初中人工智能課程跨學科主題學習活動設計策略

趙瑩瑩

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下稱“新課標”）特別強調跨學科主題學習，但目前教師對于人工智能課程和跨學科主題學習的研究與實踐處于探索階段，沒有構建起系統的內容和結構框架。筆者所述人工智能課程指信息科技課程中人工智能與智慧社會模塊，或者其他課程中以人工智能為工具的跨學科學習活動。跨學科主題學習指旨在圍繞某研究主題或真實問題，以信息科技課程內容為主干，運用并整合其他學科的相關知識和方法解決問題、形成解釋、創造產品，開展綜合學習活動的過程。

人工智能技術專業性強且正在快速發展，許多信息科技教師難以把握教學內容，缺乏有效的教學方法，在開展跨學科主題學習活動時，不知如何將人工智能技術與其他學科有機地結合起來。為此，筆者以北京雨燕為例，以中學信息科技人工智能與智慧社會內容為立足點，設計、實施、反思、優化人工智能教學，改進人工智能跨學科主題學習的課程方案，探究科學設計教學內容、滲透學科方法、促進學生深度學習、培養學生核心素養的策略。

一、依據新課標做好跨學科主題學習的內容分析

新課標堅持創新導向，強化了課程綜合性和實踐性，推動育人方式的變革，著力發展學生核心素養，設計了跨學科主題學習活動，以加強學科關聯，優化課程綜合實踐^[1]。

筆者以北京雨燕的保護為主題，設計并開展跨學科主題學習活動，涉及人工智能、生物學、信息科技、勞動技術和數學學科。在生物學學科中，學生了解與北京雨燕相關的知識，并提出保護措施。學生發現建造巢穴是保護北京雨燕的有效措施。在信息科技學科中，學生探索利用人工智能算法尋找北京雨燕。在勞動學科中，學生設計建造巢穴并進行測試和改進。筆者依此引導學生在真實情境中發現問題、利用信息技術解決問題，培養學生的探究和創新精神，樹立熱愛自然、保護環境、愛護動物的生態文明觀念。北京雨燕跨學科主題學習線路如圖1所示。

筆者在信息科技學科“尋找北京雨燕”單元課程教學中，給學生布置大單元學習任務：基于循環神經網絡進行聲音分類，解決跨學科主題學習中的一個問題，即如何找到北京雨燕。筆者安排3個課時教學：第一課時，從怎樣找到北京雨燕的問題出發，將問題層層分解，分析用以往的計算機技術尋找北京雨燕遇到的問題，啟發學生用人工智能解決同類問題，引導學生準備數據并建立聲音分類模型，訓練模型，測試模型，讓學生對深度學習算法有一個感性認識；第二課時，揭秘神經網絡是怎樣工作的；第三課時，調用已經訓練好的聲音分類模型編程，支持“小燕同學”的設計，用人工智能視角對北京雨燕進行監測。單元課程框架如圖2所示。

二、人工智能跨學科主題學習課程設計的三大策略

筆者開展北京雨燕跨學科主題學習活動，立足信息科技學科，引導學生借助人工智能技術尋找北京雨燕，高效實踐，提升素養。課程設計策略如下。

（一）以學生為中心，設計跨學科主題學習內容

筆者以學生為中心，分析學生的特征、關注學生需求，促進學生有效學習。筆者所在校位于北京市東城區，附近有較多古建筑，學生見到北京雨燕的機會較多。“國潮來襲——北京中軸線”主題科技嘉年華跨學科綜合實踐作品設計展示活動中，學生提出了北京雨燕的保護問題，并以此為契機開展保護北京雨燕的跨學科主題學習活動。學生在生物學課上探究了鳥適于飛行的外部形態和內部結構以及生理特點，同時闡述了北京雨燕的生存現狀，探討了保護措施。

