基于UbD理念的初中人工智能單元教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

苗森 王衛(wèi)東

摘要：人工智能正在成為初中信息技術(shù)常態(tài)課中的重要內(nèi)容。針對人工智能課堂中活動(dòng)化、灌輸式教學(xué)的傾向，作者基于UbD教學(xué)設(shè)計(jì)理念開展了單元教學(xué)設(shè)計(jì)，明確了人工智能教學(xué)中的大概念，重塑單元教學(xué)的目標(biāo)，統(tǒng)整人工智能的學(xué)習(xí)內(nèi)容，把教材單元轉(zhuǎn)化為學(xué)習(xí)單元，以項(xiàng)目化的方式設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)任務(wù)序列，以數(shù)字學(xué)習(xí)工具包支持教學(xué)活動(dòng)，以期促進(jìn)人工智能教育在初中信息技術(shù)課堂中的有效實(shí)施。

關(guān)鍵詞：人工智能；單元教學(xué)；UbD

中圖分類號：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 論文編號：1674-2117（2023）12-0038-04

目前，在信息技術(shù)常態(tài)課中開展人工智能教學(xué)，常存在兩種傾向：一是課堂教學(xué)的活動(dòng)化導(dǎo)向。教師把大量課堂時(shí)間用于學(xué)生認(rèn)識某一項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用場景或體驗(yàn)?zāi)骋还δ芴攸c(diǎn)，致使課堂成為一系列零散的體驗(yàn)活動(dòng)，學(xué)生只見樹木不見森林，對人工智能的理解浮于表面。二是強(qiáng)調(diào)對知識技能點(diǎn)的灌輸，忽視學(xué)科大概念。教師帶著學(xué)生對照教材逐頁學(xué)習(xí)，直接講授課本中的所有知識點(diǎn)和技能點(diǎn)。零散的知識技能點(diǎn)數(shù)量眾多，造成課堂“超負(fù)荷”，難以顧及知識技能點(diǎn)間的聯(lián)系，沒有從大概念的視角理解人工智能的使用場景、基本原理及其意義等核心知識。活動(dòng)導(dǎo)向和灌輸式的教學(xué)意味著課堂只關(guān)注短期的、與內(nèi)容相關(guān)的目標(biāo)，不利于學(xué)生人工智能素養(yǎng)的長遠(yuǎn)發(fā)展。UbD要求教師圍繞核心概念、核心評估任務(wù)等，把教學(xué)單元放在一個(gè)更大、更連貫、更結(jié)構(gòu)化的項(xiàng)目框架中設(shè)計(jì)教學(xué)。自2021學(xué)年開始，筆者所在區(qū)域的初中信息技術(shù)教師開始研讀UbD理論，探索信息技術(shù)單元教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施策略，為解決中小學(xué)人工智能教學(xué)問題開辟了新的路徑。

重塑目標(biāo)，明確人工智能大概念

傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)在一節(jié)課之內(nèi)能夠達(dá)成的目標(biāo)，因而教學(xué)目標(biāo)多是一個(gè)個(gè)的知識點(diǎn)和技能點(diǎn)。在UbD的目標(biāo)設(shè)計(jì)中，除了這些短期目標(biāo)，還要求教師把教學(xué)的重點(diǎn)放在幫助學(xué)生不斷增進(jìn)對學(xué)科大概念（核心概念）的理解上。所以，教師應(yīng)確定少數(shù)幾個(gè)大概念，并圍繞它們精心設(shè)計(jì)教學(xué)。具體而言，可以通過如下頁圖1所示的四種方法尋找人工智能學(xué)習(xí)中的大概念。

1.解讀學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)

關(guān)注課標(biāo)中對人工智能的描述性文字，特別是反復(fù)出現(xiàn)的名詞和動(dòng)詞?！镀胀ǜ咧行畔⒓夹g(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》提出了學(xué)科大概念——數(shù)據(jù)、算法、信息系統(tǒng)和信息社會(huì)。在人工智能模塊中，課程標(biāo)準(zhǔn)明確提出要關(guān)注發(fā)展歷程、核心算法、基本過程和實(shí)現(xiàn)原理、智能系統(tǒng)、巨大價(jià)值和潛在威脅等知識?！吨行W(xué)人工智能課程開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)（試行）》提出人工智能與社會(huì)、人工智能與人類智能、人工智能原理與技術(shù)三個(gè)主題，關(guān)注人、人工智能技術(shù)與社會(huì)生活三者及其之間關(guān)系等核心主題。《中小學(xué)人工智能教育與素養(yǎng)框架》指出人工智能教育應(yīng)指向培養(yǎng)學(xué)生“理解人工智能技術(shù)原理”“制訂問題的解決方案并實(shí)現(xiàn)目標(biāo)”以及“溝通與協(xié)作”三大目標(biāo)。這些標(biāo)準(zhǔn)為明確人工智能大概念提供了重要參考。

