基于生成式人工智能的高中信息技术思维型课堂教学探究

摘 要：生成式人工智能技术以其强大的数据分析和自然语言处理能力，为高中信息技术课堂教学赋予了智能化辅助教学、个性化学习支持以及交互式学习体验等功能。课题组以人教版高中信息技术选择性必修1“递归法”教学为例，探究生成式人工智能赋能高中信息技术思维型课堂教学的特征及教学过程：创设问题情境，引发认知冲突；引导思维互动，建构学科能力；促进自我监控，深化知识理解；推进实践应用，实现知识迁移，推进生成式人工智能与教育教学深度融合。

关键词：生成式人工智能；思维型课堂；高中信息技术

中图分类号：G63 文献标识码：A 文章编号：0450-9889（2024）35-0066-06

作者简介：邓智杰，2000年生，广东茂名人，硕士研究生，主要研究方向为信息技术教学；王阳，1984年生，通信作者，陕西西安人，教授，硕士研究生导师，主要研究方向为教师教育信息化、智慧校园、信息化教学。

随着教育理念的更新和教学方法的改进，学生思维能力的培养成为基础教育发展和改革的重要趋势。《普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）强调了学生思维能力的培养，把计算思维列为信息技术学科四个核心素养之一，并且倡导将思维发展融入解决问题和完成任务的过程中［1］。传统高中信息技术课堂注重课本知识的传授，教师引导学生根据课堂演示、讲解进行机械模仿和记忆，导致学生思维能力的培养流于形式。而将生成式人工智能和思维型教学理念应用于高中信息技术课堂教学，可以提供个性化、精准化的教学辅助，促进学生思维能力的发展。

一、生成式人工智能赋能思维培养的研究概述

生成式人工智能正逐渐渗透到教育领域，其强大的学习和数据处理能力为教育教学带来了革命性变化。专家学者从不同维度对生成式人工智能赋能思维能力培养进行了研究和阐述。李海峰等认为，生成式人工智能与学生的“知识讲述型”会话，会影响学生高阶思维的发展，而解决这一问题的关键是使二者的会话转为“知识转化型”［2］；白雪梅等研究了生成式人工智能如何赋能个性化学习、能力培养、学习评价三个关键问题，认为生成式人工智能是培养学生批判性思维的有用工具，能够有效解决对学生创新创造能力、批判性思维等高阶认知能力培养不足的问题［3］；周玲等认为，生成式人工智能通过模仿人类的思维能力和认知活动，能够改变教学过程中对不同水平思维能力培养的范式，有助于教学过程创造性地提升，以及学生高阶思维能力的培养，同时为培养学生的多元思维能力创设了条件和机会［4］；陈静远等研究了生成式人工智能在以知识点为核心的教学模式下的变革作用和局限性，认为生成式人工智能通过构建富有启发性的对话，能够帮助学生建立深层次的思维脉络，激发学生的思维能力、创造力和批判性思维能力［5］。

课堂教学是学生思维能力形成的重要途径，而生成式人工智能在教学领域的应用，为学生的思维培养带来了前所未有的机遇和挑战，通过模拟人类思维方式、提出启发性问题、创建问题情境等方式，能够有效锻炼学生的思维，促进学生思维能力的发展，提高思维型课堂教学质量。

二、基于生成式人工智能的信息技术思维型课堂教学的特征

相较于其他课程，高中信息技术课程综合性、实践性强。将生成式人工智能应用于高中信息技术课堂中，可以为信息技术教学提供新的方法和手段，促进学生思维能力和信息技术学科核心素养的提升。从理论和现实角度出发，基于生成式人工智能的信息技术思维型课堂应具备以下几个特征。

