四元學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)在生成式人工智能項(xiàng)目教學(xué)中的實(shí)證研究

摘要：隨著DeepSeek、具身智能走入中小學(xué)信息科技課堂，近期有關(guān)生成式人工智能的教研活動(dòng)蓬勃開(kāi)展。生成式人工智能項(xiàng)目課程具有一定的典型特征，其教學(xué)流程和邏輯結(jié)構(gòu)有別于傳統(tǒng)的信息科技內(nèi)容。其典型的設(shè)計(jì)思路為采用綜合性學(xué)習(xí)的方式，展開(kāi)多元學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)和活動(dòng)實(shí)踐，最終完成既定主題的認(rèn)知任務(wù)。生成式人工智能項(xiàng)目課程落地在信息科技學(xué)科中，可以借助四元學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行實(shí)施。

關(guān)鍵詞：四元學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)；信息科技教學(xué)；生成式人工智能

中圖分類號(hào)：G434" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" 論文編號(hào)：1674-2117（2025）06-0015-04

四元學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的理論界定與特征分析

四元學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)又稱綜合性學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)，是由荷蘭馬斯特里赫大學(xué)教育發(fā)展與研究系教授杰倫·范梅里恩伯爾教授提出。四元學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)包括面向?qū)W習(xí)者提出的學(xué)習(xí)任務(wù)、教師呈現(xiàn)相關(guān)知能、提供支持程序及環(huán)境、安排專項(xiàng)練習(xí)任務(wù)四個(gè)階段，對(duì)改進(jìn)教學(xué)效能、實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)遷移具有重要的現(xiàn)實(shí)價(jià)值，為培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的綜合能力提供了可行的實(shí)施途徑。

四元學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)主題選擇是建立在廣泛的實(shí)證研究基礎(chǔ)之上的，每一個(gè)階段均與學(xué)習(xí)過(guò)程的基本類型以及相應(yīng)的教學(xué)方法緊密聯(lián)系在一起。四元學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)模式的特征包括：更關(guān)注指向能力發(fā)展的學(xué)習(xí)任務(wù)，而基于問(wèn)題的學(xué)習(xí)更重視知識(shí)的獲取；提供更多種類的學(xué)習(xí)任務(wù)，包括問(wèn)題生成、項(xiàng)目設(shè)置、案例分析、專業(yè)實(shí)踐等；更重視任務(wù)“由易到難”的排序和“從扶到放”的教師指導(dǎo)。

信息科技教學(xué)中有關(guān)生成式人工智能項(xiàng)目的愿景與新課標(biāo)適配

在信息科技教學(xué)中，隨著《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱“課標(biāo)”）加入算力部分的內(nèi)容，生成式人工智能的應(yīng)用逐漸普及，尤其在身邊的算法、數(shù)據(jù)與編碼和跨學(xué)科模塊展現(xiàn)出顯著潛力，學(xué)生通過(guò)接觸ChatGPT、DeepSeek等生成式人工智能工具，實(shí)踐AI生成代碼、圖像和文本的能力，通過(guò)對(duì)話方式讓大模型完成既定的任務(wù)。生成式人工智能項(xiàng)目教學(xué)的教育環(huán)境和學(xué)習(xí)方式與傳統(tǒng)學(xué)科教學(xué)有較大的區(qū)別，對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)方式和進(jìn)程已經(jīng)成為自身學(xué)習(xí)內(nèi)容的一部分。學(xué)生使用數(shù)字化工具、信息化手段等支持環(huán)境，構(gòu)建自身的智能體。通過(guò)多維交互方式，使學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程更加豐富多樣，促進(jìn)學(xué)生不斷自主構(gòu)建，衍生傳統(tǒng)學(xué)科的教學(xué)外延。同時(shí)，四元學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)可以滿足學(xué)生的需求，構(gòu)建“以學(xué)習(xí)者為中心”的生成式人工智能課堂，為師生構(gòu)建溝通平臺(tái)和學(xué)習(xí)支架工具、學(xué)習(xí)腳手架，讓學(xué)生參與體驗(yàn)式的自主、互動(dòng)、探究的綜合學(xué)習(xí)過(guò)程。

四元學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)例分析

階段一：精準(zhǔn)定向——確定活動(dòng)主體目標(biāo)

