基于掌控板的高中人工智能校本課程開發研究

王禾楊，張淞玉，朱明慧，許靖宇

（天津師范大學教育學部，天津 300000）

國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》[1]提出，要在中小學階段設置有關人工智能課程。該政策的頒布，為人工智能校本課程開發提供了良好的發展環境，也提供了強有力的支持。但是目前大多數人工智能課程重理論、輕實踐，而“掌控板”作為一個操作便捷、經濟實惠的開源硬件，為學生進行人工智能的簡易開發提供了較大便利。由此，筆者將掌控板與人工智能教育相結合，進行高中人工智能校本課程開發。

1 研究背景

《普通高中信息技術課程標準(2017 年版)》中，將人工智能教育設置為選擇性必修內容，提升了對人工智能知識的要求。2018 年，教育部印發《高等學校人工智能創新行動計劃》[2]指出，要構建人工智能多層次教育體系，將人工智能教育普及到中小學階段。

2015 年，教育部辦公廳發布的《關于“十三五”期間全面深入推進教育信息化工作的指導意見（征求意見稿）》[3]指出，有條件地區要在日常教學過程中積極引入探索新技術手段，探索STEAM教育、創客教育等新教育模式，這促進了教育方式的創新，推動了傳統教育向項目式學習的轉變。

從社會發展的環境來看，國家頒布的各項政策有助于人工智能教育在中小學階段的發展，人工智能教育提升為選擇性必修內容，其中包含的內容有所增加，與核心素養的契合度更高。在教學實踐中，教學方式由傳統教學方式逐漸轉向項目式學習。

2 研究現狀

2.1 關于項目式學習

關于項目式學習的研究，我國于2001 年最早出現，2016 年起研究數量不斷上升，研究方向主要集中在模式、教學設計與應用、評價等。

在項目式學習模式的研究方面，張輝蓉等[4]將STEAM教育理念與數學教育的困境結合分析，構建出了數學文化項目學習模式。首新等[5]通過教學實踐驗證了其CHAT理論設計項目式STEM學習活動模型有助于學生STEM技能的提升。

在項目式學習教學設計與應用研究方面，余燕芳，李藝等[6]以“任務”為單位的項目式教學活動，更能培養學生的核心素養。張文蘭等[7]提出了項目式課程實施的6個關鍵步驟，形成了網絡環境下的項目式學習模式。

在項目式學習評價研究方面，張文蘭等[8]通過文獻分析形成了基于課程重構的項目式學習三級評價指標體系。彭陳，張圓圓[9]構建出適用于網絡環境中項目式學習的過程性評價指標體系。

由此可見，項目式學習成為新課標環境下信息技術教學中極力推薦的一種以學為主的教學模式。人工智能作為信息技術學科中的一大重點，更適合以項目式學習的方式來開展。同時，掌控板可以解決人工智能課程中缺少學生實踐機會的問題。由此，基于掌控板的項目式學習教學模式下的人工智能課程開發就顯得極為重要。

2.2 關于人工智能教育校本課程

雖然人工智能教育的研究不斷增加，但是人工智能教育怎樣在中小學開展依然屬于探索階段。我國人工智能教育最早以校本課程或選修課的形式進入了基礎教育領域。

張艷青[10]對人工智能校本課程教學模式進行改良，形成了5段教學法，構建在新課程理念下學生自主探究、合作學習的一種教學模式，在課堂教學中融入課程改革的先進理念、信息技術核心素養。

基于以上要點，筆者發現，要想對學生做好人工智能教育的培養，有必要通過方便可行的掌控板來開發人工智能校本課程，從而提升學生在人工智能初步學習中的開發效能感，使得學習內容從原本的理論或體驗，逐步升格到簡易開發，為更深層次的學習做好充分的鋪墊。

3 教材設計

3.1 設計原則

在基于對項目式學習、人工智能教育、掌控板基本使用、教材開發等相關理論的了解后，結合《中小學人工智能課程開發標準（試行）》（以下簡稱（《標準》））中對于人工智能課程的設計標準，將教學資源進行整合和開發來進行教材設計，設計時注重人工智能學科特色和學生認知規律，培養學科關鍵能力。將教學主題對應《標準》中的“人工智能與社會”“人工智能與人類智能”“人工智能原理與技術”的三大核心主題，以“智能社會責任”“人工智能意識”“智能技術應用”“實踐創新思維”4個培養維度為課程設計方向，以項目式學習為課程開展方式和指導思想，以掌控板為主要課程開展工具進行編寫教材。

在編寫教材時，將人工智能發展新成果融入教材案例中，引導學生了解人工智能的發展對于社會產生的影響，從而培養學生對于人工智能發展的適應能力和批判思維。本教材的編寫借鑒了已有的人工智能教材以及專業領域的文獻資料，具有科學性、客觀性和準確性。通過教材的7個單元來介紹學生未來發展所需要的基礎知識和基本技能。

3.2 設計框架

本研究首先以《標準》中的“人工智能原理與技術”主題為核心，綜合考慮相應的人工智能教學資源與掌控板的應用難度后，設計開發出人工智能綜合性學習項目，依據項目原理與項目內容關聯逆推相關必需知識，形成了以“人工智能基礎知識、人工智能項目前置知識、人工智能綜合項目探究”為主線的教學流程初步框架。并將其與以“人工智能在身邊、人工智能的發展、人工智能與機器感知、人工智能與算法思維、人工智能的應用”為主題的教學內容初步框架進行去蕪存菁、有序結合，最終構建出基于掌控板的人工智能項目式學習框架。框架以“項目式學習”為引導，包括“人工智能導引、掌控板應用案例入門、算法入門、掌控板數據處理、圖像識別、語音識別與合成、人工智能與數據安全”7部分內容。

