面向核心素养的中学生人工智能课程教学设计

郭御 单昌功

摘 要：针对现阶段人工智能课程教学中存在的教学目标定位不清晰、教学规范指导不充分、教学内容主题不集中、教学边界不明确等问题，文章基于人工智能教育教学的核心理念，并结合学生在中学学习阶段的认知特征和知识结构，基于感知、认识与体验、应用和创新创造四个层面的教学内容，设计了层次分明并逐级递进的课程结构，以有效提升中学生信息科学技术的核心素养。

关键词：核心素养；中学课程教育；人工智能；客服机器人

1 概述

为了让学生了解人工智能相关技术和前沿发展情况，在中学阶段很有必要开展相关内容的教学。人工智能课程作为是一门应用型学科，有助于增强学生智能化意识、提升学生智能应用与创新能力；有利于培养中学生人工智能核心素养的。相对国外来说，我国在人工智能教育教学方面起步相对较晚，目前仍然缺少相对一致的教育教学标准，这也导致教师在教学活动中难以制定教学目标。由于人工智能涉及的学科与技术相对广泛，在教学内容上也显得比较分散，这就导致教学知识内容的广度和深度经常会与教学设计的目标产生偏差。最后鉴于人工智能的教育的特性，一般建议教学课程采用项目式学习的方式，这样有利于学生能够更好地掌握所学习的智能知识，但在项目式教学过程中存在教学的评价内容与教学目标不对应、评价由学生素养偏向项目结果导向、有评价结果却没有数据证明学生学习实效的问题。鉴于此，为培养中学生的人工智能学科核心素养，提高中学教育中人工智能课程的可理解性，并增进学生对所学人工智能知识的整体理解与横纵迁移，需要基于我国人工智能教育相关标准，从课程目标、内容体系等方面构建面向核心素养的中学生人工智能课程。

2 人工智能课程

人工智能是一门包含了多个学科知识的交叉学科，涉及多个学科的知识与技术，并且学习内容也与社会生活中的智能应用息息相关。这就要求中学生的人工智能课程需要将以上内容进行整合，进而内聚成紧密关联的特有内容结构。

同时，人工智能课程教学过程中应该体现教育性，结合人工智能技术特点，引导学生学习人工智能的基础原理，了解人工智能学科思想与应用方法，课程内容也需要符合中学生的知识体系和学生的理解能力。人工智能课程教学过程中应该注重选择性，即课程体系需要考虑我国各地办学的实际水平，在确保教授人工智能基础知识的基础上，体现人工智能课程在生产生活中的多样性、系统性和开放性。最后人工智能课程教学过程中应该确保连贯性，围绕人工智能教学核心理念，确保课程内容合理渗透于中学教育阶段，而且不同阶段的教学内容要能够很好地衔接，保证学生能够循序渐进地积累知识。

教学课程的核心素养是学生在接受相关课程教育教学过程中学习到的知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观的综合表现。为了便于学生更好地感受、理解和掌握人工智能的原理、方法与技能，在课程内容设计上，我们选取生活中比较典型的人工智能应用案例进行分析、讲解。

3 人工智能课程设计

人工智能课程设计是参考现有信息技术课程标准和国内外人工智能教育研究最新成果，考虑中学生阶段学生的认知特征和知识结构，并以项目式学习为课程的主要学习形式，以有效提升信息科技学科核心素养为主要目的。

3.1 面向核心素养的课程目标

人工智能课程设计中，以面向人工智能的核心素养培养作为课程目标。其中课程目标主要分为人工智能意识的认识、人工智能技术的应用以及实验创新思维的培养。

3.2 课程内容设计

在课程内容上要遵循循序渐进的原则，同时也要兼顾知识技能和学科思维的培养，所以课程内容设计分为感知、认识和体验、应用和创新创造四个阶段。

3.2.1 感知

该章节重点在于带领学生认识什么是人工智能，可以通过视频、实物等形式让学生感受人工智能在生活场景中的应用（如语音转写），体验人工智能技术支持的人机交互。人工智能课程感知阶段的目的在于引起学生对人工智能这门课程的兴趣，使其能够理解人工智能的实现方式，并能在生活中发现真实应用的人工智能技术，也为之后人工智能课程的深入学习奠定基础。

3.2.2 认识和体验

该章节主要是让学生体验真实的人工智能产品，并且在该阶段也需要让学生学习实现人工智能技术的一些底层运算，并在已有人工智能技术应用的基础上让学生实现人工智能场景的简单复现。初步帮助学生学习简单的逻辑结构，培养学生基于计算机的解决问题的思维方式。在搭建人工智能模型过程中，形成對人工智能系统框架结构的初步认识。在人工智能编程方面，主要以图形化编程方式为主，这样可以让学生直接体验翻译、情绪识别、语音识别、图像识别和神经网络等人工智能服务和功能模块，这样有助于学生的工程与创新思维的培养。

