科技勞動視角下智慧城市項目主題AI課程設計與實踐

摘要：近年來，中小學人工智能教育以及勞動教育開展得如火如荼，那么，這兩個領域是否有相互融合、創新教學的契合點？本文以項目式教學理念為依托，圍繞新課標核心素養培養目標，創新“做中學、學中創、評價引領”教學模式，詳細闡述了智慧城市項目主題下的人工智能與勞動教育融合創新的課程設計與實施。

關鍵詞：人工智能；科技勞動；融合創新；“學—創—評”一體化

“勞動教育應依據勞動形態的演進而與時俱進，創造條件讓學生參加服務形態的勞動、創造性勞動等，形成當代勞動教育的新方向”。筆者所在學校開設的“人工智能+勞動教育”創新課程教學的主旨是，基于創造性勞動，圍繞學生核心素養提升要求，落實培養全面發展的社會主義科技勞動建設者的教育目標。課程設計的立足點是充分發揮項目式學習在落實核心素養培養上的優勢，圍繞智慧城市設計與實施主題，開展“做中學、學中創、評價引領”的人工智能科技勞動教學活動，引導學生掌握機器學習算法思維，開發簡易人工智能系統，正確使用科技力量開展勞動，培養良好的科技勞動習慣和品質。

基于建構主義學習理論，開展智慧城市項目設計

根據建構主義學習理論，無論是人工智能教育還是勞動教育，通過真實情境的創設，以問題和評價為導向，應用多樣化的信息和工具，組織學生積極運用學習平臺、勞動工具等開展與外界的相互作用，體悟“五進”要求的實際意義，強化思維和技能的培養，是落實學生核心素養培養的優化策略。因此，基于智慧城市設計與實施主題的項目式學習，是本課程創新設計的基石。

1.借助項目式學習流程設計教學模式

項目式學習一般要求師生基于真實情境共同經歷“選題”“規劃”“探究”“實施”“交流”“評價”六個環節，符合學生認知發展規律，很大程度上還原了學習的本質。在本課程的項目設計中，六個環節被分為三個階段，分別是：“項目準備階段”，包括基于問題情境的主題選擇、基于學業評價理解的項目規劃、基于目標達成的知識（技能）儲備；“項目實施階段”，包括基于認知目標的小組探究、基于問題解決的簡易系統開發、實施過程表現性評價、成果物化展示與答辯；“項目評價階段”，包括基于交流反思的作品創造性改良、項目報告及答辯環節的思維評價（基于SOLO分類理論）、基于成果展示的結果性評價以及面向情感態度價值觀的組內互評。項目式學習三階段設計如下頁圖所示，三個階段的協同，為“做中學、學中創、評價引領”教學活動的開展搭建了優質支架，為學生人工智能素養和勞動素養的提升鋪設了優質路徑。

2.圍繞“未來智慧城市”主題規劃單元架構

課程分為“研學”“產創”兩個階段，共16課時。智慧城市系列化課程體系設計如下表所示。

（1）“研學”階段

圍繞“未來城市”相關主題，學生在AI仿真平臺中創建三維智慧城市，通過機器學習訓練模型、編程等實現各種人工智能仿真應用場景，完成虛擬智慧城市的建設。本階段劃分為三個科技勞動研學單元，共12課時。學生在每個單元中均要經歷三個階段共六個環節的學習活動，即每個單元學習都是完整的項目式學習流程。學生利用自主學習平臺、趣味探究活動、智能編程實施等手段，直觀理解人工智能核心技術的基本原理，辯證認識人工智能及其在科技勞動中的應用，提升人工智能核心素養與勞動素養，培養問題解決高階思維。在項目準備階段，學生利用教師提供的學習平臺開展知識儲備活動，并根據項目方向開展小組合作，選定單元項目中的研究方向，制訂學習和實施規劃，安排1課時；在項目實施階段，學生應用人工智能思維，開展機器感知應用、機器學習訓練、智能系統開發活動，安排2課時；在項目評價階段，各小組利用課外時間制作展示視頻，由其他小組利用智能學習平臺觀摩學習并根據評價量規開展評價，安排1課時。

（2）“產創”階段

基于上一個階段學習的知識以及對智慧城市的設計、仿真實驗，各小組學生在本階段根據自選的項目方向，自主學習包括二哈識圖、掌控板、Mind+編程等創作工具在內的應用技巧，共3課時。同時，利用上個階段研學的成果，在課外或假期時間，借助機器人結構件、開源AI創客硬件等裝備，開展物化創作，并在項目地圖上完成“超市”“物流”“管理”跨小組合作的智慧城市項目整合作品。最后1課時是智慧城市項目答辯總評環節，由教師主導，各組組長組成評審團，對智慧城市整合作品開展學習成果答辯。

