融合設(shè)計(jì)與計(jì)算思維的高中人工智能課程設(shè)計(jì)與探究

文∣陳婧雅 劉成剛

一、引言

人工智能技術(shù)對(duì)當(dāng)今社會(huì)有著深遠(yuǎn)的影響，全球范圍內(nèi)的信息處理都少不了它的參與。在大數(shù)據(jù)、算力和算法三大力量的驅(qū)動(dòng)下，人工智能的相關(guān)應(yīng)用開(kāi)始有序落地，特別是在教育這個(gè)重要賽道上。為了實(shí)現(xiàn)人工智能領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展，相關(guān)人才培養(yǎng)成為重中之重。

2017年修訂的高中信息技術(shù)必修模塊中加入了人工智能的章節(jié)內(nèi)容，“人工智能初步”也作為信息技術(shù)課程的選擇性必修模塊。但就目前而言，針對(duì)人工智能這門新興學(xué)科，無(wú)論是研究者還是一線從業(yè)教師，都對(duì)如何進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)感到困惑。多數(shù)教師仍注重人工智能課程中“術(shù)”的培養(yǎng)，以計(jì)算機(jī)編程為主要教學(xué)內(nèi)容，將人工智能的概念狹義化，而忽視了課程中的“道”，即培養(yǎng)學(xué)生理念與思維認(rèn)知，助力“實(shí)現(xiàn)人的全面發(fā)展”。設(shè)計(jì)思維是一套能以系統(tǒng)整體觀，利用創(chuàng)新思維解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中復(fù)雜問(wèn)題的方法論體系，將其與計(jì)算思維相融合，能夠很好地彌補(bǔ)人工智能學(xué)科只重程序算法而忽視系統(tǒng)思維的短板。

基于此，本文通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)思維和計(jì)算思維的理論研究，探究融合設(shè)計(jì)思維與計(jì)算思維的人工智能課程設(shè)計(jì)框架，以期為高中人工智能教學(xué)提供實(shí)質(zhì)性的參考。

二、設(shè)計(jì)思維與計(jì)算思維的融合過(guò)程

(一)計(jì)算思維

《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》提到“信息技術(shù)課程設(shè)計(jì)應(yīng)著重培養(yǎng)高中生信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新以及信息社會(huì)責(zé)任”。計(jì)算思維作為其核心素養(yǎng)之一，在以“程序驅(qū)動(dòng)”的數(shù)字化時(shí)代顯得格外重要。隨著時(shí)代的不斷進(jìn)步，計(jì)算思維的內(nèi)涵也為適應(yīng)現(xiàn)代信息社會(huì)生存發(fā)展發(fā)生相應(yīng)改變，因而還沒(méi)有一個(gè)完全標(biāo)準(zhǔn)的定義。本文認(rèn)為的計(jì)算思維是依據(jù)真實(shí)問(wèn)題，借助計(jì)算機(jī)程序思想，創(chuàng)造性地解決問(wèn)題的思維能力。

目前我國(guó)基礎(chǔ)教育階段中，關(guān)于學(xué)生計(jì)算思維能力培養(yǎng)的相關(guān)應(yīng)用主要集中于編程語(yǔ)言課程。人工智能技術(shù)發(fā)展強(qiáng)大的內(nèi)驅(qū)力也是程序算法，因此人工智能課程中應(yīng)滲透對(duì)計(jì)算思維的培養(yǎng)。圖1為計(jì)算思維在計(jì)算學(xué)科的設(shè)計(jì)框架。

