项目化的小学人工智能课堂教学的实现路径——以《语音识别技术》教学为例

（福州实验小学，福建 福州 350001）

2017 年7 月，国务院发布《新一代人工智能发展规划》，2018 年4 月10 日，教育部发布关于印发《高等学校人工智能创新行动计划》的通知，未来将在中小学阶段引入人工智能普及教育［1］。随着国家政策的推进，全国各省市逐步设立人工智能示范校、试点校、实验区，积极推动人工智能进课堂，让中小学生形成人工智能的基本认识、基本概念、基本素养，培养并提升中小学人工智能技术普及和应用水平。

一、小学人工智能教学的困境

人工智能作为一门技术，融合了多学科的原理，这些原理抽象、晦涩、难懂。培养小学生的人工智能鉴赏力、人工智能理解力、人工智能应用力［2］应是小学人工智能教学的初心。但是，目前小学人工智能教学困境重重。

（一）“三无”状态下的茫然无措

无课程标准、无教材、无课程评价的“三无”状态是人工智能教学的现状；教什么？怎么教？配套教学器材是什么……一线教师面对一门新兴学科茫然无措。

（二）教学模式一刀切

基于机器人大赛培训教材的整理是现行人工智能教材的主流，因此“搭建+编程”成为人工智能教学的一刀切教学模式。机械化地灌输、强化性地训练学生搭建方法、编程流程，并不能从根本上提高学生的人工智能素养，反而扼杀学生的创造性，歪曲其对人工智能的科学认知，错误地认为人工智能=编程。

面对上述困境，笔者通过《语音识别技术》一课的实施，阐述项目化的小学人工智能课堂教学的实现路径。

二、项目化的小学人工智能课堂教学实例

（一）课堂教学前测

实施调查问卷，数据及分析显示如下问题。

1.学生对人工智能的概念是模糊甚至是错误的

超过45%的学生将电脑、机器人等同于人工智能产品，甚至32.86%的学生认为家用电器（电视、洗衣机等）是人工智能产品，仅12%的学生判断完全正确，开展人工智能教学迫在眉睫。

2.学校不是学生了解人工智能的重要渠道

仅26.98%的学生通过教师、学校了解人工智能，通过校园文化、课堂教学等方式进行人工智能的渗透是小学人工智能教学的研究方向。

3.学生对人工智能课堂教学内容的期待差别显著

不足30%的学生期望进行编程和传感器教学，超过46%的学生偏向于人工智能的科普教学（见表1）。教师应思考在小学进行双轨制和学习进阶的人工智能教学策略。

表1 学生对人工智能课堂教学内容的期待

（二）课堂教学实施

针对现状，设计项目化学习内容《语音识别技术》。课程实施时间跨度4 个月，采用“真实情境+项目开展+知识构建+检测反馈”的“四步骤”项目化学习教学模式展开。

1.实际切入，创设真实情境

【教师提问】在疫情期间，校园里都采用哪些消毒杀菌的办法?你还知道哪些消杀工具？

【学生活动1】学生联系实际，发现不同的消杀工具及各自的优势与不足。

【学生活动2】学生从影像资料中开拓视野，认识具有语音识别技术的消杀工具。

【学生活动3】尝试寻找生活中具有语音识别技术的产品。

【布置作业】《语音识别技术》学习单（表2）。

表2 《语音识别技术》学习单

【设计意图】教师利用疫情防控的现实素材创设真实情境，将人工智能从抽象变具体，符合学生的认知特点；学生则在认识、感受中体会人工智能产品的优势。

2.脚手架法，辅助项目开展

【学生活动】小组合作完成《语音识别技术》学习单。

【设计意图】学生通过学习单中的自选作业确定研究题目。在项目学习中，学生通过查阅资料、调查身边的人工智能产品、科幻画的形式来认识、畅想具有语音识别技术的人工智能产品。自主的学习方式，调动了学习的主动性，并将知识和实际相联系。

3.小组合作，实现知识构建

【教师提问】科学家是如何让机器听懂我们的语言，并和我们交流？

【学生活动1】学生联系自身与他人交流的过程，推测语音识别技术的原理；在交流、讨论中，达成对语音识别技术的原理的初步理解，最终形成语音识别技术定义的雏形。

【学生活动2】学生体验Siri、天猫精灵、电话手表等具有语音识别技术的人工智能产品，进一步验证语音识别技术的原理。

【学生活动3】学生推测实现语音识别技术离不开网络、芯片、编程，进而明确语音识别技术需要的技术支撑：算力、算法、大数据。

【布置作业】《语音识别技术》实施状况调查。

【设计意图】学生在项目开展的过程中，通过团队协作、分析、推理、概括的方式，对语音识别技术的原理进行探讨，最后通过体验，印证、明确语音识别技术的原理，完成知识的主动构建过程。

4.运用检测，反馈真实评价

【学生活动】学生完成《语音识别技术》实施状况调查中的第6-14 题。

【设计意图】学生运用所学的知识去判断生活中具有语音识别技术的产品，培养学生的高阶能力。

（三）课堂教学后测

再次实施调查问卷，数据及分析显示以下几方面的教学成效。

1.有效纠正学生错误的人工智能概念

78.71%的学生通过学习知道AI 是人工智能的缩写；34.94%的学生能正确判断人工智能的三大要素；52.21% 的学生能正确判断语音识别技术环节；79.52%的学生明确语音识别技术的步骤；79.92%的学生明确安静的环境更利于语音的采集与识别；46.99%的学生明确语音识别技术中的特征比对包括“语音模型的比对”“语义模型的比对”。

