基于UbD理念的初中人工智能单元教学设计与实施

苗森 王卫东

摘要：人工智能正在成为初中信息技术常态课中的重要内容。针对人工智能课堂中活动化、灌输式教学的倾向，作者基于UbD教学设计理念开展了单元教学设计，明确了人工智能教学中的大概念，重塑单元教学的目标，统整人工智能的学习内容，把教材单元转化为学习单元，以项目化的方式设计学习任务序列，以数字学习工具包支持教学活动，以期促进人工智能教育在初中信息技术课堂中的有效实施。

关键词：人工智能；单元教学；UbD

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2023）12-0038-04

目前，在信息技术常态课中开展人工智能教学，常存在两种倾向：一是课堂教学的活动化导向。教师把大量课堂时间用于学生认识某一项技术的应用场景或体验某一功能特点，致使课堂成为一系列零散的体验活动，学生只见树木不见森林，对人工智能的理解浮于表面。二是强调对知识技能点的灌输，忽视学科大概念。教师带着学生对照教材逐页学习，直接讲授课本中的所有知识点和技能点。零散的知识技能点数量众多，造成课堂“超负荷”，难以顾及知识技能点间的联系，没有从大概念的视角理解人工智能的使用场景、基本原理及其意义等核心知识。活动导向和灌输式的教学意味着课堂只关注短期的、与内容相关的目标，不利于学生人工智能素养的长远发展。UbD要求教师围绕核心概念、核心评估任务等，把教学单元放在一个更大、更连贯、更结构化的项目框架中设计教学。自2021学年开始，笔者所在区域的初中信息技术教师开始研读UbD理论，探索信息技术单元教学设计与实施策略，为解决中小学人工智能教学问题开辟了新的路径。

重塑目标，明确人工智能大概念

传统教学设计强调在一节课之内能够达成的目标，因而教学目标多是一个个的知识点和技能点。在UbD的目标设计中，除了这些短期目标，还要求教师把教学的重点放在帮助学生不断增进对学科大概念（核心概念）的理解上。所以，教师应确定少数几个大概念，并围绕它们精心设计教学。具体而言，可以通过如下页图1所示的四种方法寻找人工智能学习中的大概念。

1.解读学科课程标准

关注课标中对人工智能的描述性文字，特别是反复出现的名词和动词。《普通高中信息技术课程标准（2017年版）》提出了学科大概念——数据、算法、信息系统和信息社會。在人工智能模块中，课程标准明确提出要关注发展历程、核心算法、基本过程和实现原理、智能系统、巨大价值和潜在威胁等知识。《中小学人工智能课程开发标准（试行）》提出人工智能与社会、人工智能与人类智能、人工智能原理与技术三个主题，关注人、人工智能技术与社会生活三者及其之间关系等核心主题。《中小学人工智能教育与素养框架》指出人工智能教育应指向培养学生“理解人工智能技术原理”“制订问题的解决方案并实现目标”以及“沟通与协作”三大目标。这些标准为明确人工智能大概念提供了重要参考。

2.追问学习主题内容

结合教材内容，教师要不断思考与人工智能相关的一般性问题，明确人工智能学习中的关键目标。例如，为什么中小学生要学习人工智能？是什么使人工智能技术在近年来爆发？如果人工智能是一则故事，它的寓意是什么？

3.思考生活应用情境

思考学生在日常生活以及在未来的工作场景中，哪些问题可以通过人工智能更好地解决？当学生利用人工智能解决问题时，可能遇到哪些阻碍或困难？例如，在实际应用中，学生会发现人工智能是一个综合性领域，是计算机科学、数学、物理学、生物学、社会学等学科的交叉融合，个人很难独立开发，需要借助AI公共资源。

