AI+X跨學科教學中信息技術教師的定位與教學實施策略

【摘 要】“人工智能正快速進入教育領域，既是教育改革新工具，也是課程教學新內容”。中學信息技術教師的跨學科教學主要有兩種方式：一是輔助其他學科教師的教學，二是與其他學科教師進行學科教學內容整合。信息技術教師在AI+X跨學科教學中的定位與發展路徑，一方面是以數字素養的發展引領AI技術在教育中的創新應用，另一方面是明確學科主體定位，以AI交叉做跨學科內容融合創新。信息技術教師做AI+X跨學科創新教學，在選題上應與時俱進、聚焦高階能力培養，在實施上應勇于實現從0到1的突破。本文結合實踐經驗給出了案例簡介及分析，以期為一線教師提供思路與抓手。

【關鍵詞】信息技術；人工智能；跨學科；教師定位

【中圖分類號】G434 【文獻標志碼】A

【論文編號】1671-7384（2024）07-005-04

當前，中小學信息技術（科技）教師的跨學科教學正日益受到重視，學校和教師在實踐中不斷探索和創新，旨在面向真實世界的真實問題，通過信息技術在學科教學中的應用與融合創新，激發教師與學生的創造力，提升教師與學生的數字素養，提升問題解決能力，培養創新精神及實踐能力。同時，在信息技術教師與其他各學科教師的相互學習和創新實踐中，跨學科教學正逐漸成為推進教學改革和實現教育現代化的重要途徑。

信息技術教師跨學科教學的背景與意義

1.信息技術教師做輔助教學

電化教育的發展從19世紀末的技術引入到現代信息技術在教育中的廣泛應用，經歷了多個階段的技術革新和教育理念的變革，信息技術教師在推動教育現代化方面起著重要作用。他們利用自身的專業技術知識，為其他學科教師提供數字化工具和解決方案，以支持和優化各學科的教學過程。例如，信息技術教師在早期可能承擔一部分電教工作，幫助其他學科教師使用多媒體演示、互動式電子白板和在線課程內容，這些都有助于提高學生的學習興趣和參與度。現在，在與數學和物理等科目的跨學科教學中，信息技術教師可以通過引入模擬軟件和在線實驗平臺，使得學生能夠在虛擬環境中進行實驗和探索，從而加深對抽象概念的理解。

2.信息技術教師做學科融合

學科之間的整合與融合是現實生活中的必然，跨學科教學可以通過整合兩個或更多學科的知識、技能和理論來設計教學，提高學生解決復雜問題的能力，以培養學生的綜合素質和創新能力為目標。信息科技，“科”“技”并重，本身就是一門科學，有數據、算法、網絡、信息處理、信息安全、人工智能這六條信息科技學科邏輯主線。當今社會，信息科技滲透到生產、生活的方方面面，已有信息技術教師與各學科教師以真實問題解決為出發點，對學科教學內容進行科學有效的整合。例如，學生在掌握具體學科知識的同時，也被鼓勵利用信息技術探索跨學科問題，被引導去理解和掌握背后的信息技術原理，如編程控制在物理實驗中的應用，這不僅增強了學生的實踐操作能力，也培養了他們的計算思維和問題解決能力。

隨著“互聯網+”、大數據、人工智能等重大戰略的實施，許多學校正在打造教育數字化（包括人工智能）教學創新團隊；教育行政部門也在積極發掘和支持基于信息技術的跨學科教學優秀經驗，一系列舉措不僅提高了教師的跨學科教學能力，也推動了教育數字化的創新。

信息技術教師在AI+X跨學科教學中的定位與發展路徑

一方面，人工智能作為一種新工具，賦能各學科的現代化教學，對學生學習方式的改變有積極影響。另一方面，人工智能本身是一個跨學科綜合領域，交叉計算機科學、數學、生物學、神經科學、認知學科、腦科學、心理學、社會學、哲學等諸多學科，可以作為跨學科教學的主體內容。

1.以數字素養的發展，引領AI技術在教育中的創新應用

人工智能等新興技術對人才培養領域具有革新作用。教師的數字素養是實現AI+X教學的基礎，只有教師具備足夠的數字素養與技能，才能搶占先機、用好相關工具，有效地將AI技術融入教學中，設計出能夠激發學生學習興趣和創造力的課程。教育行政部門積極推動人工智能等融入現有教育體系進程，其中包括進一步提升教師的數字素養，重點培養教師使用人工智能等新工具開展教學實踐的能力。

