高中人工智能課程中項目化學(xué)習(xí)設(shè)計與實施

秦朋緒 陳明選

摘要：本文從項目目標(biāo)、情境、問題、活動、評價五個方面闡述了人工智能課程項目化學(xué)習(xí)的設(shè)計策略，并以高中信息技術(shù)“智能語音電話簿的制作”人工智能課程為例，對在人工智能課程中運用項目化學(xué)習(xí)的方式落實計算思維培養(yǎng)進(jìn)行了探究與思考。

關(guān)鍵詞：人工智能課程;項目化學(xué)習(xí);計算思維

中圖分類號：G434 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?論文編號：1674-2117（2022）07-0000-05

● 人工智能課程與項目化學(xué)習(xí)

目前，人工智能課程的開展方式主要有以下幾種：作為獨立的課程開設(shè)、融入創(chuàng)客課程或STEAM課程[1]、作為信息技術(shù)課程的一個模塊。在本文中，人工智能課程是指在基于人工智能技術(shù)的數(shù)字化工具與環(huán)境支持下，以人工智能核心技術(shù)為課程內(nèi)容，以培養(yǎng)人工智能時代人才的核心能力為目標(biāo)的跨學(xué)科綜合實踐課程。人工智能課程包含三方面的內(nèi)容：人工智能作為教學(xué)內(nèi)容、人工智能作為教學(xué)工具與環(huán)境、適應(yīng)人工智能時代的素養(yǎng)作為教學(xué)目標(biāo)。人工智能課程具有跨學(xué)科、技術(shù)性、實踐性等特點，運用普通的教學(xué)方法難以有效解釋人工智能的原理，難以帶動學(xué)生對人工智能進(jìn)行理解、感受、應(yīng)用和創(chuàng)新，而項目化的教學(xué)方法以其高情境性、高參與度、高協(xié)作性、問題導(dǎo)向、學(xué)習(xí)的真實性等優(yōu)勢成為人工智能課程開展的最好方法。[2]研究表明，項目化學(xué)習(xí)可以在很大程度上提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，促進(jìn)學(xué)生積極思考、團(tuán)隊協(xié)作、動手實踐、解決實際問題，在完成項目的同時突破原有思維的限制，促進(jìn)批判性思維和創(chuàng)新性思維的養(yǎng)成[3]，這與人工智能課程對學(xué)生計算思維培養(yǎng)目標(biāo)的要求是高度一致的。因此，開展人工智能課程的項目化學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維成為本研究的取向，并將人工智能課程的項目化學(xué)習(xí)定義為：學(xué)生以團(tuán)隊協(xié)作的形式在特定的人工智能學(xué)習(xí)情境中發(fā)現(xiàn)問題、查找資料、規(guī)劃設(shè)計問題解決方案、解決問題，并將學(xué)習(xí)結(jié)果以項目的形式呈現(xiàn)與分享，達(dá)到對人工智能核心概念的深度理解，形成計算思維的目標(biāo)。

● 人工智能課程的項目化學(xué)習(xí)設(shè)計理念分析

1.項目目標(biāo)：指向?qū)W科的核心素養(yǎng)

在當(dāng)前的信息社會中，學(xué)生需要具備信息的獲取能力、甄別能力和抽象能力，學(xué)會組織和使用數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)設(shè)計、邏輯思考，完成實際任務(wù)，解決實際問題，這與計算思維的內(nèi)涵是基本一致的。因此，在基礎(chǔ)教育階段，人工智能課程的項目化學(xué)習(xí)目標(biāo)定位于培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，培養(yǎng)能夠發(fā)現(xiàn)問題、綜合運用多學(xué)科知識解決問題的人才。

2.項目情境：創(chuàng)設(shè)真實的多維情境

項目化學(xué)習(xí)是個體參與實踐活動，與他人、環(huán)境相互作用的過程，需要在相適應(yīng)的情境中開展才能使有效性得到最大程度的發(fā)揮。人工智能課程培養(yǎng)學(xué)生利用計算思維解決生活中的實際問題的能力，需要在一定的情境中進(jìn)行，因此，人工智能課程的項目化學(xué)習(xí)應(yīng)充分利用人工智能技術(shù)，開發(fā)多維學(xué)習(xí)空間，建構(gòu)適合學(xué)生學(xué)習(xí)的多維情境，讓學(xué)生在真實情境中建立人工智能與實際生活的聯(lián)系感，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。

