學科大概念背景下高中信息技術教學設計研究

摘要：本文以“人工智能的產生與發展”為主題，將數據、算法、信息社會等學科大概念貫穿其中，基于翻轉課堂創設情境引入人工智能，以小組合作形式厘清人工智能基本內涵，以任務驅動為核心探究生成式AI體驗活動及其原理，以任務拓展為延伸辨析人工智能的未來，以核心素養評價為抓手開展多元評價，構建了體驗式的創新實踐課堂，以期能夠實現學科大概念牽引下的核心素養的真正落地。

關鍵詞：學科大概念；核心素養；人工智能；生成式AI

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）15-0048-04

隨著《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）的落地與實踐，學科大概念成為信息技術教師所關注的重點。筆者在教學中，也努力將學科核心素養滲透在課程的各要素中，以期能夠對學科課程進行一體化架構設計。下面，筆者以《人工智能的產生與發展》一課為例，以情境導入、基礎鞏固、任務驅動、任務拓展以及總結評價五個環節為教學實施流程，嘗試構建創新式的人工智能課堂模式（如圖1）。

筆者基于學科大概念的教學思路，將《人工智能的產生與發展》一課的學習目標設計如下：①了解人工智能的概念與發展歷程，能針對典型智能系統分析其主要采用的人工智能方法。（信息意識）②體驗人工智能的實際應用，能運用生成式AI工具完成實際問題的解決，采用合適的算法剖析生成式AI的基本工作過程，并遷移到其他相關的問題解決過程中。（計算思維）③辯證地分析人工智能技術帶來的發展與挑戰，樹立正確的對待人工智能的態度，形成積極推動人工智能健康發展的理念。（信息社會責任）

巧設情境，利用翻轉課堂引入人工智能

課前，學生預習教材，學習人工智能相關知識，并結合《人工智能簡史》視頻，寫下對人工智能的理解及其背后發展歷史變遷的感悟。在教學伊始，教師請學生代表上臺發言，闡述關于人工智能概念的描述，展示繪制的人工智能發展歷程圖。

設計意圖：通過翻轉課堂、視頻創設情境的形式，將學生引入到人工智能學習的情境中，激發學生對人工智能歷史的探究興趣，為新授課做鋪墊。

頭腦風暴，厘清三大主義與驅動因素

活動1：以四人一小組為單位，閱讀教材相關頁面和查閱課外資料，針對三大研究人工智能的方法，即符號主義、聯結主義和行為主義，討論以下問題：

①三大人工智能主義的核心觀點是什么？

②三大人工智能主義對應的研究應用領域有哪些典型的成果和代表人物？

③三大人工智能主義有哪些局限性？

活動小結：通過小組合作的方式，厘清課內關于三大人工智能主義的概念及其應用，形成對人工智能的初印象。

活動2：引導學生思考人工智能跌宕起伏的發展歷程背后，是哪些重要因素驅動其發展。

學生觀看課程資源包中人工智能專題人物的介紹，并通過頭腦風暴的形式歸納驅動因素。

活動小結：學生從課程資源包中了解到，大規模數據集為AI模型的訓練提供豐富資源、神經網絡算法和訓練神經網絡模型以及GPU為模型訓練提供強大算力支持等系列研究，使得AI在21世紀再次迎來爆發式增長，由此歸納出人工智能發展的主要驅動因素是數據、算法和算力。

設計意圖：采用小組合作探究的方式辨明課內最重要的三大人工智能主義的相關知識，通過頭腦風暴的方式，調動學生探索問題的積極性，激發學生探尋影響人工智能發展的主要驅動因素的動力。

任務驅動，體驗AI應用，剖析人工智能

任務1：多維度分類人工智能，體驗生成式AI

學生通過課程資源包，了解大模型技術，認識人工智能產品形態從單模態到多模態、跨模態的演變，從辨別式AI到生成式AI，逐步走向通用式AI的發展歷程。

教師引導學生在線體驗生成式AI。在體驗前，教師講解頁面使用、提示語和關鍵詞標記等功能，提供以下五種AI體驗思路，要求學生任選一種完成，并交流展示體驗結果。

①體驗AI輔導錯題并指出錯題涉及知識點，生成同類型不同難度梯度題集（如圖2）。

②上傳一篇教師批改過的英文作文，請AI批改，指出作文的不足之處并加以指正，將最終生成的結果與教師的批改結果進行對比。

③利用AI編寫一個基于Flask框架開發的網站程序，實現簡單的論壇功能。

④請AI幫你書寫一份高中生職業生涯規劃，需結合個人實際。

⑤與AI在線進行關于高中生活的感想交流，模擬“樹洞”功能。

任務小結：學生交流討論體驗過程中的心得體會與遇到的問題。教師總結：在體驗過程中，生成式AI表現大致良好，AI出現的可能給出前后矛盾或邏輯上不連貫的回答及其他幻覺現象等問題，是由于大模型的訓練還在初級階段，獲取的數據資源也相對有限。引導學生注意對基礎知識的學習，以便更好地鑒別AI生成的內容。