圖1 計(jì)算思維在計(jì)算學(xué)科的設(shè)計(jì)框架

(二)設(shè)計(jì)思維

設(shè)計(jì)思維強(qiáng)調(diào)充分發(fā)揮設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造性思維，將哲學(xué)、藝術(shù)和技術(shù)等因素融會(huì)在設(shè)計(jì)中，形成具有創(chuàng)造性的新產(chǎn)品。設(shè)計(jì)思維培養(yǎng)的前提是創(chuàng)新意識(shí)，而創(chuàng)新意識(shí)本質(zhì)上可以理解為創(chuàng)造一種新的秩序。設(shè)計(jì)思維有助于幫助設(shè)計(jì)者將原有產(chǎn)品依據(jù)現(xiàn)實(shí)情況進(jìn)行更新迭代，最終賦予它們新的功能以更好地服務(wù)人類，這與人工智能的發(fā)展內(nèi)涵不謀而合。設(shè)計(jì)者在利用設(shè)計(jì)思維進(jìn)行創(chuàng)作時(shí)，是以主觀感性的非邏輯思維，甚至脫離邏輯思維的頭腦風(fēng)暴，更好地激發(fā)設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造激情、探索欲、求知欲等心理品質(zhì)，而不單純局限于實(shí)際應(yīng)用層面。[1]若在人工智能教學(xué)設(shè)計(jì)中融入設(shè)計(jì)思維的培養(yǎng)，有助于學(xué)生從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)的角度看待人工智能課程，將理論與實(shí)踐更好地進(jìn)行有機(jī)融合。

斯坦福大學(xué)提出了經(jīng)典的EDIPT設(shè)計(jì)思維模型，即設(shè)計(jì)思維在教學(xué)中的5個(gè)階段，包含同理心、定義、構(gòu)想、原型和測(cè)試。[2]祝智庭等人于近期提出了教育人工智能(eAI)的概念，認(rèn)為在eAI中，設(shè)計(jì)思維的培養(yǎng)是教學(xué)智慧的關(guān)鍵一環(huán)。在原有設(shè)計(jì)思維的框架上針對(duì)eAI的特性，豐富了設(shè)計(jì)思維解決問(wèn)題的思路：移情、學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)真實(shí)問(wèn)題、頭腦風(fēng)暴、試錯(cuò)優(yōu)化、公開(kāi)展示。在eAI課程中，設(shè)計(jì)思維可貫穿于提問(wèn)(啟問(wèn))、可視化表征、運(yùn)用隱喻、設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)、體驗(yàn)、巧用技術(shù)工具、角色扮演等多種藝術(shù)力量中加以培養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生自發(fā)地生成創(chuàng)造性問(wèn)題解決方案。[3]

本文根據(jù)EDIPT與祝智庭等人提出的設(shè)計(jì)思維框架，結(jié)合計(jì)算思維解決問(wèn)題的一般過(guò)程，將兩種思維方式按照人工智能課程特點(diǎn)進(jìn)行融合，構(gòu)建了設(shè)計(jì)思維與計(jì)算思維過(guò)程融合結(jié)構(gòu)圖(如圖2)。

圖2 設(shè)計(jì)思維與計(jì)算思維過(guò)程融合結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)上述計(jì)算思維與設(shè)計(jì)思維的分析，本文認(rèn)為兩種思維模式的側(cè)重點(diǎn)不同。首先，在面向?qū)ο蠓矫妫?jì)算思維強(qiáng)調(diào)的是用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念去求解問(wèn)題，而設(shè)計(jì)思維則強(qiáng)調(diào)的是以產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念去解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。其次，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，計(jì)算思維解決問(wèn)題的框架關(guān)注的是利用計(jì)算程序思維、算法思維將具體問(wèn)題以可計(jì)算化的方式描述并解決，考慮的是主體；設(shè)計(jì)思維則以人為中心，關(guān)注如何藝術(shù)化地解決問(wèn)題，考慮的是受眾。最后，在評(píng)價(jià)體系上，計(jì)算思維主要關(guān)注學(xué)習(xí)者的算法思維、協(xié)同、批判性思維、問(wèn)題解決能力及創(chuàng)造力這五個(gè)維度[4]，而設(shè)計(jì)思維除了關(guān)注以上維度外，還增加了人本主義思想、共情、最終產(chǎn)品的價(jià)值遷移等維度。兩種思維方式的融合能夠?qū)⒏行缘姆沁壿嬎季S與理性的邏輯思維有機(jī)結(jié)合，幫助學(xué)習(xí)者從整體系統(tǒng)的角度看待人工智能。

三、融合設(shè)計(jì)思維與計(jì)算思維的人工智能課程設(shè)計(jì)