3.2.3 应用

在人工智能应用教学阶段应包括“智能控制”和“人机交互”两个方面的教学，主要让学生能够使用人工智能技术，解决生活中遇到的实际问题。如利用规定巡线，让AGV小车按照要求循迹、搬运货物等任务。让学生初步体验到如何人机协同解决一些现实的问题；培养学生从模仿学习到自主创作的重要过渡。

3.2.4 创新创造

创新创造阶段主要重点在于让学生畅想未来社会人工智能将会如何发展；并让学生利用现有的智能设备进行创作，独立完成相关类似的智能产品。在这一阶段，就需要将知识进行迁移应用，关联内化，让学生掌握人工智能的核心概念和典型特征，最终达到能够学会选择合适的人工智能技术、去搭建自己想要功能产品的目的。并基于已有的人工智能技术的知识和技能，运用设计思维的方法，设计出一款可以解决实际问题并具有鲜明特色的人工智能产品。

3.3 教学案例

现以“剖析智能客服机器人工作原理”为例，简单阐述人工智能课程教学基本过程。

3.3.1 学习目标

（1）能够通过体验智能客服机器人，剖析智能客服机器人的工作原理和实现的技术模块；

（2）能够利用Python语言编程实现分词和Jaccard相似度系数算法；

（3）能够利用开放平台自主设计一款智能问答机器人。

3.3.2 学习内容

（1）重点知识：剖析智能客服机器人的工作原理和实现的技术模块；

教学策略：通过引导学生体验智能客服机器人，并且运用问题启发的教学方法，帮助学生层层剖析智能客服机器人的工作原理和实现的技术模块。

（2）难点知识：利用Python语言编程实现分词和Jaccard相似度系数算法；

教学策略：通过任务驱动引导学生对相关实例进行分词并计算相关系数，从而理解其内涵。

3.3.3 教学过程

教学过程主要分为四个阶段：情境导入、探索新知、应用拓展和总结设疑。

（1）情境导入：首先汇总人工智能产品的应用情况，通过与学生分享调研的结果，然后聚焦到智能问答机器人，将本课时的探究内容与学生的调研结果联系起来，既可以激发学生的学习兴趣，也可以引导学生对智能问答机器人进行深度的探究与学习。

（2）探索新知：针对在线体验联想智能客服机器人，让学生操作、熟悉该机器人的功能、原理以及系统的设计开发。

在学生亲身体验了智能客服机器人以后，教师随即提出机器人是如何执行命令等问题；引导学生思考智能客服机器人的工作流程及工作原理，如图2所示。

在探讨“机器人如何做”的问题时，重点探讨以下三个问题：

①机器人为什么能回答我们的问题？

②机器人答复的内容有可能保存在哪里？仅保存答复的内容是否可以？

③机器人得到一个问题，是如何进行答案匹配的？

在分析客服机器人的工作流程时，对涉及的关键技术点进行详细解答，如：什么是中文分词；如何计算Jaccard相似度等，并给出相应的例程进行展示，如图4所示。

（3）应用拓展：通过掌握客服机器人，独立设计一款“所答即所问”的机器人。让学生初步体验如何设计开发一款问答机器人，锻炼学生利用计算思维解决实际问题的能力，也进一步帮助学生理解智能问答机器人的开发步骤及运行原理。

（4）总结设疑：通过设置的疑问，让学生对机器人的发展进行思考。

问题1：如果机器人的感知能力远远超过人类，我们的世界将会变成什么样？

问题2：当机器人有了意识后，在法律上机器人是人，还是机器？

结语

针对当前人工智能课程未成体系，未能达到中学生学习进阶需求。通过厘清面向核心素养的课程目标，基于人工智能的核心理念，考虑中学生阶段学生的认知特征和知识结构，并以项目式学习为课程的主要学习形式，提出所感知、认识与体验、应用和创新创造四个阶段课程内容设计，以有效提升信息科技学科核心素养。

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基金项目：国家重点研发计划课题（批注号：2022YFB3904805）；国家自然科学基金（批准号：41775025）资助的课题

作者简介：郭御（1990— ），女，漢族，安徽蚌埠人，硕士研究生，中学二级，研究方向：信息技术教学。

*通讯作者：单昌功（1992— ），男，汉族，安徽蚌埠人，博士，助理研究员，研究方向：环境光学。