基于生成式人工智能的高中信息技術思維型課堂教學探究

摘 要：生成式人工智能技術以其強大的數據分析和自然語言處理能力，為高中信息技術課堂教學賦予了智能化輔助教學、個性化學習支持以及交互式學習體驗等功能。課題組以人教版高中信息技術選擇性必修1“遞歸法”教學為例，探究生成式人工智能賦能高中信息技術思維型課堂教學的特征及教學過程：創設問題情境，引發認知沖突；引導思維互動，建構學科能力；促進自我監控，深化知識理解；推進實踐應用，實現知識遷移，推進生成式人工智能與教育教學深度融合。

關鍵詞：生成式人工智能；思維型課堂；高中信息技術

中圖分類號：G63 文獻標識碼：A 文章編號：0450-9889（2024）35-0066-06

作者簡介：鄧智杰，2000年生，廣東茂名人，碩士研究生，主要研究方向為信息技術教學；王陽，1984年生，通信作者，陜西西安人，教授，碩士研究生導師，主要研究方向為教師教育信息化、智慧校園、信息化教學。

隨著教育理念的更新和教學方法的改進，學生思維能力的培養成為基礎教育發展和改革的重要趨勢。《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）強調了學生思維能力的培養，把計算思維列為信息技術學科四個核心素養之一，并且倡導將思維發展融入解決問題和完成任務的過程中［1］。傳統高中信息技術課堂注重課本知識的傳授，教師引導學生根據課堂演示、講解進行機械模仿和記憶，導致學生思維能力的培養流于形式。而將生成式人工智能和思維型教學理念應用于高中信息技術課堂教學，可以提供個性化、精準化的教學輔助，促進學生思維能力的發展。

一、生成式人工智能賦能思維培養的研究概述

生成式人工智能正逐漸滲透到教育領域，其強大的學習和數據處理能力為教育教學帶來了革命性變化。專家學者從不同維度對生成式人工智能賦能思維能力培養進行了研究和闡述。李海峰等認為，生成式人工智能與學生的“知識講述型”會話，會影響學生高階思維的發展，而解決這一問題的關鍵是使二者的會話轉為“知識轉化型”［2］；白雪梅等研究了生成式人工智能如何賦能個性化學習、能力培養、學習評價三個關鍵問題，認為生成式人工智能是培養學生批判性思維的有用工具，能夠有效解決對學生創新創造能力、批判性思維等高階認知能力培養不足的問題［3］；周玲等認為，生成式人工智能通過模仿人類的思維能力和認知活動，能夠改變教學過程中對不同水平思維能力培養的范式，有助于教學過程創造性地提升，以及學生高階思維能力的培養，同時為培養學生的多元思維能力創設了條件和機會［4］；陳靜遠等研究了生成式人工智能在以知識點為核心的教學模式下的變革作用和局限性，認為生成式人工智能通過構建富有啟發性的對話，能夠幫助學生建立深層次的思維脈絡，激發學生的思維能力、創造力和批判性思維能力［5］。

課堂教學是學生思維能力形成的重要途徑，而生成式人工智能在教學領域的應用，為學生的思維培養帶來了前所未有的機遇和挑戰，通過模擬人類思維方式、提出啟發性問題、創建問題情境等方式，能夠有效鍛煉學生的思維，促進學生思維能力的發展，提高思維型課堂教學質量。

二、基于生成式人工智能的信息技術思維型課堂教學的特征

相較于其他課程，高中信息技術課程綜合性、實踐性強。將生成式人工智能應用于高中信息技術課堂中，可以為信息技術教學提供新的方法和手段，促進學生思維能力和信息技術學科核心素養的提升。從理論和現實角度出發，基于生成式人工智能的信息技術思維型課堂應具備以下幾個特征。