（一）以人工智能技术为重要支撑

1.智能化教学辅助

生成式人工智能技术具有出色的语言处理和数据分析功能，能够在教学过程中为教师提供智能化辅助。在课前准备阶段，生成式人工智能可以根据教学目标、教学重难点生成教学课件、教案等，教师依据实际需求对以上材料进行修改和应用，可以有效提高备课效率；在课堂教学阶段，教师利用生成式人工智能辅助设计和开展课堂活动，引导学生参与课堂互动，有利于促进学生思维能力的发展，提升课堂教学效率；在课后评价阶段，生成式人工智能通过智能批改和评估学生的作业，生成学生学习情况的相关数据，有助于教师了解学生对知识的掌握情况，以便及时调整教学策略，为学生提供指导。

2.个性化学习支持

生成式人工智能技术能够根据学生对相关知识的掌握程度、能力水平等，智能化提供符合学生特点、需求的学习资源和反馈信息，帮助学生高效掌握知识，也能够在一定程度上提升学生的学习动机和自我效能感。人工智能情感识别技术在课堂教学中的应用，还能够感知学生在学习过程中的情绪变化，为学生提供适当的鼓励和支持，使学生保持良好的学习状态和动力，进一步提升他们的思维能力。

3.交互式思维培养

思维能力的培养是学校教育所有阶段强调的重要教学目标［6］。生成式人工智能在高中信息技术思维型课堂中的应用，能够促进课堂互动，通过创建学习情境、学习任务等方式，引导学生在合作中发现问题、分析问题、解决问题，从而培养他们的逻辑思维、批判性思维；通过对学生的学习进度、提问内容等情况进行评估，能够了解学生的学习状态，并提出针对性的反馈信息，有助于学生调整学习策略、优化思维过程。

（二）以培养信息技术思维为重点

信息技术思维能力是指运用信息技术学科知识对相关问题进行分析、概括等思维活动，使问题得以解决的能力［7］33。在人工智能技术支持下，学生在信息技术思维型课堂的主体地位体现得更加充分，他们不再是被动接受知识的客体，而是主动建构、积极探索的主体。在此背景下，学生信息技术思维能力的培养成为课程教学的重点。信息技术思维培养能够帮助学生将理论知识与实际问题相联系，通过系统分析问题，找到解决问题的关键，提高解决问题的效率。基于人工智能的信息技术思维型课堂，依据学生思维发展规律对其进行系统性、针对性的指导与训练，有助于拓宽学生信息技术思维的广度，从而提高其解决问题的能力。

（三）以信息技术学科核心素养为导向

《课程标准》明确了高中信息技术学科核心素养为信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任［1］5。一方面，信息技术思维型课堂作为促进学生核心素养发展的重要途径，注重学生批判性、逻辑性、关联性等思维品质的培养；另一方面，学生信息技术学科核心素养的培养，又能够推进思维型课堂教学的实施，有利于学生适应思维型课堂，使学生积极地参与课堂活动。与此同时，教师能够根据课堂反馈和学生的实际情况，有针对性地调整教学策略，实现教与学的良性互动。信息技术学科核心素养和思维型课堂教学理念相互依存、相互促进，教师充分把握二者的关系能够实现课堂教学的最优化。

三、基于生成式人工智能的高中信息技术思维型课堂教学模式

国内学者林崇德、胡卫平对思维型课堂进行了深入系统的研究，提出思维型课堂教学包括以下四个方面的基本原理，分别是认知冲突、自主建构、自我监控和应用迁移［7］31。根据相关研究成果，本文提出，基于生成式人工智能的高中信息技术思维型课堂的教学模式主要有四个环节：创设问题情境，引发认知冲突；引导思维互动，建构学科能力；促进自我监控，深化知识理解；推进实践应用，实现知识迁移。具体课程教学模式如下页图1所示。

（一）创设问题情境，引发认知冲突

依据思维结构模型，有效激发学生积极思维的前提条件是具备良好的思维环境［7］34。创设教学情境是引导学生积极思维的重要手段，而问题情境又是创设教学情境的关键。建构主义学习理论关于社会建构的思想指出，教学过程中的思维互动是激发学生有效思维的核心［7］31。因此，在生成式人工智能技术支持的思维型信息技术课堂教学中，教师应充分发挥人工智能技术的优势，创设良好的师生、生生、人机互动教学环境，提出高认知水平的问题，以激发学生的探究欲望，引发学生的认知冲突。