學生在調查過程中提出不少疑問，有些問題比較典型。例如，有學生質疑，奧林匹克森林公園北園專門設計建造了一座雨燕塔，但巢穴建成幾年后，北京雨燕好像并沒有入住，成了麻雀樂園，這在一定程度上造成了浪費。如果先找到北京雨燕經?；顒拥穆窂?，再有的放矢建造巢穴，可能效果更好。北京雨燕塔是否滿足雨燕居住需求，數量是多少？在信息科技課上，筆者針對這些問題，指導學生利用人工智能技術尋求解決方案。筆者選擇的課題源于學生熟悉的事物，以學生發現的實際問題為切入點，將人工智能技術滲透到社會生活領域，生成對問題的解釋，引導學生跨學科思考問題。

人工智能課程教學內容多、難度大，如何以通俗易懂的方式讓初中學生理解并應用機器學習的理論是本課程的難點。為使學生樂學、易學，筆者將機器學習分為準備數據、創建模型、訓練模型、測試模型四個階段，拿人對聲音分類進行類比，讓學生理解機器學習的過程。鑒于初中生大多沒有接觸過代碼編程也沒有使用過Python語言，筆者選擇易操作的AIBox模型訓練軟件作為人工智能實踐平臺（如圖3），在模型訓練階段借助友好的界面流程化操作讓學生理解機器學習的過程，使用圖形化編程手段調用模型，解決問題。初中人工智能課程絕不是大學和高中課程的“下放”。教師應以學生為中心，將理論與實踐結合起來，簡化理論分析，強調實際應用，重視圖形化編程并及時反饋，增強學生的成就感，從而激發他們學習人工智能的興趣。

（二）開闊學生的人工智能視野，利用多學科方法共同解決問題

教師應當立足人工智能學科，開闊學生的視野和思維，以人工智能為核心運用多學科知識解決問題，以此拓展學生的思路，從而培養學生面對真實且復雜的問題，利用人工智能技術解決問題的思維和習慣，提升人機協同等數字勝任力。

在北京雨燕跨學科主題學習活動的教學中，筆者注重幫助學生發散思維掌握更多解決問題的方法，同時注意引導學生利用人工智能解決問題。學生分組研討，找到很多尋找北京雨燕的方法，包括現場人工尋找和用監控設備尋找等手段。教師的主要工作是引導學生對各種方法進行分析比較，了解人工智能在解決簡單但煩瑣問題方面的優勢，為今后在生活中嘗試用人工智能解決問題做準備。

揭秘人工神經網絡是怎樣工作（學習）的課程涉及一個重要的數學概念“權重”。不斷調整“權重”和偏置項，使得網絡更好地擬合訓練數據，并在未見過的數據上表現良好，這就是神經網絡工作（學習）的過程。筆者的學生尚未學習“權重”概念，為了讓學生更好地了解“權重”對神經網絡的決策作用，筆者設計了課堂活動“從選班長看權重”。學生計算后發現，評價因素的“權重”對誰能當選起決定性作用。學生理解了數學是人工智能的基礎，學習了借助數學工具解決信息技術問題。

（三）注重學科聯系，構建完整思維鏈，促進學生深度學習

筆者開展跨學科主題學習活動，加強學科聯系，整體促進學生學習。生物學學科主要關注“是什么”的問題，即生物體的組成和基本結構。信息科技學科主要關注“為什么和怎么做”這類問題，即如何利用計算機系統和算法解決實際問題。勞動學科知識的應用體現在解決“怎么做和測試反思”的問題上，即設計制作不同的人工巢穴，并優化“小燕同學”的外觀使其更適合戶外環境。針對這一真實的問題，學生思維深度層層遞進，形成完整的解決問題的思維鏈，掌握系統化解決問題的方法，實現了深度學習。學生跨學科學習的目的不僅僅是為了獲取更多的知識，更重要的是提高解決問題的能力。從不同的角度和層次去審視問題，更接近問題的本質，進而從獲得局部最優解邁向獲得全局最優解。

三、教學評價和反思

筆者在八年級四個班級開展人工智能課程教學，基礎課程包括初識人工智能、聲音的數字化、我的語音小管家、語音合成排隊叫號、聲紋識別鎖、就餐中的人工智能（AI），學期內主要開展的跨學科主題學習活動包括北京雨燕、人臉性別識別、疫情中的AI，課程結束后對學生進行了問卷調查和訪談。

