AI 素養導向的人機對話系統教學設計與實踐

摘要：為提升師范生的人工智能素養，培養其人工智能教學能力，本文以人機對話系統為例，基于人工智能素養培養理念，結合《中小學人工智能教師能力標準》和《義務教育信息科技課程標準》，對計算機師范專業課程進行了重構，并設計了以學生為主體的教學案例。該案例通過“互動導入—構建機器人—實現對話—優化功能”四個環節，引導學生掌握人機對話系統開發的基本流程，提升其信息意識、計算思維和數字化學習能力。實踐表明，該教學設計能夠有效激發學生的學習興趣，提升教學質量。

關鍵詞：人工智能素養；人機對話系統；教學設計；計算機師范專業；教學案例

中圖分類號：G424文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）35-0013-03開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

0引言

隨著人工智能技術的迅猛發展，人工智能在教育領域的應用日益廣泛，逐步形成了以提高教育質量、實現個性化教學和管理、優化教育資源配置為目標的智能教育新模式。人工智能的應用促使教育培養目標發生轉變：從以知識為核心的培養目標向以人的發展為核心價值的轉變[1]。

全球教育發展的推動者聯合國教科文組織（UNESCO）在2022年的國際人工智能與教育大會上提出：促使人工智能賦能教師并變革教學。在2023年發布的《生成式人工智能教育和研究應用指南》中指出，人工智能是教育數字化轉型的重要組成部分，教師成為微課的設計者，是“情境反應學習”的促進者和指導者。在人工智能教學能力框架中，除了人文價值、人工智能與教學法、使用和創造人工智能工具以促進學習、保護教師權利以及確保人工智能工具的倫理規范等關鍵領域外，還特別強調了人工智能素養。人工智能素養是廣義數字素養的一部分，“發展人工智能素養”成為2024年人工智能教育領域的重點。人工智能素養的核心要素包括AI知識、AI能力以及看待AI的態度，這是適應智能社會所必備的素質。

如何以培養人工智能素養為導向，對計算機專業師范生的核心課程進行重構？如何在教學案例設計中融合人工智能素養教育內容框架的組成部分？這是本文接下來設計與實踐的重點。

1AI素養培養為導向的課程重構

從知識的本質來看，智能時代的知識是人類與人工智能通過所處環境的交互而獲得的信息，或通過生成性意義建構的結果[2]。通過教育和培訓使受教育者具備批判性思考人工智能所需的知識，培養人工智能素養可以提升使用者對人工智能技術的有效利用能力和責任意識[3]。人工智能素養的教育內容框架由AI認知、AI技能、AI應用和AI倫理四大部分組成[4]。

師范院校作為培養教育人才的主力陣地，積極探索“人工智能+”公費師范生培養新模式。以培養人工智能素養為導向，對標中國教育科學研究院研制發布的《中小學人工智能教師能力標準（試行）》（簡稱《能力標準》）中提出的人工智能理解與意識、基本知識、基本技能、問題解決、教學實踐、倫理與安全等6個維度及18項基本技能要求，采用《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（簡稱《新課標》）作為師范生專業技能實操內容的參考依據。結合《人工智能教育藍皮書》（簡稱《藍皮書》），重構了計算機科學與技術普通師范專業的教育類主干課程。

以“信息科技課程與教學論”為例，將人工智能知識圖譜與課程中的教育教學理論深度融合，對課程原有內容進行精簡和提煉，重組成不同主題模塊，如“建構主義理論”“教學結構理論”“教學模式”“教學設計”“資源設計與應用”等。每一模塊與《新課標》、必修教材《數據與計算》及《人工智能初步》的內容結合，并將AI信息教師能力指標嵌入其中，作為教學實操的重要考核依據。

2教學案例設計背景

通過分析《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》全文，共出現了81次“人工智能”一詞。《新課標》指出：“人工智能代表了解決社會生活中各種問題的一種思維方式，其最大的教育價值在于啟發學生的創新意識。”信息科技教育的核心在于思維培養，強調以學生為主體，提倡“做中學”“用中學”“創中學”。

基于此，圍繞《新課標》中提出的“利用開源人工智能應用框架，搭建簡單人工智能應用模塊，并能根據實際需要配置適當的環境、參數及自然交互方式等”要求，本文設計了一個基于自然語言處理的簡單人機對話系統教學案例。

3教學設計案例與實施

本案例面向計算機科學與技術專業的普通高校師范生，旨在引導學生運用人工智能原理，培養計算思維和數字化AI工具應用能力，完成知識建構，提升問題解決能力。教學設計從以下4個方面展開：學情背景分析、學習目標設計、教學活動設計和教學代碼設計。

3.1學情背景分析

學習的過程是學習者“意義建構”的過程。學情背景分析需要明確學習者已有知識與待學習知識的關聯關系，并分析如何通過積極情緒切入教學內容。

在本案例中，學習者已具備一定的Python編程經驗，并對自然語言處理的基本概念有所了解，這為本課程的學習奠定了基礎。同時，必修課程人工智能初步中關于陪伴機器人的學習內容與本案例密切相關，為激發學生的學習興趣和積極性提供了有利條件。

3.2學習目標設計

在“教師為主導，學生為主體”的教學指導思想下，結合《新課標》要求，從學習者培養的角度出發，明確學習目標。需要注意的是，學習者的目標描述不同于教學目標。本案例以培養學生的信息意識、計算思維、數字化學習與創新能力[5]為核心目標，具體包括以下幾點：1）掌握人機對話系統的簡單實現技術，包括創建Chatbot的算法步驟；2）理解Chatbot人機對話的檢索原理；3）學會完善Chatbot智能的方法。

