《人工智能初步》模塊的項目式教學實踐

韓思瑤

人工智能的迅速發展對人工智能的教育教學提出了新的要求。2017年7月，國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》提出在中小學階段設置人工智能相關課程。2018年，教育部發布普通高中課程標準，在高中信息技術選擇性必修模塊里單獨列出人工智能初步模塊。新課標指出，普通高中信息技術課程需圍繞信息技術學科核心素養（信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任），構建具有時代特征的學習內容，鼓勵學生在數字化環境中學習與實踐，倡導基于項目的學習方式，讓學生參與到信息技術支持的溝通、共享、合作與協商中，培養信息意識，理解信息技術對人類社會的影響，提高信息社會參與的責任感與行為能力。因此，如何設計人工智能相關課程，在落實課程內容的同時提升學生的學科核心素養就成為一個值得探索和實踐的課題。

基于核心素養的項目教學設計

本文以北京市十一學校校本課程“人工智能技術與應用”的第三單元“AI助力垃圾分類”主題項目為例，來分析如何通過人工智能項目式教學設計來提升學生的核心素養。

首先，根據課程內容及學情我們重構了選擇性必修模塊4人工智能初步的主要內容，將計算機視覺技術、語音技術、自然語言處理的知識用一個真實項目承載，學生在解決實際問題的項目過程中學習知識，通過合作探究等活動，提升核心素養。

此單元任務為：利用人工智能技術幫助師生更高效地進行垃圾分類，維護校園環境。包含3個子任務，具體內容以及教學活動、學生活動如圖1所示。

整個單元的學習即為整個項目的實踐，學生在教師引導、新知學習、自學探索、實踐反饋的過程中進行學習實踐。在項目推進的過程中，教師會提供多樣化的資源腳手架、工具平臺以及評價量規輔助整個學習過程。課后會根據學生課堂表現進行過程性評價（表1）。

教學活動與實踐

接下來以任務1“看圖分類”的第一節課為例，展示具體課程活動設計的情況。

綜合課程內容以及學生情況調研，我們制定了本課的教學目標：了解圖像識別的概念及簡單原理;了解數據多樣性對分類模型準確率的影響;設計一個簡單的垃圾分類方案。從而提升用人工智能技術解決實際問題的能力，提升學科核心素養。

1.學習活動設計

本節課的學習活動主要包括四個部分：確定任務、學習新知、探究實驗、設計方案。整個過程中培養了學生計算思維以及數字化學習與創新的素養。

（1）確定任務。從“靈魂拷問”出發，引出垃圾分類熱點，學生通過“垃圾大作戰”的小游戲，隨機點名來分辨垃圾類別，在游戲中體會垃圾分類的困難，從而引出單元主題。在此過程中，教師通過隨機點名、參與獎勵分的方式提高課堂活躍度。之后，學生通過觀看自動垃圾識別的視頻，思考拍照進行垃圾分類運用到的技術，并通過教師引導建立單元目標以及本節課學習任務（圖2）。

本環節以熱點話題引起學生關注，引出本節課的任務，提高學生的目標感和積極性。

（2）學習新知。學生從人類識別過程出發通過類比理解圖像識別概念，并運用Teachable Machine工具教會機器識別廢紙、塑料瓶，讓學生對訓練分類器有了更加直觀的認識（圖3）。在此過程中，學生通過dojo平臺提交探索任務單，教師通過平臺實時進行反饋及點贊，使課堂互動更加順暢，也提升了學生的積極性。最后，在體驗探索中總結整個計算機識別圖片的過程，探究分類模型以及準確率概念。也為有興趣的學生提供計算機領域綜述論文，輔助他們課下深入學習。

本環節通過類比人類識物的流程，體驗訓練機器識別的過程，幫助學生了解圖像識別的基本原理，引導學生運用工具探究新知，培養數字化學習與創新的素養。

（3）探究實驗。提供探究實驗腳手架，引導學生探索什么樣的訓練數據能讓識別效果更好。學生在分組探索實驗中通過數據的多少、物體的角度形態變化，得到結論：數據的種類需要豐富、角度形態需要多樣。強調在算法一定的情況下數據很關鍵，訓練分類模型，需要“見多識廣”， 需要收集能盡量覆蓋真實情況的大數據。教師提供探索實驗的腳手架（圖4），輔助和引導學生進行探索實驗，通過學生分享進行實時的評價和總結。

