基于学科融合的人工智能品质课堂教学实践与研究

郑旭淳 黎清万 广东省东莞市第六高级中学

●引言

随着信息技术学科核心素养的确立、基础教育阶段人工智能教育课程标准（参考）的拟定，以及国家《新一代人工智能发展规划》的出台，基于学科核心素养培养的中小学人工智能教育逐步得到重视。人工智能课程对推动我国信息技术教育的发展、帮助学生适应未来智能时代的生活具有至关重要的作用。

但长期以来，人工智能教育更偏向于技能培养，使得我国智能人才培养的路径更偏向于培养计算机操作工，这种现象迫切需要得到纠正。立德树人的教育目标如何落到实处？品质教育的教育理念如何变为现实？人工智能教育如何培养学生的信息素养？上述问题是人工智能课程实施中比较突出和集中的问题。笔者认为，面向未来的人工智能学习不应局限于知识传授，而应注重培育素养，这样才能促进知识的应用与迁移，引导学生成为真正能应用好人工智能技术的人才。而未来，人工智能将成为改变人类生活的重要方式，因此，人工智能课程的开发与教学普及任重而道远。

● 探索基于核心素养的人工智能品质课堂模式

随着大数据分析、人工智能技术的迅猛发展及其与基础教育的不断融合创新，“人工智能+教育”已然成为中国基础教育领域变革与发展的新方向。国务院2017年发布的《新一代人工智能发展规划》中提到：“在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育，建设和完善人工智能科普基础设施。”《普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）》中，将《人工智能初步》设置为普通高中选择性必修课程。综上可知，基础教育阶段的人工智能教育需与高等教育阶段的人工智能教育有效衔接，未来教育的发展和社会的进步要求系统培育人工智能方面的人才。

因此，笔者所在学科组以全面提升学生的人工智能素养为目标，遵循“跨学科融合”“校本特色”“生活化视角”等原则，精心打磨“AI+学科融合”课程资源，探索、实践和丰富“AI+学科融合”课程教学，落实立德树人，形成了基于核心素养和人工智能平台等多技术支撑的人工智能品质课堂模式雏形（如下页图1）。

图1

● 在“AI+学科融合”理念下开展课程规划

《普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）》中指出，基于真实情境的项目学习能促进学生信息素养的形成，有利于推动“立德树人”根本任务的落实。因此，在“AI+学科融合”的理念下，笔者所在学科组基于人工智能平台和ITtools教学平台，利用智能机器人和平板电脑，以项目学习活动为途径，在项目学习中打破学科领域边界，并把多学科内容交叉融合形成有机整体，注重过程实践，创新多样教学策略，实施教学活动，激发学生利用人工智能技术解决问题的兴趣，提升跨学科学习能力和信息素养。

进入21世纪，以人工智能等科技为主导，以校园为依托，开发、利用植物资源，是“人工智能+生物”课程实践的可行思路之一；结合文本分类技术，分析四大名著，是“人工智能+语文”课程实践的可行思路之一；结合声纹技术，听声辨人，是“人工智能+音乐”课程实践的可行思路之一；结合人脸识别技术，是“人工智能+美术”课程实践的可行思路之一。为此，笔者所在学科组开发了“AI+学科融合”课程（如表1），提供真实的有挑战、有意义的任务情境，着眼于学生的兴趣爱好，利用中学生思维活跃、乐于动手的学习特点，引导学生动手实现系统和机器人的开发与制作，跨学科地融合人工智能“图像识别”“文本分类”“机器学习（监督学习）”“声纹识别”“人脸识别”技术及相关概念，并进行教学实践与研究，旨在培养学生利用人工智能开发各类资源的兴趣和能力，培育学科核心素养。

表1 “AI+学科融合”课程内容规划

● 基于学科融合的人工智能品质课堂教学实践与研究

在建构主义教学理论的指导下，在“AI+学科融合”课程的探索中，笔者所在学科组提炼出了在教学中基于学科核心素养，跨学科融合，以教学目标为依据，以项目活动为路径，以评价导向为手段，从多个层面促进学生全面发展的教学实施模式。下面，以“室内植物识别”项目为例阐述实践研究过程。

1.以教学目标为依据，明确学科核心素养的培养维度

在“室内植物识别”项目中，教师通过体验和示例讲解，引出图像识别技术和植物分类的意义及方式，再引导学生结合学习单中“学习工具卡”和“学习资料卡”等学习支架，利用“机器识别”探究实验，实现能够识别3种室内植物的机器识别系统，激发学生利用人工智能技术解决问题的兴趣，渗透学科核心素养，提升跨学科学习能力。本项目的教学目标对应的学科核心素养培养维度如下页图2所示。

