科技勞動視角下智慧城市項目主題AI課程設(shè)計與實踐

摘要：近年來，中小學(xué)人工智能教育以及勞動教育開展得如火如荼，那么，這兩個領(lǐng)域是否有相互融合、創(chuàng)新教學(xué)的契合點？本文以項目式教學(xué)理念為依托，圍繞新課標(biāo)核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)，創(chuàng)新“做中學(xué)、學(xué)中創(chuàng)、評價引領(lǐng)”教學(xué)模式，詳細(xì)闡述了智慧城市項目主題下的人工智能與勞動教育融合創(chuàng)新的課程設(shè)計與實施。

關(guān)鍵詞：人工智能；科技勞動；融合創(chuàng)新；“學(xué)—創(chuàng)—評”一體化

“勞動教育應(yīng)依據(jù)勞動形態(tài)的演進(jìn)而與時俱進(jìn)，創(chuàng)造條件讓學(xué)生參加服務(wù)形態(tài)的勞動、創(chuàng)造性勞動等，形成當(dāng)代勞動教育的新方向”。筆者所在學(xué)校開設(shè)的“人工智能+勞動教育”創(chuàng)新課程教學(xué)的主旨是，基于創(chuàng)造性勞動，圍繞學(xué)生核心素養(yǎng)提升要求，落實培養(yǎng)全面發(fā)展的社會主義科技勞動建設(shè)者的教育目標(biāo)。課程設(shè)計的立足點是充分發(fā)揮項目式學(xué)習(xí)在落實核心素養(yǎng)培養(yǎng)上的優(yōu)勢，圍繞智慧城市設(shè)計與實施主題，開展“做中學(xué)、學(xué)中創(chuàng)、評價引領(lǐng)”的人工智能科技勞動教學(xué)活動，引導(dǎo)學(xué)生掌握機(jī)器學(xué)習(xí)算法思維，開發(fā)簡易人工智能系統(tǒng)，正確使用科技力量開展勞動，培養(yǎng)良好的科技勞動習(xí)慣和品質(zhì)。

基于建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，開展智慧城市項目設(shè)計

根據(jù)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，無論是人工智能教育還是勞動教育，通過真實情境的創(chuàng)設(shè)，以問題和評價為導(dǎo)向，應(yīng)用多樣化的信息和工具，組織學(xué)生積極運用學(xué)習(xí)平臺、勞動工具等開展與外界的相互作用，體悟“五進(jìn)”要求的實際意義，強(qiáng)化思維和技能的培養(yǎng)，是落實學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)的優(yōu)化策略。因此，基于智慧城市設(shè)計與實施主題的項目式學(xué)習(xí)，是本課程創(chuàng)新設(shè)計的基石。

1.借助項目式學(xué)習(xí)流程設(shè)計教學(xué)模式

項目式學(xué)習(xí)一般要求師生基于真實情境共同經(jīng)歷“選題”“規(guī)劃”“探究”“實施”“交流”“評價”六個環(huán)節(jié)，符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，很大程度上還原了學(xué)習(xí)的本質(zhì)。在本課程的項目設(shè)計中，六個環(huán)節(jié)被分為三個階段，分別是：“項目準(zhǔn)備階段”，包括基于問題情境的主題選擇、基于學(xué)業(yè)評價理解的項目規(guī)劃、基于目標(biāo)達(dá)成的知識（技能）儲備；“項目實施階段”，包括基于認(rèn)知目標(biāo)的小組探究、基于問題解決的簡易系統(tǒng)開發(fā)、實施過程表現(xiàn)性評價、成果物化展示與答辯；“項目評價階段”，包括基于交流反思的作品創(chuàng)造性改良、項目報告及答辯環(huán)節(jié)的思維評價（基于SOLO分類理論）、基于成果展示的結(jié)果性評價以及面向情感態(tài)度價值觀的組內(nèi)互評。項目式學(xué)習(xí)三階段設(shè)計如下頁圖所示，三個階段的協(xié)同，為“做中學(xué)、學(xué)中創(chuàng)、評價引領(lǐng)”教學(xué)活動的開展搭建了優(yōu)質(zhì)支架，為學(xué)生人工智能素養(yǎng)和勞動素養(yǎng)的提升鋪設(shè)了優(yōu)質(zhì)路徑。

2.圍繞“未來智慧城市”主題規(guī)劃單元架構(gòu)