2.追問學(xué)習(xí)主題內(nèi)容

結(jié)合教材內(nèi)容，教師要不斷思考與人工智能相關(guān)的一般性問題，明確人工智能學(xué)習(xí)中的關(guān)鍵目標(biāo)。例如，為什么中小學(xué)生要學(xué)習(xí)人工智能？是什么使人工智能技術(shù)在近年來爆發(fā)？如果人工智能是一則故事，它的寓意是什么？

3.思考生活應(yīng)用情境

思考學(xué)生在日常生活以及在未來的工作場景中，哪些問題可以通過人工智能更好地解決？當(dāng)學(xué)生利用人工智能解決問題時(shí)，可能遇到哪些阻礙或困難？例如，在實(shí)際應(yīng)用中，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)人工智能是一個(gè)綜合性領(lǐng)域，是計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、社會(huì)學(xué)等學(xué)科的交叉融合，個(gè)人很難獨(dú)立開發(fā)，需要借助AI公共資源。

4.挖掘?qū)W生常見誤解

大概念往往是抽象的、不明顯的，甚至是有悖常理的，因此容易產(chǎn)生神秘感和誤解。教師可以找出學(xué)生對人工智能的誤解，找到隱藏在誤解背后的核心概念。例如，有學(xué)生認(rèn)為商家推出的“智能門鎖”是人工智能應(yīng)用，因?yàn)樗С置艽a開鎖、指紋開鎖和遠(yuǎn)程手機(jī)開鎖，具有“智慧性”。這種誤解是把生活中的“智能”概念與計(jì)算機(jī)科學(xué)中的“人工智能”概念相混淆。UbD鼓勵(lì)教師安排學(xué)習(xí)診斷活動(dòng)，通過問卷、訪談等方式尋找誤解背后的核心概念。

通過以上四種方法可知，人工智能的核心概念至少包含以下內(nèi)容：

①人工智能技術(shù)包括機(jī)器感知、表達(dá)與推理、機(jī)器學(xué)習(xí)和自然交互等；

②個(gè)人獨(dú)立開發(fā)人工智能技術(shù)難度較大，但可以調(diào)用人工智能相關(guān)的程序接口或軟件工具，提高問題解決的效率；

③人工智能對人類社會(huì)發(fā)展具有重要價(jià)值和潛在威脅，應(yīng)自覺維護(hù)和遵守人工智能社會(huì)化應(yīng)用的規(guī)范與法規(guī)。

整合內(nèi)容，變教材單元為學(xué)習(xí)單元

浙教版信息技術(shù)教材在八年級編排了“初識人工智能”單元。筆者在單元設(shè)計(jì)時(shí)，立足于教材單元，又超越了教材，依據(jù)核心概念、學(xué)生學(xué)習(xí)水平、生活經(jīng)驗(yàn)等因素，對教材內(nèi)容進(jìn)行合理取舍，形成學(xué)習(xí)活動(dòng)單元。

1.建立內(nèi)容優(yōu)先次序

學(xué)習(xí)內(nèi)容的重要性有優(yōu)先次序之分：有些內(nèi)容只需學(xué)生了解、熟悉，特別是一些事實(shí)性的知識，只需要了解和識記。有些內(nèi)容需要學(xué)生達(dá)到“掌握”的程度，能夠熟練利用這些知識來解答問題或操作相關(guān)技能（如上頁圖2）。除此之外，還有些內(nèi)容需要學(xué)生持續(xù)理解，如人工智能與人類智能的關(guān)系、人工智能對人類社會(huì)的影響、人工智能的技術(shù)基礎(chǔ)等，這些內(nèi)容無法通過直接講授讓學(xué)生習(xí)得，但需要學(xué)生持續(xù)理解。建立內(nèi)容優(yōu)先次序，明確不同學(xué)習(xí)內(nèi)容的重要性，便于教師有針對性地設(shè)計(jì)相應(yīng)的學(xué)習(xí)活動(dòng)。