3.項目問題：提出真實的驅(qū)動性問題

驅(qū)動性問題是項目化學(xué)習(xí)的核心要素，指引著學(xué)生項目進(jìn)行的方向。人工智能課程的項目化學(xué)習(xí)應(yīng)該在真實的人工智能情境創(chuàng)設(shè)的基礎(chǔ)上，針對情境中已經(jīng)發(fā)生或可能發(fā)生的真實性問題提出可以利用人工智能知識與技術(shù)解決的問題。驅(qū)動性問題具有明確的任務(wù)導(dǎo)向，學(xué)生根據(jù)驅(qū)動性問題就可以確定項目的核心任務(wù)，明確接下來的項目活動方向并引導(dǎo)學(xué)生最終將這個問題解決。

4.項目活動：開展有意義的學(xué)習(xí)實踐

人工智能課程本身就是一種綜合實踐課程，旨在通過有意義的實踐活動培養(yǎng)學(xué)生利用人工智能技術(shù)和計算思維解決實際問題的能力。所以，人工智能課程的項目化學(xué)習(xí)需要學(xué)生親身參與到有意義的學(xué)習(xí)實踐中去，這種實踐是具有思考、假設(shè)、驗證概念性質(zhì)的，是動手動腦，整合了知識、技能、行為和態(tài)度的行動。

5.項目評價：進(jìn)行全程的多元評價

人工智能課程的項目化學(xué)習(xí)評價應(yīng)秉持“以始為終，逆向設(shè)計”的特點，在項目開始之初就設(shè)計好覆蓋全程的多維度評價，將評價活動融入到學(xué)生的學(xué)習(xí)過程中，并以易理解的形式表示出來，促進(jìn)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中基于評價結(jié)果不斷改正，真正實現(xiàn)學(xué)生認(rèn)知、思維等多方面的發(fā)展，促進(jìn)學(xué)生個人和學(xué)習(xí)團(tuán)體共同進(jìn)步。[4]

● 人工智能課程的項目化學(xué)習(xí)活動設(shè)計與實施

本研究選取了江蘇省某高中27名學(xué)生為研究對象，根據(jù)學(xué)生的實際情況采用異質(zhì)分組的方式將其三人或四人組成一組，以“智能語音電話簿的制作”項目開展教學(xué)，選取 “智能語音電話簿的制作”項目案例進(jìn)行說明，該項目通過讓學(xué)生自主設(shè)計并開發(fā)實現(xiàn)語音識別聯(lián)系人并顯示電話號碼的電話簿程序，引導(dǎo)學(xué)生體驗人工智能技術(shù)實現(xiàn)的過程。項目設(shè)計與實施過程如下。

1.情境創(chuàng)設(shè)

首先通過情境創(chuàng)設(shè)將學(xué)生帶到項目特定的人工智能情境中，讓學(xué)生認(rèn)識到人工智能與現(xiàn)實問題的相互關(guān)聯(lián)性，產(chǎn)生利用人工智能解決現(xiàn)實問題的強烈意愿及主動探索的動力。本項目的情境創(chuàng)設(shè)過程如下：“同學(xué)們，請大家?guī)托∶魍瑢W(xué)一個忙，小明的爺爺奶奶年紀(jì)都大了，記性也不好，可又不愿搬來與小明的爸爸媽媽一起住，而他們又不太會使用智能手機，每次聯(lián)系家人都要從紙質(zhì)的電話簿里找到電話號碼再撥打，特別不方便，請大家?guī)托∶魍瑢W(xué)想一想，怎么才能簡化撥號流程，方便老人打電話？”

2.問題提出

學(xué)生思考并和同伴交流上述情境中存在的現(xiàn)實問題，在教師的引導(dǎo)下，給出問題的解決方案：幫小明制作一個智能語音電話簿應(yīng)用程序，只要對著應(yīng)用程序說出聯(lián)系人的名字，程序就會自動顯示該聯(lián)系人的電話號碼，這樣，小明的爺爺奶奶再給家人或者其他人打電話就方便多了。由此，將現(xiàn)實問題轉(zhuǎn)化為指向問題解決的驅(qū)動性問題：如何設(shè)計一款語音識別并顯示聯(lián)系人電話號碼的電話簿程序？