設計意圖：將體驗生成式AI與日常的學習生活相結合，設定其角色為學習輔助工具，通過任選項目體驗，引導學生意識到現階段的生成式AI仍然存在一定的局限性，不能一味依賴智能技術。

任務2：用算法解決問題的過程—剖析生成式AI的基本工作過程

①提出問題—通過在線體驗活動，你能總結出生成式AI生成內容的機制與特點嗎？

教師補充關于生成式AI對用戶輸入、數據處理，以及數據輸出背后涉及的自然語言處理、對話管理系統、生成式對話等相關技術，學生結合剛才的AI體驗心得，總結生成式AI以多輪對話為基礎的運行機制與特點。

②設計算法—通過分析生成式AI的運行機制，梳理生成式AI的基本工作過程。

圍繞算法的特征，遵循算法設計的三要素，引導學生運用剛才討論的生成式AI的運行機制和特點，采用“自頂向下，逐步細化”的結構化程序設計思想，對算法進行細化，初步將算法分為用戶初始化對話階段、內容處理呈現、多輪對話循環控制、最終內容輸出階段。

③描述算法—流程圖設計，展現生成式AI的基本工作過程。

在描述算法的過程中，通過思考和討論，學生可以進一步理解流程圖的設計理念，最后一致決定采用循環結構型流程圖來描述生成式AI基本工作過程，最終繪制的流程圖如圖3所示。

設計意圖：通過任務驅動的方式，讓學生在項目設計實施中了解AI大模型的特點，掌握AI大模型的一般現實用法，在不斷思考與討論的過程中，實現計算思維核心素養的落地并提升。

任務拓展，正方反方辨析人工智能的未來

問題情境一：有同學認為生成式AI可以直接根據需求生成圖片、文本、視頻甚至代碼，那就意味著我們不需要再學習相關知識，以后遇到問題都讓AI來解決。

問題情境二：不少科學家緊急叫停超強AI的研發，呼吁將AI系統的訓練暫停六個月，理由是對社會和人性存在潛在風險。對此，你認為未來人工智能是否會失控？是否有可能“覺醒”，反抗人類，甚至傷害人類？我們需不需要停止人工智能的發展？

針對上述觀點，請隨機分組成正反兩方，正方為支持人工智能發展并且代替人類大部分工作，反方為抑制人工智能的發展并且大部分工作仍然由人類代替，請兩方準備三分鐘后派出代表進行辯論發言。

教師記錄兩方的主要觀點，分享對此問題的看法，強調知識學習的重要性，以及生成式AI作為工具服務于人、提升效率的特點。

設計意圖：信息技術學科大概念中的“信息社會”著重探討了信息技術發展對人類社會產生的重要影響，人工智能是社會發展的一個趨勢，其在發展過程中有利有弊，引導學生以理性和客觀的態度看待生成式人工智能帶來的影響，樹立今后合理使用生成式人工智能的意識，并積極推進其發展。

總結評價，設計評價體系，開展多元評價

在課程結束后，師生交流互動，并回顧總結本課所學內容，筆者設計了課程評價量表，如下頁表所示。

設計意圖：引入以學科大概念為內核的solo分類評價方法開展多元評價，有助于追蹤每個學生完整的學習過程，力求全方位、多層次對學生實現及時的評價，爭取讓絕大部分學生通過努力，獲得最大限度的學習成就。

成效與思考

筆者對開展創新實踐課堂的班級展開課后問卷調查，了解學生對生成式AI的掌握情況，結果顯示93%以上的學生能夠成功使用生成式AI基本完成課堂任務，90%的學生發現人工智能目前存在局限性需要人工輔助，96%的學生認為會在今后的學習生活中運用到生成式AI技術。結果表明，本課的教學讓學生對人工智能有了正確而又深刻的“新的認識”，學習水平由原先傳統的人工智能教學模式下的第一層次的“了解水平”，逐步發展到第三層次的“應用水平”。但問卷調查結果也顯示，仍然有兩類學生對人工智能的態度不夠正確：一類學生是對生成式AI的工具使用不夠熟練，不理解，表示不感興趣甚至抗拒；另一類學生內心對人工智能過于美化，認為AI可以代替人類完成所有任務，沒有認識到智能工具的局限性。因此，在實際課堂中，教師應注重對這兩類情況的把控，及時對問題進行引導，啟發學生思考人工智能的未來，培養思辨精神，形成正確的人工智能價值觀和倫理觀。

結語

本文基于大概念背景對高中信息技術課堂進行創新設計，課程設計內容圍繞學科大概念主線的結構化知識展開，采用多種形式的授課方式，構建了針對高一學生從AI初識到AI創作再到剖析AI的學習體驗，體現了以學生為中心的創新實踐理念，通過優化知識體系，在內容連貫的整體中構建知識，促使學生真正把淺層學習轉變成深度學習，把所學的內容轉變成解決問題的計算思維能力，從而實現從知識到素養的轉變。

參考文獻：

張宏輝，楊曉慧.項目式學習在高中通用技術電子控制課堂中的應用——以“電熱水壺電子控制設計”項目為例[J].中國現代教育裝備，2021（03）：50-53.