類似電化教育、信息化教育、在線教育等都逐步實現了全科教師的普及化使用，教師群體整體數字化水平的穩步提升是大勢所趨，信息技術教師若還是基于目前的信息技術，為其他學科教師的教學做數字化輔助，這樣的賦能作用預期會逐漸降低。就像現在各科教師在教學中都可以熟練使用電子演示文稿和學科相關的在線工具或軟件等，未來，各學科教師有可能普遍掌握人工智能賦能教學的方法，提升教與學效率與質量。例如，語言教師使用AI輔助的語言學習軟件提高學生的外語水平，或者科學教師利用數據分析工具分析科學規律。

在人工智能賦能未來的大時代背景下，信息技術教師更應該具備終身學習能力，持續提升自身的數字素養與專業技能，學習如何利用機器學習和大數據分析優化教學內容和方法，或者掌握如何創建和應用智能教學系統來輔助教學；整合資源，推廣跨學科的AI應用，與其他學科教師合作，利用AI技術提升其他學科的教學效率和質量；創建在線學習平臺供學生自主學習AI課程，或者建立社區AI實驗室，讓不同背景的學生都有機會實踐和探索AI技術。

2.明確學科主體定位，以AI交叉做跨學科內容融合創新

人工智能作為一門交叉學科，涉及計算機科學、數學、心理學、哲學等多個領域的知識和研究方法。在教學中，信息技術教師可以從人工智能本身的創新發展過程出發，通過分解、抽象、建模進行適當的簡化，讓學生親歷交叉創新的過程，為學生提供一個整合的學習視角。例如，人工智能中機器學習算法有一類進化算法，就來源于大自然生物進化論的啟示，由跨界科學家將其做了數字化建模，形成了著名的遺傳算法，這是典型的交叉遷移創新。

信息技術教師可以設計AI+X合作項目來整合推動跨學科內容融合創新，包括設計以真實問題解決為主題的學習任務，讓學生從多個學科的角度來分析和解決問題。例如，組織學生利用AI分析環境數據來探究居民幸福感的影響因素，這需要結合地理學、環境科學、心理學、社會學和信息科技的知識。信息技術教師還可以通過與其他學科教師的合作，共同開發包含AI技術的項目，使教學內容更加實用，更能激發學生的興趣。例如，與音樂教師合作，使用AI技術分析音樂作品的風格和結構，既學習了音樂理論，也理解了AI在藝術領域的應用。此外，信息技術教師還可以通過跨學科的AI教學項目，鼓勵學生發揮創造性，培養他們的批判性思維和解決問題的能力。例如，結合商業管理、藝術設計及知識論，設計一個藝術品推薦系統商業策劃，讓學生深入理解推薦系統的工作原理、商業邏輯及其社會影響，特別是“信息繭房”現象的產生和影響。

信息技術教師在跨學科教學中應明確信息技術作為一門學科的主體地位，不是簡單作為輔助教學的工具，而是有效地將人工智能作為一個交叉學科來教學，促進學生對AI及其在不同領域中應用的全面理解和創新能力的發展。在這個層面上，信息技術教師不是學科教學的輔助者，而是跨界創新的共同學習者，從學科整合大框架下的人工智能+X學科（即人工智能的跨學科基礎）及學科+人工智能（人工智能在各學科領域前沿發展中的應用）兩個方向推動信息技術與其他學科的內容交叉和跨學科創新教學，促進學生計算+X、人工智能+X的創新能力培養。

AI+X跨學科創新教學的實踐策略

AI+X跨學科課程建設與教學實踐應以國家信息科技（技術）課程標準為出發點，信息科技（技術）的學科核心素養是教學的基礎與核心，在跨學科創新中培養高階能力和智能素養。2022年新發布的國家義務教育課程方案文件中，明確提出了跨學科主題學習，并規定每個學科都要拿出不少于課程10%的課時用于跨學科主題學習的教學。在高中階段的教育教學中，國家也非常重視和鼓勵跨學科創新教學，強調結合真實情境、面向真實問題的解決。因此，跨學科主題學習是人工智能跨學科重要的生長點和適合的發展環境。學校和教師在教學中可以用人工智能跨學科教學來積極落實新課標的教育方案和創新理念。