3.任務(wù)布置

在項目的驅(qū)動性問題提出后，就要明確解決該問題需要完成的任務(wù)，所以項目任務(wù)也是項目問題的一種更具有目的性的陳述，本項目擬完成的任務(wù)為：設(shè)計并開發(fā)一款能通過語音查找顯示電話號碼的電話簿應(yīng)用程序。

4.資料準(zhǔn)備

人工智能課程的項目是多領(lǐng)域、跨學(xué)科的，需要相應(yīng)的資源、環(huán)境等多方面支持，在明確了擬解決的問題和任務(wù)之后，就要廣泛搜集相關(guān)的資源，對重要的資源做出定義和分析，探索問題或任務(wù)的各個方面，并梳理出解決該問題的核心路徑。資料收集是學(xué)生為了完成項目所做的準(zhǔn)備活動，要考慮資料的需求、資料來源、收集資料的工具、資料成果的呈現(xiàn)形式等方面，本項目中的資料收集情況如表1所示。

5.方案設(shè)計

項目實施方案是項目實施的總依據(jù)，一個好的人工智能項目方案需要團(tuán)隊成員多方面的協(xié)作與探究。某學(xué)習(xí)小組在充分了解相關(guān)資料和聽取個人觀點的基礎(chǔ)上，發(fā)揮聚合思維，在共同確定項目的實施方案后，設(shè)計了以思維導(dǎo)圖的方式呈現(xiàn)的項目實施方案，如圖1所示。

6.方案實施

在項目實施方案設(shè)計完成后，學(xué)生按照方案制作項目作品，教師巡視課堂，觀察學(xué)生作品的制作情況，提供必要的、適合的幫助，“智能語音電話簿”的制作過程主要包含以下三個部分：

（1）界面設(shè)計。智能語音電話簿的最終呈現(xiàn)形式是一個可以運行指定功能的APP，功能的實現(xiàn)有賴于界面的支持，首先設(shè)計制作APP的圖形界面，包括文本顯示框、按鈕、語音識別組件（不可見）等。另外，在進(jìn)行界面設(shè)計的同時，要考慮各個組件的形狀、顏色、大小、對齊方式等屬性，使界面具有美觀性。某學(xué)習(xí)小組的界面設(shè)計如圖2所示。

（2）程序編寫。在程序界面設(shè)計好之后，就要進(jìn)行程序編寫，App Inventor是基于代碼塊的編程，操作簡單，適合初學(xué)者，學(xué)生只要將需要用到的代碼塊按照一定的語法規(guī)則組合在一起就可以實現(xiàn)相應(yīng)的功能。智能語音電話簿的程序只需要用到按鈕控制、語音識別組件調(diào)用、條件語句編寫等代碼塊的調(diào)用，一個某學(xué)生制作的編程界面如下頁圖3所示。

（3）運行調(diào)試。在界面設(shè)計和程序編寫完成后，在手機上安裝調(diào)試助手對制作的軟件進(jìn)行功能測試，對出現(xiàn)的問題及時修正，直到制作的程序能夠完整實現(xiàn)想要的功能。

7.作品展示

在作品完成之后，以要求各小組為單位派學(xué)生代表上臺以個人演講的方式展示自己小組的作品，說明作品制作的過程、遇到的困難以及是如何克服困難的，并最終形成項目完成報告。作品制作的過程也是計算思維的運用過程，對作品制作過程進(jìn)行講述不僅可以鞏固所學(xué)的人工智能知識，促進(jìn)計算思維的提升，還可以鍛煉語言表達(dá)能力，其他學(xué)生通過觀看作品展示可以進(jìn)行對比與反思，促進(jìn)學(xué)生之間的互動交流、共同進(jìn)步。

8.評價總結(jié)

（1）作品評價。教師事先提前制訂好評價維度和指標(biāo)，通過組內(nèi)自評和教師評價兩個方面分別對學(xué)生作品進(jìn)行評價，評價內(nèi)容包括作品制作過程中問題解決能力和小組協(xié)作能力等方面，這些方面的評價也從側(cè)面反映了學(xué)生一定的計算思維水平，項目作品評價表如表2所示。