四元學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的第一階段為活動(dòng)定向，即明確活動(dòng)主題，由教師引導(dǎo)學(xué)生與生成式人工智能大模型展開(kāi)討論，澄清模糊概念、界定問(wèn)題、嘗試提供解釋、草擬解決方案，然后列出解決問(wèn)題的要點(diǎn)。大模型可以在充分交流的基礎(chǔ)上，依據(jù)提問(wèn)者的認(rèn)知水平和興趣，選擇與其學(xué)習(xí)階段相匹配的生成式人工智能技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景，如編程、設(shè)計(jì)或文本生成；明確教學(xué)目標(biāo)，包括技術(shù)掌握、創(chuàng)新思維培養(yǎng)及倫理意識(shí)提升；通過(guò)數(shù)據(jù)分析與反饋機(jī)制，動(dòng)態(tài)調(diào)整主題難度與內(nèi)容，確保活動(dòng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)與學(xué)生能力的同步發(fā)展，從而最大化生成式人工智能在教學(xué)中的支持型功能。

（1）原設(shè)計(jì)

《數(shù)據(jù)編碼有規(guī)則》是義務(wù)教育階段第二學(xué)段的內(nèi)容，核心要義為理解編碼規(guī)則，知道如何使用編碼建立數(shù)據(jù)間的聯(lián)系，了解編碼越長(zhǎng)信息量越大的含義。此單元適宜采用生成式人工智能工具為載體實(shí)施教學(xué)，在第一部分的學(xué)習(xí)中，常規(guī)的教學(xué)過(guò)程一般沿用原理說(shuō)明→典型APP對(duì)話過(guò)程觀察→練習(xí)與智能體對(duì)話→作品發(fā)布→評(píng)價(jià)與調(diào)整等。在教學(xué)流程中，硬性的技術(shù)特征較為明顯，教學(xué)過(guò)程流于形式。在此過(guò)程中，智能體并未協(xié)助學(xué)生產(chǎn)生深思的過(guò)程，因此它并非完整意義上的生成式人工智能項(xiàng)目的信息科技課。

（2）思考焦點(diǎn)

在以上的設(shè)計(jì)中技能痕跡明顯，生成式人工智能項(xiàng)目課程的特征不足，學(xué)生缺乏必要的認(rèn)知定向。思考焦點(diǎn)為學(xué)生是認(rèn)知的主體，生成式人工智能是主觀了解的對(duì)象，并非為技術(shù)而學(xué)習(xí)。因此，此種傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式缺少活動(dòng)定向環(huán)節(jié)，學(xué)習(xí)過(guò)程缺少智能體的支持。

（3）改進(jìn)型設(shè)計(jì)

在基于四元學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的教學(xué)中，《數(shù)據(jù)編碼有規(guī)則》一課將進(jìn)行更有指向性的設(shè)計(jì)過(guò)程。教學(xué)建議如下。

環(huán)節(jié)名稱：編碼規(guī)則源于生活。

導(dǎo)入部分：師生對(duì)話，找找身邊的編碼案例（路牌、車位號(hào)等）。

教師引導(dǎo)：明天我們集體組織前往市青少年宮參觀，哪些同學(xué)是第一次去少年宮？應(yīng)該如何找到目的地？

學(xué)生思考：我們可以根據(jù)地址編碼找到目的地。

學(xué)生活動(dòng)：詢問(wèn)大模型，還有哪些根據(jù)編碼到達(dá)目的地的方式。

生成式人工智能大模型詢問(wèn)：

問(wèn)題1：身邊有智能手機(jī)嗎？

問(wèn)題2：編碼里藏著規(guī)則嗎？

問(wèn)題3：它們有時(shí)間限制嗎？

問(wèn)題N：……

提出主題：小組確定主題，在繪制思維導(dǎo)圖后由生成式人工智能進(jìn)行完善。

生成式人工智能大模型補(bǔ)充：

①定點(diǎn)→具體集合地點(diǎn)如何尋找？

②定向→找到地點(diǎn)以后如何學(xué)習(xí)？

③定標(biāo)→我們尋找的目的是什么？

智能評(píng)價(jià)：各小組交流活動(dòng)成果，對(duì)照生成式人工智能給出的建議確定任務(wù)目標(biāo)。

反思調(diào)整：采用生成式人工智能及時(shí)生成評(píng)價(jià)情況，調(diào)整定位，為后續(xù)學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