課程分為“研學(xué)”“產(chǎn)創(chuàng)”兩個階段，共16課時。智慧城市系列化課程體系設(shè)計如下表所示。

（1）“研學(xué)”階段

圍繞“未來城市”相關(guān)主題，學(xué)生在AI仿真平臺中創(chuàng)建三維智慧城市，通過機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練模型、編程等實現(xiàn)各種人工智能仿真應(yīng)用場景，完成虛擬智慧城市的建設(shè)。本階段劃分為三個科技勞動研學(xué)單元，共12課時。學(xué)生在每個單元中均要經(jīng)歷三個階段共六個環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)活動，即每個單元學(xué)習(xí)都是完整的項目式學(xué)習(xí)流程。學(xué)生利用自主學(xué)習(xí)平臺、趣味探究活動、智能編程實施等手段，直觀理解人工智能核心技術(shù)的基本原理，辯證認(rèn)識人工智能及其在科技勞動中的應(yīng)用，提升人工智能核心素養(yǎng)與勞動素養(yǎng)，培養(yǎng)問題解決高階思維。在項目準(zhǔn)備階段，學(xué)生利用教師提供的學(xué)習(xí)平臺開展知識儲備活動，并根據(jù)項目方向開展小組合作，選定單元項目中的研究方向，制訂學(xué)習(xí)和實施規(guī)劃，安排1課時；在項目實施階段，學(xué)生應(yīng)用人工智能思維，開展機(jī)器感知應(yīng)用、機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練、智能系統(tǒng)開發(fā)活動，安排2課時；在項目評價階段，各小組利用課外時間制作展示視頻，由其他小組利用智能學(xué)習(xí)平臺觀摩學(xué)習(xí)并根據(jù)評價量規(guī)開展評價，安排1課時。

（2）“產(chǎn)創(chuàng)”階段

基于上一個階段學(xué)習(xí)的知識以及對智慧城市的設(shè)計、仿真實驗，各小組學(xué)生在本階段根據(jù)自選的項目方向，自主學(xué)習(xí)包括二哈識圖、掌控板、Mind+編程等創(chuàng)作工具在內(nèi)的應(yīng)用技巧，共3課時。同時，利用上個階段研學(xué)的成果，在課外或假期時間，借助機(jī)器人結(jié)構(gòu)件、開源AI創(chuàng)客硬件等裝備，開展物化創(chuàng)作，并在項目地圖上完成“超市”“物流”“管理”跨小組合作的智慧城市項目整合作品。最后1課時是智慧城市項目答辯總評環(huán)節(jié)，由教師主導(dǎo)，各組組長組成評審團(tuán)，對智慧城市整合作品開展學(xué)習(xí)成果答辯。

3.依托主動學(xué)習(xí)模型優(yōu)化師生角色

學(xué)習(xí)金字塔中提出主動學(xué)習(xí)的三種模型：討論、實踐、教授他人。通過師生角色優(yōu)化設(shè)計，有利于促進(jìn)主動型學(xué)習(xí)的發(fā)生。學(xué)生的角色有三種：首先是學(xué)習(xí)與實踐的主體，組建小組參與項目學(xué)習(xí)的全過程；其次是討論與互評的主體，深入理解項目評價規(guī)則，既作用于自己小組的學(xué)習(xí)導(dǎo)引，又在項目評價階段，在參與對其他小組成果展示的評價中發(fā)揮作用；部分學(xué)生還具備“導(dǎo)師”的角色，在最后的成果答辯環(huán)節(jié)要承擔(dān)向其他小組組長提問和（在教師引導(dǎo)下）點評的職責(zé)。三種角色的相互滲透，有利于學(xué)生在項目式學(xué)習(xí)中充分發(fā)揮主觀能動性，促成學(xué)生進(jìn)入“交流、評價、教授他人”的主動高效學(xué)習(xí)狀態(tài)，切實提升學(xué)生核心素養(yǎng)中的思維能力。而教師在教學(xué)活動中是項目策劃者、項目監(jiān)督者、項目指導(dǎo)者，其主要工作是為學(xué)生的主動學(xué)習(xí)提供支架，并保障項目式學(xué)習(xí)能圍繞學(xué)習(xí)目標(biāo)順利高效地開展。

