技術(shù)的融合。

制作虛擬數(shù)字人是將授課內(nèi)容的文字導(dǎo)入制作平臺，由AI 驅(qū)動生成授課視頻。課前，學生觀看虛擬數(shù)字人教師的授課視頻進行預(yù)習；課中，虛擬數(shù)字人教師進行授課內(nèi)容的教學，學生跟著虛擬數(shù)字人教師學習時，可以把虛擬數(shù)字人教師的講解視頻反復(fù)播放，直至把所有講解內(nèi)容全部學會；課后，如果需要鞏固所學內(nèi)容，學生還可以隨時復(fù)習觀看。可見，虛擬數(shù)字人教師能夠代替人類教師授課，讓人類教師回歸到育人的教育本質(zhì)上。

2.人類教師：負責項目規(guī)劃和課堂活動輔導(dǎo)

在虛擬數(shù)字人教師的幫助下，人類教師可以把主要精力放在解決學生在項目規(guī)劃設(shè)計、硬件設(shè)計制作、軟件程序編寫、作品聯(lián)合調(diào)試過程中臨時出現(xiàn)的疑難問題，指導(dǎo)學生設(shè)計方案，幫助學生找到實現(xiàn)創(chuàng)意的有效途徑，設(shè)計出高質(zhì)量的作品，并關(guān)注學生的個體需求，給予即時的輔導(dǎo)。

（四）學生跨學科能力培養(yǎng)

人工智能是一門綜合性學科，融合了生物學、數(shù)學、腦科學、信息科學等知識，同時與物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)緊密聯(lián)系，在教學中既可以作為學習內(nèi)容，又可以作為學習工具。由此可以看出，人工智能具有跨學科的特性，基于設(shè)計思維的人工智能教育在選擇教學內(nèi)容時，需要整合多學科知識，實現(xiàn)學科的跨界互補、“協(xié)同”解決問題，從而培養(yǎng)學生的工程思維能力、設(shè)計思維能力、計算思維能力，發(fā)展核心素養(yǎng)。

（五）學習效果評價

學習效果評價可以幫助教師了解教學效果，從而有針對性地調(diào)整引導(dǎo)、支持策略；提供教學反饋，讓學生了解自己的學習效果，從而有針對地進行改進，促進自身的發(fā)展。進行學習效果評價時，要設(shè)置有效的評價量規(guī)，使評價可以基于不同視角和不同維度展開，最終獲得比較公平客觀的評價結(jié)果[10]。在基于設(shè)計思維的人工智能課程教學中，強調(diào)多元化評價與智能化評價貫穿在整個教學活動中。采用多元化評價，能夠從多維度進行考量，關(guān)注學生各種能力的培養(yǎng)。學生的創(chuàng)新設(shè)計并非能一次性形成，需要在與同伴的合作交流中不斷改進完善。多元化的評價增加了師生、生生之間的互動交流，可以幫助老師和學生從多個視角看待項目設(shè)計的過程，從而幫助學生形成成果。采用智能化評價，則可以實現(xiàn)多場景高效率的協(xié)同評價。學習效果評價方式如圖4 所示。

圖4 學習效果評價方式

三、基于“雙師課堂”的人工智能跨學科項目化模式應(yīng)用實踐

本研究以“智能配送”主題為例，該主題包含智能分揀、智能運輸、智能放置3 個環(huán)節(jié)，教學采用基于“雙師課堂”的人工智能跨學科項目化模式進行，通過“發(fā)現(xiàn)問題—定義問題—方案設(shè)計—原型制作—測試改進—分享評價”的項目流程加以實踐。在教學過程中，人類教師擔任項目規(guī)劃和項目輔導(dǎo)角色，虛擬數(shù)字人教師擔任課程授課和主講角色，雙師密切配合，協(xié)同完成授課任務(wù)；學生在“智能配送”項目中完成主題設(shè)計、項目規(guī)劃、結(jié)構(gòu)搭建、程序代碼編寫、測試運行、小組分享、互動評價等探究活動。

（一）“智能配送”項目主題設(shè)計與項目規(guī)劃環(huán)節(jié)

