面向核心素養(yǎng)的中學(xué)生人工智能課程教學(xué)設(shè)計(jì)

郭御 單昌功

摘?要：針對現(xiàn)階段人工智能課程教學(xué)中存在的教學(xué)目標(biāo)定位不清晰、教學(xué)規(guī)范指導(dǎo)不充分、教學(xué)內(nèi)容主題不集中、教學(xué)邊界不明確等問題，文章基于人工智能教育教學(xué)的核心理念，并結(jié)合學(xué)生在中學(xué)學(xué)習(xí)階段的認(rèn)知特征和知識結(jié)構(gòu)，基于感知、認(rèn)識與體驗(yàn)、應(yīng)用和創(chuàng)新創(chuàng)造四個(gè)層面的教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計(jì)了層次分明并逐級遞進(jìn)的課程結(jié)構(gòu)，以有效提升中學(xué)生信息科學(xué)技術(shù)的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；中學(xué)課程教育；人工智能；客服機(jī)器人

1?概述

為了讓學(xué)生了解人工智能相關(guān)技術(shù)和前沿發(fā)展情況，在中學(xué)階段很有必要開展相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)。人工智能課程作為是一門應(yīng)用型學(xué)科，有助于增強(qiáng)學(xué)生智能化意識、提升學(xué)生智能應(yīng)用與創(chuàng)新能力；有利于培養(yǎng)中學(xué)生人工智能核心素養(yǎng)的。相對國外來說，我國在人工智能教育教學(xué)方面起步相對較晚，目前仍然缺少相對一致的教育教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，這也導(dǎo)致教師在教學(xué)活動(dòng)中難以制定教學(xué)目標(biāo)。由于人工智能涉及的學(xué)科與技術(shù)相對廣泛，在教學(xué)內(nèi)容上也顯得比較分散，這就導(dǎo)致教學(xué)知識內(nèi)容的廣度和深度經(jīng)常會(huì)與教學(xué)設(shè)計(jì)的目標(biāo)產(chǎn)生偏差。最后鑒于人工智能的教育的特性，一般建議教學(xué)課程采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的方式，這樣有利于學(xué)生能夠更好地掌握所學(xué)習(xí)的智能知識，但在項(xiàng)目式教學(xué)過程中存在教學(xué)的評價(jià)內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)不對應(yīng)、評價(jià)由學(xué)生素養(yǎng)偏向項(xiàng)目結(jié)果導(dǎo)向、有評價(jià)結(jié)果卻沒有數(shù)據(jù)證明學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)效的問題。鑒于此，為培養(yǎng)中學(xué)生的人工智能學(xué)科核心素養(yǎng)，提高中學(xué)教育中人工智能課程的可理解性，并增進(jìn)學(xué)生對所學(xué)人工智能知識的整體理解與橫縱遷移，需要基于我國人工智能教育相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，從課程目標(biāo)、內(nèi)容體系等方面構(gòu)建面向核心素養(yǎng)的中學(xué)生人工智能課程。

2?人工智能課程

人工智能是一門包含了多個(gè)學(xué)科知識的交叉學(xué)科，涉及多個(gè)學(xué)科的知識與技術(shù)，并且學(xué)習(xí)內(nèi)容也與社會(huì)生活中的智能應(yīng)用息息相關(guān)。這就要求中學(xué)生的人工智能課程需要將以上內(nèi)容進(jìn)行整合，進(jìn)而內(nèi)聚成緊密關(guān)聯(lián)的特有內(nèi)容結(jié)構(gòu)。

同時(shí)，人工智能課程教學(xué)過程中應(yīng)該體現(xiàn)教育性，結(jié)合人工智能技術(shù)特點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能的基礎(chǔ)原理，了解人工智能學(xué)科思想與應(yīng)用方法，課程內(nèi)容也需要符合中學(xué)生的知識體系和學(xué)生的理解能力。人工智能課程教學(xué)過程中應(yīng)該注重選擇性，即課程體系需要考慮我國各地辦學(xué)的實(shí)際水平，在確保教授人工智能基礎(chǔ)知識的基礎(chǔ)上，體現(xiàn)人工智能課程在生產(chǎn)生活中的多樣性、系統(tǒng)性和開放性。最后人工智能課程教學(xué)過程中應(yīng)該確保連貫性，圍繞人工智能教學(xué)核心理念，確保課程內(nèi)容合理滲透于中學(xué)教育階段，而且不同階段的教學(xué)內(nèi)容要能夠很好地銜接，保證學(xué)生能夠循序漸進(jìn)地積累知識。

教學(xué)課程的核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受相關(guān)課程教育教學(xué)過程中學(xué)習(xí)到的知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀的綜合表現(xiàn)。為了便于學(xué)生更好地感受、理解和掌握人工智能的原理、方法與技能，在課程內(nèi)容設(shè)計(jì)上，我們選取生活中比較典型的人工智能應(yīng)用案例進(jìn)行分析、講解。