聚焦“學(xué)—創(chuàng)—評”一體化，實施“人工智能+勞動教育”課程

筆者以“感知——智慧超市”單元的課程與評價為例開展課堂教學(xué)實踐。

1.創(chuàng)設(shè)問題情境

無人超市解決了傳統(tǒng)超市購物結(jié)算區(qū)排隊長的問題，實現(xiàn)了便捷購物的目的。那么，無人超市是如何識別顧客、商品以及進(jìn)行快速結(jié)算的呢？本主題主要是在uSim虛擬平臺中進(jìn)行無人超市的全流程購物設(shè)計體驗，學(xué)生將以技術(shù)工程師的身份參與到問題情境中，了解人工智能圖像識別技術(shù)的原理、應(yīng)用及實現(xiàn)流程，并應(yīng)用uCode4.0軟件開展編程勞動，實現(xiàn)無人超市快速結(jié)算業(yè)務(wù)。此環(huán)節(jié)培養(yǎng)學(xué)生的人工智能素養(yǎng)和應(yīng)用科技開展勞動的意識。

2.預(yù)設(shè)學(xué)習(xí)目標(biāo)及評價策略

課標(biāo)描述：通過案例分析，理解人工智能；根據(jù)學(xué)習(xí)與生活需要，合理選用人工智能，比較使用人工智能和不使用人工智能處理同類問題效果的異同。

目標(biāo)及評價描述：學(xué)生經(jīng)歷項目式學(xué)習(xí)過程，能夠通過對比人類識別圖像的過程，正確理解并表述人工智能進(jìn)行圖像識別的一般原理；可以應(yīng)用所學(xué)知識，應(yīng)用AI實訓(xùn)中心訓(xùn)練智能模型，應(yīng)用uCode4.0編寫程序完成智慧超市中的“結(jié)算”勞動任務(wù)；能應(yīng)用uSim虛擬仿真平臺完善城市3D模式，初步完成城市規(guī)劃勞動任務(wù)；思考在現(xiàn)代技術(shù)支撐下熱愛勞動的優(yōu)秀傳統(tǒng)的價值。

在本系列課程里，評價的應(yīng)用有別于普通模式。在普通模式下，評價一般被教師放置于課堂教學(xué)結(jié)束前，即最后一個環(huán)節(jié)。這種評價模式有利于對學(xué)生進(jìn)行結(jié)果性評價，但弱化了過程性評價和增值性評價，而學(xué)習(xí)目標(biāo)達(dá)成的判別，應(yīng)該是結(jié)果性評價與過程性評價、增值性評價的綜合體現(xiàn)。因此，上述評價量規(guī)貫穿于整個教學(xué)流程。過程性評價包含兩個落實路徑：一是學(xué)生在開展探究時撰寫的工程筆記在交流環(huán)節(jié)得到評價；二是學(xué)生在開展探究時在仿真平臺和編程平臺自動生成的數(shù)據(jù)記錄及分析。結(jié)果性評價在“產(chǎn)創(chuàng)”階段的物化成果答辯中開展，增值性評價則在課程最后教師開展的社會責(zé)任及正確價值觀引導(dǎo)中得以落實。

3.巧設(shè)項目探究活動

根據(jù)項目式學(xué)習(xí)三個階段的設(shè)計，結(jié)合上述課程評價策略，師生在“感知——智慧超市”單元將經(jīng)歷如下“研學(xué)”活動：

①情境問題與評價先行（教學(xué)目標(biāo)、學(xué)生角色、評價體系）。學(xué)生探索智慧超市項目，主要應(yīng)用人工智能中的計算機(jī)視覺技術(shù)來感知和結(jié)算。當(dāng)顧客通過掃碼進(jìn)入超市之后，在超市內(nèi)的行為全程都會被攝像機(jī)捕捉，包括商品的選購以及是否離開超市，這就運用了計算機(jī)視覺中的人臉識別和商品識別技術(shù)。當(dāng)攝像機(jī)感知到顧客已經(jīng)結(jié)束購物，離開超市之后，系統(tǒng)就會自動推送需要結(jié)算的賬單。通過情境問題，學(xué)生了解學(xué)習(xí)目標(biāo)，并由教師解讀評價要求和量規(guī)，學(xué)生作為評價主體得以進(jìn)一步理解學(xué)習(xí)目標(biāo)達(dá)成的路徑。

②項目選題與規(guī)劃。包括以學(xué)習(xí)小組為單位的項目進(jìn)度規(guī)劃與成員分工、實驗或開發(fā)工具與學(xué)習(xí)資源的選用、所需儲備知識的主動學(xué)習(xí)。學(xué)生在教師指導(dǎo)下，從智慧超市大項目中擬定研究方向（客戶人臉識別、商品自動識別、購物完成預(yù)判等），制訂學(xué)習(xí)需求及進(jìn)度規(guī)劃，小組分工合作，開展人工智能圖像識別技術(shù)原理學(xué)習(xí)以及uSim虛擬仿真平臺基本操作技能、uCode4.0編程基本技能等前置性學(xué)習(xí)。