（一）以人工智能技術為重要支撐

1.智能化教學輔助

生成式人工智能技術具有出色的語言處理和數據分析功能，能夠在教學過程中為教師提供智能化輔助。在課前準備階段，生成式人工智能可以根據教學目標、教學重難點生成教學課件、教案等，教師依據實際需求對以上材料進行修改和應用，可以有效提高備課效率；在課堂教學階段，教師利用生成式人工智能輔助設計和開展課堂活動，引導學生參與課堂互動，有利于促進學生思維能力的發展，提升課堂教學效率；在課后評價階段，生成式人工智能通過智能批改和評估學生的作業，生成學生學習情況的相關數據，有助于教師了解學生對知識的掌握情況，以便及時調整教學策略，為學生提供指導。

2.個性化學習支持

生成式人工智能技術能夠根據學生對相關知識的掌握程度、能力水平等，智能化提供符合學生特點、需求的學習資源和反饋信息，幫助學生高效掌握知識，也能夠在一定程度上提升學生的學習動機和自我效能感。人工智能情感識別技術在課堂教學中的應用，還能夠感知學生在學習過程中的情緒變化，為學生提供適當的鼓勵和支持，使學生保持良好的學習狀態和動力，進一步提升他們的思維能力。

3.交互式思維培養

思維能力的培養是學校教育所有階段強調的重要教學目標［6］。生成式人工智能在高中信息技術思維型課堂中的應用，能夠促進課堂互動，通過創建學習情境、學習任務等方式，引導學生在合作中發現問題、分析問題、解決問題，從而培養他們的邏輯思維、批判性思維；通過對學生的學習進度、提問內容等情況進行評估，能夠了解學生的學習狀態，并提出針對性的反饋信息，有助于學生調整學習策略、優化思維過程。

（二）以培養信息技術思維為重點

信息技術思維能力是指運用信息技術學科知識對相關問題進行分析、概括等思維活動，使問題得以解決的能力［7］33。在人工智能技術支持下，學生在信息技術思維型課堂的主體地位體現得更加充分，他們不再是被動接受知識的客體，而是主動建構、積極探索的主體。在此背景下，學生信息技術思維能力的培養成為課程教學的重點。信息技術思維培養能夠幫助學生將理論知識與實際問題相聯系，通過系統分析問題，找到解決問題的關鍵，提高解決問題的效率。基于人工智能的信息技術思維型課堂，依據學生思維發展規律對其進行系統性、針對性的指導與訓練，有助于拓寬學生信息技術思維的廣度，從而提高其解決問題的能力。

（三）以信息技術學科核心素養為導向

《課程標準》明確了高中信息技術學科核心素養為信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任［1］5。一方面，信息技術思維型課堂作為促進學生核心素養發展的重要途徑，注重學生批判性、邏輯性、關聯性等思維品質的培養；另一方面，學生信息技術學科核心素養的培養，又能夠推進思維型課堂教學的實施，有利于學生適應思維型課堂，使學生積極地參與課堂活動。與此同時，教師能夠根據課堂反饋和學生的實際情況，有針對性地調整教學策略，實現教與學的良性互動。信息技術學科核心素養和思維型課堂教學理念相互依存、相互促進，教師充分把握二者的關系能夠實現課堂教學的最優化。

三、基于生成式人工智能的高中信息技術思維型課堂教學模式

國內學者林崇德、胡衛平對思維型課堂進行了深入系統的研究，提出思維型課堂教學包括以下四個方面的基本原理，分別是認知沖突、自主建構、自我監控和應用遷移［7］31。根據相關研究成果，本文提出，基于生成式人工智能的高中信息技術思維型課堂的教學模式主要有四個環節：創設問題情境，引發認知沖突；引導思維互動，建構學科能力；促進自我監控，深化知識理解；推進實踐應用，實現知識遷移。具體課程教學模式如下頁圖1所示。

（一）創設問題情境，引發認知沖突

依據思維結構模型，有效激發學生積極思維的前提條件是具備良好的思維環境［7］34。創設教學情境是引導學生積極思維的重要手段，而問題情境又是創設教學情境的關鍵。建構主義學習理論關于社會建構的思想指出，教學過程中的思維互動是激發學生有效思維的核心［7］31。因此，在生成式人工智能技術支持的思維型信息技術課堂教學中，教師應充分發揮人工智能技術的優勢，創設良好的師生、生生、人機互動教學環境，提出高認知水平的問題，以激發學生的探究欲望，引發學生的認知沖突。