（二）引导思维互动，建构学科能力

信息技术思维型课堂以培养学生的过程分析思维、问题解决能力等信息技术关键能力为重要目标，以促进学生信息技术思维深度发展为重点。聚焦思维结构的智力理论认为，思维和智力是一个较难穷尽的多元结构，而学科能力就是在此基础上提出来的，学生的学科能力不仅体现在具有某一学科特定的学科知识，而且还应具备学科能力的结构［7］34。依据比格斯SOLO分类理论，学生的学习成果可以分为五个层次：前结构、单点结构、多点结构、关联结构、拓展抽象结构［8］。在生成式人工智能支持的高中信息技术思维型课堂，教师可借助人工智能设计难度进阶的问题，使之分别符合学生思维过程的不同阶段，从而有效促进学生信息技术学科思维能力的提升。

（三）促进自我监控，深化知识理解

思维的自我监控是自我意识在思维中的表现，是思维结构的顶点或最高形式，是教师教学能力和学生学习能力的核心，既影响教学效果和过程，也关乎其他能力的发展［9］。思维型课堂教学要求教师引导学生对所学知识、方法、思维过程等进行总结和反思，以加深对所学知识的掌握，提升自我监控能力。生成式人工智能应用于信息技术思维型课堂教学，能够为学生提供智能化、个性化的学习体验，通过分析记录学生与人工智能的对话内容、学习数据和思维过程等，引导学生反思自身的学习过程、思维方式，从而形成有效的思维认知策略［10］。此外，人工智能还可以辅助学生利用概念图、思维导图等工具对所学知识进行梳理概括，以深化对知识的理解，促进高阶思维的发展。

（四）推进实践应用，实现知识迁移

迁移是思维型课堂教学的基本原理，强调方法、知识的迁移应用，对学生深化知识理解、提升思维能力具有重要作用［7］32。方法、知识的迁移、渗透是训练学生思维品质的重要途径，而思维品质的培养又是提高学生思维能力的关键因素。因此，在生成式人工智能赋能的高中信息技术思维型课堂教学中，教师可以充分发挥先进技术的优势，高效地为学生创建新的问题情境，以培养学生的知识迁移能力，促进学生创造性思维能力的发展［11］。同时，学生可以利用生成式人工智能强大的数据处理和交互功能，通过提问等方式来验证设想、解决疑惑，并在此过程中获得新的启发。

四、基于生成式人工智能的高中信息技术思维型课堂教学应用案例

笔者选取人教版高中信息技术选择性必修1《数据与数据结构》第四章第三节“递归法”相关内容，探讨运用人工智能辅助开展思维型课堂教学的实践。

（一）教学准备

教师综合分析常用的生成式人工智能平台，确定借助“文心一言”平台开展实践教学，并提前为学生分配好该平台的账号和密码，以便学生进行注册。教师再依据教学目标、对象、内容等，利用人工智能辅助分析教学内容和设计教学过程。由于人工智能生成内容的准确性和适用性有待探究，教师应对其生成的素材进行筛选，整理出符合课堂教学要求和学生发展情况的相关内容。

（二）教学过程

1.导入环节：创设情境，激活思维状态

教师先创设问题情境，利用生成式人工智能展示递归算法在日常生活或自然界中的运用实例，如俄罗斯套娃、洗澡时水温的调节、雪花的形成等，激发学生的学习兴趣和探索欲望；接着，以“斐波那契兔子问题”激发学生的思维，引导学生思考如何使用递归算法解决实际生活中的问题。

设计意图：动机、兴趣等非智力因素以及良好的问题情境，能够激发学生的积极思维［7］34，利用人工智能辅助设计贴近学生日常生活的情境，能够激发学生学习兴趣，同时引出本节课的教学内容。在这一环节的教学中，生成式人工智能通过辅助教师创建教学情境和引导性问题，在一定程度上激活了学生的思维。

