融入設(shè)計思維和跨學(xué)科理念的人工智能課程設(shè)計與實踐

姜冰倩 尹君慧 華東師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)系

人工智能技術(shù)作為新一輪技術(shù)和產(chǎn)業(yè)革命的重要驅(qū)動力，正在深刻改變社會的生產(chǎn)、生活及學(xué)習(xí)方式。在我國以創(chuàng)新驅(qū)動高質(zhì)量社會發(fā)展的國家建設(shè)戰(zhàn)略指導(dǎo)下，在中小學(xué)開設(shè)人工智能教育、提升青少年智能素養(yǎng)，成為普及公民數(shù)字化勝任力、儲備創(chuàng)新型人才的重要內(nèi)容。作為融入數(shù)字社會的新興技術(shù)，人工智能技術(shù)涉及物理、數(shù)學(xué)、信息科學(xué)、認知心理學(xué)等多個學(xué)科領(lǐng)域，是跨學(xué)科學(xué)習(xí)開展的重要內(nèi)容平臺。但當(dāng)前的中小學(xué)人工智能課程，存在將教學(xué)窄化為編程教育、缺乏與實際應(yīng)用場景結(jié)合等問題，無法真正實現(xiàn)對人工智能技術(shù)理解與智能素養(yǎng)的形成，為學(xué)生建構(gòu)有意義的學(xué)習(xí)。因此，筆者嘗試在人工智能課程中引入設(shè)計思維方法，以配合智能硬件開發(fā)的真實項目為載體，引導(dǎo)學(xué)生開展有目的的實踐和探究，促進核心素養(yǎng)的形成與發(fā)展。

●設(shè)計思維與跨學(xué)科理念支持下的人工智能教學(xué)

1.跨學(xué)科學(xué)習(xí)促進有效人工智能學(xué)習(xí)的產(chǎn)生

跨學(xué)科學(xué)習(xí)融合多學(xué)科知識與方法，指向真實的生活情境與問題，是一種建構(gòu)有意義學(xué)習(xí)、實現(xiàn)素養(yǎng)導(dǎo)向教學(xué)的有效學(xué)習(xí)方式。人工智能本身就涉及多個學(xué)科領(lǐng)域，跨學(xué)科學(xué)習(xí)能夠使學(xué)生更全面地理解人工智能的本質(zhì)和應(yīng)用。同時，由于智能技術(shù)與數(shù)字社會的高度融合，所指向的學(xué)習(xí)問題往往真實且復(fù)雜，無法通過孤立的知識或技能予以解決。因此，在中小學(xué)人工智能教學(xué)中引入跨學(xué)科的教學(xué)理念，從真實的智能技術(shù)應(yīng)用場景中生成具體的跨學(xué)科問題，從而進一步凝練人工智能學(xué)習(xí)問題，既符合人工智能學(xué)科特點及其深度滲透社會生活的技術(shù)特點，又能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促進有效、持續(xù)學(xué)習(xí)探究的產(chǎn)生。

2.設(shè)計思維深化人工智能學(xué)習(xí)的開展

設(shè)計思維是一種解決工程、技術(shù)設(shè)計中復(fù)雜問題的創(chuàng)新性方法，以實踐為導(dǎo)向，將問題進行分階段的定義和設(shè)計解決，具有較好的普適性、包容性，被眾多教育者作為一種教學(xué)策略整合在人工智能、創(chuàng)客等具有跨學(xué)科和技術(shù)融合特征的課程教學(xué)中。設(shè)計思維能夠支持學(xué)生進行學(xué)科整合的設(shè)計研究，關(guān)注指向具體需求的問題解決，在此過程中學(xué)生能夠找到自身知識技能短板，提高認知能力和決策能力，同時也可以體會作品設(shè)計中的樂趣，激發(fā)學(xué)習(xí)動機，發(fā)展創(chuàng)造力、溝通協(xié)作能力與問題解決能力。