教學(xué)評(píng)析：在以上學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)中，學(xué)生發(fā)揮主觀能動(dòng)性，通過(guò)對(duì)學(xué)習(xí)目標(biāo)的定位、學(xué)習(xí)伙伴的定位、學(xué)習(xí)項(xiàng)目的定位、組內(nèi)合作的定位，形成完整的系列學(xué)習(xí)框架。生成式人工智能成為師生活動(dòng)的協(xié)同者，對(duì)各級(jí)定位進(jìn)行必要的指導(dǎo)，共同合理完成學(xué)習(xí)過(guò)程的規(guī)劃。通過(guò)這樣的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)，學(xué)生能夠掌握的認(rèn)知概念是生動(dòng)明確、源于自身需要的，因此教學(xué)效果良好。

階段二：精致設(shè)計(jì)——構(gòu)建自主學(xué)習(xí)氛圍

四元學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的第二階段為構(gòu)建良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，借助適宜的學(xué)習(xí)工具，創(chuàng)設(shè)自主學(xué)習(xí)的氛圍。在基于四元學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的教學(xué)中，環(huán)境的支持是幫助學(xué)生進(jìn)行深度思維的要素之一。根據(jù)前一階段的學(xué)習(xí)指向，教師可以進(jìn)行有針對(duì)性的自主環(huán)境構(gòu)建，并據(jù)此開(kāi)展泛在性認(rèn)知活動(dòng)。

（1）原設(shè)計(jì)

《數(shù)據(jù)編碼有規(guī)則》的第二部分是讓學(xué)生通過(guò)生活實(shí)際，發(fā)現(xiàn)編碼的規(guī)則，理解編碼規(guī)則的實(shí)際意義。在已有的生成式人工智能項(xiàng)目課程中，常規(guī)的教學(xué)思路如下：教師演示生成式人工智能大模型的對(duì)話方式→講解生成式人工智能大模型的工作原理→學(xué)生與生成式人工智能大模型對(duì)話→出示生成式人工智能代碼并調(diào)試→教師小結(jié)。在以上過(guò)程中僅采用了意義和編碼之間的表面聯(lián)系，學(xué)生并沒(méi)有感受到生成式人工智能對(duì)編碼過(guò)程產(chǎn)生的影響，因此需要修改。

（2）思考焦點(diǎn)

作為生成式人工智能項(xiàng)目的課程，上述教學(xué)缺乏在人工智能介入后對(duì)信息科技學(xué)科解決問(wèn)題的挖掘，學(xué)生缺乏必要的生活常識(shí)需求，所以教學(xué)過(guò)程較為單薄。

（3）改進(jìn)型設(shè)計(jì)

在基于四元學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的《數(shù)據(jù)編碼有規(guī)則》一課的第二部分教學(xué)中，教師可以創(chuàng)設(shè)適宜的教學(xué)環(huán)境，提供學(xué)習(xí)工具支持，讓學(xué)生能夠在模擬情境中提升信息化的綜合能力。教學(xué)建議如下。

環(huán)節(jié)名稱：編碼規(guī)則要有意義。

教師引導(dǎo)：同學(xué)們思考，每位同學(xué)在校期間都有學(xué)號(hào)，它是我們?cè)谛?nèi)的唯一標(biāo)識(shí)，那么它是如何編碼的？

學(xué)生活動(dòng)：找到自己的學(xué)號(hào)，并彼此觀察尋找規(guī)律。

對(duì)話生成式人工智能大模型：驗(yàn)證尋找的規(guī)則和智能體給出的規(guī)則是否相同。

生成式人工智能大模型設(shè)問(wèn)：

設(shè)問(wèn)1：請(qǐng)讀一讀你的學(xué)號(hào)，想一想學(xué)號(hào)是依據(jù)什么規(guī)則編碼的？

設(shè)問(wèn)2：如果三位同學(xué)都是某小學(xué)2025級(jí)的學(xué)生，請(qǐng)根據(jù)你的研究結(jié)論，嘗試對(duì)某一位同學(xué)的學(xué)號(hào)進(jìn)行填寫。