“項目立項”是項目主題設(shè)計和項目規(guī)劃的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，決定了項目實施的方向、目標和資源配置。在此環(huán)節(jié)，明確“智能配送”項目的實施目標和范圍，包括要解決的問題、涉及的技術(shù)和方法、預(yù)期的成果等。教師可要求學生用共情的方式，站在目標用戶的角度思考問題，通過調(diào)研收集信息、剖析問題產(chǎn)生的原因，了解目標用戶對智能配送的需求和期望，以及社會上對該問題現(xiàn)有的解決方案。例如，學生考慮到“一種可用于圖書館書籍自動傳送的裝置”等。

（二）“智能配送”結(jié)構(gòu)搭建與程序設(shè)計環(huán)節(jié)

根據(jù)設(shè)計方案，“智能配送”項目結(jié)構(gòu)的外觀搭建、程序設(shè)計語言編寫和調(diào)試直接關(guān)系到目標實現(xiàn)的效果。按照功能需要，智能分揀和智能放置兩個環(huán)節(jié)需要搭配硬件結(jié)構(gòu)協(xié)作完成任務(wù)，為此，課程配置了人工智能基礎(chǔ)套裝，包含微型計算機、各種傳感器、攝像頭、結(jié)構(gòu)積木等硬件，可拼搭式組裝硬件結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)自由組合多種造型。程序設(shè)計采用Python 語言編程，學習平臺提供程序代碼模板和一些基本的語法和控制流程，學生通過學習平臺提供的程序代碼模板，直接運行并模仿其中的邏輯、改造現(xiàn)有的代碼，以理解代碼的實現(xiàn)原理，逐漸掌握更高級的編程技巧。在這個環(huán)節(jié)里，小組成員重點關(guān)注過程控制，及時發(fā)現(xiàn)和解決問題；人類教師觀察學生的課堂狀態(tài)，為學生提供個性化輔導(dǎo)，幫助學生解決問題，確保設(shè)計方案的落實。

（三）“智能配送”作品分享與教學評價環(huán)節(jié)

作品分享與教學評價是學習效果檢測的一個重要環(huán)節(jié)，開展教學評價要注重評價主體、方法和工具的多元化，借助智能平臺（如UMU 或問卷星），采用科學的評價手段（例如問卷、訪談、評價量表、日志報告等）對評價結(jié)果進行智能分析，開展過程性與總結(jié)性、定性與定量相結(jié)合的評價；重視自評與他評，采納學生個體、小組團體的評價意見和建議，學生根據(jù)教師提供的評價指南，對自己的學習情況或小組內(nèi)其他同學的學習情況進行評價，包括對知識點的掌握情況、學習方法和策略的運用情況等。

總之，完成“智能配送”項目的主題設(shè)計需要綜合運用跨學科知識和技術(shù)，需要不斷調(diào)整和改進項目計劃和方案，以實現(xiàn)項目的預(yù)期目標。在項目學習過程中，要發(fā)揮學生的主體作用，培養(yǎng)學生的項目規(guī)劃能力、問題解決能力、團隊合作能力，以發(fā)展學生核心素養(yǎng)。教學案例設(shè)計如表1 所示。

表1 基于“雙師課堂”的人工智能跨學科項目化模式應(yīng)用的教學案例設(shè)計

四、結(jié)語

人工智能課程涉及多學科知識，沒有成熟的教學模式可供借鑒，給開展人工智能課程教學帶來了諸多難題。本研究構(gòu)建了基于“雙師課堂”的人工智能跨學科項目化教學模式，并應(yīng)用該模式以“智能配送”項目主題為例，進行教學實驗。實驗結(jié)果表明：采用“雙師課堂”協(xié)同教學能夠減輕人類教師的教學負擔，能夠提高教師的教學效率；學生在學習時，接受人類教師和虛擬數(shù)字人教師的協(xié)同授課，根據(jù)遇到的不同問題分別向兩類教師求助，開展跨學科學習，采用項目式學習方法，可以有效提高自身解決問題的能力。因此，在人工智能教學中，將“雙師課堂”、跨學科學習、項目化學習三者進行有機融合，形成了一種新型教學模式，讓學生在實踐中體驗、在探索中創(chuàng)新，能夠培養(yǎng)學生的項目規(guī)劃能力、工程設(shè)計能力、計算思維能力和創(chuàng)新思維能力，為學生進行科技創(chuàng)新提供了展示平臺，有助于復(fù)合型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。