2.新授环节：层层递进，促进思维进阶

活动环节1：教师引导学生对“斐波那契兔子问题”开展小组讨论，要求学生探讨、整理出解决这一问题的思路和过程，并通过人工智能平台验证其是否正确，然后通过交流分享促进相互学习、思维碰撞。

教师小结：学生在讨论过程中，不同小组可使用图示、表格等方式对该问题进行求解验证，但由于“文心一言”平台在处理学生直接发送的图片信息的功能方面还存在较大限制，因此，学生需要以自然语言的方式与其进行对话，以验证求解过程的正确性。在活动中，各小组成员基本都能参与到小组讨论中，且在利用人工智能平台验证答案过程中表现出较大的积极性。

设计意图：思维型课堂理论强调教师和学生积极主动思维对课堂教学和知识学习的关键作用，只有充分调动师生的积极性，才能有效推动课堂教学向前发展［7］34。建构主义学习理论的学习观认为，知识不应由教师向学生进行简单的传递，而应由学生主动进行建构。在本环节活动中，教师引导学生求解问题并验证答案的正确性，有助于学生在与小组成员交流互动过程中激活思维，促进思维结构的发展和完善。

活动环节2：教师启发学生设计某个问题的算法流程图以及编写程序求解，引导学生逐步了解递归算法的核心思想，即把某个问题拆解为若干个小问题，通过解决这些小问题来解决相关的问题。教师依据比格斯SOLO分类理论，对本节课相关内容建立进阶问题模型，渐进指导学生进行递归算法的感知、探索、理解与应用，以提高学生的学科知识能力和思维能力（如图2所示）。

教师小结：通过构建并实施难度进阶的问题模型推进教学活动，能够帮助学生逐渐建立起对递归算法的认知，而人工智能平台的运用，能够为他们解决在算法流程图及程序设计上遇到的问题，提升学生的信息技术学科学习能力。

设计意图：依据比格斯SOLO分类理论建立问题模型，有助于教师根据学生对问题的回答情况等外显行为，判断学生的思维水平，进而给予针对性的指导。而“文心一言”平台的应用，在提高教师构建问题模型效率、了解学生对相关知识的掌握程度等方面可以发挥重要作用。

在这一环节教学中，教师利用生成式人工智能辅助创建进阶式的任务和问题，并演示验证算法和程序是否准确的过程；同时，生成式人工智能为学生验证猜想、解决疑惑提供有力支持。

3.巩固环节：强化练习，提升思维品质

活动环节3：在前面学习的基础上，学生基本能够掌握递归算法的概念、核心思想和应用过程等。教师借助人工智能展示“斐波那契兔子问题”中兔子数量的增长过程，引导学生思考程序设计中如何定义函数，如在求解某个月兔子的数量时，通过调用函数来减少重复计算、提高问题解决效率。学生借助生成式人工智能优化程序，在此过程中能够接收到错误提醒和改正建议，通过不断反思和调整优化，加深对递归算法的理解，提高逻辑思维能力。

教师小结：借助人工智能帮助学生理解“斐波那契兔子问题”，进一步掌握递归算法核心思想，启发学生联系过去习得的知识，通过定义函数的方式对结构简单的程序进行改进，完善和提升其思维结构。

设计意图：思维品质作为组成思维结构的第五个维度，是培养学生问题解决能力的突破口，也为思维型课堂中提高学生的学习能力提供了有效的理论和方法支持［7］34。在这一环节中，生成式人工智能可以根据每名学生的学习表现和进度给予个性化指导，帮助学生高效地理解和掌握递归算法的相关知识，这既能减轻教师教学负担，又能够有效促进学生思维品质和元认知能力的提升；而教师引导学生进行程序优化，也有助于学生进行积极思维，提升思维策略性。

4.应用环节：迁移应用，拓展思维能力

活动环节4：教师使用生成式人工智能辅助创建若干个涉及递归算法的问题情境，如汉诺塔问题、自然数的阶乘、快速排序问题、二叉树遍历等，学生根据自身兴趣和实际能力选择其一进行问题分析、算法设计、程序编写，从而培养知识迁移意识和能力；通过组织学生开展成果交流与展示，帮助学生巩固知识、拓宽思路，有助于培养学生的沟通思维与逻辑思维能力。

