基于學(xué)科融合的人工智能品質(zhì)課堂教學(xué)實踐與研究

鄭旭淳 黎清萬 廣東省東莞市第六高級中學(xué)

●引言

隨著信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)的確立、基礎(chǔ)教育階段人工智能教育課程標準（參考）的擬定，以及國家《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》的出臺，基于學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的中小學(xué)人工智能教育逐步得到重視。人工智能課程對推動我國信息技術(shù)教育的發(fā)展、幫助學(xué)生適應(yīng)未來智能時代的生活具有至關(guān)重要的作用。

但長期以來，人工智能教育更偏向于技能培養(yǎng)，使得我國智能人才培養(yǎng)的路徑更偏向于培養(yǎng)計算機操作工，這種現(xiàn)象迫切需要得到糾正。立德樹人的教育目標如何落到實處？品質(zhì)教育的教育理念如何變?yōu)楝F(xiàn)實？人工智能教育如何培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)？上述問題是人工智能課程實施中比較突出和集中的問題。筆者認為，面向未來的人工智能學(xué)習(xí)不應(yīng)局限于知識傳授，而應(yīng)注重培育素養(yǎng)，這樣才能促進知識的應(yīng)用與遷移，引導(dǎo)學(xué)生成為真正能應(yīng)用好人工智能技術(shù)的人才。而未來，人工智能將成為改變?nèi)祟惿畹闹匾绞剑虼耍斯ぶ悄苷n程的開發(fā)與教學(xué)普及任重而道遠。

● 探索基于核心素養(yǎng)的人工智能品質(zhì)課堂模式

隨著大數(shù)據(jù)分析、人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展及其與基礎(chǔ)教育的不斷融合創(chuàng)新，“人工智能+教育”已然成為中國基礎(chǔ)教育領(lǐng)域變革與發(fā)展的新方向。國務(wù)院2017年發(fā)布的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》中提到：“在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育，建設(shè)和完善人工智能科普基礎(chǔ)設(shè)施。”《普通高中信息技術(shù)課程標準（2017年版2020年修訂）》中，將《人工智能初步》設(shè)置為普通高中選擇性必修課程。綜上可知，基礎(chǔ)教育階段的人工智能教育需與高等教育階段的人工智能教育有效銜接，未來教育的發(fā)展和社會的進步要求系統(tǒng)培育人工智能方面的人才。

因此，筆者所在學(xué)科組以全面提升學(xué)生的人工智能素養(yǎng)為目標，遵循“跨學(xué)科融合”“校本特色”“生活化視角”等原則，精心打磨“AI+學(xué)科融合”課程資源，探索、實踐和豐富“AI+學(xué)科融合”課程教學(xué)，落實立德樹人，形成了基于核心素養(yǎng)和人工智能平臺等多技術(shù)支撐的人工智能品質(zhì)課堂模式雛形（如下頁圖1）。

圖1

● 在“AI+學(xué)科融合”理念下開展課程規(guī)劃

《普通高中信息技術(shù)課程標準（2017年版2020年修訂）》中指出，基于真實情境的項目學(xué)習(xí)能促進學(xué)生信息素養(yǎng)的形成，有利于推動“立德樹人”根本任務(wù)的落實。因此，在“AI+學(xué)科融合”的理念下，筆者所在學(xué)科組基于人工智能平臺和ITtools教學(xué)平臺，利用智能機器人和平板電腦，以項目學(xué)習(xí)活動為途徑，在項目學(xué)習(xí)中打破學(xué)科領(lǐng)域邊界，并把多學(xué)科內(nèi)容交叉融合形成有機整體，注重過程實踐，創(chuàng)新多樣教學(xué)策略，實施教學(xué)活動，激發(fā)學(xué)生利用人工智能技術(shù)解決問題的興趣，提升跨學(xué)科學(xué)習(xí)能力和信息素養(yǎng)。

進入21世紀，以人工智能等科技為主導(dǎo)，以校園為依托，開發(fā)、利用植物資源，是“人工智能+生物”課程實踐的可行思路之一；結(jié)合文本分類技術(shù)，分析四大名著，是“人工智能+語文”課程實踐的可行思路之一；結(jié)合聲紋技術(shù)，聽聲辨人，是“人工智能+音樂”課程實踐的可行思路之一；結(jié)合人臉識別技術(shù)，是“人工智能+美術(shù)”課程實踐的可行思路之一。為此，筆者所在學(xué)科組開發(fā)了“AI+學(xué)科融合”課程（如表1），提供真實的有挑戰(zhàn)、有意義的任務(wù)情境，著眼于學(xué)生的興趣愛好，利用中學(xué)生思維活躍、樂于動手的學(xué)習(xí)特點，引導(dǎo)學(xué)生動手實現(xiàn)系統(tǒng)和機器人的開發(fā)與制作，跨學(xué)科地融合人工智能“圖像識別”“文本分類”“機器學(xué)習(xí)（監(jiān)督學(xué)習(xí)）”“聲紋識別”“人臉識別”技術(shù)及相關(guān)概念，并進行教學(xué)實踐與研究，旨在培養(yǎng)學(xué)生利用人工智能開發(fā)各類資源的興趣和能力，培育學(xué)科核心素養(yǎng)。