●融入設(shè)計思維與跨學(xué)科理念的人工智能教學(xué)模式設(shè)計

EDIPT模型是當(dāng)前教育領(lǐng)域使用最為廣泛的一種設(shè)計思維模型，由斯坦福大學(xué)提出，包括共情、定義、構(gòu)思、原型、測試五個步驟，以“劣構(gòu)問題”為起點，貫穿“主體性活動”。在設(shè)計問題的解決過程中，設(shè)計者綜合運用所學(xué)知識，學(xué)會共情、思考、創(chuàng)想、修正原型制品，進而實現(xiàn)知識遷移和知識創(chuàng)新，其核心強調(diào)問題解決過程中的循環(huán)迭代。而跨學(xué)科學(xué)習(xí)強調(diào)真實情境和問題的構(gòu)建，在此基礎(chǔ)上生成具體的跨學(xué)科問題，進一步凝練分析具體的學(xué)科問題，從而逐步推進學(xué)習(xí)問題的解決和學(xué)習(xí)目標(biāo)的達成。

基于此，融入設(shè)計思維和跨學(xué)科理念的人工智能教學(xué)，可以以指向具體問題或任務(wù)解決的項目化學(xué)習(xí)為驅(qū)動，以學(xué)生為中心，引導(dǎo)學(xué)生從真實的項目中學(xué)會識別有價值的問題，與學(xué)科知識相結(jié)合，發(fā)展學(xué)生提出問題及分析問題的能力。通過學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和合作探究，尋找并設(shè)計問題解決方案，在完成項目設(shè)計與制作的實踐過程中應(yīng)用并深化所學(xué)知識技能，進而實現(xiàn)學(xué)習(xí)高通路遷移，同時提升學(xué)生的團隊協(xié)作能力。以此為指導(dǎo)構(gòu)建的教學(xué)模式如下圖所示。

融入設(shè)計思維和跨學(xué)科理念的人工智能教學(xué)模式

●設(shè)計思維和跨學(xué)科理念支持下的人工智能課程設(shè)計與實施

基于設(shè)計思維與跨學(xué)科理念，筆者結(jié)合《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準（2017年版2020年修訂）》的“人工智能初步”與“開源硬件項目設(shè)計”模塊中關(guān)于人工智能技術(shù)及應(yīng)用場景剖析、人工智能應(yīng)用模塊搭建、開源硬件作品設(shè)計與制作等內(nèi)容要求，設(shè)計了《智能垃圾桶設(shè)計與制作》人工智能課程，引導(dǎo)學(xué)生以小組為單位開展創(chuàng)意設(shè)計和學(xué)習(xí)實踐。

1.共情—真實情境及問題下的需求分析

共情是設(shè)計思維的第一個環(huán)節(jié)，也是教學(xué)環(huán)節(jié)的起點。此階段應(yīng)以真實情境及問題作為課程導(dǎo)入，需要學(xué)生由學(xué)習(xí)者的視角轉(zhuǎn)向真實的用戶使用視角，從實際需求的角度分析學(xué)習(xí)任務(wù)、設(shè)計學(xué)習(xí)制品。共情環(huán)節(jié)可以使學(xué)生快速進入問題解決的思維過程，同時激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，促進持續(xù)學(xué)習(xí)的產(chǎn)生。

《智能垃圾桶設(shè)計與制作》課程選擇了垃圾分類這一與學(xué)生日常生活密切相關(guān)的真實情境，并從垃圾分類投放過程中存在的諸多問題入手，引起學(xué)生的“共情”。在此教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師以明確具體的問題解決需求為目的，通過頭腦風(fēng)暴的形式引發(fā)學(xué)生討論，使學(xué)生從自身生活經(jīng)驗出發(fā)，思考垃圾分類投放中存在的問題，如不清楚垃圾分類的標(biāo)準、垃圾桶容量太小、濕垃圾投放不便等，為后續(xù)課程中確定學(xué)習(xí)問題、設(shè)計與制作學(xué)習(xí)制品等做準備。

2.定義—人工智能關(guān)鍵問題的定義與提取

定義階段包括對課程中所要解決具體問題的明確界定，以及對其中所包含關(guān)鍵問題的設(shè)計與分析。學(xué)生基于“共情”思考發(fā)現(xiàn)的實際問題往往是復(fù)雜的、多元的，需要多學(xué)科的知識方法協(xié)同解決。在此階段，教師需要根據(jù)課程的教學(xué)目標(biāo)對實際問題進行進一步的凝練和設(shè)計，明確界定在人工智能課堂教學(xué)中所需解決的關(guān)鍵問題，從而使教學(xué)始終圍繞課程的核心內(nèi)容開展。