設(shè)問(wèn)3：請(qǐng)比較你們的研究結(jié)果，找一找問(wèn)題答案有哪些特征？

設(shè)問(wèn)N：……

生成式人工智能大模型構(gòu)建環(huán)節(jié)：

①與人相關(guān)的環(huán)境要求→建設(shè)意見(jiàn)。

②與數(shù)相關(guān)的數(shù)值要求→收集內(nèi)容。

③與校相關(guān)的編碼要求→落實(shí)規(guī)則。

構(gòu)建環(huán)境：編碼規(guī)則為什么要有意義。

評(píng)價(jià)小結(jié)：組織評(píng)選，借助生成式人工智能進(jìn)行投票，顯性結(jié)果。

教學(xué)評(píng)析：通過(guò)上述的學(xué)習(xí)，學(xué)生了解到編碼規(guī)則是有意義的。通過(guò)生成式人工智能大模型對(duì)話可以理解學(xué)號(hào)一般會(huì)按照年級(jí)、性別、班級(jí)班內(nèi)編號(hào)的信息進(jìn)行編碼，通過(guò)學(xué)號(hào)學(xué)生可以快速讀取學(xué)生信息，準(zhǔn)確地標(biāo)識(shí)每位學(xué)生。這樣，生成式人工智能營(yíng)造了適宜學(xué)生去理解編碼規(guī)則的環(huán)境，通過(guò)層層深入的對(duì)話，讓學(xué)生更好地去理解。

階段三：精密分析——評(píng)估驗(yàn)證學(xué)習(xí)結(jié)果

四元學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的第三階段為評(píng)估與驗(yàn)證學(xué)生的認(rèn)知達(dá)成度，即通過(guò)多維度的評(píng)價(jià)，不斷對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行考查。評(píng)估與驗(yàn)證學(xué)生的認(rèn)知達(dá)成度是確保教學(xué)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的核心環(huán)節(jié)，該階段可以采用多元化的評(píng)估方法，如形成性評(píng)價(jià)與終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合，量化分析學(xué)生在知識(shí)掌握、應(yīng)用及問(wèn)題解決等方面的表現(xiàn)。同時(shí)，引入學(xué)習(xí)分析技術(shù)，追蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)行為與認(rèn)知發(fā)展軌跡，結(jié)合反饋機(jī)制，動(dòng)態(tài)調(diào)整教學(xué)策略，以驗(yàn)證其認(rèn)知目標(biāo)的達(dá)成度，從而為后續(xù)教學(xué)優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

（1）原設(shè)計(jì)

《數(shù)據(jù)編碼有規(guī)則》的第三部分為讓學(xué)生通過(guò)生活實(shí)際理解編碼有多種方式。該課讓學(xué)生體驗(yàn)多種編碼的方式，并能夠據(jù)此理解編碼內(nèi)部聯(lián)系的原理。在常見(jiàn)的生成式人工智能項(xiàng)目教學(xué)中，該課有著一定的程式。可循的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)如下：觀看實(shí)例編碼解碼視頻→學(xué)習(xí)已有編碼內(nèi)容→出示解碼程序→學(xué)生嘗試修改→教師點(diǎn)評(píng)部分不合理的作品→評(píng)價(jià)小結(jié)。

（2）思考焦點(diǎn)

以上的設(shè)計(jì)是傳統(tǒng)的教學(xué)和學(xué)習(xí)過(guò)程，缺乏新課標(biāo)的結(jié)構(gòu)化思維，因此其設(shè)計(jì)的深度不足。生成式人工智能有突破傳統(tǒng)的歸納與提升功能，對(duì)教學(xué)過(guò)程中的編碼理解具有深刻的意義。因此，此教學(xué)過(guò)程應(yīng)做適應(yīng)性的修改。

（3）改進(jìn)型設(shè)計(jì)

在基于四元學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的教學(xué)中，該課針對(duì)生成式人工智能項(xiàng)目的課堂教學(xué)特點(diǎn)，進(jìn)行以驗(yàn)證促優(yōu)化的改良，以促進(jìn)學(xué)生的生成性思維的提升，鼓勵(lì)學(xué)生多元智能的迭代。教學(xué)建議如下。