通過“從簡單到復雜”的循序漸進學習實踐，學生將提升對信息的敏感度和判斷力，形成計算思維，并利用Chatbot工具完成個性化的人機對話系統設計。最終，學生能夠形成正向、理性的信息社會責任感。

3.3教學活動設計

教師作為“情境反應學習”的促進者和指導者，教學活動的設計是教學案例的核心環節。基于《中小學人工智能教師能力標準（試行）》的6大維度，教學活動需滿足具體能力指標。以下是人機對話系統教學活動的設計（A1～A6），具體見表1。

表1中A1～A6活動的設計意圖和預期效果達成情況分析如下：

1）A1的設計意圖是激發學生對人工智能及人機對話技術的興趣，激起對聊天機器人對話原理的探究欲望。學生的積極應答表明該環節達到了預期效果。

2）A2的設計意圖是讓學生充分融入教學情境，并鍛煉學生的思維能力。學生能夠自主推導出構建聊天機器人的三個步驟，這表明預期效果得以實現。

3）A3的設計意圖是通過“做中學”實現理論與實踐的結合，即學即用，將知識轉化為實際成果。學生通過親身實踐體驗構建聊天機器人并與之對話的過程。實踐中，90%的學生能夠獨立實現簡單的聊天功能，其余學生通過互助方式也達成了目標。

4）A4的設計意圖是激發學生的創新意識，引導學生不滿足于知識的重復應用，而是不斷改進并突破自己的作品。預期目標是所有學生掌握導入語料庫的方法，部分學生對語料庫建設表現出濃厚興趣。實踐結果表明目標已達成。

5）A5的設計意圖是激發學生對Chatbot更多適配器的自主學習興趣，推動學生探究與創新能力的培養。預期目標是所有學生掌握簡單的數學和時間邏輯適配器的使用，部分學生對更復雜的適配器產生興趣。實踐中，目標得以實現。

6）A6的設計意圖是幫助學生完成學習回顧，促進所學知識的內化，并激發學生對后續學習的積極性，從而進入良性學習迭代周期。實踐中，學生自主發現三個步驟中輸入和輸出環節尚未優化，并對下節課的語音識別和語音合成知識表現出濃厚興趣，期望通過學習進一步完善自己的Chatbot。預期目標得以實現。

在A1～A6教學活動中，教師通過多種資源構建情境，師生與AI工具在所處環境中的交互過程中獲取信息，并進行生成性意義的建構。

3.4教學活動中的代碼設計

在《新課標》中，人工智能是一條“看得見的脊梁”，而編程則是一條“看不見的脊梁”。教學設計的重點是將核心素養目標的各個碎片串聯起來。編程并非僅僅是技能的體現，例如AI算法的實現，編程只是算法實現的一個環節，關鍵在于算法如何實現。

表2給出了表1中教學活動A3～A5的主要步驟及其對應的參考代碼，供教學設計參考。

在Chatbot構建聊天機器人的教學過程中，代碼始終圍繞教學活動中的構建步驟展開。代碼語法并非教學關注的重點，實踐中可采用代碼塊的方式，通過拼接、補全等工具和方法的使用，弱化對語法格式的要求，引導學生關注算法的實現思路和流程。教學的重點在于培養學生的計算思維、協作能力和創新精神。

4總結

以AI素養培養為導向的教學設計，著力于培養學生在日常應用中對人工智能技術的自主思考、分析與實踐能力；引導學生關注身邊的人工智能技術，激發其探究原理的動力；通過多樣化的資源和工具，培養學生對AI應用成果的創新思維與動手實踐能力，使學生能夠運用所學的AI知識服務于日常生活實踐。

在自然語言處理之人機對話系統的教學設計中，充分發揮了學生的主體性。教學設計邏輯嚴密、層層遞進，符合學習認知規律。課堂結構的每一步都提出了相應的問題，引發學生思考并得出解決方案。學生通過“做中學”，以主體身份完成了聊天機器人的不斷優化與升級。教與學兩個層面均取得了良好效果。教學是一個動態、不斷迭代的過程，隨著AI應用素材的積累，教學實踐方法與內容深度融合，逐步形成了一種實操性強的教學模式。

參考文獻：

[1]黃榮懷.人工智能正加速教育變革：現實挑戰與應對舉措[J].中國教育學刊，2023（6）：26-33.

[2]孫立會，沈萬里.論生成式人工智能之于教育的命運共同體[J].電化教育研究，2024，45（2）：20-26.

[3]徐丹，段曉雯.人工智能素養：高等教育的挑戰與應對：《2024地平線報告：教與學版》的解讀與啟示[J].開放教育研究，2024，30（3）：24-36.

[4]黃如花，石樂怡，吳應強，等.全球視野下我國人工智能素養教育內容框架的構建[J].圖書情報知識，2024，41（3）：27-37.

[5]何克抗.核心素養的內涵、特征及其培育[J].中國教育科學（中英文），2019，2（3）：114-122.

【通聯編輯：唐一東】

基金項目：湖南省普通高等學校教學改革研究項目：“人工智能+”背景下地方師范高校繼續教育高質量人才培養路徑研究（202401000533）；湖南師范大學教師教育改革研究實踐項目“AI+教育”計算機科學與技術（公費師范）本科生培養新模式研究與實踐（217000210253）