1.選題應與時俱進，聚焦高階能力培養

人工智能發展日新月異，跨學科教學需要多學科不斷碰撞出新的火花，因此，AI+X的跨學科教學需要教師終身學習。AI+X跨學科的教學主題選取應與時俱進，結合前沿熱點，以激發學生的學習熱情。信息技術教師在平時生活中可以積極關注與AI相關的新聞報道、熱點事件，尤其是前沿的科技突破。以這些“新”事物做突破口，學生的學習就具有了鮮活的背景和強烈的共情。教學主題可以是引導學生解密新聞背后的科技原理，可以是引領學生探究科技發展的趨勢和規律，可以是啟發學生思考科技與人類、社會之間的聯系等。熱點事件是引子，找到其中跨學科的創新點才是關鍵。

跨學科教學的出發點是面向真實世界的真實問題。在現實世界中解決問題，“專家思維”（專家思維內部的兩個要素是批判性思維和創新能力）和“復雜交往”這兩大類素養就像鳥之兩翼、車之兩輪，缺一不可。這些也是目前人工智能難以具備的素養和高階能力。因此，中小學人工智能跨學科教育應該以激發和培養學生的創新能力和合作交往能力為目標。

AI+X選題需要廣闊的視角和更高的站位，通過跨學科教學培養學生的探究能力、思考能力、交流能力、勇于面對挑戰的能力，讓學生了解人工智能的底層邏輯和實踐應用，辯證思考技術的發展，并激發學生積極主動運用智能技術，成為終身學習者。信息技術教師應該認識到人工智能領域的創新思想與方法可以成為AI+X創新教學的內容。可以通過關注生活中的新聞及熱點事件、科技發展與前沿突破或者追尋經典科技創新的原始創新源頭等方式，積極尋找合適的跨學科學習主題。

2.博采眾長、積少成多，從課例到課程

中小學人工智能跨學科教學的開展，很多時候是從無到有、從0到1的突破，這樣的突破往往就是源于一個跨學科課例的設計、一節跨學科課的教學。最開始的一個課例，不需要“高大上”，重要的是勇于嘗試，深入反思，積極改進。按照教師實施的難易程度，可以大致分為幾種方式：（1）已有教學資源，包括教學設計、教學課件等，教師直接實施；（2）已有教學資源，教師根據自己學校和學生的學情，進行修改或二次開發，然后實施；（3）有跨學科學習主題和教學要求、指導，沒有直接可用的教學資源，教師自行設計課例并實施；（4）教師自行提出跨學科學習主題，以自己學科為軸，外延其他學科進行創新教學設計并實施；（5）教師與其他學科教師共同研討，提出跨學科學習主題，共同設計教學并共同授課。

中小學人工智能跨學科教學的可持續發展，需要建設一支跨學科的教師隊伍。一方面，這支隊伍中的教師有合作開發跨學科課程的創新熱情和行動力；另一方面，這些教師也能夠獨當一面，積極將跨學科創新教學融入自己學科的常規課堂。AI+X跨學科課程教研方式靈活，可以在傳統的教研組會上邀請信息技術教師介紹人工智能相關內容，大家一起討論如何結合自己的學科內容找到跨學科交叉點；還可以是信息技術教師主動尋找其他學科教師，針對AI的前沿發展或者經典創新來開發教學案例。

越來越多的學術界和產業界專家，包括各行各業的愛好者、終身學習者開始做AI科普和教育的資源。信息技術教師可以廣泛學習，博采眾長。首先，可以找到完善的、可使用的課程資源，直接用來上課；其次，找到好的參考資料，自己做二次開發；再次，可以在開源的教育平臺上做資源整合，將自己開發的課也發布到平臺上，促進開源生態的發展；最后，可以自主研發，做好每一節課，積少成多，慢慢整合形成自己的課程，再慢慢地從一門課程到多門課積累，形成課程群。

AI+X跨學科創新教學的實踐案例

1.教學實例簡介

AI+生物：從進化論到遺傳算法。機器學習經典算法——遺傳算法，就是達爾文進化論的數字化建模。 圍繞這個典型的跨學科創新，教師在課堂上帶著學生親歷這樣的創新思維過程。進化論是生物學中的必修內容，遺傳算法是高中信息技術人工智能初步選擇性必修的內容，選題落在課標的交叉點上。

AI+數理：智能去霧。選題靈感來源于國際AI頂級會議CVPR2009年的最佳論文，其核心部分只需要初等數學基礎，體現了原始創新的大道至簡。教學中對真實問題的解決進行了跨學科解構，既有數學的抽象建模，也有物理的成像模型構建，有算法設計、程序實現等，目標是讓學生探究前沿研究，體會AI的跨學科原始創新之美。