共收到143份有效問卷，對于課程接受度的調查，“我非常喜歡本學期的人工智能課”，80%以上學生選擇同意或非常同意。具體統計結果：非常同意，60.99%；同意，20.57%；一般，14.89%；不同意，2.84%；非常不同意，0.71%。

“尋找北京雨燕是跨學科主題學習（涉及生物學、數學、信息科技、勞動），你對尋找北京雨燕這節課感興趣嗎？”78%的學生選擇感興趣和非常感興趣。具體統計結果：非常感興趣，48.25%；感興趣，29.37%；一般，18.18%；不感興趣，2.1%；不喜歡，2.1%。

在課程難度方面，“我認為課程難度符合我的認知水平，我能夠理解教師在課上講授的機器學習、人工神經網絡、人臉識別等基本原理。”85%的學生選擇同意和非常同意。具體統計結果：非常同意，61.70%；同意，24.11%；一般，12.77%；不同意，0.71%；非常不同意，0.71%。

可見，在學期跨學科主題學習過程中，大部分學生對課程內容比較感興趣。筆者在各班隨機抽樣（學號為9—11），對12個學生進行了訪談。他們普遍對北京雨燕跨學科主題學習活動非常感興趣，有的表示學會了解決復雜問題的方法，對于提升思維的深度有促進作用。學生認為在課堂上利用多學科知識解決信息科技問題很有意思。筆者在問卷調查中提到“你在跨學科主題學習中，最大的感受是什么？”筆者進行了詞云圖分析（如圖4），發現“有意思”“生活”“成就感”等等出現頻率比較高?？鐚W科主題學習活動比較受學生歡迎，且課程難度適宜。

在提升學生核心素養方面，筆者開展了測評信息意識的問卷調查。對于“學習課程后能有意識地用人工智能解決生活中的問題”選項，選擇同意和非常同意的超過72%。學習為期一年的人工智能課程后，大部分學生能有意識地用人工智能解決生活中的問題，有28%的學生認為自己還不具備這樣的素養。思維能力的提升難以一蹴而就，教師應對學生進行長期且連續不斷的強化訓練。

筆者對部分不喜歡上述人工智能課程和不喜歡北京雨燕跨學科主題學習的學生進行訪談。部分學生表示，不喜歡在信息科技課上做數學運算。針對學生反映的問題，筆者將“從選班長看權重的重要性”小組活動中紙筆計算改成利用網絡計算器運算，減輕計算負擔。此外，使用數字化手段進行運算，更有利于學生提升信息科技學科核心素養。個別不喜歡人工智能課程的學生表示，人工智能離我們很遠，并沒有普及，認為學習無用。

郭華提出：“跨學科學習最終的切入點和目的就是激發學生的主動學習。不僅要讓學生知道，而且要讓學生喜愛。”^[2]在人工智能跨學科主題學習活動的教學中，教師可以人工智能技術為橋梁，聯結其他學科共同解決生活中的真實問題，引導學生分組合作、自主探究，體驗解決問題的樂趣，獲得成就感。興趣是跨學科主題學習的起點和驅動力。教師要基于自身學科開展跨學科主題學習活動，以提升學生核心素養為目標，促進學生深度學習。《中國教育現代化2035》提出：到2035年我國總體實現教育現代化，邁入教育強國行列，成為學習大國、人力資源強國和人才強國^[3]。教育的數字化轉型與人才的數字素養和數字化學習能力提升密不可分。高階思維能力需要學生長期學習和實踐，逐漸養成。今后，筆者會繼續根據新課標要求，設計更多適合初中生的人工智能跨學科主題學習活動，為智能時代的人才培養添磚加瓦。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.義務教育信息科技課程標準：2022年版[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2] 現代課程網.北師大教授郭華｜為什么新課標要求每門課都開發跨學科主題？[EB/OL].（2023-02-16）[2023-02-20]. https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1757970690386354859&wfr=spider&for=pc.

[3] 朱益明.中國教育現代化2035[M].上海：上海教育出版社，2020.

（作者系北京市第五中學分校信息科技教師）

責任編輯：祝元志