分析后發(fā)現(xiàn)，學(xué)生智能語音電話簿作品的平均分為34.7分，最低分為14分，4人滿分，大多數(shù)學(xué)生作品的分值在30～-40分之間，可見，學(xué)生的人工智能作品制作能力已經(jīng)處于中上等水平，作品也基本實現(xiàn)了指定的功能，只是在功能復(fù)雜度、界面美觀性等方面存在差異。結(jié)合課堂觀察發(fā)現(xiàn)，學(xué)生已經(jīng)能夠?qū)椖繂栴}進(jìn)行比較深入的探討，有了自己的想法，制訂的問題解決方案比較可行，具備一定的將問題轉(zhuǎn)化為計算機能夠解決的方式的能力。

（2）計算思維評價。為驗證項目化學(xué)習(xí)的開展對學(xué)生計算思維的提升的效果，本研究采用陳興冶等人[5]編制的本土化計算思維量表對學(xué)生的計算思維水平進(jìn)行評價，該量表將計算思維分為計算思維態(tài)度和計算思維技能兩個維度，計算思維態(tài)度包括情感態(tài)度、思維品質(zhì)、合作學(xué)習(xí)，計算思維技能包括分解、抽象、概括、算法、評估。實驗前后測的克隆巴赫系數(shù)分別為0.944和0.924，說明問卷結(jié)構(gòu)良好，對前后測數(shù)據(jù)進(jìn)行配對樣本t檢驗結(jié)果如上頁表3所示，計算思維八個維度顯著性P=0.000<0.001，體現(xiàn)出顯著性差異，可見基于項目化教學(xué)的人工智能課程對高中生計算思維的培養(yǎng)是有效果的。

● 結(jié)語

高中人工智能課程重在提升學(xué)生的計算思維，項目化學(xué)習(xí)為人工智能課程的開展提供了方法上的支持，引導(dǎo)學(xué)生主動思考、積極探究、動手實踐，在理解與掌握人工智能基本原理的基礎(chǔ)上運用計算思維解決真實生活中的問題。本研究表明，好的項目化學(xué)習(xí)在人工智能課程中具有事半功倍的作用，能夠顯著提高教學(xué)效率，在深化理解人工智能核心知識的同時啟發(fā)學(xué)生的計算思維，提高學(xué)生利用人工智能知識積極回報社會的意識。另外，本研究給出了一個人工智能課程項目化學(xué)習(xí)的實踐案例，但還存在研究樣本量少、研究時間短、課程內(nèi)容不夠豐富等不足之處，后續(xù)會擴大研究樣本和研究時間，設(shè)計更為豐富的項目內(nèi)容進(jìn)行實踐。學(xué)生計算思維的培養(yǎng)還需要進(jìn)行不斷的理論研究與實踐檢驗才能真正落地，希望本研究能夠給一線教師和研究者帶來一些些啟示。

參考文獻(xiàn)：

[1]方圓媛，黃旭光.中小學(xué)人工智能教育：學(xué)什么，怎么教——來自“美國K-12人工智能教育行動”的啟示[J].中國電化教育，2020，405（10）：32-39.

[2]周邵錦，王帆.K-12人工智能教育的邏輯思考：學(xué)生智慧生成之路——兼論K-12人工智能教材[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2019，29（04）：12-18.

[3]胡紅杏.項目式學(xué)習(xí)：培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的課堂教學(xué)活動[J].蘭州大學(xué)學(xué)報：社會科學(xué)版，2017，45（06）：165-172.

[4]張生，王雪，齊媛.人工智能賦能教育評價：“學(xué)評融合”新理念及核心要素[J].中國遠(yuǎn)程教育，2021，553（02）：1-8+16+76.

[5]陳興冶，馬穎瑩.本土化計算思維評價指標(biāo)體系的構(gòu)建與探索——基于1410名高中生的樣本分析與驗證[J].遠(yuǎn)程教育雜志，2020，38（05）：70-80.

基金項目：國家社會科學(xué)基金（教育學(xué)）一般項目“互聯(lián)網(wǎng)+環(huán)境下促進(jìn)深度理解的項目化學(xué)習(xí)研究”（課題編號：BCA210087）。