上述兩個環(huán)節(jié)為項目式學(xué)習(xí)準(zhǔn)備階段，共1課時，采用思維導(dǎo)圖、微課等工具輔助落實“評價引領(lǐng)”。

③智慧超市項目探究與實施。學(xué)生根據(jù)選定的項目主題，類比人類眼睛來獲取商品的圖像信息以及熟知商品屬性的方法（機(jī)器學(xué)習(xí)原理），應(yīng)用uSim虛擬仿真平臺中的“AI實訓(xùn)”功能開展商品識別訓(xùn)練，總結(jié)歸納機(jī)器學(xué)習(xí)的一般過程及其在機(jī)器感知方面的應(yīng)用，理解并表述人工智能進(jìn)行圖像識別的一般原理，初步理解邊緣檢測算法在特征提取技術(shù)中的重要作用，提升計算思維素養(yǎng)。

④拓展：智慧超市項目開發(fā)之智能結(jié)算。學(xué)生運用問題分解思維，開展自動結(jié)算業(yè)務(wù)需求分析，在完善算法實現(xiàn)的流程圖之后，通過uCode4.0編程，綜合上個環(huán)節(jié)中訓(xùn)練好的人臉識別模型和商品識別模式，設(shè)定結(jié)算時機(jī)（客戶完成購買行為的判斷條件），開發(fā)智能結(jié)算系統(tǒng)，并燒錄到uSim中的超市場景，進(jìn)行仿真實驗。本環(huán)節(jié)鍛煉了學(xué)生的問題分析能力以及智能模型綜合應(yīng)用能力，通過解決實際問題切實提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

上述兩個環(huán)節(jié)為項目實施階段，共2課時，采用程序流程圖、uSim虛擬仿真平臺、uCode4.0編程平臺等工具輔助落實“做中學(xué)”。

⑤項目交流與生生互評。每組學(xué)生就前三節(jié)課開展的項目式學(xué)習(xí)進(jìn)行成果匯報，其他學(xué)生依照第一課時的評價量規(guī)開展評價活動，評價結(jié)果將反饋在問卷星平臺中，供各小組后續(xù)自評或?qū)W習(xí)他組經(jīng)驗，教師根據(jù)評價反饋調(diào)整后續(xù)教學(xué)資源支架。此環(huán)節(jié)為1課時，本單元學(xué)習(xí)結(jié)束，學(xué)生主要經(jīng)歷六環(huán)節(jié)中的前五個環(huán)節(jié)，進(jìn)入下個單元項目流程。

師生在完成了包括“感知——智慧超市”單元在內(nèi)的三個單元共12課時的項目式學(xué)習(xí)之后，進(jìn)入智慧城市整體項目的“產(chǎn)創(chuàng)”階段，完成實體作品創(chuàng)新與產(chǎn)出，同時，學(xué)生需要完成基于工程筆記的答辯材料撰寫以及物化成果展示、答辯。

⑥科技勞動視角下的智慧城市項目主題AI課程的最后環(huán)節(jié)是學(xué)生開展情感態(tài)度互評，教師進(jìn)行終結(jié)性評價并進(jìn)行社會責(zé)任及立德樹人引導(dǎo)。教師結(jié)合全體小組學(xué)習(xí)中的表現(xiàn)，依據(jù)第一課時評價量規(guī)（教師部分）對全班學(xué)習(xí)情況進(jìn)行評價，總結(jié)歸納本項目學(xué)習(xí)目標(biāo)，正向探討人工智能技術(shù)應(yīng)用中的社會責(zé)任，幫助學(xué)生建構(gòu)新的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化學(xué)生社會主義建設(shè)者發(fā)展目標(biāo)。

科技勞動視角，建構(gòu)有意義的人工智能教學(xué)

