中小學人工智能教育分學段進階教學模式研究

【摘要】人工智能課程逐漸走進中小學課堂，不同學段采取什么樣的有效教學模式呢？面對這樣的問題，本研究以新時代培養(yǎng)學生計算思維為導向，從中小學人工智能教育的培養(yǎng)目標出發(fā)，分析課程內容，重點構建面向計算思維培養(yǎng)的游戲化教學、體驗式教學、項目化教學三種適合不同學段逐層遞進的人工智能教育教學模式，為促進今后人工智能教育的有效實施與區(qū)域推廣提供參考。【關鍵詞】計算思維;人工智能;分學段;教學模式近年來，隨著人工智能技術的快速發(fā)展，深度學習、跨界整合、人機協(xié)同等新特性使得人工智能技術的應用場景越來越豐富。教育界也掀起了一股“人工智能+教育”的浪潮。對于人工智能課程本身，也由原來的高校，逐漸走向中小學日常課堂。“人工智能教育從娃娃抓起”，目前全國各地教育部門都在抓緊研究中小學人工智能課程標準、課程教材，一些基礎好的中小學校已經(jīng)開展了人工智能課程的教學探索。在這樣的時代背景下，如何充分調動學生學習興趣，提升學生的信息意識、計算思維、數(shù)字化學習與創(chuàng)新等核心素養(yǎng)，如何有效開展人工智能教學成為當前信息技術教學領域研究的迫切需求。筆者在2021年上海市浦東新區(qū)55所“人工智能項目實驗學?！敝虚_展了中小學人工智能教學情況的調查，得出以下結論：人工智能教育尚未成為獨立的課程、義務教育階段人工智能課程以社團拓展課型為主、教師對人工智能教學認識程度一般和教師對人工智能教學模式與方法亟需提升。義務教育階段人工智能教學主要面向三、四年級和六、七年級的學生，怎樣設計符合他們的認知特點，吸引學生學習興趣的課程，也是本研究需要關注的重點。中小學人工智能教育分層培養(yǎng)目標人工智能屬于專業(yè)性很強的學科領域，對應很多門專業(yè)課程。中國教育科學研究院研究員儲朝暉認為，在中小學階段加強人工智能教育，是為了讓孩子們對這種新生事物加強了解，培養(yǎng)一種親近感。[1]因此，本研究認為中小學人工智能課程應以科普、開拓眼界為基礎，面向計算思維培養(yǎng)，讓學生體驗到人工智能的魅力，形成大概的知識脈絡，體驗開發(fā)過程，在此基礎上幫助學生理解編程思維，進而追求創(chuàng)意、創(chuàng)新作品的形成。在中小學落實人工智能教育需要建立發(fā)展性思想，即人工智能教育在中小學的落實需要遵循學生的認知發(fā)展規(guī)律，在課程建設方面要能夠建立覆蓋小學到高中的一整套完善的課程體系，在不同的階段從內容、難度、深度等方面都要與相應學段學生的年齡特征和知識基礎相匹配。人工智能課程目標需要從操作技能訓練轉向信息素養(yǎng)提升，重在培養(yǎng)學生的信息意識、計算思維、數(shù)字化實踐能力。借鑒馮艷艷[2]觀點，本研究歸納為：小學階段的人工智能課程重在讓學生感悟人工智能，培養(yǎng)學生對人工智能的興趣，簡稱“人工智能初感知”;初中階段的人工智能課程重在讓學生體驗人工智能，并能夠完成簡單的人工智能作品，簡稱“人工智能初體驗”;而高中階段的人工智能課程重在讓學生初步探索人工智能，強調人工智能基本理念與原理的傳遞，并能夠設計出相對復雜的人工智能作品，簡稱“人工智能初創(chuàng)造”。中小學人工智能教育教學模式根據(jù)以上分層培養(yǎng)目標，在教學中也要針對每個學段的學生構建符合其認知規(guī)律的教學模式策略，不同學段之間的教學模式也要有明顯的區(qū)分和承接。