3?人工智能課程設(shè)計(jì)

人工智能課程設(shè)計(jì)是參考現(xiàn)有信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)外人工智能教育研究最新成果，考慮中學(xué)生階段學(xué)生的認(rèn)知特征和知識結(jié)構(gòu)，并以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)為課程的主要學(xué)習(xí)形式，以有效提升信息科技學(xué)科核心素養(yǎng)為主要目的。

3.1?面向核心素養(yǎng)的課程目標(biāo)

人工智能課程設(shè)計(jì)中，以面向人工智能的核心素養(yǎng)培養(yǎng)作為課程目標(biāo)。其中課程目標(biāo)主要分為人工智能意識的認(rèn)識、人工智能技術(shù)的應(yīng)用以及實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

3.2?課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

在課程內(nèi)容上要遵循循序漸進(jìn)的原則，同時(shí)也要兼顧知識技能和學(xué)科思維的培養(yǎng)，所以課程內(nèi)容設(shè)計(jì)分為感知、認(rèn)識和體驗(yàn)、應(yīng)用和創(chuàng)新創(chuàng)造四個(gè)階段。

3.2.1?感知

該章節(jié)重點(diǎn)在于帶領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識什么是人工智能，可以通過視頻、實(shí)物等形式讓學(xué)生感受人工智能在生活場景中的應(yīng)用（如語音轉(zhuǎn)寫），體驗(yàn)人工智能技術(shù)支持的人機(jī)交互。人工智能課程感知階段的目的在于引起學(xué)生對人工智能這門課程的興趣，使其能夠理解人工智能的實(shí)現(xiàn)方式，并能在生活中發(fā)現(xiàn)真實(shí)應(yīng)用的人工智能技術(shù)，也為之后人工智能課程的深入學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。

3.2.2?認(rèn)識和體驗(yàn)

該章節(jié)主要是讓學(xué)生體驗(yàn)真實(shí)的人工智能產(chǎn)品，并且在該階段也需要讓學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)人工智能技術(shù)的一些底層運(yùn)算，并在已有人工智能技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)人工智能場景的簡單復(fù)現(xiàn)。初步幫助學(xué)生學(xué)習(xí)簡單的邏輯結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生基于計(jì)算機(jī)的解決問題的思維方式。在搭建人工智能模型過程中，形成對人工智能系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)的初步認(rèn)識。在人工智能編程方面，主要以圖形化編程方式為主，這樣可以讓學(xué)生直接體驗(yàn)翻譯、情緒識別、語音識別、圖像識別和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能服務(wù)和功能模塊，這樣有助于學(xué)生的工程與創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

3.2.3?應(yīng)用

在人工智能應(yīng)用教學(xué)階段應(yīng)包括“智能控制”和“人機(jī)交互”兩個(gè)方面的教學(xué)，主要讓學(xué)生能夠使用人工智能技術(shù)，解決生活中遇到的實(shí)際問題。如利用規(guī)定巡線，讓AGV小車按照要求循跡、搬運(yùn)貨物等任務(wù)。讓學(xué)生初步體驗(yàn)到如何人機(jī)協(xié)同解決一些現(xiàn)實(shí)的問題；培養(yǎng)學(xué)生從模仿學(xué)習(xí)到自主創(chuàng)作的重要過渡。

3.2.4?創(chuàng)新創(chuàng)造

創(chuàng)新創(chuàng)造階段主要重點(diǎn)在于讓學(xué)生暢想未來社會(huì)人工智能將會(huì)如何發(fā)展；并讓學(xué)生利用現(xiàn)有的智能設(shè)備進(jìn)行創(chuàng)作，獨(dú)立完成相關(guān)類似的智能產(chǎn)品。在這一階段，就需要將知識進(jìn)行遷移應(yīng)用，關(guān)聯(lián)內(nèi)化，讓學(xué)生掌握人工智能的核心概念和典型特征，最終達(dá)到能夠?qū)W會(huì)選擇合適的人工智能技術(shù)、去搭建自己想要功能產(chǎn)品的目的。并基于已有的人工智能技術(shù)的知識和技能，運(yùn)用設(shè)計(jì)思維的方法，設(shè)計(jì)出一款可以解決實(shí)際問題并具有鮮明特色的人工智能產(chǎn)品。

3.3?教學(xué)案例

現(xiàn)以“剖析智能客服機(jī)器人工作原理”為例，簡單闡述人工智能課程教學(xué)基本過程。

3.3.1?學(xué)習(xí)目標(biāo)