表1 “AI+學(xué)科融合”課程內(nèi)容規(guī)劃

● 基于學(xué)科融合的人工智能品質(zhì)課堂教學(xué)實踐與研究

在建構(gòu)主義教學(xué)理論的指導(dǎo)下，在“AI+學(xué)科融合”課程的探索中，筆者所在學(xué)科組提煉出了在教學(xué)中基于學(xué)科核心素養(yǎng)，跨學(xué)科融合，以教學(xué)目標為依據(jù)，以項目活動為路徑，以評價導(dǎo)向為手段，從多個層面促進學(xué)生全面發(fā)展的教學(xué)實施模式。下面，以“室內(nèi)植物識別”項目為例闡述實踐研究過程。

1.以教學(xué)目標為依據(jù)，明確學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)維度

在“室內(nèi)植物識別”項目中，教師通過體驗和示例講解，引出圖像識別技術(shù)和植物分類的意義及方式，再引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合學(xué)習(xí)單中“學(xué)習(xí)工具卡”和“學(xué)習(xí)資料卡”等學(xué)習(xí)支架，利用“機器識別”探究實驗，實現(xiàn)能夠識別3種室內(nèi)植物的機器識別系統(tǒng)，激發(fā)學(xué)生利用人工智能技術(shù)解決問題的興趣，滲透學(xué)科核心素養(yǎng)，提升跨學(xué)科學(xué)習(xí)能力。本項目的教學(xué)目標對應(yīng)的學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)維度如下頁圖2所示。

圖2

2.以項目活動為途徑，促進學(xué)科核心素養(yǎng)的培育

在“AI+學(xué)科融合”課程中，圍繞教學(xué)目標和教學(xué)內(nèi)容，筆者所在團隊通過設(shè)置多個問題情境和探究活動，以項目活動為途徑，以“情境創(chuàng)設(shè)—知識儲備—探究實踐—成果交流—評價總結(jié)”為線索，讓學(xué)生在具體的活動探究中思考問題、解決問題，完成學(xué)習(xí)任務(wù)，達到學(xué)習(xí)目標，促進學(xué)科核心素養(yǎng)的培育。“室內(nèi)植物識別”項目的詳細教學(xué)過程如下。

（1）情境創(chuàng)設(shè)，引出主題

以真實問題引入：學(xué)校正在積極創(chuàng)建東莞市品牌學(xué)校，近期給每位教師發(fā)了一盆室內(nèi)植物，用于美化辦公環(huán)境，但很多教師對室內(nèi)植物的知識、分類及意義一知半解。由此引出主題：為了進行室內(nèi)植物識別模塊的開發(fā)，需要了解什么是圖像識別技術(shù)？值得納入室內(nèi)植物智能化資源庫的植物有哪些？“機器識別”實驗如何操作？

布置本節(jié)課學(xué)習(xí)任務(wù)：利用所學(xué)知識和平板，對室內(nèi)植物進行訓(xùn)練和驗證，解決問題。

（2）知識儲備，原理學(xué)習(xí)

展示一張“鳶尾花”的圖片，提問：這是什么花？接著使用機器人的“識花”功能，識別并報出“鳶尾花”的結(jié)果，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。以人類識別鳶尾花的過程類比，講解機器人識花的過程和原理，引出“圖像識別”“分類器”“特征”和“特征提取”等概念，組織學(xué)生判斷“人類識花”的步驟排序是否正確，并類比“人類識花”，解密機器圖像識別的基本流程，理解特征、分類器的概念。借助微課學(xué)習(xí)植物分類的方法和意義，引導(dǎo)學(xué)生理解AI在植物分類方面的應(yīng)用。

（3）探究實踐，學(xué)以致用

明確任務(wù)目標和要求，同時讓學(xué)生明確實驗過程中需要填寫的實驗結(jié)果表格，記錄兩次實驗的采集樣本數(shù)量、識別率和準確程度，通過實驗分析和小組討論，總結(jié)出識別率與識別結(jié)果受到哪些因素的影響。教師提供《機器識別 實驗操作》微課供部分學(xué)生學(xué)習(xí)，并巡堂給予指導(dǎo)，記錄每個小組的完成情況。