通过人工智能教学能树立学生科学的人工智能认知，培养学生的人工智能理解力，即深化学生对人工智能的支撑技术、构成及特征、基本原理、应用价值等知识理解及知识迁移。［2］

2.学生的知识迁移能力得以培养

39.36%的学生能准确判断“银行里的自助报号系统”“学校使用的会发音的测温仪”不是语音识别技术的运用；85.14%的学生能准确判断“微信中的语音转化成文字的功能运用了语音识别技术”；53.82%的学生能正确判断“商店门上挂的发出‘欢迎光临’声音的门铃是运用了语音识别技术”这句话是错误的。

数据显示，学生能较好地运用“语音识别技术”的知识去判断、分析生活中的产品是否为此技术的应用，但还需加强这方面的培养。

三、项目化的小学人工智能课堂教学的实现路径

通过教学的实践和反馈，对项目化的小学人工智能课堂教学的实现路径，提出三点思考。

（一）教什么

小学阶段的学生正处于从形象思维向逻辑思维的过渡，知识的积累与能力的培养阶段。人工智能在小学阶段应教些什么以符合学生的学情，并科学地树立人工智能的认知？

1.教学内容双轨制

人工智能普及型教学以科普为主，提高型教学以应用为主。（表3）

表3 小学人工智能教学内容双轨制

人工智能科普教育是将人工智能技术知识通过教授、体验、应用等手段，让学习者掌握基本的人工智能知识，具备初步的人工智能能力。［2］《语音识别技术》的实施也表明科普为主的人工智能普及型教学，有利于建构学生对人工智能的科学认知。

2.教学内容学习进阶式

正是小学生认知的层进式发展，教学内容应以学习进阶式的展开。如“人工智能在生活的应用”中，低段（1-2 年级）从天猫精灵、扫码支付、门禁系统入手；中段（3-4 年级）从天网工程、智能教育入手；高段（5-6 年级）从区块链入手。同个大概念下教学内容安排的逐层深入，利于学生形成对人工智能应用实例的立体式了解。

（二）怎么教

1.“四步骤”项目化学习教学模式

国外学者主要采用项目式学习的方式来进行人工智能课程的实施探究，如Nicole Sintov、Debarun Kar 等人探究了使用从问题到项目的脚手架框架来教授人工智能；国内郑妍等人提出了“教师有意义的讲授+学生为主体”的项目式学习的人工智能教学模式。［3］教学实践发现，人工智能的普及型教学以人工智能的概念、原理、支撑技术为主，采用“真实情境+项目开展+知识构建+检测反馈”的“四步骤”项目化学习教学模式，利于学生高阶能力的培养。人工智能的提高型教学关注人工智能技术的应用，建议采用“真实情境+项目开展+能力搭建+产品评价”的“四步骤”项目化学习教学模式。

2.渗透学科融合、教具创新的人工智能元素理念

教师应树立人工智能与多学科融合的观点。如人工智能中涉及人类思维、意识等心理学知识，可与心理健康课程渗透；人工智能算法中的穷举法思维则可与数学的枚举法相关联；语文阅读教学中，融合人工智能的知识的阅读。

不仅如此，在教具创新上也可融入人工智能元素。如体育课中的智能穿戴设备的运用；科学课《校园生物大搜索》使用具有人工智能技术的“形色APP”，作为教学工具，实现植物的快速识别，助力教学。

（三）为什么而教

1.树立学生正确的人工智能科学观

《语音识别技术》的实施，明确人工智能教学可树立学生科学的人工智能认知，包括人工智能鉴赏力、人工智能理解力、人工智能应用力。因此，教师应多阅读相关文献、学科专业书籍，形成科学的人工智能认知；学校、教育主管部门应积极组织执教教师参加人工智能的理论、技能培训，或与人工智能教学示范校、试点校结成手拉手教育教学共同体，做到教学资源共享、教师资源互助的良性循环。

2.激发学生对人工智能的研究兴趣

问卷数据显示，学习人工智能课程后，65.46%的学生能在生活中积极关注人工智能产品，62.25%的学生能主动了解有关人工智能的知识。人工智能课程提升学生对人工智能的关注度，并在学生的心中埋下了一颗人工智能兴趣的种子。

3.改善学生的学习态度，培养良好学习习惯

问卷数据显示，学习AI 课程后，56.22%的学生课堂上能积极思考，67.07%的学生能积极参与小组讨论，54.62%的学生能大胆发表观点；63.45%的学生能主动阅读与科学有关的书籍，56.22%的学生增加了每周阅读书籍的次数。

积极的学习态度和良好的学习习惯是学生终身学习能力的基石。因此教师在授课过程中，可采用小组合作学习的方式。

4.培养学生的高阶能力

高阶能力是解决劣构问题或复杂任务的心理特征，以高阶思维为核心。［4］如分析、综合、评价的能力、团队协作能力、迁移应用能力等。随着时代的发展，对人才的能力需求也向着高阶能力的方向发展。

教师可在实施项目化的学习过程中，精心设计小组合作学习完成的学习单，作为学生项目化学习的脚手架，辅助、培养学生问题解决的能力、创新能力和人际协作能力等高阶能力。