對于教學模式，我國不少學者對此進行了深入的研究，本研究綜合學者觀點認為：對于某種特定課程的教學模式而言，首先應明確該課程的教學目標，然后在相關理論指導下圍繞教學目標構建相對穩(wěn)定的操作程序和結構范式。鐘志賢教授認為教學模式主要包含理論基礎、教學目標、教學程序、輔助條件以及教學評價五個部分。[3]當前人工智能課程教學模式有很多種：情境體驗式、游戲學習式、新知講授式、項目活動式、問題解決式、設計實踐式、探究創(chuàng)新式等。本研究從當前中小學人工智能教學現(xiàn)狀出發(fā)，以培養(yǎng)學生計算思維為導向，根據(jù)不同學段學生的認知特點，綜合上述教學模式的各自優(yōu)勢，按照教學模式的構成要素，重點構建以下三種有效可行的教學模式。1.面向計算思維培養(yǎng)的游戲化教學模式游戲的趣味性、挑戰(zhàn)性、體驗性和交互性一直深受學生們的喜愛。我國學者尚俊杰、蔣宇、莊紹勇認為：教育游戲可以激發(fā)學生的學習動機，促進知識的學習，培養(yǎng)手眼互動的能力，培養(yǎng)解決問題的能力，促進情感態(tài)度價值觀的形成，創(chuàng)設探究式學習環(huán)境，提供體驗學習的機會，提高媒體素養(yǎng)。[4]依據(jù)教學模式的構成要素，面向計算思維培養(yǎng)的游戲化教學模式如圖1。游戲化教學首先要確定好學習目標，本研究認為游戲化教學尤其適合低齡段的學習者，在剛剛進入人工智能教育入門階段采用。教師在教學中將巨大的目標分解成一個個的子目標，即學習主題，圍繞學習主題進行游戲設計，使學習者更容易完成游戲。在教學環(huán)節(jié)上，教師先進行游戲情境的導入，激發(fā)學生的學習興趣，引導學生進入本課學習主題，接著把教學內容融入游戲設計環(huán)節(jié)中，明確游戲規(guī)則。學生在游戲案例中一邊欣賞，一邊理解新知。然后是游戲的實施，也是教學中最重要的環(huán)節(jié)，學生在教師設計好的游戲任務中開展實踐、探索，教師全程參與引導，對出現(xiàn)的問題給予指導和幫助，實時調控游戲進度，保證大多數(shù)學生完成游戲。最后是游戲評價環(huán)節(jié)，教師要對游戲中的學習重點進行總結提煉，開展學生游戲作品的交流評價。在整個教學流程中，計算思維對于低齡學習者是初步滲透的，體現(xiàn)在對游戲理解中的初步抽象學習新知，游戲設計中的簡單概括游戲規(guī)則，實施游戲中的初步分解游戲任務、學習初步算法解決游戲問題，總結評價中的簡單概括游戲心得，初步對自己或同伴作品做出評價。小學階段人工智能課程內容突出科普、趣味、好玩的特點，吸引學生的學習興趣。教師可以設計如智能語音之小蝌蚪找媽媽游戲、圖像識別之識物小助手游戲、智能運動之機器人走迷宮游戲、語音轉寫之詩詞聽寫小達人游戲等，讓學生初步感知計算思維與編程樂趣。2.面向計算思維培養(yǎng)的體驗式教學模式體驗式學習指的是學習者親歷實踐活動，通過自身的反思獲得新的知識、技能和態(tài)度。哈佛大學教授DavidKolb提出了體驗式學習的理論模型，包括有具體的體驗、觀察與反思、抽象概念的形成和在新情境中檢驗概念的意義等元素。依據(jù)教學模式的構成要素，面向計算思維培養(yǎng)的體驗式教學模式如圖2。體驗式教學需要學習者有一定的生活經(jīng)驗，同時需要一定的抽象概念能力，在新情境中檢驗概念。教師在教學中圍繞教學目標，選擇學習主題，首先是生活案例的情境引入，激活學生日常的體驗認知，教師由此提出問題，激發(fā)學生探究本課新知。學生在教師帶領下結合體驗經(jīng)驗，逐步探究與理解。在實踐體驗環(huán)節(jié)，教師可以通過問題引領或任務驅動讓學生完成一個個創(chuàng)意小實驗或小作品，遇到問題時教師及時幫助引導，學生在完成實驗中體驗自己設計的成效。