學(xué)習(xí)科學(xué)視域下的中小學(xué)人工智能教學(xué)資源應(yīng)用策略

林昉 福建省福州教育研究院

2017年7月國(guó)務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》通知中明確提出“廣泛開展人工智能科普活動(dòng)，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程”，隨后，全國(guó)各地陸續(xù)以試點(diǎn)校課程或校本特色課程等形式開展多樣化的人工智能教學(xué)實(shí)踐。在各類實(shí)踐中，教師通常會(huì)利用人工智能資源來達(dá)成或提升課程實(shí)施效果。因此，如何在人工智能教學(xué)中利用資源促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行有意義的學(xué)習(xí)是筆者課題研究的主要方向。美國(guó)加州大學(xué)心理學(xué)教授理查德·E·梅耶在其專著《應(yīng)用學(xué)習(xí)科學(xué)》中提出“教育的核心價(jià)值即是幫助人學(xué)習(xí)”，同時(shí)他也指出“意義學(xué)習(xí)發(fā)生于學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)時(shí)進(jìn)行適當(dāng)認(rèn)知加工的過程”，梅耶對(duì)如何進(jìn)行認(rèn)知加工也給出了“選擇、組織和整合”的三類有效策略，這為筆者的研究提供了可行路徑。本文將基于梅耶的學(xué)習(xí)科學(xué)理論，結(jié)合具體課例，分析中小學(xué)人工智能教學(xué)資源應(yīng)用的有效策略。

●中小學(xué)人工智能教學(xué)中資源應(yīng)用研究現(xiàn)狀

人工智能因其涉及領(lǐng)域較多，在目前中小學(xué)開展的各類普適性人工智能教學(xué)中往往需要各類資源來支撐教與學(xué)活動(dòng)，以達(dá)成基本教學(xué)目標(biāo)。截至2022年2月，筆者通過中國(guó)知網(wǎng)以“中小學(xué)人工智能、資源”為關(guān)鍵詞檢索出278篇相關(guān)文獻(xiàn)，以“中小學(xué)人工智能教學(xué)、資源”為關(guān)鍵詞檢索出59篇相關(guān)文獻(xiàn)。從檢索結(jié)果來看，文章大部分是圍繞人工智能教學(xué)進(jìn)行實(shí)踐案例分析或?qū)虒W(xué)模式進(jìn)行總結(jié)，針對(duì)教學(xué)中資源應(yīng)用策略的文章鮮見。筆者以“學(xué)習(xí)科學(xué)”為關(guān)鍵詞在中國(guó)知網(wǎng)檢索到336條信息，其中大部分是對(duì)學(xué)習(xí)科學(xué)的理論研究，對(duì)其在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的實(shí)踐分析不多，相關(guān)的研究成果很少，從文獻(xiàn)分析上缺乏可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

在地區(qū)教學(xué)教研活動(dòng)中，筆者注意到教師在實(shí)施人工智能教學(xué)時(shí)會(huì)使用大量外部資源助力課堂。從實(shí)施效果來看，這種“助力”對(duì)輔助教、促進(jìn)學(xué)是有一定成效的。但教師對(duì)資源的應(yīng)用如何激發(fā)意義學(xué)習(xí)，以及在學(xué)生認(rèn)知加工過程中可采用哪些策略來優(yōu)化學(xué)習(xí)，并沒有進(jìn)行歸納和總結(jié)，更沒有理論支撐下的深入思考和研究。

●常見中小學(xué)人工智能教學(xué)資源

教學(xué)資源一般是指可用于支持教與學(xué)活動(dòng)的各種軟、硬件材料。本文所界定的教學(xué)資源特指可以在各類教學(xué)終端上進(jìn)行觀看或使用的數(shù)字化資源。