高中開(kāi)設(shè)人工智能課程更多的是讓高中生對(duì)人工智能領(lǐng)域有個(gè)宏觀概念，體驗(yàn)人工智能的具體應(yīng)用、技術(shù)及背后原理，從而提升他們對(duì)人工智能的興趣。因此，人工智能的最終落腳點(diǎn)應(yīng)是讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)其輔助性，即人工智能如何幫助人類解決生活中的問(wèn)題。鑒于此，本文認(rèn)為人工智能課程設(shè)計(jì)須依托項(xiàng)目式教學(xué)，以產(chǎn)品設(shè)計(jì)為載體，創(chuàng)造性地解決真實(shí)問(wèn)題。在這個(gè)過(guò)程中，計(jì)算思維及設(shè)計(jì)思維的培養(yǎng)有助于學(xué)生從技術(shù)及認(rèn)知上正確理解人工智能。

基于上述設(shè)計(jì)思維與計(jì)算思維的融合過(guò)程分析，結(jié)合人工智能課程的特點(diǎn)，本文構(gòu)建了融合設(shè)計(jì)思維與計(jì)算思維的人工智能課程設(shè)計(jì)框架，如圖3所示。

圖3 融入設(shè)計(jì)思維與計(jì)算思維的人工智能課程設(shè)計(jì)框架

在人工智能教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)中，以設(shè)計(jì)思維在教學(xué)中的過(guò)程為大環(huán)境，合作小組基于真實(shí)情境引發(fā)思考，移情并提取需要解決的問(wèn)題進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品原型，并在應(yīng)用產(chǎn)品的過(guò)程中不斷思考如何對(duì)其進(jìn)行迭代更新。在設(shè)計(jì)產(chǎn)品原型并制作的過(guò)程中，融入對(duì)計(jì)算思維的培養(yǎng)，用流程圖將方案抽象為程序方案，用計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行編碼，通過(guò)內(nèi)外部整合產(chǎn)品實(shí)體(在過(guò)程中反復(fù)試錯(cuò)優(yōu)化)，以計(jì)算機(jī)程序的思想來(lái)解決具體問(wèn)題。這樣的設(shè)計(jì)可以培養(yǎng)學(xué)生以整體系統(tǒng)的角度設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)人工智能產(chǎn)品，以程序思維來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的具體設(shè)計(jì)。

對(duì)于具體教學(xué)實(shí)施過(guò)程，在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、探究分析階段，合作小組基于教師提供的項(xiàng)目背景等材料，利用搜索引擎工具對(duì)要解決的具體問(wèn)題進(jìn)行歸納、提取；在原型設(shè)計(jì)階段，分為整體方案設(shè)計(jì)與功能設(shè)計(jì)；在方案設(shè)計(jì)上，小組可以通過(guò)思維導(dǎo)圖工具進(jìn)行發(fā)散性思維、頭腦風(fēng)暴；在功能設(shè)計(jì)上，小組可以使用流程圖將程序解決問(wèn)題的過(guò)程可視化，按照程序運(yùn)行過(guò)程思考問(wèn)題解決方案；在具體產(chǎn)品原型開(kāi)發(fā)上，小組可利用MU、Pycharm等軟件設(shè)計(jì)算法、編寫程序，并利用實(shí)驗(yàn)機(jī)器人及傳感器等外部設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)人工智能產(chǎn)品的相關(guān)功能。在公開(kāi)展示階段，小組可通過(guò)報(bào)告、課件、具體產(chǎn)品原型等方式呈現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)果，并總結(jié)在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)人工智能產(chǎn)品的迭代更新及尚未實(shí)現(xiàn)且待實(shí)現(xiàn)的部分。人工智能的教學(xué)課堂應(yīng)以學(xué)生為中心，教師在課程中更多地起到一個(gè)輔助的作用，為學(xué)生把控設(shè)計(jì)主題，提出階段任務(wù)，參與評(píng)價(jià)，程序?qū)崿F(xiàn)及產(chǎn)品原型實(shí)現(xiàn)提供支架。

四、融合設(shè)計(jì)思維與計(jì)算思維的人工智能教學(xué)案例

人工智能課程應(yīng)將理論與實(shí)踐相結(jié)合，若單純利用計(jì)算機(jī)來(lái)教授編程與算法知識(shí)，無(wú)法激起高中生的學(xué)習(xí)興趣。人工智能的課程內(nèi)容主要涉及Python語(yǔ)言及算法設(shè)計(jì)、模式識(shí)別、自然語(yǔ)言理解、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，但人工智能技術(shù)的背后原理以高中生的現(xiàn)有認(rèn)知水平是較難理解的。因此，需結(jié)合已有的人工智能設(shè)備(如實(shí)驗(yàn)機(jī)器人)，讓高中生進(jìn)行沉浸式體驗(yàn)，更易理解人工智能技術(shù)的原理。