（二）引導思維互動，建構學科能力

信息技術思維型課堂以培養學生的過程分析思維、問題解決能力等信息技術關鍵能力為重要目標，以促進學生信息技術思維深度發展為重點。聚焦思維結構的智力理論認為，思維和智力是一個較難窮盡的多元結構，而學科能力就是在此基礎上提出來的，學生的學科能力不僅體現在具有某一學科特定的學科知識，而且還應具備學科能力的結構［7］34。依據比格斯SOLO分類理論，學生的學習成果可以分為五個層次：前結構、單點結構、多點結構、關聯結構、拓展抽象結構［8］。在生成式人工智能支持的高中信息技術思維型課堂，教師可借助人工智能設計難度進階的問題，使之分別符合學生思維過程的不同階段，從而有效促進學生信息技術學科思維能力的提升。

（三）促進自我監控，深化知識理解

思維的自我監控是自我意識在思維中的表現，是思維結構的頂點或最高形式，是教師教學能力和學生學習能力的核心，既影響教學效果和過程，也關乎其他能力的發展［9］。思維型課堂教學要求教師引導學生對所學知識、方法、思維過程等進行總結和反思，以加深對所學知識的掌握，提升自我監控能力。生成式人工智能應用于信息技術思維型課堂教學，能夠為學生提供智能化、個性化的學習體驗，通過分析記錄學生與人工智能的對話內容、學習數據和思維過程等，引導學生反思自身的學習過程、思維方式，從而形成有效的思維認知策略［10］。此外，人工智能還可以輔助學生利用概念圖、思維導圖等工具對所學知識進行梳理概括，以深化對知識的理解，促進高階思維的發展。

（四）推進實踐應用，實現知識遷移

遷移是思維型課堂教學的基本原理，強調方法、知識的遷移應用，對學生深化知識理解、提升思維能力具有重要作用［7］32。方法、知識的遷移、滲透是訓練學生思維品質的重要途徑，而思維品質的培養又是提高學生思維能力的關鍵因素。因此，在生成式人工智能賦能的高中信息技術思維型課堂教學中，教師可以充分發揮先進技術的優勢，高效地為學生創建新的問題情境，以培養學生的知識遷移能力，促進學生創造性思維能力的發展［11］。同時，學生可以利用生成式人工智能強大的數據處理和交互功能，通過提問等方式來驗證設想、解決疑惑，并在此過程中獲得新的啟發。

四、基于生成式人工智能的高中信息技術思維型課堂教學應用案例

筆者選取人教版高中信息技術選擇性必修1《數據與數據結構》第四章第三節“遞歸法”相關內容，探討運用人工智能輔助開展思維型課堂教學的實踐。

（一）教學準備

教師綜合分析常用的生成式人工智能平臺，確定借助“文心一言”平臺開展實踐教學，并提前為學生分配好該平臺的賬號和密碼，以便學生進行注冊。教師再依據教學目標、對象、內容等，利用人工智能輔助分析教學內容和設計教學過程。由于人工智能生成內容的準確性和適用性有待探究，教師應對其生成的素材進行篩選，整理出符合課堂教學要求和學生發展情況的相關內容。

（二）教學過程

1.導入環節：創設情境，激活思維狀態

教師先創設問題情境，利用生成式人工智能展示遞歸算法在日常生活或自然界中的運用實例，如俄羅斯套娃、洗澡時水溫的調節、雪花的形成等，激發學生的學習興趣和探索欲望；接著，以“斐波那契兔子問題”激發學生的思維，引導學生思考如何使用遞歸算法解決實際生活中的問題。

設計意圖：動機、興趣等非智力因素以及良好的問題情境，能夠激發學生的積極思維［7］34，利用人工智能輔助設計貼近學生日常生活的情境，能夠激發學生學習興趣，同時引出本節課的教學內容。在這一環節的教學中，生成式人工智能通過輔助教師創建教學情境和引導性問題，在一定程度上激活了學生的思維。