通過課后交流，筆者了解到在實(shí)施人工智能教學(xué)時(shí)，大部分學(xué)校并未購(gòu)置專業(yè)材料，即使部分實(shí)驗(yàn)（試點(diǎn)）校提供了指定的教學(xué)資源，也很難完全支撐教學(xué)的需要。人工智能技術(shù)發(fā)展迅速，但目前的課程體系并沒有具體的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，教材選用也沒有規(guī)范指標(biāo)，因此教學(xué)內(nèi)容的選擇和目標(biāo)的確定往往取決于實(shí)施教師，所需資源也更偏向于教師自身從互聯(lián)網(wǎng)上搜索到的可用數(shù)字化材料。按其教學(xué)功能，通?？煞譃槿悾孩偌とふJ(rèn)知類資源。一般為可視化素材，如文本、表格、圖片、動(dòng)畫、視頻等，教學(xué)中可用于呈現(xiàn)應(yīng)用情境、解讀知識(shí)概念、介紹基本原理、梳理邏輯結(jié)構(gòu)等。②體驗(yàn)感受類資源。其中包括專業(yè)的人工智能開放平臺(tái)、智能終端APP應(yīng)用、微信小程序等，學(xué)生在使用過程中了解人工智能應(yīng)用領(lǐng)域，感受人工智能技術(shù)的魅力，形成正確的人工智能倫理道德。③實(shí)踐探究類資源。其中包括各類具有人工智能接口（如計(jì)算機(jī)視覺、機(jī)器學(xué)習(xí)、自然語(yǔ)言理解等）的編程軟件、開源人工智能實(shí)驗(yàn)室等，學(xué)生通過實(shí)踐操作，經(jīng)歷用人工智能解決問題的基本過程，初步了解人工智能技術(shù)的基本原理，規(guī)劃簡(jiǎn)單人工智能應(yīng)用的解決方案。

●中小學(xué)人工智能教學(xué)資源應(yīng)用策略分析

梅耶的學(xué)習(xí)科學(xué)理論將意義學(xué)習(xí)過程中的認(rèn)知加工分為選擇、組織和整合三類，同時(shí)也對(duì)應(yīng)了三類加工策略來促進(jìn)認(rèn)知和學(xué)習(xí)。

1.合理安排，促進(jìn)選擇的教學(xué)策略

“選擇”認(rèn)知加工是指引導(dǎo)學(xué)生聚焦與課程相關(guān)的信息，通?？梢酝ㄟ^明確學(xué)習(xí)目標(biāo)、設(shè)置學(xué)習(xí)問題、學(xué)習(xí)反饋內(nèi)容等，來幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)活動(dòng)中關(guān)注重點(diǎn)。在教學(xué)中對(duì)資源的應(yīng)用可根據(jù)具體情況，合理安排使用資源前后的活動(dòng)內(nèi)容，促進(jìn)意義學(xué)習(xí)。

2.靈活設(shè)計(jì)，便于組織的教學(xué)策略

“組織”認(rèn)知加工通過對(duì)學(xué)習(xí)活動(dòng)提供方向指引，幫助學(xué)生明白各活動(dòng)中的關(guān)鍵信息，了解內(nèi)容的基本組成和結(jié)構(gòu)，以提高學(xué)生遷移能力。一般可用引言（概述）、目錄標(biāo)題、層級(jí)聯(lián)系或繪制圖表等方式，促進(jìn)學(xué)生把握學(xué)習(xí)活動(dòng)之間的組織關(guān)系。

3.有效規(guī)劃，達(dá)成整合的教學(xué)策略

“整合”認(rèn)知加工是在學(xué)習(xí)活動(dòng)中將待學(xué)知識(shí)與前有知識(shí)聯(lián)系起來，幫助學(xué)生厘清知識(shí)線索，提高對(duì)知識(shí)的理解和應(yīng)用能力?？刹捎镁唧w先導(dǎo)和具體示范的方式來達(dá)成知識(shí)內(nèi)化整合的目標(biāo)?；诿芬畬W(xué)習(xí)科學(xué)理論中的選擇、組織和整合三類認(rèn)知加工策略的視角，筆者選擇中小學(xué)人工智能教學(xué)中兩節(jié)有代表性的課例，從資源應(yīng)用的環(huán)節(jié)、內(nèi)容、類型、意圖等方面，分析其在教學(xué)中的應(yīng)用策略。