基于上述構(gòu)建的融入設(shè)計(jì)思維與計(jì)算思維的人工智能課程設(shè)計(jì)框架，本文進(jìn)行了主題為“垃圾分類AI助手設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”的課程設(shè)計(jì)(見(jiàn)表1)。課程分為五個(gè)階段(每個(gè)階段可靈活安排課時(shí))，可結(jié)合2017年粵教版教材《信息技術(shù)》第四章“程序設(shè)計(jì)”內(nèi)容一起講授；也可以作為單獨(dú)的項(xiàng)目章節(jié)，在復(fù)習(xí)Python語(yǔ)句結(jié)構(gòu)中使用。課程中使用的硬件設(shè)備是基于高中生開(kāi)發(fā)的Yanshee機(jī)器人開(kāi)源平臺(tái)及相關(guān)傳感器。

表1 “垃圾分類AI助手設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”課程設(shè)計(jì)

(一)課程目標(biāo)

“垃圾分類AI助手設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”課程目標(biāo)是學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)能夠利用網(wǎng)絡(luò)等手段獲取信息，了解垃圾分類的概念及意義，提升社會(huì)責(zé)任感;小組協(xié)作發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，分析并設(shè)計(jì)垃圾分類AI助手的外形、功能、運(yùn)行流程等，利用數(shù)字化工具(思維導(dǎo)圖、流程圖)呈現(xiàn)創(chuàng)意;掌握Python語(yǔ)句(選擇循環(huán)語(yǔ)句)，使用Yanapi接口，利用語(yǔ)音識(shí)別等技術(shù)設(shè)計(jì)AI助手的原型，實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能;測(cè)試并進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化，利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)拓展功能。

(二)課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

在階段一中，教師沒(méi)有直接切入主題給學(xué)生提供垃圾分類AI助手的樣例，并讓學(xué)生設(shè)計(jì)編寫程序，而是讓小組自行設(shè)計(jì)AI助手，小組“頭腦風(fēng)暴”產(chǎn)品的設(shè)計(jì)初衷(針對(duì)什么人群設(shè)計(jì))、產(chǎn)品外形(人形或物品形狀，使用什么材質(zhì)等)、實(shí)現(xiàn)功能(語(yǔ)音播報(bào)，圖像識(shí)別等)等。該階段目的在于培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思維，從感性非邏輯的角度，跳脫程序可實(shí)現(xiàn)的限制，借助網(wǎng)絡(luò)等數(shù)字化手段對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。在這個(gè)階段教師可以提出相關(guān)問(wèn)題作為引導(dǎo)小組獲取信息的腳手架。在小組設(shè)計(jì)完成、分享設(shè)計(jì)后，再利用流程圖等方式，將AI助手的運(yùn)行流程可視化。

在階段二、三和四中，教師將產(chǎn)品整體功能分解實(shí)現(xiàn)，學(xué)生根據(jù)自己的設(shè)計(jì)想法，利用已學(xué)的選擇語(yǔ)句，實(shí)現(xiàn)AI助手的垃圾分類語(yǔ)音識(shí)別功能。在反復(fù)測(cè)試的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，優(yōu)化程序，例如如何運(yùn)用循環(huán)語(yǔ)句多次運(yùn)行程序。學(xué)生結(jié)合Yanshee機(jī)器人中的Yanapi庫(kù)實(shí)現(xiàn)AI助手原型設(shè)計(jì)。在階段四中，學(xué)生學(xué)習(xí)傳感器的使用，體驗(yàn)真實(shí)人工智能產(chǎn)品是如何感知并獲取外部信息的，學(xué)生也可選擇相關(guān)傳感器實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的智能喚醒。