3.依托主動學習模型優化師生角色

學習金字塔中提出主動學習的三種模型：討論、實踐、教授他人。通過師生角色優化設計，有利于促進主動型學習的發生。學生的角色有三種：首先是學習與實踐的主體，組建小組參與項目學習的全過程；其次是討論與互評的主體，深入理解項目評價規則，既作用于自己小組的學習導引，又在項目評價階段，在參與對其他小組成果展示的評價中發揮作用；部分學生還具備“導師”的角色，在最后的成果答辯環節要承擔向其他小組組長提問和（在教師引導下）點評的職責。三種角色的相互滲透，有利于學生在項目式學習中充分發揮主觀能動性，促成學生進入“交流、評價、教授他人”的主動高效學習狀態，切實提升學生核心素養中的思維能力。而教師在教學活動中是項目策劃者、項目監督者、項目指導者，其主要工作是為學生的主動學習提供支架，并保障項目式學習能圍繞學習目標順利高效地開展。

聚焦“學—創—評”一體化，實施“人工智能+勞動教育”課程

筆者以“感知——智慧超市”單元的課程與評價為例開展課堂教學實踐。

1.創設問題情境

無人超市解決了傳統超市購物結算區排隊長的問題，實現了便捷購物的目的。那么，無人超市是如何識別顧客、商品以及進行快速結算的呢？本主題主要是在uSim虛擬平臺中進行無人超市的全流程購物設計體驗，學生將以技術工程師的身份參與到問題情境中，了解人工智能圖像識別技術的原理、應用及實現流程，并應用uCode4.0軟件開展編程勞動，實現無人超市快速結算業務。此環節培養學生的人工智能素養和應用科技開展勞動的意識。

2.預設學習目標及評價策略

課標描述：通過案例分析，理解人工智能；根據學習與生活需要，合理選用人工智能，比較使用人工智能和不使用人工智能處理同類問題效果的異同。

目標及評價描述：學生經歷項目式學習過程，能夠通過對比人類識別圖像的過程，正確理解并表述人工智能進行圖像識別的一般原理；可以應用所學知識，應用AI實訓中心訓練智能模型，應用uCode4.0編寫程序完成智慧超市中的“結算”勞動任務；能應用uSim虛擬仿真平臺完善城市3D模式，初步完成城市規劃勞動任務；思考在現代技術支撐下熱愛勞動的優秀傳統的價值。

在本系列課程里，評價的應用有別于普通模式。在普通模式下，評價一般被教師放置于課堂教學結束前，即最后一個環節。這種評價模式有利于對學生進行結果性評價，但弱化了過程性評價和增值性評價，而學習目標達成的判別，應該是結果性評價與過程性評價、增值性評價的綜合體現。因此，上述評價量規貫穿于整個教學流程。過程性評價包含兩個落實路徑：一是學生在開展探究時撰寫的工程筆記在交流環節得到評價；二是學生在開展探究時在仿真平臺和編程平臺自動生成的數據記錄及分析。結果性評價在“產創”階段的物化成果答辯中開展，增值性評價則在課程最后教師開展的社會責任及正確價值觀引導中得以落實。

3.巧設項目探究活動

根據項目式學習三個階段的設計，結合上述課程評價策略，師生在“感知——智慧超市”單元將經歷如下“研學”活動：

①情境問題與評價先行（教學目標、學生角色、評價體系）。學生探索智慧超市項目，主要應用人工智能中的計算機視覺技術來感知和結算。當顧客通過掃碼進入超市之后，在超市內的行為全程都會被攝像機捕捉，包括商品的選購以及是否離開超市，這就運用了計算機視覺中的人臉識別和商品識別技術。當攝像機感知到顧客已經結束購物，離開超市之后，系統就會自動推送需要結算的賬單。通過情境問題，學生了解學習目標，并由教師解讀評價要求和量規，學生作為評價主體得以進一步理解學習目標達成的路徑。

②項目選題與規劃。包括以學習小組為單位的項目進度規劃與成員分工、實驗或開發工具與學習資源的選用、所需儲備知識的主動學習。學生在教師指導下，從智慧超市大項目中擬定研究方向（客戶人臉識別、商品自動識別、購物完成預判等），制訂學習需求及進度規劃，小組分工合作，開展人工智能圖像識別技術原理學習以及uSim虛擬仿真平臺基本操作技能、uCode4.0編程基本技能等前置性學習。

上述兩個環節為項目式學習準備階段，共1課時，采用思維導圖、微課等工具輔助落實“評價引領”。

③智慧超市項目探究與實施。學生根據選定的項目主題，類比人類眼睛來獲取商品的圖像信息以及熟知商品屬性的方法（機器學習原理），應用uSim虛擬仿真平臺中的“AI實訓”功能開展商品識別訓練，總結歸納機器學習的一般過程及其在機器感知方面的應用，理解并表述人工智能進行圖像識別的一般原理，初步理解邊緣檢測算法在特征提取技術中的重要作用，提升計算思維素養。