本環節的探究實驗中，學生體驗數據對結果的重要性，為后期訓練分類模型、采集數據提供方法指導。學生能從提出問題、分析問題、探究原理、得出結論的過程提升計算思維素養。

（4）設計方案。本環節利用所學原理解決實際問題，檢驗課堂學習成果。教師提供設計表和垃圾分類一覽表引導學生設計任務，親歷從想法到實踐的過程，為后期實踐提供方法指引，培養解決問題的能力。

本環節提供給學生詳細的設計表以及相關垃圾分類的資料供參考，在設計之后有學生互相分享，進行互評和反思（圖5）。

2.學習評價設計

教師點評：通過平臺隨機點名方式提問，進行加分獎勵，對學生課堂表現實時點評;在分享環節進行口頭點評;在dojo平臺對提交的任務單進行反饋以及點贊。

學生自評：在探究實驗及設計方案時通過腳手架學生實現自評，自我調整方案。

過程性評價：課后根據學生表現進行過程性評價，總分60（課堂任務25、課堂表現10、資源利用10、創新與進步5、出勤10）。

3.特色學習資源說明

Class dojo平臺：課堂項目平臺，幫助更好地組織項目開展。

Teachable Machine：基于瀏覽器端的訓練工具，任何學生都能在不編寫代碼的情況下，體驗如何訓練一個分類模型。

百度Easy DL定制化訓練工具：百度提供的定制化訓練工具，只需要有基本的圖像識別知識，通過上傳數據即可獲得模型。

學習任務單：任務單和設計表幫助學生更好地了解課堂任務并更好地完成。

項目式教學里核心素養的培養

在項目的設計及實踐中，我們結合真實情景，在整個課程項目開展的過程中落實學科核心素養的培養。

（1）信息意識。本單元的設計來源于垃圾分類、環保話題，基于一個真實問題。學生在整個過程中了解人工智能的新進展，并能適當用在學習生活中。培養學生發現問題、思考方法、主動獲取知識、運用信息技術解決問題的習慣，形成用信息技術解決問題的思維模式，培養信息意識。

（2）計算思維。整個項目本質是一個大問題：如何運用信息技術提高垃圾分類效率。在教師的引導下，將大問題分解為三個子任務，分別從能識圖、能聽懂、能回復三個角度運用技術的力量助力垃圾分類。在項目中學生自然地學習了人工智能三大領域的知識，并運用知識解決了實際問題。從界定問題、抽象建模、組織知識、運用合理的算法形成解決方案的過程中，訓練了計算思維。

（3）數字化學習與創新。項目學習的開展，離不開學生的自主學習、協作分享。本單元的項目式學習開展，運用了多種在線工具，幫助學生體驗探究。我們還引入了項目管理平臺，教師能發布任務，小組成員能實時完成并提交，同時學生還能在班級圈里實時發布小組的進度，方便組間互動。在此過程中，學生能借助工具有效地管理學習過程與學習資源，創造性地解決問題，培養了其數字化學習與創新的能力。

（4）信息社會責任。除了承載知識，培養學生綜合素養之外，本單元的項目還起到了責任感培養的目的。垃圾分類、環保一直都是社會熱點，與人類美好生活息息相關，通過本項目的實踐，增強了學生利用智能技術服務人類發展的責任感，培養了他們的信息社會責任感。

本文以“AI 助力垃圾分類”項目的實踐為例，探索如何在人工智能相關課程中以項目式教學的方式落實課程內容，培養學生核心素養。本課程項目分為三個子任務，分別涉及人工智能的三大領域知識;活動形式生動有趣且貼近現實生活;課程資源豐富，皆為在線資源，成本低且效果好;整個項目以評價量規輔助，進行了基于課堂表現的過程性評價，輔助學生整個項目學習過程。

項目基于真實問題，統整學科內、學科間的知識內容，并在豐富的體驗和探究活動中，調動學生自我學習熱情，讓學生在深度思考、積極探索實踐過程中，習得知識、提升綜合素養。實現了教學實踐中的情景化、統整化、活動化、深度化，以達到培養學生核心素養的最終目標。

作者單位：北京市十一學校