在階段五中，小組呈現(xiàn)設(shè)計(jì)產(chǎn)品并進(jìn)行匯報(bào)，闡述與自己原始設(shè)計(jì)相比還有哪些功能尚未實(shí)現(xiàn)，涉及的AI技術(shù)是哪些，如動(dòng)作上的擴(kuò)展，利用顏色識(shí)別垃圾桶，并將垃圾丟到某個(gè)垃圾桶；或認(rèn)知上的拓展，比如可以直接識(shí)別用戶手中的垃圾種類(涉及聚類分析等)，提升學(xué)生對(duì)后續(xù)算法學(xué)習(xí)的熱情。階段五起到升華主題的作用，學(xué)生通過(guò)設(shè)計(jì)AI助手，感受人工智能在生活中所起到的作用，提升學(xué)生的社會(huì)信息意識(shí)。同時(shí)讓學(xué)生明白人工智能產(chǎn)品不是一成不變的，而是要不斷地進(jìn)行算法與產(chǎn)品的迭代更新。

教師對(duì)每個(gè)階段過(guò)程進(jìn)行跟蹤，全程監(jiān)管，對(duì)每個(gè)階段過(guò)程學(xué)生遇到的問(wèn)題進(jìn)行引導(dǎo)和總結(jié)。整個(gè)項(xiàng)目從產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)、功能實(shí)現(xiàn)(語(yǔ)音、人臉、文字識(shí)別技術(shù)等)到產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)和呈現(xiàn)，最后到評(píng)價(jià)反思、對(duì)產(chǎn)品的迭代更新，每個(gè)部分都需要小組成員協(xié)作發(fā)揮自身創(chuàng)造力來(lái)實(shí)現(xiàn)最終效果，有助于培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思維與計(jì)算思維能力。

(三)課程評(píng)價(jià)方案

人工智能課程不同于高考科目，對(duì)于學(xué)生學(xué)習(xí)效果的評(píng)價(jià)方案不應(yīng)局限于試卷量化測(cè)試，還應(yīng)關(guān)注學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成過(guò)程。本文認(rèn)為，人工智能課程的評(píng)價(jià)應(yīng)關(guān)注項(xiàng)目過(guò)程數(shù)據(jù)，通過(guò)表現(xiàn)性評(píng)價(jià)來(lái)判定學(xué)生思維與技能培養(yǎng)情況。本文以“垃圾分類AI助手設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”課程為例，設(shè)計(jì)其評(píng)價(jià)方案(如表2)，教師可根據(jù)每個(gè)評(píng)價(jià)要素中的標(biāo)準(zhǔn)，觀察學(xué)生的完成情況，進(jìn)行相應(yīng)的等級(jí)評(píng)定；并收集學(xué)生的過(guò)程性數(shù)據(jù)(作品報(bào)告、反思等)進(jìn)行質(zhì)性評(píng)價(jià)，綜合評(píng)定學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過(guò)程中的思維技能掌握情況。

表2 “垃圾分類AI助手設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)”課程評(píng)價(jià)方案設(shè)計(jì)

五、結(jié)語(yǔ)

加強(qiáng)人工智能教育，是未雨綢繆應(yīng)對(duì)未來(lái)社會(huì)高速發(fā)展的必然選擇和要求。高中人工智能課程的普及與通識(shí)化，亦是人才培養(yǎng)連貫性的要求。人工智能的發(fā)展必須倚靠設(shè)計(jì)創(chuàng)新所帶來(lái)的巨大推動(dòng)力，人工智能思維是未來(lái)社會(huì)的常識(shí)。設(shè)計(jì)思維的培養(yǎng)為人工智能課程的產(chǎn)品設(shè)計(jì)插上創(chuàng)意的翅膀，計(jì)算思維的培養(yǎng)幫助學(xué)生利用計(jì)算機(jī)科學(xué)思維解決復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。本文認(rèn)為人工智能課程應(yīng)是理論與實(shí)踐相結(jié)合的綜合課程，不僅包含物理、數(shù)學(xué)、信息等多學(xué)科的相關(guān)知識(shí)，還涉及人工智能產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與創(chuàng)造。僅以計(jì)算機(jī)程序課程代替人工智能課程，是不能囊括人工智能課程所要傳遞給高中生的真正意義，沒(méi)有真正將人工智能全方位地呈現(xiàn)在學(xué)習(xí)者的視角下。為了能夠更有效地開(kāi)展人工智能課程，應(yīng)將科學(xué)與藝術(shù)緊密結(jié)合起來(lái)，以項(xiàng)目學(xué)習(xí)為主線，設(shè)計(jì)出符合人工智能課程的教學(xué)方案。