2.新授環節：層層遞進，促進思維進階

活動環節1：教師引導學生對“斐波那契兔子問題”開展小組討論，要求學生探討、整理出解決這一問題的思路和過程，并通過人工智能平臺驗證其是否正確，然后通過交流分享促進相互學習、思維碰撞。

教師小結：學生在討論過程中，不同小組可使用圖示、表格等方式對該問題進行求解驗證，但由于“文心一言”平臺在處理學生直接發送的圖片信息的功能方面還存在較大限制，因此，學生需要以自然語言的方式與其進行對話，以驗證求解過程的正確性。在活動中，各小組成員基本都能參與到小組討論中，且在利用人工智能平臺驗證答案過程中表現出較大的積極性。

設計意圖：思維型課堂理論強調教師和學生積極主動思維對課堂教學和知識學習的關鍵作用，只有充分調動師生的積極性，才能有效推動課堂教學向前發展［7］34。建構主義學習理論的學習觀認為，知識不應由教師向學生進行簡單的傳遞，而應由學生主動進行建構。在本環節活動中，教師引導學生求解問題并驗證答案的正確性，有助于學生在與小組成員交流互動過程中激活思維，促進思維結構的發展和完善。

活動環節2：教師啟發學生設計某個問題的算法流程圖以及編寫程序求解，引導學生逐步了解遞歸算法的核心思想，即把某個問題拆解為若干個小問題，通過解決這些小問題來解決相關的問題。教師依據比格斯SOLO分類理論，對本節課相關內容建立進階問題模型，漸進指導學生進行遞歸算法的感知、探索、理解與應用，以提高學生的學科知識能力和思維能力（如圖2所示）。

教師小結：通過構建并實施難度進階的問題模型推進教學活動，能夠幫助學生逐漸建立起對遞歸算法的認知，而人工智能平臺的運用，能夠為他們解決在算法流程圖及程序設計上遇到的問題，提升學生的信息技術學科學習能力。

設計意圖：依據比格斯SOLO分類理論建立問題模型，有助于教師根據學生對問題的回答情況等外顯行為，判斷學生的思維水平，進而給予針對性的指導。而“文心一言”平臺的應用，在提高教師構建問題模型效率、了解學生對相關知識的掌握程度等方面可以發揮重要作用。

在這一環節教學中，教師利用生成式人工智能輔助創建進階式的任務和問題，并演示驗證算法和程序是否準確的過程；同時，生成式人工智能為學生驗證猜想、解決疑惑提供有力支持。

3.鞏固環節：強化練習，提升思維品質

活動環節3：在前面學習的基礎上，學生基本能夠掌握遞歸算法的概念、核心思想和應用過程等。教師借助人工智能展示“斐波那契兔子問題”中兔子數量的增長過程，引導學生思考程序設計中如何定義函數，如在求解某個月兔子的數量時，通過調用函數來減少重復計算、提高問題解決效率。學生借助生成式人工智能優化程序，在此過程中能夠接收到錯誤提醒和改正建議，通過不斷反思和調整優化，加深對遞歸算法的理解，提高邏輯思維能力。

教師小結：借助人工智能幫助學生理解“斐波那契兔子問題”，進一步掌握遞歸算法核心思想，啟發學生聯系過去習得的知識，通過定義函數的方式對結構簡單的程序進行改進，完善和提升其思維結構。

設計意圖：思維品質作為組成思維結構的第五個維度，是培養學生問題解決能力的突破口，也為思維型課堂中提高學生的學習能力提供了有效的理論和方法支持［7］34。在這一環節中，生成式人工智能可以根據每名學生的學習表現和進度給予個性化指導，幫助學生高效地理解和掌握遞歸算法的相關知識，這既能減輕教師教學負擔，又能夠有效促進學生思維品質和元認知能力的提升；而教師引導學生進行程序優化，也有助于學生進行積極思維，提升思維策略性。

4.應用環節：遷移應用，拓展思維能力

活動環節4：教師使用生成式人工智能輔助創建若干個涉及遞歸算法的問題情境，如漢諾塔問題、自然數的階乘、快速排序問題、二叉樹遍歷等，學生根據自身興趣和實際能力選擇其一進行問題分析、算法設計、程序編寫，從而培養知識遷移意識和能力；通過組織學生開展成果交流與展示，幫助學生鞏固知識、拓寬思路，有助于培養學生的溝通思維與邏輯思維能力。