（1）能夠通過體驗(yàn)智能客服機(jī)器人，剖析智能客服機(jī)器人的工作原理和實(shí)現(xiàn)的技術(shù)模塊；

（2）能夠利用Python語言編程實(shí)現(xiàn)分詞和Jaccard相似度系數(shù)算法；

（3）能夠利用開放平臺自主設(shè)計(jì)一款智能問答機(jī)器人。

3.3.2?學(xué)習(xí)內(nèi)容

（1）重點(diǎn)知識：剖析智能客服機(jī)器人的工作原理和實(shí)現(xiàn)的技術(shù)模塊；

教學(xué)策略：通過引導(dǎo)學(xué)生體驗(yàn)智能客服機(jī)器人，并且運(yùn)用問題啟發(fā)的教學(xué)方法，幫助學(xué)生層層剖析智能客服機(jī)器人的工作原理和實(shí)現(xiàn)的技術(shù)模塊。

（2）難點(diǎn)知識：利用Python語言編程實(shí)現(xiàn)分詞和Jaccard相似度系數(shù)算法；

教學(xué)策略：通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生對相關(guān)實(shí)例進(jìn)行分詞并計(jì)算相關(guān)系數(shù)，從而理解其內(nèi)涵。

3.3.3?教學(xué)過程

教學(xué)過程主要分為四個(gè)階段：情境導(dǎo)入、探索新知、應(yīng)用拓展和總結(jié)設(shè)疑。

（1）情境導(dǎo)入：首先匯總?cè)斯ぶ悄墚a(chǎn)品的應(yīng)用情況，通過與學(xué)生分享調(diào)研的結(jié)果，然后聚焦到智能問答機(jī)器人，將本課時(shí)的探究內(nèi)容與學(xué)生的調(diào)研結(jié)果聯(lián)系起來，既可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，也可以引導(dǎo)學(xué)生對智能問答機(jī)器人進(jìn)行深度的探究與學(xué)習(xí)。

（2）探索新知：針對在線體驗(yàn)聯(lián)想智能客服機(jī)器人，讓學(xué)生操作、熟悉該機(jī)器人的功能、原理以及系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)。

在學(xué)生親身體驗(yàn)了智能客服機(jī)器人以后，教師隨即提出機(jī)器人是如何執(zhí)行命令等問題；引導(dǎo)學(xué)生思考智能客服機(jī)器人的工作流程及工作原理，如圖2所示。

在探討“機(jī)器人如何做”的問題時(shí)，重點(diǎn)探討以下三個(gè)問題：

①機(jī)器人為什么能回答我們的問題？

②機(jī)器人答復(fù)的內(nèi)容有可能保存在哪里？僅保存答復(fù)的內(nèi)容是否可以？

③機(jī)器人得到一個(gè)問題，是如何進(jìn)行答案匹配的？

在分析客服機(jī)器人的工作流程時(shí)，對涉及的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)解答，如：什么是中文分詞；如何計(jì)算Jaccard相似度等，并給出相應(yīng)的例程進(jìn)行展示，如圖4所示。

（3）應(yīng)用拓展：通過掌握客服機(jī)器人，獨(dú)立設(shè)計(jì)一款“所答即所問”的機(jī)器人。讓學(xué)生初步體驗(yàn)如何設(shè)計(jì)開發(fā)一款問答機(jī)器人，鍛煉學(xué)生利用計(jì)算思維解決實(shí)際問題的能力，也進(jìn)一步幫助學(xué)生理解智能問答機(jī)器人的開發(fā)步驟及運(yùn)行原理。

（4）總結(jié)設(shè)疑：通過設(shè)置的疑問，讓學(xué)生對機(jī)器人的發(fā)展進(jìn)行思考。

問題1：如果機(jī)器人的感知能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過人類，我們的世界將會(huì)變成什么樣？

問題2：當(dāng)機(jī)器人有了意識后，在法律上機(jī)器人是人，還是機(jī)器？

結(jié)語

針對當(dāng)前人工智能課程未成體系，未能達(dá)到中學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)階需求。通過厘清面向核心素養(yǎng)的課程目標(biāo)，基于人工智能的核心理念，考慮中學(xué)生階段學(xué)生的認(rèn)知特征和知識結(jié)構(gòu)，并以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)為課程的主要學(xué)習(xí)形式，提出所感知、認(rèn)識與體驗(yàn)、應(yīng)用和創(chuàng)新創(chuàng)造四個(gè)階段課程內(nèi)容設(shè)計(jì)，以有效提升信息科技學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（批注號：2022YFB3904805）；國家自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號：41775025）資助的課題

作者簡介：郭御（1990—?），女，漢族，安徽蚌埠人，碩士研究生，中學(xué)二級，研究方向：信息技術(shù)教學(xué)。

*通訊作者：單昌功（1992—?），男，漢族，安徽蚌埠人，博士，助理研究員，研究方向：環(huán)境光學(xué)。