（1）《認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)視覺》

課例執(zhí)教教師從身邊的計(jì)算機(jī)視覺應(yīng)用引入，逐步分解計(jì)算機(jī)視覺涉及的關(guān)鍵概念，剖析計(jì)算機(jī)處理圖像的方式，進(jìn)而通過不同的體驗(yàn)來了解視覺識(shí)別的過程和基本原理。計(jì)算機(jī)視覺是通過對(duì)采集到的圖片或視頻信息進(jìn)行處理來模擬人類視覺感知，因此教學(xué)中教師將計(jì)算機(jī)視覺的學(xué)習(xí)分解為對(duì)計(jì)算機(jī)對(duì)圖像處理的基本方法的了解和對(duì)視覺識(shí)別過程的簡(jiǎn)單體驗(yàn)兩大部分，并使用了多種資源來促進(jìn)學(xué)生掌握相關(guān)內(nèi)容（如表1）。

表1

本課例學(xué)習(xí)活動(dòng)豐富，具有遞進(jìn)性。對(duì)資源的應(yīng)用，采用了前置問題、具體先導(dǎo)、具體示范等策略，能較好地促進(jìn)認(rèn)知的加工，但在學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)中，建議能在適當(dāng)環(huán)節(jié)通過“組織”的加工策略，幫助學(xué)生梳理各學(xué)習(xí)活動(dòng)間的關(guān)系，小結(jié)計(jì)算機(jī)視覺的知識(shí)框架，以把握學(xué)習(xí)與體驗(yàn)活動(dòng)中知識(shí)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)。

（2）《機(jī)器學(xué)習(xí)初探》

課例制訂了初步了解機(jī)器學(xué)習(xí)基本原理的學(xué)習(xí)目標(biāo)。機(jī)器學(xué)習(xí)是人工智能的重要技術(shù)，但機(jī)器學(xué)習(xí)又是一個(gè)多學(xué)科交叉的概念，其工作原理涉及高等數(shù)學(xué)、生物神經(jīng)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，認(rèn)知難度高，學(xué)生不易把握。因此，執(zhí)教教師從人類學(xué)習(xí)遷移到機(jī)器學(xué)習(xí)的思路來進(jìn)行學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)，在教學(xué)資源準(zhǔn)備上，教師在不同環(huán)節(jié)提供不同類型的資源來促進(jìn)學(xué)生了解概念，認(rèn)知原理（如表2）。

表2

本課例學(xué)習(xí)活動(dòng)包含了“選擇、組織及整合”三類認(rèn)知加工策略，從實(shí)施效果來看，建議在學(xué)習(xí)活動(dòng)中適當(dāng)增加對(duì)認(rèn)知的“整合”加工，可以在后續(xù)課程中延伸本課的應(yīng)用實(shí)踐活動(dòng)，或提供一些創(chuàng)新應(yīng)用的機(jī)會(huì)，以促進(jìn)學(xué)生對(duì)人工智能中機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用場(chǎng)景的遷移理解，更好地達(dá)成人工智能思維培養(yǎng)的目標(biāo)。

總之，基于學(xué)習(xí)科學(xué)的認(rèn)知理論，在資源應(yīng)用時(shí)結(jié)合加工策略能有效降低認(rèn)知負(fù)荷，提升學(xué)習(xí)收益。因此，在中小學(xué)人工智能教學(xué)中，對(duì)引入的外部資源合理規(guī)劃，靈活結(jié)合加工策略，對(duì)于內(nèi)化知識(shí)、外化應(yīng)用均具有一定的促進(jìn)意義。