教师小结：人工智能平台强大的自然对话功能，可以及时为学生提供针对性的指导，帮助学生在分析问题的过程中逐渐深化对递归算法的了解，并利用递归算法简化重复的子问题，使问题得以解决。活动结束后，学生普遍表示，生成式人工智能赋能的教学活动能够有效提升学习效率和获得感。

设计意图：个体知识、技能与智力、思维存在密切的联系，学生思维和能力的发展是在掌握知识、运用技能的过程中完成的［7］32。在知识迁移应用环节中，教师利用人工智能平台辅助设计多样化的问题应用场景，借助生成式人工智能对学生的问题求解过程和结果进行智能评估，并提出针对性的指导建议，引导学生运用已学知识分析新的问题，并将其迁移到新的情境中，能够促进学生应用迁移和思维能力的发展。

（三）教学反思

在本课例教学中，教师借助“文心一言”平台开展“递归法”相关内容的教学，设计了探究递归法思想、程序设计等活动，旨在引导学生掌握递归算法的核心思想，以及该算法程序的设计和优化。人工智能平台的引入，对学生掌握本节课的内容起到重要的促进作用，其强大的交互功能可以帮助学生监控和优化思维过程，促进学生问题解决能力和计算思维的发展。本课例采取小组合作的形式，培养了学生的沟通协作能力，促进学生信息意识和信息社会责任的培养。

总之，生成式人工智能为高中信息技术思维型课堂教学带来了前所未有的机遇，在促进学生掌握信息技术学科知识、提升思维能力、提高学习效率等方面发挥着重要的作用。教师在利用生成式人工智能辅助教学时，应克服这一技术带来的伦理、安全和资源等方面的挑战，以推进生成式人工智能与教育教学的深度融合，实现高中信息技术教育教学的高质量发展。

参考文献

［1］中华人民共和国教育部.普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］李海峰，王炜，李广鑫，等.智能助产术教学法：以“智能苏格拉底会话机器人”教学实践为例［J］.开放教育研究，2024，30（02）：89-99.

［3］白雪梅，郭日发.生成式人工智能何以赋能学习、能力与评价［J］.现代教育技术，2024，34（01）：55-63.

［4］周玲，王烽.生成式人工智能的教育启示：让每个人成为他自己［J］.中国电化教育，2023（05）：9-14.

［5］陈静远，胡丽雅，吴飞.ChatGPT/生成式人工智能促进以知识点为核心的教学模式变革研究［J］.华东师范大学学报（教育科学版），2023，41（07）：177-186.

［6］祝智庭，肖玉敏，雷云鹤.面向智慧教育的思维教学［J］.现代远程教育研究，2018（01）：47-57.

［7］林崇德，胡卫平.思维型课堂教学的理论与实践［J］.北京师范大学学报（社会科学版），2010（01）：29-36.

［8］约翰B，凯文F.学习质量评价：SOLO分类理论可观察的学习成果结构［M］.高凌飚，张洪岩，译.北京：人民教育出版社，2010．

［9］胡卫平，魏运华.思维结构与课堂教学：聚焦思维结构的智力理论对课堂教学的指导［J］.课程·教材·教法，2010，30（06）：32-37.

［10］卢宇，余京蕾，陈鹏鹤，等.生成式人工智能的教育应用与展望：以ChatGPT系统为例［J］.中国远程教育，2023，43（04）：24-31+51.

［11］温小勇，周玲，刘露，等.小学科学课程思维型教学框架的构建［J］.教学与管理，2020（24）：109-111.

注：本文系广西教育科学“十四五”规划2023年度广西教育信息化教学应用实践共同体专项重点课题“幼儿教师数字素养在线开放课程‘双线融合’实践共同体模式研究”（2023ZJY506）的研究成果。

（责编 杨 春）