3.3 內容設計

在教材設計過程中，著重以項目式學習為引導，引導學生在完成項目的過程中，體會人工智能的相應案例。主要設計了圖像識別和語音識別與合成兩個單元項目。在每個單元項目中都包含5節內容，首先，對該人工智能技術的原理形成初步認識；其次，進行簡單的項目初探；再次，設計一個較為復雜的項目進行研究；緊接著，探索該技術在生活中不同領域的應用；最后，設計一個綜合案例，通過“問題—解決問題”的完整流程，熟練運用該技術。

教材中除了設置有關技術掌握的內容，同時認為需要具備人工智能和數據安全的基礎性知識，這也與《標準》中提出的人工智能與社會相契合，所以設置了第1章人工智能導引和第7章人工智能與數據安全。

由于在單元項目學習中需要通過掌控板來解決問題，所以設置第2章掌控板應用案例入門和第四章掌控板數據處理。在第2 章中設置4 個典型案例，多維度多角度地認識掌控板；在第4章中設置植物生長環境檢測和一天溫度檢測兩個小型項目，融入講解大數據處理與大數據應用相關的知識，為以后的學習作鋪墊。

在基于掌控板的項目實踐過程中需要具備算法的思路，所以設置第3章算法初識，鋪墊一些常用的算法知識，如概念特征、枚舉與解析、排序、查找和遞歸等。

4 以人工智能應用一節為例

為方便實際教學的開展，以自主開發的教材第1章第4節人工智能的應用為例，設計出如下教學設計以供參考。

4.1 教材分析

本課依托自主開發人工智能教材第1單元人工智能導引第四節人工智能的應用。之前的學習中，學生已經掌握了人工智能的概念、基本特點及發展歷史等知識內容，本節課是在以往學習的基礎上，對人工智能應用進行更深入的學習。

4.2 學習者特征分析

本課教學對象為高一年級學生，以下從學生與本課教學內容相關的既有知識儲備及一般風格、能力兩方面展開分析：

1）與本課教學內容相關的既有知識儲備

在本學科知識儲備方面，學生已經學習過人工智能的概念和特點，能夠判斷生活中的產品或技術是否應用了人工智能。在生活知識儲備方面，能夠使用計算機檢索信息并對收集到的信息進行整理分類。

2）一般風格、能力

學生具備一定的抽象思維能力，且能夠進行信息整合與歸納，并對學習人工智能課程具有強烈興趣。

4.3 教學目標

基于課標、現有教材及學生既有知識儲備的分析結果，確定本課程教學目標如下：

1）能夠依據概念和特點，對生活中的人工智能進行判斷和分類，能夠列舉2～3 個人工智能應用實例（人工智能意識、智能技術應用）。

2）通過分析人工智能應用的利與弊，培養辯證看待問題的能力（智能技術應用、智能社會責任）。

3）在使用互聯網對社會各領域人工智能應用的信息檢索整合的過程中，認識到人工智能技術和工具在各個領域發揮著重要作用（智能社會責任）。

4）通過小組協作探究，培養分工合作和信息檢索的能力。

4.4 教學重點

1）在使用互聯網對社會各領域人工智能應用的信息檢索整合的過程中，認識到人工智能技術和工具在各領域發揮著重要作用。

2）通過分析人工智能應用的利與弊，培養辯證看待人工智能應用的價值與潛在風險。

4.5 教學方法

為有效實現本課教學目標，突破重點，基于學生的一般風格和能力，本課擬主要采用教師引導啟發和學生自主探究、小組合作相結合的方式。

4.6 教學環境

多媒體網絡教室，裝有Word、線上教育平臺且能夠互通的教師機與學生機。

4.7 教學過程

以人工智能應用視頻引入，提出引導性問題“生活中的人工智能有哪些”。學生自主思考后進行小組討論并將討論結果上傳教師端，教師端進行詞云分析并將結果呈現給學生，引出觀點：人工智能在我們的生活中應用十分廣泛。教師布置任務讓學生上網搜索感興趣領域人工智能應用的典型案例以及人工智能對該領域的影響，完成任務單并填寫共享表格，完成后進行小組展示，教師總結歸納，使學生對人工智能的應用有辯證性思考，最后進行課堂總結和作業布置。

4.8 教學評價

本課主要采用過程性評價方式，通過學生對教師引導、提問的反饋情況及完成任務情況獲取學習基本信息，并據此及時調整教學策略和方法，以有效實現既定教學目標或對教學目標做適度調整。

5 總結與展望

本研究采用德爾菲專家調查法，通過邀請相關領域內一線教師對開發成果的可行性、理論性、知識性進行評估，根據專家評估意見對教材進行整理，修改并將修改結果匿名反饋給專家，進行再次評估，直到專家達成基本一致的意見。

表1 人工智能應用課程教學過程

基于項目式學習的教學模式，筆者進行了高中階段的人工智能校本課程開發，注重理論知識與掌控板實踐相結合，以幫助學生通過項目的實踐完成關于“人工智能”知識的構建，同時設計出人工智能教育與掌控板高度融合的教材以及相應教學設計，從而幫助教師進行實際教學活動。后續可結合研究成果，針對已有的人工智能教育應用，開發更多相關系列課程，完成更進一步教材的內容擴充。