中小学人工智能教育分学段进阶教学模式研究

【摘要】人工智能课程逐渐走进中小学课堂，不同学段采取什么样的有效教学模式呢？面对这样的问题，本研究以新时代培养学生计算思维为导向，从中小学人工智能教育的培养目标出发，分析课程内容，重点构建面向计算思维培养的游戏化教学、体验式教学、项目化教学三种适合不同学段逐层递进的人工智能教育教学模式，为促进今后人工智能教育的有效实施与区域推广提供参考。【关键词】计算思维;人工智能;分学段;教学模式近年来，随着人工智能技术的快速发展，深度学习、跨界整合、人机协同等新特性使得人工智能技术的应用场景越来越丰富。教育界也掀起了一股“人工智能+教育”的浪潮。对于人工智能课程本身，也由原来的高校，逐渐走向中小学日常课堂。“人工智能教育从娃娃抓起”，目前全国各地教育部门都在抓紧研究中小学人工智能课程标准、课程教材，一些基础好的中小学校已经开展了人工智能课程的教学探索。在这样的时代背景下，如何充分调动学生学习兴趣，提升学生的信息意识、计算思维、数字化学习与创新等核心素养，如何有效开展人工智能教學成为当前信息技术教学领域研究的迫切需求。笔者在2021年上海市浦东新区55所“人工智能项目实验学校”中开展了中小学人工智能教学情况的调查，得出以下结论：人工智能教育尚未成为独立的课程、义务教育阶段人工智能课程以社团拓展课型为主、教师对人工智能教学认识程度一般和教师对人工智能教学模式与方法亟需提升。义务教育阶段人工智能教学主要面向三、四年级和六、七年级的学生，怎样设计符合他们的认知特点，吸引学生学习兴趣的课程，也是本研究需要关注的重点。中小学人工智能教育分层培养目标人工智能属于专业性很强的学科领域，对应很多门专业课程。中国教育科学研究院研究员储朝晖认为，在中小学阶段加强人工智能教育，是为了让孩子们对这种新生事物加强了解，培养一种亲近感。[1]因此，本研究认为中小学人工智能课程应以科普、开拓眼界为基础，面向计算思维培养，让学生体验到人工智能的魅力，形成大概的知识脉络，体验开发过程，在此基础上帮助学生理解编程思维，进而追求创意、创新作品的形成。在中小学落实人工智能教育需要建立发展性思想，即人工智能教育在中小学的落实需要遵循学生的认知发展规律，在课程建设方面要能够建立覆盖小学到高中的一整套完善的课程体系，在不同的阶段从内容、难度、深度等方面都要与相应学段学生的年龄特征和知识基础相匹配。人工智能课程目标需要从操作技能训练转向信息素养提升，重在培养学生的信息意识、计算思维、数字化实践能力。借鉴冯艳艳[2]观点，本研究归纳为：小学阶段的人工智能课程重在让学生感悟人工智能，培养学生对人工智能的兴趣，简称“人工智能初感知”;初中阶段的人工智能课程重在让学生体验人工智能，并能够完成简单的人工智能作品，简称“人工智能初体验”;而高中阶段的人工智能课程重在让学生初步探索人工智能，强调人工智能基本理念与原理的传递，并能够设计出相对复杂的人工智能作品，简称“人工智能初创造”。中小学人工智能教育教学模式根据以上分层培养目标，在教学中也要针对每个学段的学生构建符合其认知规律的教学模式策略，不同学段之间的教学模式也要有明显的区分和承接。对于教学模式，我国不少学者对此进行了深入的研究，本研究综合学者观点认为：对于某种特定课程的教学模式而言，首先应明确该课程的教学目标，然后在相关理论指导下围绕教学目标构建相对稳定的操作程序和结构范式。钟志贤教授认为教学模式主要包含理论基础、教学目标、教学程序、辅助条件以及教学评价五个部分。[3]当前人工智能课程教学模式有很多种：情境体验式、游戏学习式、新知讲授式、项目活动式、问题解决式、设计实践式、探究创新式等。本研究从当前中小学人工智能教学现状出发，以培养学生计算思维为导向，根据不同学段学生的认知特点，综合上述教学模式的各自优势，按照教学模式的构成要素，重点构建以下三种有效可行的教学模式。1.面向计算思维培养的游戏化教学模式游戏的趣味性、挑战性、体验性和交互性一直深受学生们的喜爱。我国学者尚俊杰、蒋宇、庄绍勇认为：教育游戏可以激发学生的学习动机，促进知识的学习，培养手眼互动的能力，培养解决问题的能力，促进情感态度价值观的形成，创设探究式学习环境，提供体验学习的机会，提高媒体素养。[4]依据教学模式的构成要素，面向计算思维培养的游戏化教学模式如图1。游戏化教学首先要确定好学习目标，本研究认为游戏化教学尤其适合低龄段的学习者，在刚刚进入人工智能教育入门阶段采用。教师在教学中将巨大的目标分解成一个个的子目标，即学习主题，围绕学习主题进行游戏设计，使学习者更容易完成游戏。在教学环节上，教师先进行游戏情境的导入，激发学生的学习兴趣，引导学生进入本课学习主题，接着把教学内容融入游戏设计环节中，明确游戏规则。学生在游戏案例中一边欣赏，一边理解新知。