④拓展：智慧超市項目開發之智能結算。學生運用問題分解思維，開展自動結算業務需求分析，在完善算法實現的流程圖之后，通過uCode4.0編程，綜合上個環節中訓練好的人臉識別模型和商品識別模式，設定結算時機（客戶完成購買行為的判斷條件），開發智能結算系統，并燒錄到uSim中的超市場景，進行仿真實驗。本環節鍛煉了學生的問題分析能力以及智能模型綜合應用能力，通過解決實際問題切實提升學生的核心素養。

上述兩個環節為項目實施階段，共2課時，采用程序流程圖、uSim虛擬仿真平臺、uCode4.0編程平臺等工具輔助落實“做中學”。

⑤項目交流與生生互評。每組學生就前三節課開展的項目式學習進行成果匯報，其他學生依照第一課時的評價量規開展評價活動，評價結果將反饋在問卷星平臺中，供各小組后續自評或學習他組經驗，教師根據評價反饋調整后續教學資源支架。此環節為1課時，本單元學習結束，學生主要經歷六環節中的前五個環節，進入下個單元項目流程。

師生在完成了包括“感知——智慧超市”單元在內的三個單元共12課時的項目式學習之后，進入智慧城市整體項目的“產創”階段，完成實體作品創新與產出，同時，學生需要完成基于工程筆記的答辯材料撰寫以及物化成果展示、答辯。

⑥科技勞動視角下的智慧城市項目主題AI課程的最后環節是學生開展情感態度互評，教師進行終結性評價并進行社會責任及立德樹人引導。教師結合全體小組學習中的表現，依據第一課時評價量規（教師部分）對全班學習情況進行評價，總結歸納本項目學習目標，正向探討人工智能技術應用中的社會責任，幫助學生建構新的認知結構，強化學生社會主義建設者發展目標。

科技勞動視角，建構有意義的人工智能教學

在開展科技勞動視角下的智慧城市項目主題教學后筆者進行了調查，從學情反饋數據分析可知，課堂教學效果和學生素養目標的達成效果顯著：全部學習小組均完成了第一階段“研學”的任務，實現了包含至少三個智慧情境的未來城市沙盤設計，其中60%的學習小組在課程預設的三個單元基礎上提出了新的創想，包括智慧農場、智慧工廠、智慧治安的模型構想和智能模型訓練，體現了學生通過學習后，能以科技工程師的思維創新設計類勞動；在“產創”階段，所有小組的學生都能綜合應用激光切割、木工技術、物理電路、電腦編程、AI開源硬件等制作相應的智慧城市模型，并實現了人工智能技術的應用，科技思維與勞動品質得到質的提升。科技勞動視角下的項目主題AI課程，為學生們建構了“以科技工程師的思維開展高效智能化勞動，可以更好地為祖國社會主義現代化建設做貢獻”的育人意義，研究與實踐成果主要體現在四個方面：

①教育教學活動從“學”“做”相融到“創”“產”輸出，勞動教育增添了科技勞動新內涵，拓展了學生智慧產業的大視野，為學生人工智能素養和勞動素養的提升鋪設了優質路徑；優化后的項目化大單元課程設計與“三階六環節”教學模式為實現智能技術支撐下的科技勞動素養培養高階目標提供了有效實施策略參考。

②課程設計符合建構主義教育理論，圍繞智慧城市規劃與建設主題，突破勞動教育的傳統模式，實現人工智能教育與勞動教育的深度融合以及科技勞動的教學創新，探索并驗證了科技勞動教育有效實施問題的解決路徑。

③課程圍繞評價核心進行了逆向設計，基于核心素養目標的多元評價貫穿學習全流程，優化了項目式教學模式。單元設計從研學到產創到思辨，再到大觀念提升，創設了“學—創—評”一體化的新型探究性科技勞動課堂。

④“虛”“實”雙支撐降低了學生的高階思維培養的準入門檻。AI實訓、智慧城市探究、程序設計等均在網絡平臺上開展，而創客開源硬件、機器人結構套裝以及智慧城市地圖，則為學生進一步開展物化創作提供了條件。此外，虛擬平臺支持的基礎學習和實體硬件支持的進階學習，為不同學校或地區的不同裝備環境條件提供了因材施教的選擇。

結束語

隨著科技教育以及勞動教育的進一步改革與發展，教學內容與技術賦能教法學法的“雙融”創新課堂必將得到深入的探索和研究。科技勞動視角下的智慧城市項目主題AI課程設計與實踐，充分發揮了項目式學習的優勢，在建構主義教育理論、維果斯基發展理論、表現性評價理念的支撐下，借助先進的虛擬仿真智能教學平臺，切實地促進學生核心素養培養目標的達成。另外，它也是從一個新的角度思考和突破了人工智能教育和勞動教育的現有范式，為學生建構了“做中學、學中創、評價引領”的多樣的情境性學習體驗。

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本文為廣東省中小學“百千萬人才培養工程”專項科研項目課題“基于教研共同體的高中人工智能專遞課堂實施策略研究”（BQW2021JZN012）的研究成果；東莞市教育科研專項課題“高中人工智能教育項目學習過程評價設計與應用研究”（2022GCZ21）的階段性成果。