最后的展示評價環(huán)節(jié)，教師展示學生的實踐作品，相互交流與評價。在整個教學中，學生的計算思維培養(yǎng)由小學的初級階段，逐步向中級階段邁進，從情境案例中概括、探究任務分解、作品評估能力都有所增強，復雜問題的抽象與通過算法解決問題的能力還在進一步發(fā)展中。初中階段，對于課程中“人工智能與社會”的主題內容，教師可以帶領學生到人工智能場館體驗參觀或平臺學習資源感知智能設備、智能產(chǎn)品、智能App的特色功能，如小米AI音箱、微軟的小冰聊天機器人、谷歌的智能人機交互體驗程序猜畫小歌等。學生在親身參與中感受人工智能技術的無窮魅力?！霸谌斯ぶ悄芗夹g”主題方面，可以聯(lián)系生活設計門禁系統(tǒng)車牌識別，感受機器會“看”（圖像識別）;手機百度地圖軟件中的人機對話，體驗機器會“聽”（語音識別）;機器人彈鋼琴，感受機器會“動”（機器控制）等。3.面向計算思維培養(yǎng)的項目化教學模式項目化教學通過項目的形式，將傳統(tǒng)學科體系中的教學內容進行重新整合，將要掌握的知識內容劃分為若干個相對獨立的教學項目，每個教學項目都有一定的工作任務[5]。項目化教學基于建構主義學習理論，教師通過創(chuàng)設真實并富有挑戰(zhàn)性的學習情境，讓學生通過獨立探究、合作討論等方式進行學習。依據(jù)教學模式的構成要素，面向計算思維培養(yǎng)的項目化教學模式如圖3。由于項目化教學是一種基于探究和產(chǎn)出的教學方法，讓學習者通過應用學科知識，解決有挑戰(zhàn)的問題，完成有意義的項目和開發(fā)滿足現(xiàn)實世界需要的產(chǎn)品，以投入到知識的積極建構過程中。在教學過程中教師需要將知識模塊組織成完整的項目，再將項目拆分成不同的任務。因此，該模式對學習者的知識體系、完成任務的能力有一定的要求。教師在教學中的項目設計非常重要，既要圍繞教學目標選擇生活情境，又要統(tǒng)整單元教學知識能力要求的項目，設計項目主題，分析項目需求，制定項目方案。如果項目綜合性較高，教師需要將項目拆解成多個任務，組織新知的探究學習。學生以小組的形式，認知、理解，分析與合作。項目方案的實施有的周期短，有的周期較長，教師和學生根據(jù)任務要求，層層遞進，共同參與。學生需要具備一定的編程能力，充分發(fā)揮創(chuàng)意，完成小作品的設計。交流展示環(huán)節(jié)，學生通過自評、互評等多元評價方式相互取長補短。計算思維培養(yǎng)在此階段由中級逐步向高級邁進，學生的任務分解、抽象建模和算法思維逐步提升。學生在學習過程中，不僅學到知識概念，更重要的是分析問題、解決問題能力的提升。高中階段的新教材，“人工智能”教學內容已成為必修模塊和選擇性必修內容之一，教材編寫已采用項目化教學方式，有“智能工具好幫手”“創(chuàng)新園區(qū)自由行”“探索深度學習技術”等多個項目主題。教師在實際教學中，可以參考書本項目，也可以結合生活素材，如創(chuàng)建“校園智能參觀小助手”項目，其中有“校園植物識別”“校園智能導引”“校園垃圾智能分類”等不同的任務活動，學生在活動中既完成了創(chuàng)意作品的設計，同時也學習了“人工智能技術”主題方面的圖像識別、語音識別、機器學習等課程知識。以上三種教學模式的共同特點是依據(jù)一般教學模式的構成要素，從教師上課的基本環(huán)節(jié)出發(fā)進行設計，區(qū)別在于教學目標、模式類型與側重點不同。但三種模式又依據(jù)學生認知特點和教學側重點而逐層遞進，尤其