2.區(qū)分學(xué)習(xí)材料類型

不同的學(xué)習(xí)材料類型，采用的教學(xué)方式是不一樣的。對于只需了解、熟悉的內(nèi)容，教師可以采用直接講授、自主學(xué)習(xí)或體驗(yàn)學(xué)習(xí)的方式，識記有關(guān)人工智能的事實(shí)性知識，積累人工智能技術(shù)的操作經(jīng)驗(yàn)。對于需要掌握和完成的內(nèi)容，教師可以采用操作示范、直接講授、強(qiáng)化練習(xí)等方式，解讀人工智能及相關(guān)技術(shù)的概念、原理，完成語音合成、文字識別等具體的任務(wù)。對于需要深入持續(xù)理解的內(nèi)容，無法通過講授、訓(xùn)練來完成，因?yàn)樗鼈兪侨斯ぶ悄茴I(lǐng)域中的核心概念，需要學(xué)生不斷提升理解，在教師引導(dǎo)下持續(xù)地探究學(xué)習(xí)和反思。

3.補(bǔ)充科技現(xiàn)狀知識

教師要在教材現(xiàn)有內(nèi)容的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充對國產(chǎn)技術(shù)發(fā)展歷程的介紹，引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)國產(chǎn)技術(shù)平臺，這樣有利于提高學(xué)生的民族自豪感，培養(yǎng)其投身祖國科技事業(yè)的志趣，有效落實(shí)信息技術(shù)的學(xué)科德育。

創(chuàng)設(shè)活動(dòng)，設(shè)計(jì)項(xiàng)目化的任務(wù)序列

1.設(shè)置真實(shí)驅(qū)動(dòng)問題

在教學(xué)中，教師設(shè)置良好的驅(qū)動(dòng)性問題可以讓學(xué)生主動(dòng)投入到單元學(xué)習(xí)活動(dòng)中，這就要求問題本身具有體驗(yàn)感、真實(shí)感，給學(xué)生以沖擊，讓學(xué)生可見、可感，產(chǎn)生興趣或認(rèn)知沖突。驅(qū)動(dòng)性問題應(yīng)保持一定的開放性，給學(xué)生充分的探索空間、思考空間與實(shí)踐空間。例如，在“語音合成”中，教師要求學(xué)生在缺少錄音設(shè)備的情況下，利用人工智能技術(shù)開發(fā)校園語音導(dǎo)航系統(tǒng)。這一問題來源于現(xiàn)實(shí)需要，與學(xué)生的校園生活息息相關(guān)，問題解決的成果（語音導(dǎo)航包）能夠在校園中被部署、展示和參觀等，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的成就感。

2.探究與講授相結(jié)合

教師要在合作探究活動(dòng)中，提供學(xué)習(xí)任務(wù)單、微課等學(xué)習(xí)支架，幫助學(xué)生遍歷人工智能的知識與技能。當(dāng)學(xué)生在探究中陷入“僵局”時(shí)，教師應(yīng)給予及時(shí)而恰當(dāng)?shù)膸椭堰@種探索的挫折轉(zhuǎn)化為一種“有效失敗”。對于超越了學(xué)生知識經(jīng)驗(yàn)水平的部分概念性知識，可以采取直接講授的方式，如人工智能的概念、語音識別的技術(shù)原理等，通過概念分析、呈現(xiàn)樣例與反例等策略，促進(jìn)學(xué)生對概念的內(nèi)化。

另外，教師要通過各類互動(dòng)反饋工具沉淀學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)評估：①利用互動(dòng)反饋工具開展即時(shí)評估。利用多種在線互動(dòng)反饋工具，組織學(xué)生進(jìn)行游戲化的互動(dòng)競答活動(dòng)，根據(jù)學(xué)生的積分排名和答題相關(guān)數(shù)據(jù)記錄對學(xué)生進(jìn)行評估。②使用網(wǎng)絡(luò)課程平臺開展過程評價(jià)。通過線上學(xué)習(xí)平臺把整個(gè)教學(xué)活動(dòng)統(tǒng)整起來，利用課程平臺的問卷調(diào)查、微練習(xí)、在線討論等功能，采集學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，做到對學(xué)習(xí)過程的全程評價(jià)。