图2

2.以项目活动为途径，促进学科核心素养的培育

在“AI+学科融合”课程中，围绕教学目标和教学内容，笔者所在团队通过设置多个问题情境和探究活动，以项目活动为途径，以“情境创设—知识储备—探究实践—成果交流—评价总结”为线索，让学生在具体的活动探究中思考问题、解决问题，完成学习任务，达到学习目标，促进学科核心素养的培育。“室内植物识别”项目的详细教学过程如下。

（1）情境创设，引出主题

以真实问题引入：学校正在积极创建东莞市品牌学校，近期给每位教师发了一盆室内植物，用于美化办公环境，但很多教师对室内植物的知识、分类及意义一知半解。由此引出主题：为了进行室内植物识别模块的开发，需要了解什么是图像识别技术？值得纳入室内植物智能化资源库的植物有哪些？“机器识别”实验如何操作？

布置本节课学习任务：利用所学知识和平板，对室内植物进行训练和验证，解决问题。

（2）知识储备，原理学习

展示一张“鸢尾花”的图片，提问：这是什么花？接着使用机器人的“识花”功能，识别并报出“鸢尾花”的结果，激发学生学习兴趣。以人类识别鸢尾花的过程类比，讲解机器人识花的过程和原理，引出“图像识别”“分类器”“特征”和“特征提取”等概念，组织学生判断“人类识花”的步骤排序是否正确，并类比“人类识花”，解密机器图像识别的基本流程，理解特征、分类器的概念。借助微课学习植物分类的方法和意义，引导学生理解AI在植物分类方面的应用。

（3）探究实践，学以致用

明确任务目标和要求，同时让学生明确实验过程中需要填写的实验结果表格，记录两次实验的采集样本数量、识别率和准确程度，通过实验分析和小组讨论，总结出识别率与识别结果受到哪些因素的影响。教师提供《机器识别 实验操作》微课供部分学生学习，并巡堂给予指导，记录每个小组的完成情况。

通过项目设计与实践，引导学生结合学习单中“学习工具卡”和“学习资料卡”等学习支架，利用“机器识别”探究实验，实现能够识别3～6种室内植物的机器识别系统，激发学生利用人工智能技术解决问题的兴趣，并在此过程中，能够调用植物分类的相关知识，提升跨学科学习能力。

（4）成果交流，应用分享

根据各小组的完成情况，选择具有代表性的小组上台展示实验结果，小组汇报员对实验过程和实验数据分析进行说明。教师总结出识别率与识别结果受到哪些因素的影响，接着对每个小组的汇报进行点评，引导学生理解干扰物、特征、距离和光线等因素对样本采集、识别结果的影响。

（5）评价总结，拓展延伸

回顾机器人识花的过程，提炼出机器学习的过程（采集—训练—验证），对本项目使用到的工具、方法进行小结，提升信息素养，同时引导学生使用东莞慧教育平台继续深入学习人工智能方面的知识，渗透终身学习的教育理念。

3.以评价导向为手段，检验学科核心素养的达成效果

教师在评价时，以学生的课堂表现为基础，注重评价对学生行为和动机的引导作用，关注学习过程。在教学中，教师可以通过运用多种评价手段，将自我评价和小组评价相结合，以评价导向为手段，检验学生学习成果，从侧面检验学科核心素养的达成效果。

在“AI+学科融合”课程中，过程性评价包括自我评价和小组评价，通过提供学习评价表（如表2），引导学生完成学习评价。总结性评价则由教师进行评价，借助ITTOOLS教学平台，利用ITTOOLS实时反馈进行终结性评价。

表2 学习评价表

● 总结反思

1.人工智能课程教师的角色转变

建构主义教学理论指出，促进学生全面发展，应做到“项目为主线、教师为引导、学生为主体”，在“AI+学科融合”课程中，授课教师在催化剂、顾问、连接者和协作者这几种角色中自如地切换，这是人工智能课程对授课教师提出的新要求，也是课堂改革与创新转变教师角色的新思路。

2.学习资源重组，探索翻转课堂，加强学科融合

兴趣和内在动机才是创造力和长期坚持的关键，教育不是灌满一桶水，而是点燃一把火。在“AI+学科融合”课程的导入上，笔者所在团队立足学生兴趣点，以“人机互动”体验导入，激发学生的学习兴趣；在“AI+学科融合”课程的形式上，利用翻转课堂优势，发挥学生自主学习的积极性；在“AI+学科融合”课程的平台上，使用AI教学工具和实验平台，引导学生结合课程学习单，基于真实的项目任务情境，利用跨学科知识，分工与合作完成探究实践任务，促进核心素养的培育。

通过对系列化的人工智能课堂教学实践和教学分析，笔者发现，虽然高中生身边存在着众多的智能工具，但他们很少理解其原理或主动进行深入研究，通过“AI+学科融合”课程的学习，明显提高了学生对人工智能的好奇心和求知欲，教学评价数据的分析也凸显了学生在人工智能领域认知层次方面的显著提升。这也是建构主义提倡的以学生为中心进行教学，个体学习过程是学习者以自己的方式构建事物的意义。