AI+制藥研發：以格列衛的發現為例。這次可對如何運用人工智能來設計藥物的問題進行抽象簡化和分解建模，引導學生設計AI算法并自動化求解，讓學生親歷前沿科技的真實問題解決過程。

AI+腦科學：神奇明信片——眼見為實？通過讓學生探究遠看近看不同的混合圖像，引導學生理解人工智能的腦科學基礎。人工智能的視覺正是模仿了人的視覺系統，從像素到簡單的邊緣檢測，再到更高層的物體識別與理解。混合圖像的基本原理也是利用了這一點。實踐中，學生還動手創作自己的混合圖像。

AI+人文：文學作品中的人物影響力計算。首先，分析問題，借鑒數學建模的方法，抽象人物及人物之間的關系并建模人物的重要性。接著，求解問題，設計算法，然后用數字化工具實現算法的自動計算。最后，總結遷移，將一段文字拓展到一回文字，再拓展到全書甚至其他文學作品的分析。學習主題是數字人文這個跨學科領域。計算為文學作品的內容和人物分析提供了一種新的解讀視角。

AI+人文：情感分析應用。從當時的“熱點事件”出發，學生做數據挖掘，抓取近一個月不同類型的媒介（如新聞、微博、論壇、微信等）報道，用自然語言理解的算法自動分析這些媒體報道的情感值，讓學生通過實踐來探究不同類型媒體的觀點有什么不同，與自己個人的觀點又有何不同，進而思考人工智能對我們認識事物的幫助在哪里、阻礙在哪里，如何借助大數據培養自己的批判思維。

AI+人文：社會模擬。AI+社會學的跨學科領域——計算社會科學，是一門2009年才誕生的新興交叉學科。教學設計用計算的方法來模擬社會的運行，讓學生在實踐中建立批判性思維。

2.案例分析：“揭秘黑洞成像算法”

以2019年4月18日的“揭秘黑洞成像”一課為例，此節課源于當年4月11日的全球科技新聞。信息技術教師引導學生運用計算思維來理解黑洞成像如何突破“黑”和“遠”這兩個難點，包括全球合作的虛擬望遠鏡以及智能重建算法。

（1）選題。2019年4月11日，全球都聚焦一個熱點新聞：人類成功獲得首張黑洞照片。筆者和同事對這個事件非常感興趣，決定一起設計一節課，探究黑洞照片，為了“蹭”這個科技熱點新聞，立即開始備課，在新聞出來一周后，成功地給學生上了一節黑洞成像的課。

（2）目標。這次課的核心目標是引導學生提出并積極探究問題，包括：黑洞的照片怎么拍的呢？黑洞附近是像新聞照片里的橙紅色嗎？拍黑洞要多大的望遠鏡？為什么人類到2019年才“拍到”黑洞？為什么新聞發布的黑洞照片上寫著2017年4月，而新聞發布時間是2019年4月等。

（3）學習路徑設計。跨學科強調基于真實問題、真實解決路徑，給黑洞拍照很難，主要有兩個難點，一是黑洞“黑”，光都出不來。這里一方面引出問題轉換，成像黑洞周圍的高能輻射。在教學中，把真實問題的解決路徑翻譯轉化為學生活動，讓學生交流和分享身邊的問題轉換。另一方面，高能輻射人眼看不見，如何拍照？引出科學可視化，讓學生動手實踐算法。第二個難點是黑洞“遠”，需要巨大的望遠鏡，學生可以估算出所需望遠鏡的尺寸是地球直徑大小，人類無法建造這么巨大的望遠鏡，怎么辦？科學家們的真實解決方法是全球合作，用分布在全球各地的已有望遠鏡，構建虛擬的“地球直徑大小”望遠鏡，再通過機器學習算法，從少量數據重建完整結果。

結 語

信息技術教師應該堅持終身學習、交叉創新的教育理念，同心協力，開源共創，勇于突破，從0到1，從一個跨學科課例開始，一點一點積累；再博采眾長、積少成多，從課例開發開始逐步完成課程的建設。信息技術教師可以聯手其他學科教師共同備課、授課，從1到2，聯手其他學科教師共同呈現交叉創新的魅力，聚焦人工智能跨學科的教與學，在教學研討中積極尋找合適的跨學科學習主題；再運用計算思維作為教學設計的抓手，基于深度學習的框架作為理論基礎，打造出自己的AI+X跨學科特色教學。

注：本文系北京教育學院學員教改課題“人工智能交叉賦能的中學跨學科創新教學實踐研究”（課題編號：XYJG2023-33）研究成果