通過項目設(shè)計與實踐，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合學(xué)習(xí)單中“學(xué)習(xí)工具卡”和“學(xué)習(xí)資料卡”等學(xué)習(xí)支架，利用“機器識別”探究實驗，實現(xiàn)能夠識別3～6種室內(nèi)植物的機器識別系統(tǒng)，激發(fā)學(xué)生利用人工智能技術(shù)解決問題的興趣，并在此過程中，能夠調(diào)用植物分類的相關(guān)知識，提升跨學(xué)科學(xué)習(xí)能力。

（4）成果交流，應(yīng)用分享

根據(jù)各小組的完成情況，選擇具有代表性的小組上臺展示實驗結(jié)果，小組匯報員對實驗過程和實驗數(shù)據(jù)分析進行說明。教師總結(jié)出識別率與識別結(jié)果受到哪些因素的影響，接著對每個小組的匯報進行點評，引導(dǎo)學(xué)生理解干擾物、特征、距離和光線等因素對樣本采集、識別結(jié)果的影響。

（5）評價總結(jié)，拓展延伸

回顧機器人識花的過程，提煉出機器學(xué)習(xí)的過程（采集—訓(xùn)練—驗證），對本項目使用到的工具、方法進行小結(jié)，提升信息素養(yǎng)，同時引導(dǎo)學(xué)生使用東莞慧教育平臺繼續(xù)深入學(xué)習(xí)人工智能方面的知識，滲透終身學(xué)習(xí)的教育理念。

3.以評價導(dǎo)向為手段，檢驗學(xué)科核心素養(yǎng)的達成效果

教師在評價時，以學(xué)生的課堂表現(xiàn)為基礎(chǔ)，注重評價對學(xué)生行為和動機的引導(dǎo)作用，關(guān)注學(xué)習(xí)過程。在教學(xué)中，教師可以通過運用多種評價手段，將自我評價和小組評價相結(jié)合，以評價導(dǎo)向為手段，檢驗學(xué)生學(xué)習(xí)成果，從側(cè)面檢驗學(xué)科核心素養(yǎng)的達成效果。

在“AI+學(xué)科融合”課程中，過程性評價包括自我評價和小組評價，通過提供學(xué)習(xí)評價表（如表2），引導(dǎo)學(xué)生完成學(xué)習(xí)評價。總結(jié)性評價則由教師進行評價，借助ITTOOLS教學(xué)平臺，利用ITTOOLS實時反饋進行終結(jié)性評價。

表2 學(xué)習(xí)評價表

● 總結(jié)反思

1.人工智能課程教師的角色轉(zhuǎn)變

建構(gòu)主義教學(xué)理論指出，促進學(xué)生全面發(fā)展，應(yīng)做到“項目為主線、教師為引導(dǎo)、學(xué)生為主體”，在“AI+學(xué)科融合”課程中，授課教師在催化劑、顧問、連接者和協(xié)作者這幾種角色中自如地切換，這是人工智能課程對授課教師提出的新要求，也是課堂改革與創(chuàng)新轉(zhuǎn)變教師角色的新思路。

2.學(xué)習(xí)資源重組，探索翻轉(zhuǎn)課堂，加強學(xué)科融合

興趣和內(nèi)在動機才是創(chuàng)造力和長期堅持的關(guān)鍵，教育不是灌滿一桶水，而是點燃一把火。在“AI+學(xué)科融合”課程的導(dǎo)入上，筆者所在團隊立足學(xué)生興趣點，以“人機互動”體驗導(dǎo)入，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；在“AI+學(xué)科融合”課程的形式上，利用翻轉(zhuǎn)課堂優(yōu)勢，發(fā)揮學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性；在“AI+學(xué)科融合”課程的平臺上，使用AI教學(xué)工具和實驗平臺，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合課程學(xué)習(xí)單，基于真實的項目任務(wù)情境，利用跨學(xué)科知識，分工與合作完成探究實踐任務(wù)，促進核心素養(yǎng)的培育。

通過對系列化的人工智能課堂教學(xué)實踐和教學(xué)分析，筆者發(fā)現(xiàn)，雖然高中生身邊存在著眾多的智能工具，但他們很少理解其原理或主動進行深入研究，通過“AI+學(xué)科融合”課程的學(xué)習(xí)，明顯提高了學(xué)生對人工智能的好奇心和求知欲，教學(xué)評價數(shù)據(jù)的分析也凸顯了學(xué)生在人工智能領(lǐng)域認知層次方面的顯著提升。這也是建構(gòu)主義提倡的以學(xué)生為中心進行教學(xué)，個體學(xué)習(xí)過程是學(xué)習(xí)者以自己的方式構(gòu)建事物的意義。