教師小結：人工智能平臺強大的自然對話功能，可以及時為學生提供針對性的指導，幫助學生在分析問題的過程中逐漸深化對遞歸算法的了解，并利用遞歸算法簡化重復的子問題，使問題得以解決。活動結束后，學生普遍表示，生成式人工智能賦能的教學活動能夠有效提升學習效率和獲得感。

設計意圖：個體知識、技能與智力、思維存在密切的聯系，學生思維和能力的發展是在掌握知識、運用技能的過程中完成的［7］32。在知識遷移應用環節中，教師利用人工智能平臺輔助設計多樣化的問題應用場景，借助生成式人工智能對學生的問題求解過程和結果進行智能評估，并提出針對性的指導建議，引導學生運用已學知識分析新的問題，并將其遷移到新的情境中，能夠促進學生應用遷移和思維能力的發展。

（三）教學反思

在本課例教學中，教師借助“文心一言”平臺開展“遞歸法”相關內容的教學，設計了探究遞歸法思想、程序設計等活動，旨在引導學生掌握遞歸算法的核心思想，以及該算法程序的設計和優化。人工智能平臺的引入，對學生掌握本節課的內容起到重要的促進作用，其強大的交互功能可以幫助學生監控和優化思維過程，促進學生問題解決能力和計算思維的發展。本課例采取小組合作的形式，培養了學生的溝通協作能力，促進學生信息意識和信息社會責任的培養。

總之，生成式人工智能為高中信息技術思維型課堂教學帶來了前所未有的機遇，在促進學生掌握信息技術學科知識、提升思維能力、提高學習效率等方面發揮著重要的作用。教師在利用生成式人工智能輔助教學時，應克服這一技術帶來的倫理、安全和資源等方面的挑戰，以推進生成式人工智能與教育教學的深度融合，實現高中信息技術教育教學的高質量發展。

參考文獻

［1］中華人民共和國教育部.普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］李海峰，王煒，李廣鑫，等.智能助產術教學法：以“智能蘇格拉底會話機器人”教學實踐為例［J］.開放教育研究，2024，30（02）：89-99.

［3］白雪梅，郭日發.生成式人工智能何以賦能學習、能力與評價［J］.現代教育技術，2024，34（01）：55-63.

［4］周玲，王烽.生成式人工智能的教育啟示：讓每個人成為他自己［J］.中國電化教育，2023（05）：9-14.

［5］陳靜遠，胡麗雅，吳飛.ChatGPT/生成式人工智能促進以知識點為核心的教學模式變革研究［J］.華東師范大學學報（教育科學版），2023，41（07）：177-186.

［6］祝智庭，肖玉敏，雷云鶴.面向智慧教育的思維教學［J］.現代遠程教育研究，2018（01）：47-57.

［7］林崇德，胡衛平.思維型課堂教學的理論與實踐［J］.北京師范大學學報（社會科學版），2010（01）：29-36.

［8］約翰B，凱文F.學習質量評價：SOLO分類理論可觀察的學習成果結構［M］.高凌飚，張洪巖，譯.北京：人民教育出版社，2010．

［9］胡衛平，魏運華.思維結構與課堂教學：聚焦思維結構的智力理論對課堂教學的指導［J］.課程·教材·教法，2010，30（06）：32-37.

［10］盧宇，余京蕾，陳鵬鶴，等.生成式人工智能的教育應用與展望：以ChatGPT系統為例［J］.中國遠程教育，2023，43（04）：24-31+51.

［11］溫小勇，周玲，劉露，等.小學科學課程思維型教學框架的構建［J］.教學與管理，2020（24）：109-111.

注：本文系廣西教育科學“十四五”規劃2023年度廣西教育信息化教學應用實踐共同體專項重點課題“幼兒教師數字素養在線開放課程‘雙線融合’實踐共同體模式研究”（2023ZJY506）的研究成果。

（責編 楊 春）