4.挖掘学生常见误解

大概念往往是抽象的、不明显的，甚至是有悖常理的，因此容易产生神秘感和误解。教师可以找出学生对人工智能的误解，找到隐藏在误解背后的核心概念。例如，有学生认为商家推出的“智能门锁”是人工智能应用，因为它支持密码开锁、指纹开锁和远程手机开锁，具有“智慧性”。这种误解是把生活中的“智能”概念与计算机科学中的“人工智能”概念相混淆。UbD鼓励教师安排学习诊断活动，通过问卷、访谈等方式寻找误解背后的核心概念。

通过以上四种方法可知，人工智能的核心概念至少包含以下内容：

①人工智能技术包括机器感知、表达与推理、机器学习和自然交互等；

②个人独立开发人工智能技术难度较大，但可以调用人工智能相关的程序接口或软件工具，提高问题解决的效率；

③人工智能对人类社会发展具有重要价值和潜在威胁，应自觉维护和遵守人工智能社会化应用的规范与法规。

整合内容，变教材单元为学习单元

浙教版信息技术教材在八年级编排了“初识人工智能”单元。笔者在单元设计时，立足于教材单元，又超越了教材，依据核心概念、学生学习水平、生活经验等因素，对教材内容进行合理取舍，形成学习活动单元。

1.建立内容优先次序

学习内容的重要性有优先次序之分：有些内容只需学生了解、熟悉，特别是一些事实性的知识，只需要了解和识记。有些内容需要学生达到“掌握”的程度，能够熟练利用这些知识来解答问题或操作相关技能（如上页图2）。除此之外，还有些内容需要学生持续理解，如人工智能与人类智能的关系、人工智能对人类社会的影响、人工智能的技术基础等，这些内容无法通过直接讲授让学生习得，但需要学生持续理解。建立内容优先次序，明确不同学习内容的重要性，便于教师有针对性地设计相应的学习活动。

2.区分学习材料类型

不同的学习材料类型，采用的教学方式是不一样的。对于只需了解、熟悉的内容，教师可以采用直接讲授、自主学习或体验学习的方式，识记有关人工智能的事实性知识，积累人工智能技术的操作经验。对于需要掌握和完成的内容，教师可以采用操作示范、直接讲授、强化练习等方式，解读人工智能及相关技术的概念、原理，完成语音合成、文字识别等具体的任务。对于需要深入持续理解的内容，无法通过讲授、训练来完成，因为它们是人工智能领域中的核心概念，需要学生不断提升理解，在教师引导下持续地探究学习和反思。

3.补充科技现状知识

教师要在教材现有内容的基础上，补充对国产技术发展历程的介绍，引导学生体验国产技术平台，这样有利于提高学生的民族自豪感，培养其投身祖国科技事业的志趣，有效落实信息技术的学科德育。

创设活动，设计项目化的任务序列

1.设置真实驱动问题

在教学中，教师设置良好的驱动性问题可以让学生主动投入到单元学习活动中，这就要求问题本身具有体验感、真实感，给学生以冲击，让学生可见、可感，产生兴趣或认知冲突。驱动性问题应保持一定的开放性，给学生充分的探索空间、思考空间与实践空间。例如，在“语音合成”中，教师要求学生在缺少录音设备的情况下，利用人工智能技术开发校园语音导航系统。这一问题来源于现实需要，与学生的校园生活息息相关，问题解决的成果（语音导航包）能够在校园中被部署、展示和参观等，增强了学生学习的成就感。

2.探究与讲授相结合

教师要在合作探究活动中，提供学习任务单、微课等学习支架，帮助学生遍历人工智能的知识与技能。当学生在探究中陷入“僵局”时，教师应给予及时而恰当的帮助，把这种探索的挫折转化为一种“有效失败”。对于超越了学生知识经验水平的部分概念性知识，可以采取直接讲授的方式，如人工智能的概念、语音识别的技术原理等，通过概念分析、呈现样例与反例等策略，促进学生对概念的内化。