3.創(chuàng)造有形的AI產(chǎn)品

引導(dǎo)學(xué)生通過創(chuàng)造有形的人工智能產(chǎn)品回應(yīng)驅(qū)動(dòng)性問題，提升學(xué)生利用知識技能解決真實(shí)問題的能力。需要特別指出的是，人工智能產(chǎn)品不僅指具有AI功能的程序、裝置等“制作表現(xiàn)類”的成果，還可以是基于人工智能的設(shè)計(jì)方案、PPT報(bào)告、演講等“解釋說明類”的成果。例如，教師在學(xué)習(xí)開始時(shí)提出驅(qū)動(dòng)性問題——請你結(jié)合當(dāng)前的人工智能技術(shù)，設(shè)計(jì)未來學(xué)校的學(xué)習(xí)場館建設(shè)方案。學(xué)生通過探索人工智能在生活中的應(yīng)用場景，理解AI在機(jī)器感知、表達(dá)推理、機(jī)器學(xué)習(xí)和自然交互等領(lǐng)域的具體技術(shù)，融入自己對未來教室的構(gòu)想，形成基于人工智能的建設(shè)方案，以PPT演講、海報(bào)等方式公開展示交流。

統(tǒng)籌資源，建立AI數(shù)字學(xué)習(xí)工具包

1.調(diào)用AI開放平臺

目前，很多互聯(lián)網(wǎng)公司都建立了面向公眾開放的AI平臺，用戶在開發(fā)智能應(yīng)用時(shí)，可直接調(diào)用平臺中的代碼實(shí)現(xiàn)人工智能效果。例如，教師利用Python編程語言，結(jié)合具體的案例，開發(fā)語音識別程序、人臉匹配程序等，向?qū)W生示范人工智能產(chǎn)品開發(fā)的具體過程。學(xué)生不需要掌握復(fù)雜的算法，只需調(diào)用API接口的開源代碼，放在自己設(shè)計(jì)的程序的合適位置即可。教師也可以提供給學(xué)生半成品代碼，讓學(xué)生通過修改和完善功能模塊的代碼，體驗(yàn)開發(fā)人工智能應(yīng)用的過程，理解不同模塊間的邏輯關(guān)系。

2.尋找AI開源程序

相比于AI開放平臺中提供的通用類人工智能技術(shù)接口，開源程序的針對性更強(qiáng)，便于本地化部署。而且學(xué)生在運(yùn)行開源程序時(shí)，無需登錄賬號，省去了賬號注冊、網(wǎng)絡(luò)訪問等步驟，極大地節(jié)約了課堂上的寶貴時(shí)間。例如，教師可以根據(jù)課堂教學(xué)的需要，在碼云中尋找合適的開源程序，部署在學(xué)生機(jī)上，用于操作演示或組織人工智能實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。

3.關(guān)聯(lián)AI創(chuàng)客工具

目前，部分創(chuàng)客工具在編程軟件中也增加了人工智能模塊，支持學(xué)生在計(jì)算機(jī)中（不依賴其他硬件設(shè)備）創(chuàng)作具有人工智能屬性的應(yīng)用程序。例如，mDesigner工具，采用類似于圖形化編程的界面，內(nèi)嵌有語音圖像識別、語音合成、態(tài)勢檢測、圖像分類、物體識別等模塊，便于在班級授課制下開展常態(tài)教學(xué)。

4.引入AI科教資源

人工智能的迅猛發(fā)展引起了整個(gè)社會(huì)的關(guān)注，產(chǎn)生了各種面向大眾的科教影像、訪談和讀物等，這也是人工智能啟蒙教育的重要資源。這些科教資源以通俗易懂的方式，讓公眾接受人工智能的知識，推廣人工智能應(yīng)用場景。例如，《探尋人工智能》系列紀(jì)錄片，走訪了國內(nèi)外人工智能前沿科技的研究基地及學(xué)府，展示當(dāng)前最先進(jìn)的人工智能技術(shù)，揭開人工智能的神秘面紗，細(xì)述科技背后的故事。

綜上所述，基于UbD理念開展初中人工智能單元教學(xué)，教師應(yīng)定期開展讀書報(bào)告、案例交流和課堂展示等活動(dòng)，統(tǒng)籌教學(xué)的目標(biāo)、內(nèi)容、活動(dòng)和資源，平衡知識技能學(xué)習(xí)、大概念理解與應(yīng)用遷移的關(guān)系，這樣有利于克服活動(dòng)化、灌輸化的教學(xué)傾向，為學(xué)生后續(xù)的人工智能學(xué)習(xí)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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