環(huán)節(jié)名稱：編碼建立內(nèi)在聯(lián)系。

教師提問(wèn)：運(yùn)動(dòng)會(huì)的賽場(chǎng)區(qū)域很大，人很多，你是怎樣找到同學(xué)的？

學(xué)生回答：

回答1：我用手機(jī)打電話給他。

回答2：我用微信、QQ聯(lián)系他。

回答3：我在場(chǎng)地大聲呼喊他的名字。

生成式人工智能大模型回答：可以通過(guò)他的運(yùn)動(dòng)員號(hào)碼牌，很快找到你的同學(xué)。

生成式人工智能大模型驗(yàn)證：

互動(dòng)活動(dòng)1：請(qǐng)觀察圖1中的圖例，分析圖中的號(hào)碼長(zhǎng)度是否相同。

互動(dòng)活動(dòng)2：請(qǐng)觀察圖2中運(yùn)動(dòng)員的號(hào)碼，同一組號(hào)碼有順序之分嗎？

互動(dòng)活動(dòng)3：請(qǐng)觀察圖3中的車牌，思考它們有哪些異同。

互動(dòng)活動(dòng)N：……

評(píng)估環(huán)節(jié)：

①分類編碼：分類編碼有哪些特色？在哪些地方可以采用具有多個(gè)特定意義的數(shù)據(jù)塊組成分類編碼？

②意義編碼：如電子班牌等包含級(jí)部班級(jí)課程的多種數(shù)據(jù)塊，它是一種分類編碼，生活中還有哪些場(chǎng)合會(huì)運(yùn)用到分類編碼？

③實(shí)踐編碼：圖書館使用多組數(shù)據(jù)塊，可以識(shí)別圖書的存放地、書籍類型等信息。那么，通過(guò)數(shù)據(jù)塊編碼建立數(shù)據(jù)間的聯(lián)系是為了什么呢？

與生成式人工智能大模型共同小結(jié)：

①我理解了分類編碼的意義。

②我嘗試了多種編碼的方式。

③我與大模型溝通了編碼制訂的流程。

共商改進(jìn)：①擴(kuò)大生活應(yīng)用范圍；②擴(kuò)展場(chǎng)合應(yīng)用人群；③擴(kuò)充數(shù)據(jù)編碼容量……

教學(xué)評(píng)析：以上的學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)突出了生成式人工智能對(duì)學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。生成式人工智能大模型成為學(xué)習(xí)伙伴，通過(guò)教師適宜的引導(dǎo)，對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行了理性的評(píng)價(jià)，并提出后續(xù)學(xué)習(xí)的意見(jiàn)。此時(shí)的生成式人工智能不僅僅是學(xué)習(xí)的工具，還是協(xié)同學(xué)習(xí)的伙伴，讓學(xué)生在教師的指導(dǎo)下，不斷反思自我的作品，提升綜合學(xué)習(xí)能力。

生成式人工智能項(xiàng)目教學(xué)中應(yīng)用四元學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的關(guān)注點(diǎn)

第一，選擇有效內(nèi)容載體。在認(rèn)知過(guò)程前，需要根據(jù)學(xué)生的情況，設(shè)定具體的學(xué)習(xí)目標(biāo)，如掌握生成模型的基本原理、熟練使用生成式人工智能聊天對(duì)話框以及理解其應(yīng)用場(chǎng)景與局限性。

第二，設(shè)置多樣化的學(xué)習(xí)活動(dòng)，如項(xiàng)目實(shí)踐、案例分析、協(xié)作探究等，深入理解技術(shù)邏輯與應(yīng)用方法。同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生實(shí)踐，并在真實(shí)場(chǎng)景中驗(yàn)證其效果，確保學(xué)生在技術(shù)學(xué)習(xí)的同時(shí)，培養(yǎng)創(chuàng)新思維與倫理意識(shí)，為后續(xù)學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

第三，強(qiáng)調(diào)評(píng)估反饋的科學(xué)性與動(dòng)態(tài)性。在生成式人工智能項(xiàng)目教學(xué)中，需通過(guò)多元化的評(píng)估方法，如生成內(nèi)容的質(zhì)量分析、項(xiàng)目成果展示及學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)追蹤，全面衡量學(xué)生的認(rèn)知達(dá)成度。同時(shí)，建立實(shí)時(shí)反饋機(jī)制，幫助學(xué)生及時(shí)調(diào)整學(xué)習(xí)策略，優(yōu)化生成結(jié)果。