經(jīng)過頭腦風(fēng)暴環(huán)節(jié)后的智能垃圾桶需求分析，通常會呈現(xiàn)多樣化的功能構(gòu)想，如干濕垃圾語音識別、自動開蓋、容量報警、自動行走、自動傾倒等，但從需求構(gòu)想到原型設(shè)計、功能實現(xiàn)往往存在一定的差距，或超出學(xué)生認知水平，或與人工智能教學(xué)內(nèi)容脫離，無法在課堂環(huán)境中實現(xiàn)。基于此，教師需要在教學(xué)中提供必要的學(xué)習(xí)干預(yù)，在諸多功能需求的基礎(chǔ)上幫助學(xué)生梳理出具有共性的、聚焦課程教學(xué)目標(biāo)的內(nèi)容，形成課程所需解決的關(guān)鍵問題。在本課程的授課中，教師結(jié)合學(xué)生的能力達成情況，總結(jié)整理各小組提出的共性問題—智能垃圾桶的自動開蓋及容量報警功能作為課程所需解決的關(guān)鍵問題，開展人工智能及相關(guān)內(nèi)容學(xué)習(xí)及項目設(shè)計推進。

3.構(gòu)思—問題解決方案的設(shè)計與構(gòu)想

在確定所需解決的關(guān)鍵問題后，需要構(gòu)想可能的問題解決方案，并通過對比分析選擇最佳解決方案。此過程引導(dǎo)學(xué)生從問題設(shè)計解決的角度，對所需完成的任務(wù)開展學(xué)習(xí)探究，設(shè)計可行的技術(shù)路線，并應(yīng)用所學(xué)知識對不同技術(shù)路線的可行性進行分析、類比、抽象等。“構(gòu)思”是一個對知識與技術(shù)方法整合應(yīng)用的環(huán)節(jié)，既需要學(xué)生能夠準確理解并合理應(yīng)用所學(xué)知識方法，建立已有認知之間的關(guān)聯(lián)，也需要調(diào)用高階認知策略對項目方案進行綜合評估，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維、批判性思維以及設(shè)計規(guī)劃能力、溝通協(xié)作能力等，是從跨學(xué)科問題轉(zhuǎn)向具體問題解決的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

在實現(xiàn)智能垃圾桶功能設(shè)計的學(xué)習(xí)探究中，教師會以“為了解決××關(guān)鍵問題，你們小組需要使用××技術(shù)設(shè)計××”等問題支架，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)思智能垃圾桶具體功能可能的實現(xiàn)方案，再次明確核心學(xué)習(xí)問題。例如，為了解決垃圾桶自動開蓋的功能，除了掌握舵機的正確使用方法外，還需選擇合適的判斷條件：可以采用語音識別功能，調(diào)用人工智能算法中的語音識別模塊實現(xiàn)關(guān)鍵字的識別控制；或使用熱運動傳感器，感應(yīng)有人靠近時實現(xiàn)垃圾桶的自動開合。基于教師的問題引導(dǎo)與自己的方案設(shè)計，學(xué)生需要對不同的問題解決方案從功能分析、創(chuàng)新點、可行性等角度進行綜合對比，從而確定智能垃圾桶功能實現(xiàn)的最佳技術(shù)方案。

4.原型—技術(shù)融合的學(xué)習(xí)制品設(shè)計與構(gòu)建

原型階段包括原型設(shè)計和原型構(gòu)建兩個主要環(huán)節(jié)，此過程不僅是對人工智能學(xué)習(xí)中具體學(xué)習(xí)任務(wù)的設(shè)計落實，同時也是建構(gòu)學(xué)生對人工智能知識、技術(shù)、技能綜合應(yīng)用的認知過程。在原型設(shè)計與構(gòu)建階段，學(xué)生在具體的學(xué)習(xí)制品設(shè)計與構(gòu)建過程中展開探索，通過完成表現(xiàn)性學(xué)習(xí)任務(wù)產(chǎn)生深度學(xué)習(xí)。這是對人工智能學(xué)習(xí)內(nèi)容及問題解決方法的實踐，能夠有效促進學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