然后是游戏的实施，也是教学中最重要的环节，学生在教师设计好的游戏任务中开展实践、探索，教师全程参与引导，对出现的问题给予指导和帮助，实时调控游戏进度，保证大多数学生完成游戏。最后是游戏评价环节，教师要对游戏中的学习重点进行总结提炼，开展学生游戏作品的交流评价。在整个教学流程中，计算思维对于低龄学习者是初步渗透的，体现在对游戏理解中的初步抽象学习新知，游戏设计中的简单概括游戏规则，实施游戏中的初步分解游戏任务、学习初步算法解决游戏问题，总结评价中的简单概括游戏心得，初步对自己或同伴作品做出评价。小学阶段人工智能课程内容突出科普、趣味、好玩的特点，吸引学生的学习兴趣。教师可以设计如智能语音之小蝌蚪找妈妈游戏、图像识别之识物小助手游戏、智能运动之机器人走迷宫游戏、语音转写之诗词听写小达人游戏等，让学生初步感知计算思维与编程乐趣。2.面向计算思维培养的体验式教学模式体验式学习指的是学习者亲历实践活动，通过自身的反思获得新的知识、技能和态度。哈佛大学教授DavidKolb提出了体验式学习的理论模型，包括有具体的体验、观察与反思、抽象概念的形成和在新情境中检验概念的意义等元素。依据教学模式的构成要素，面向计算思维培养的体验式教学模式如图2。体验式教学需要学习者有一定的生活经验，同时需要一定的抽象概念能力，在新情境中检验概念。教师在教学中围绕教学目标，选择学习主题，首先是生活案例的情境引入，激活学生日常的体验认知，教师由此提出问题，激发学生探究本课新知。学生在教师带领下结合体验经验，逐步探究与理解。在实践体验环节，教师可以通过问题引领或任务驱动让学生完成一个个创意小实验或小作品，遇到问题时教师及时帮助引导，学生在完成实验中体验自己设计的成效。最后的展示评价环节，教师展示学生的实践作品，相互交流与评价。在整个教学中，学生的计算思维培养由小学的初级阶段，逐步向中级阶段迈进，从情境案例中概括、探究任务分解、作品评估能力都有所增强，复杂问题的抽象与通过算法解决问题的能力还在进一步发展中。初中阶段，对于课程中“人工智能与社会”的主题内容，教师可以带领学生到人工智能场馆体验参观或平台学习资源感知智能设备、智能产品、智能App的特色功能，如小米AI音箱、微软的小冰聊天机器人、谷歌的智能人机交互体验程序猜画小歌等。学生在亲身参与中感受人工智能技术的无穷魅力。“在人工智能技术”主题方面，可以联系生活设计门禁系统车牌识别，感受机器会“看”（图像识别）;手机百度地图软件中的人机对话，体验机器会“听”（语音识别）;机器人弹钢琴，感受机器会“动”（机器控制）等。3.面向计算思维培养的项目化教学模式项目化教学通过项目的形式，将传统学科体系中的教学内容进行重新整合，将要掌握的知识内容划分为若干个相对独立的教学项目，每个教学项目都有一定的工作任务[5]。项目化教学基于建构主义学习理论，教师通过创设真实并富有挑战性的学习情境，让学生通过独立探究、合作讨论等方式进行学习。依据教学模式的构成要素，面向计算思维培养的项目化教学模式如图3。由于项目化教学是一种基于探究和产出的教学方法，让学习者通过应用学科知识，解决有挑战的问题，完成有意义的项目和开发满足现实世界需要的产品，以投入到知识的积极建构过程中。在教学过程中教师需要将知识模块组织成完整的项目，再将项目拆分成不同的任务。因此，该模式对学习者的知识体系、完成任务的能力有一定的要求。教师在教学中的项目设计非常重要，既要围绕教学目标选择生活情境，又要统整单元教学知识能力要求的项目，设计项目主题，分析项目需求，制定项目方案。如果项目综合性较高，教师需要将项目拆解成多个任务，组织新知的探究学习。学生以小组的形式，认知、理解，分析与合作。项目方案的实施有的周期短，有的周期较长，教师和学生根据任务要求，层层递进，共同参与。学生需要具备一定的编程能力，充分发挥创意，完成小作品的设计。交流展示环节，学生通过自评、互评等多元评价方式相互取长补短。计算思维培养在此阶段由中级逐步向高级迈进，学生的任务分解、抽象建模和算法思维逐步提升。学生在学习过程中，不仅学到知识概念，更重要的是分析问题、解决问题能力的提升。高中阶段的新教材，“人工智能”教学内容已成为必修模块和选择性必修内容之一，教材编写已采用项目化教学方式，有“智能工具好帮手”“创新园区自由行”“探索深度学习技术”等多个项目主题。教师在实际教学中，可以参考书本项目，也可以结合生活素材，如创建“校园智能参观小助手”项目，其中有“校园植物识别”“校园智能导引”“校园垃圾智能分类”等不同的任务活动，学生在活动中既完成了创意作品的设计，同时也学习了“人工智能技术”主题方面的图像识别、语音识别、机器学习等课程知识。以上三种教学模式的共同特点是依据一般教学模式的构成要素，从教师上课的基本环节出发进行设计，区别在于教学目标、模式类型与侧重点不同。但三种模式又依据学生认知特点和教学侧重点而逐层递进，尤其