在開展科技勞動視角下的智慧城市項目主題教學(xué)后筆者進(jìn)行了調(diào)查，從學(xué)情反饋數(shù)據(jù)分析可知，課堂教學(xué)效果和學(xué)生素養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成效果顯著：全部學(xué)習(xí)小組均完成了第一階段“研學(xué)”的任務(wù)，實現(xiàn)了包含至少三個智慧情境的未來城市沙盤設(shè)計，其中60%的學(xué)習(xí)小組在課程預(yù)設(shè)的三個單元基礎(chǔ)上提出了新的創(chuàng)想，包括智慧農(nóng)場、智慧工廠、智慧治安的模型構(gòu)想和智能模型訓(xùn)練，體現(xiàn)了學(xué)生通過學(xué)習(xí)后，能以科技工程師的思維創(chuàng)新設(shè)計類勞動；在“產(chǎn)創(chuàng)”階段，所有小組的學(xué)生都能綜合應(yīng)用激光切割、木工技術(shù)、物理電路、電腦編程、AI開源硬件等制作相應(yīng)的智慧城市模型，并實現(xiàn)了人工智能技術(shù)的應(yīng)用，科技思維與勞動品質(zhì)得到質(zhì)的提升。科技勞動視角下的項目主題AI課程，為學(xué)生們建構(gòu)了“以科技工程師的思維開展高效智能化勞動，可以更好地為祖國社會主義現(xiàn)代化建設(shè)做貢獻(xiàn)”的育人意義，研究與實踐成果主要體現(xiàn)在四個方面：

①教育教學(xué)活動從“學(xué)”“做”相融到“創(chuàng)”“產(chǎn)”輸出，勞動教育增添了科技勞動新內(nèi)涵，拓展了學(xué)生智慧產(chǎn)業(yè)的大視野，為學(xué)生人工智能素養(yǎng)和勞動素養(yǎng)的提升鋪設(shè)了優(yōu)質(zhì)路徑；優(yōu)化后的項目化大單元課程設(shè)計與“三階六環(huán)節(jié)”教學(xué)模式為實現(xiàn)智能技術(shù)支撐下的科技勞動素養(yǎng)培養(yǎng)高階目標(biāo)提供了有效實施策略參考。

②課程設(shè)計符合建構(gòu)主義教育理論，圍繞智慧城市規(guī)劃與建設(shè)主題，突破勞動教育的傳統(tǒng)模式，實現(xiàn)人工智能教育與勞動教育的深度融合以及科技勞動的教學(xué)創(chuàng)新，探索并驗證了科技勞動教育有效實施問題的解決路徑。

③課程圍繞評價核心進(jìn)行了逆向設(shè)計，基于核心素養(yǎng)目標(biāo)的多元評價貫穿學(xué)習(xí)全流程，優(yōu)化了項目式教學(xué)模式。單元設(shè)計從研學(xué)到產(chǎn)創(chuàng)到思辨，再到大觀念提升，創(chuàng)設(shè)了“學(xué)—創(chuàng)—評”一體化的新型探究性科技勞動課堂。

④“虛”“實”雙支撐降低了學(xué)生的高階思維培養(yǎng)的準(zhǔn)入門檻。AI實訓(xùn)、智慧城市探究、程序設(shè)計等均在網(wǎng)絡(luò)平臺上開展，而創(chuàng)客開源硬件、機(jī)器人結(jié)構(gòu)套裝以及智慧城市地圖，則為學(xué)生進(jìn)一步開展物化創(chuàng)作提供了條件。此外，虛擬平臺支持的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)和實體硬件支持的進(jìn)階學(xué)習(xí)，為不同學(xué)校或地區(qū)的不同裝備環(huán)境條件提供了因材施教的選擇。

結(jié)束語

隨著科技教育以及勞動教育的進(jìn)一步改革與發(fā)展，教學(xué)內(nèi)容與技術(shù)賦能教法學(xué)法的“雙融”創(chuàng)新課堂必將得到深入的探索和研究。科技勞動視角下的智慧城市項目主題AI課程設(shè)計與實踐，充分發(fā)揮了項目式學(xué)習(xí)的優(yōu)勢，在建構(gòu)主義教育理論、維果斯基發(fā)展理論、表現(xiàn)性評價理念的支撐下，借助先進(jìn)的虛擬仿真智能教學(xué)平臺，切實地促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。另外，它也是從一個新的角度思考和突破了人工智能教育和勞動教育的現(xiàn)有范式，為學(xué)生建構(gòu)了“做中學(xué)、學(xué)中創(chuàng)、評價引領(lǐng)”的多樣的情境性學(xué)習(xí)體驗。

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本文為廣東省中小學(xué)“百千萬人才培養(yǎng)工程”專項科研項目課題“基于教研共同體的高中人工智能專遞課堂實施策略研究”（BQW2021JZN012）的研究成果；東莞市教育科研專項課題“高中人工智能教育項目學(xué)習(xí)過程評價設(shè)計與應(yīng)用研究”（2022GCZ21）的階段性成果。