低成本视角下初中人工智能课程大班教学的实践

陈卫军　项婉

摘 要：在中小学开设人工智能课程逐渐成为社会共识，部分学校也开始了人工智能课程大班教学的各种尝试。调查发现，初中人工智能课程教学在资金、设备、教材、课时等方面存在问题。文章探索了初中人工智能课程大班教学的低成本实现方式，从软硬件环境搭建、教学内容选取、课时安排等方面进行实践，并以“如何设计更智能的垃圾桶”为例，展示了低成本开展初中人工智能课程教学的项目化实施过程。

关键词：低成本;初中人工智能;大班教学

基金项目：本文系广东省中小学“百千万人才培养工程”专项科研项目课题“初中信息技术人工智能模块的项目教学实践研究”（项目编号：BQW2021JCL003）阶段性研究成果。

作者简介：陈卫军（1980—），男，广东省中山市第一中学。

项 婉（1993—），女，广东省中山市第一中学。

一、概念界定

（一）人工智能课程教学

人工智能教学包含两种方向。一种是指利用人工智能提升教学效果，比如智能助教、自动评卷、智能出题等;另一种是指对学生进行系统的人工智能知识和技能的教育[1]。本文中的“人工智能课程教学”特指利用信息技术课堂对学生进行人工智能相关知识的普及，让学生感知和体验人工智能，并進行简单的人工智能作品设计与制作。

（二）大班教学

人工智能教育面向全体学生，考虑到各地学校班级班额的实际情况，本研究将人工智能教育的开展范围定义在初中某个年级的所有班级进行，每班的班额即学生人数为40—50人，将这种常规班级的人工智能教育称为人工智能课程“大班教学”。

（三）低成本

为了更好地探索人工智能课程如何普及，本文将“低成本”定义为：利用现有计算机机房的硬件和软件设备，投入不超过1000元就能正常开展（按8课时计）的人工智能课程教学活动。我们将这样的成本投入界定为“低成本”。

二、初中开展人工智能课程教学的困境

笔者曾经向一些初中教师开展过一个有关“初中开设人工智能课程的困难和问题”的问卷调查，调查对象普遍认为初中开设人工智能课程的难点和痛点主要集中在以下三个方面。

（一）资金和设备问题

谈到人工智能课程教学，大家的第一反应是：没有钱。一套主流的人工智能控制板套件的价格在500元左右，按照一个班50名学生，人手一套人工智能控制板的配置，需要2万元左右的资金。这确实会让很多想开设人工智能课程的教师望而却步。

（二）教材问题

除了资金和设备问题，人工智能课程缺乏合适的教材也是一个很大的问题。高中有国家信息技术课程标准，其中有专门的人工智能模块;但初中没有信息技术课程的国家标准，部分发达地区的信息技术教材中有涉及人工智能方面的内容，但需要依托硬件来实现;不需要依托硬件的，又比较偏理论[2]。

（三）课时问题

由于没有人工智能课程单独开课的执行细则，目前初中人工智能课程一般是融入信息技术课程中，初中信息技术课程的课时本来就少，再加上人工智能课程的内容，课时就更不够了。

三、低成本人工智能教学环境构建

（一）软硬件环境

低成本的人工智能课程教学借助原有的电脑室，按照每班上课人数50人的标准进行软硬件配置。具体所需额外投入资金如下表1所示。

由上表可以看出，开展人工智能课程教学所需的资金不多，一般学校应该可以接受。特别是有些学校，如果电脑室配备的电脑是笔记本电脑，那就不用投入任何额外资金了。

（二）人工智能课程教学内容

目前成体系的人工智能课程教学内容还是以校本课程居多。教师开设人工智能课程可以购买已经成熟的校外人工智能课程，也可以自己开发相应的课程，还可以在开源的人工智能课程基础上进行校本化的改造[3]。

以使用国产自主知识产权的开源软件Mind+自带的人工智能教程为例，官方教程中包括AI语音相关教程、AI图像识别教程、AI机器学习教程、AI硬件相关教程等。除了“AI硬件相关教程”，其他的教程都是基于前面提到的软硬件环境，不需要额外配置硬件。

（三）课时

由于在初中的课程设置中没有专门的人工智能课程，因此也就没有相应的人工智能课程课时。鉴于目前初中人工智能模块的相关学习都是在信息技术课程的课堂上完成的，所以，可以采取精简信息技术教材内容，合理纳入人工智能相关知识的做法。以笔者所在的学校为例，信息技术七年级下册的教材安排为两个单元共16课时，若将信息技术教材中的内容进行整合，压缩至8课时，剩下的8课时就可以用来进行人工智能项目的设计与制作。如果教材内容与人工智能相关，还可以将人工智能知识融入教材内容中，同样以项目的形式进行。这样就可以解决人工智能课程没有固定课时的问题。