另外，教师要通过各类互动反馈工具沉淀学习数据，实现精准评估：①利用互动反馈工具开展即时评估。利用多种在线互动反馈工具，组织学生进行游戏化的互动竞答活动，根据学生的积分排名和答题相关数据记录对学生进行评估。②使用网络课程平台开展过程评价。通过线上学习平台把整个教学活动统整起来，利用课程平台的问卷调查、微练习、在线讨论等功能，采集学生的学习数据，做到对学习过程的全程评价。

3.创造有形的AI产品

引导学生通过创造有形的人工智能产品回应驱动性问题，提升学生利用知识技能解决真实问题的能力。需要特别指出的是，人工智能产品不仅指具有AI功能的程序、装置等“制作表现类”的成果，还可以是基于人工智能的设计方案、PPT报告、演讲等“解释说明类”的成果。例如，教师在学习开始时提出驱动性问题——请你结合当前的人工智能技术，设计未来学校的学习场馆建设方案。学生通过探索人工智能在生活中的应用场景，理解AI在机器感知、表达推理、机器学习和自然交互等领域的具体技术，融入自己对未来教室的构想，形成基于人工智能的建设方案，以PPT演讲、海报等方式公开展示交流。

统筹资源，建立AI数字学习工具包

1.调用AI开放平台

目前，很多互联网公司都建立了面向公众开放的AI平台，用户在开发智能应用时，可直接调用平台中的代码实现人工智能效果。例如，教师利用Python编程语言，结合具体的案例，开发语音识别程序、人脸匹配程序等，向学生示范人工智能产品开发的具体过程。学生不需要掌握复杂的算法，只需调用API接口的开源代码，放在自己设计的程序的合适位置即可。教师也可以提供给学生半成品代码，让学生通过修改和完善功能模块的代码，体验开发人工智能应用的过程，理解不同模块间的逻辑关系。

2.寻找AI开源程序

相比于AI开放平台中提供的通用类人工智能技术接口，开源程序的针对性更强，便于本地化部署。而且学生在运行开源程序时，无需登录账号，省去了账号注册、网络访问等步骤，极大地节约了课堂上的宝贵时间。例如，教师可以根据课堂教学的需要，在码云中寻找合适的开源程序，部署在学生机上，用于操作演示或组织人工智能实验活动。

3.关联AI创客工具

目前，部分创客工具在编程软件中也增加了人工智能模块，支持学生在计算机中（不依赖其他硬件设备）创作具有人工智能属性的应用程序。例如，mDesigner工具，采用类似于图形化编程的界面，内嵌有语音图像识别、语音合成、态勢检测、图像分类、物体识别等模块，便于在班级授课制下开展常态教学。

4.引入AI科教资源

人工智能的迅猛发展引起了整个社会的关注，产生了各种面向大众的科教影像、访谈和读物等，这也是人工智能启蒙教育的重要资源。这些科教资源以通俗易懂的方式，让公众接受人工智能的知识，推广人工智能应用场景。例如，《探寻人工智能》系列纪录片，走访了国内外人工智能前沿科技的研究基地及学府，展示当前最先进的人工智能技术，揭开人工智能的神秘面纱，细述科技背后的故事。

综上所述，基于UbD理念开展初中人工智能单元教学，教师应定期开展读书报告、案例交流和课堂展示等活动，统筹教学的目标、内容、活动和资源，平衡知识技能学习、大概念理解与应用迁移的关系，这样有利于克服活动化、灌输化的教学倾向，为学生后续的人工智能学习奠定坚实的基础。

参考文献：

[1]刘徽.“大概念”视角下的单元整体教学构型——兼论素养导向的课堂变革[J].教育研究，2020，41（06）：64-77.

[2]李天语.基于AI开放平台的小学生人工智能模块教学设计与实施[D].天津：天津师范大学，2021.

[3]潘金晶.基于设计思维的小学生人工智能课程设计与实施研究[D].杭州：浙江大学，2020.