在智能垃圾桶原型的設(shè)計與制作過程中，需要綜合應(yīng)用人工智能、開源硬件相關(guān)的知識技能。首先，各小組在確定智能垃圾桶的設(shè)計方案后，要通過繪制草圖明確智能垃圾桶的外觀造型；其次，明確功能設(shè)計所需的材料清單及構(gòu)建流程，通過流程圖的形式梳理智能垃圾桶的工作過程，確定每一個功能實現(xiàn)所需選用的智能硬件及配合的代碼編寫，并規(guī)劃完成外觀制作的技術(shù)條件；最后，學(xué)生分工合作，完成智能垃圾桶外觀設(shè)計，利用3D打印或激光切割技術(shù)完成桶身制作，同時將控制垃圾桶開合、感應(yīng)等相關(guān)功能的傳感器、控制器、執(zhí)行器合理地放置于制作的垃圾桶外殼上，并完成相應(yīng)的控制代碼編寫。

5.測試—學(xué)習(xí)制品的功能測試與迭代優(yōu)化

測試環(huán)節(jié)不僅包括對制品功能的測試，還包括在測試完成后的評估及迭代優(yōu)化。此環(huán)節(jié)與原型設(shè)計構(gòu)建環(huán)節(jié)是螺旋交叉的，在原型設(shè)計與制作過程中，需要進行反復(fù)測試、改進、完善，以產(chǎn)出最終的學(xué)習(xí)作品。此環(huán)節(jié)能夠有效提升學(xué)生對問題的解釋分析能力和實施驗證能力，是從人工智能學(xué)習(xí)問題解決向真實場景中智能技術(shù)應(yīng)用的遷移。

在實際教學(xué)中，智能垃圾桶的測試環(huán)節(jié)是學(xué)生對小組學(xué)習(xí)成果檢驗及反思的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。一方面，需要對智能垃圾桶的造型進行測試，如桶身結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定、傳感器放置是否合理、連桿部位能否順利實現(xiàn)垃圾桶開合等；另一方面，需要檢測預(yù)設(shè)功能的達成情況，如人工智能算法調(diào)用是否正確、程序編寫邏輯是否合理等。此過程學(xué)生需要對遇到的問題進行調(diào)整與迭代，這是完整學(xué)習(xí)制品的輸出與反思總結(jié)。同時，測試完成后的作品展示與分享交流，也是重要的教學(xué)組成部分。在課程實施過程中，筆者設(shè)計了明確的智能垃圾桶評價方案，包括智能垃圾桶設(shè)計的美觀性、實用性、創(chuàng)新性，并強調(diào)了對功能實現(xiàn)多樣性、技術(shù)路線合理性、程序算法準確性等人工智能技術(shù)方面的評價要素，指導(dǎo)學(xué)生開展小組自評與組間互評。通過展示交流及評價活動，引導(dǎo)學(xué)生對人工智能項目設(shè)計制作中所學(xué)習(xí)的知識與技能進行總結(jié)，了解他人觀點，拓展設(shè)計思路，并對本小組作品設(shè)計進行反思，從“共情”角度進一步考慮項目可能的迭代優(yōu)化方案，發(fā)展學(xué)生的批判性思維，形成設(shè)計思維閉環(huán)。

●思考與總結(jié)

在中小學(xué)逐步推廣實施人工智能教學(xué)的當(dāng)下，教師應(yīng)嘗試探索新的教學(xué)理念，豐富教學(xué)模式，以真實的學(xué)習(xí)問題促進學(xué)生有意義學(xué)習(xí)的產(chǎn)生，從而真正培養(yǎng)學(xué)生運用智能技術(shù)適應(yīng)智能社會的能力。本課程的設(shè)計嘗試解決當(dāng)前人工智能教學(xué)過分關(guān)注人工智能技術(shù)算法本身、以抽象理論或編程教學(xué)為主、缺乏學(xué)科核心實踐等問題，在中學(xué)的教學(xué)實踐中獲得了積極的反饋。在設(shè)計思維支持下，通過真實場景中的項目化作品創(chuàng)作實踐，有效提高了學(xué)生的人工智能技術(shù)應(yīng)用能力，學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度、完成度與作品創(chuàng)新性較高，驗證了此模式在人工智能教學(xué)中的有效性。后續(xù)研究將應(yīng)用該模式進行行動研究，在實踐中不斷調(diào)整完善，進一步推進中小學(xué)人工智能教學(xué)的開展，促進數(shù)字社會青少年智能素養(yǎng)培養(yǎng)。