四、低成本人工智能项目学习案例

笔者下面以“如何设计更智能的垃圾桶”项目为例，介绍低成本人工智能课程教学的实践。其中，表2为融入人工智能知识目标的项目学习低成本实现方式。

（一）项目情境

学生经过调查走访发现，小区的垃圾桶大多是需要用脚踩或者手动才能打开盖子投放垃圾，不够智能。为了让小区居民能更方便地投放垃圾，为垃圾分类做好准备，大家决定一起设计一款更智能的垃圾桶。

（二）驱动性问题

如何设计更智能的垃圾桶。

（三）项目规划

项目规划如表3所示。

（四）方案交流

各小组将完成的方案在班级中进行展示、交流，师生根据交流情况，按照下面问题的指引，共同改进本小组的研究方案：

我们小组方案的优点是什么？

我们小组方案还需要补充的地方有什么？

我认为还有更好的方案，我们可以怎么做？

（五）自主探究

根据主题的指引和项目学习规划的安排，“如何设计更加智能的垃圾桶”项目学习探究活动内容如表4所示。

（六）方案实施

1.评价量规

在人工智能作品设计与制作的过程中，过程比结果更重要。设计评价量规能够对学生进行过程性评价，培养学生的评价和鉴别能力。学生在开展项目学习的过程中进行自我评价，探究“怎样做才能达到要求”“做到怎样才算好”“我们小组做得怎么样”等，借助评价量规，每个小组都能够自主完成、完善每一阶段的作品。

2.低成本的学习支架设计

项目化学习倡导以学生为中心，注重学生学习的自主性。如何从传统的以教师的“教”为中心转向以学生的“学”为中心，学习支架的设计是关键。

（1）任务分解

任务一：开展主题为“你对垃圾桶的使用有哪些意见和建议”的问卷調查和访谈。

任务二：设计智能垃圾桶1.0。

任务三：制作智能垃圾桶。

任务四：智能垃圾桶展示与评价。

任务五：改进与完善智能垃圾桶2.0。

（2）支持性活动

教师通过建立校内人工智能助学平台，将人工智能的基础知识以及简单的体验平台整合在一起，学生可以依托平台进行自主探究，也可以对系列微课进行反复观看和学习;同伴互助以及教师的个别指导相结合，让学生随时可学、随时可以得到帮助。

（3）任务单与进度调控

“如何设计更智能的垃圾桶”提供了丰富的任务单来为学生的学习提供支持。比如，任务二中的“智能垃圾桶设计方案”，通过填写表格的形式引导学生设计方案要关注人工智能为生活带来的影响;任务五中的“意见采纳与实施表”，通过搜集其他小组的意见和建议，让学生意识到设计人工智能作品是一个不断改进、迭代的过程。

同时，一个个任务单也是一个个进度监督表，通过任务单的提交来督促学生按照事先的项目规划，按时落实和完成项目任务，起到进度调控的作用。

（七）成果展示

在小组开展项目学习的过程中，梳理小组成员在学习活动中的观点，综合应用多媒体创编工具（如幻灯片、海报、电子杂志等），形成可视化学习成果（如项目研究报告），并在全班进行成果分享和展示。

（八）反思评价

对于项目学习而言，其重视的是学生在完成项目后对某一问题进行持续自主的探究。“如何设计更智能的垃圾桶”这一项目本身就是为学生的持续探究而设计的。经过其他小组的评判，也经过自己小组的反思，本来已经“很智能”的垃圾桶如何能够“更智能”？如何将在该项目中学到的思维应用于其他项目，从而实现能力和素养的迁移，更是反思和评价的意义所在。

五、实践反思

（一）低成本与常态化

首先要强调的是，低成本绝不意味着低质和低效。低成本人工智能教学启发我们初中人工智能课程没有想象中那么难开展。“如何设计更智能的垃圾桶”通过人工智能的体验、人工智能作品的创作涵盖了初中人工智能教育的大部分内容：机器感知、简单推理、机器学习体验、人机交互等。也正是因为有了低成本的环境搭建，使得人工智能教育得以常态化、大班化普及教学。

（二）创客教育与人工智能教育

有些学校如果之前有过创客教育的基础，可以在创客作品创作的基础上，加入人工智能元素，让学生体验人工智能，尝试借助人工智能的应用平台来创作简单的人工智能作品。学生具备一定创客作品的创作基础，对于创作人工智能作品会比较容易上手。

（三）低成本开展初中人工智能教育的反思

初中人工智能教育的平台选择其实不应该是一个值得讨论的问题，到底是图形化编程平台还是Python，这都不重要。平台和软件只是一种工具，重要的是借助这些工具，消除学生对人工智能的神秘感，让学生感知、体验人工智能，未来能正确使用人工智能，学生在亲历人工智能系统设计的体验中创新能力得到培养，这才是初中人工智能教育的真正目的。

[参考文献]

张丰.重新定义学习：项目化学习15例[M].北京：教育科学出版社，2020.

卢宇.中小学人工智能教育教什么怎么教[J].云南教育（视界综合版），2022（3）：22-23.

黄伟祥，胡永跃，陆卫军.创客创作[M]北京：清华大学出版社，2020.