面向创新思维发展的初中人工智能课程设计

【摘 要】人工智能课程对培养初中生的创新思维有着较高的实践价值，创新思维应成为人工智能课程设计的聚焦点。本文从需求分析、内容设计、情境设计、过程设计和评价设计五个方面阐述初中人工智能课程的设计，并在此基础上提出了具体的实施建议，通过“做中学”“用中学”和“创中学”培养学生的创新能力，发展学生的创新思维。

【关键词】创新思维；人工智能；课程设计

【中图分类号】G434 【文献标志码】A

【论文编号】1671-7384（2024）07-048-03

创新思维与人工智能课程

1.创新思维及其教育现状

创新思维，也被称为“创造性思维”，是指能够察觉问题并找出症结，产生解决问题的新颖想法，最终传达出结果的一种思维能力[1]。创新思维是人类最复杂、最高级的思维过程，是一切创造活动的源泉，是智力的核心，也是实践创新的重要内容。实践创新是中国学生发展六大核心素养之一，在当今“惟创新者进，惟创新者强，惟创新者胜”之大变革时代，培养创新型人才是新时代立德树人的关键[2]。目前，我国的教育系统仍存在着过度注重考试和机械化教育的问题，这可能会使学生在解决实际问题时缺乏创造力和创新精神。

2.初中人工智能课程的现实需求

2003年4月，我国教育部正式颁布了《普通高中技术课程标准（实验）》，首次在信息技术科目中设立了“人工智能初步”选修模块，这标志着我国高中人工智能课程的正式起步[3]。2017年，国务院印发了《新一代人工智能发展规划》，首次将人工智能发展上升到国家战略层面，提出实施全民智能教育项目，要求在中小学设置人工智能相关课程。此后，教育部发布的《普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）》和《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》都将人工智能纳入课程内容，推进中小学人工智能教育的开展。

在初中阶段，开设人工智能课程已成为一种现实需求，主要体现在以下三方面。第一，人工智能已成为发达国家K-12教育的必备内容。如美国在K-CPib6KokNYd1jqGNi+vSww==12计算机科学课程标准中提出了开设人工智能课程[4]；新加坡推出了面向小学的“AI for Kids”（儿童人工智能）和面向中学的“AI for Students”（中学生人工智能）等计划[5]。当今社会已进入人工智能时代，人才也在快速迭代转型，新时代需要更多的人工智能人才。所以，亟须将人工智能课程纳入中小学生的课程之中，为培养尖端人才做储备。第二，随着我国经济建设和基础教育的逐步发展，中小学的计算机软、硬件及网络设施水平不断提高，师资、教学材料和设施等方面水平持续提升，在初中开设人工智能课程的条件已具备。第三，人工智能课程的开设不仅关系到人才的培养，更关系到教育理念的发展、教与学活动方式的转变、教师能力素养的提升，以及立德树人根本任务的落实。

3.面向创新思维发展的初中人工智能课程设计可行性

创新思维是指以新颖独创的方法解决问题的思维过程，通过这种思维能突破常规思维的界限，以超常规甚至反常规的方法、视角去思考问题，提出与众不同的解决方案，从而产生新颖的、独到的、有社会意义的思维成果[6]。值得关注的是，初中人工智能课程为学生创新思维的发展提供了新路径。首先，从课程内容来看，人工智能课程最底层是大数据、算法，这是实现各类人工智能技术的核心，包括传统的机器学习、深度学习。第二层是感知，能听会看，如语音识别、图像识别、生物特征识别、文字识别等技术。最上层是创新、应用，开展人工智能项目，将理论应用于实践。由此可以看出，人工智能课程内容体现的是学生跨学科、跨领域综合性的创新思维能力。其次，从教学方式来看，人工智能课程所涉及的大多是综合性、创造性的活动，学生需要综合运用知识，进行项目式设计或动手实践来解决问题。而创新思维培养恰好强调的是问题求解、系统设计等项目式学习的活动方式，故人工智能课程的开展可为创新思维的发展提供支持。最后，从评价方面来看，创新思维培养和人工智能课程都指向“以学习者为中心”和“素养培养”，两者都关注学生在项目式学习中的过程性表现以及学生发展的综合性评价。综上，教师通过设计初中人工智能课程培养学生创新思维具有可行性。

发展创新思维的人工智能课程设计

当前，中学人工智能课程仍存在依托编程教育和机器人教育，注重学生编程技能的习得，而对学生思维能力的提升涉及较少的现象。创新思维作为现代学生必须具备的一种思维，应成为人工智能课程设计的聚焦点。

1.人工智能课程的需求分析

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》虽将人工智能纳入课程内容，但其开发主体仍是学校教师个体或团队，而大多数教师之前并无相关活动设计的经验，因此，需求分析对于人工智能课程设计尤为关键。初中人工智能课程设计的需求分析应重点关注以下两方面。一是分析学情，了解学生已经具备的知识体系和基础能力。由于人工智能课程涉及语音识别、图像识别、生物特征识别、文字识别技术等应用创新，所以教师还要分析学生的创新思维能力和跨学科综合能力水平。二是分析学习环境和设备。人工智能课程活动并非在传统的教室中开展，其需要计算机、机器人、开源硬件、创客、物联网等设备的支持。为此，设计人工智能课程还要分析其对智能化学习设备、技术创设情境等方面的需求。

2.人工智能课程的内容设计

中小学人工智能课程受限于现有的教学环境与资源，因此要顺利开展相关课程就需因地制宜，选择合适的授课内容。经费充足的学校，可以考虑建设高端的人工智能实验室以及开放的、先进的人工智能实验平台，让学生沉浸在人工智能的应用场景中，充分感受人工智能的优势及不足；经费不足的学校则可以利用学校现有的创客实验室或开源硬件，在原有基础上引入人工智能软、硬件模块；没有经费的学校，教师也可以利用手机、网络平台搜索人工智能应用，让学生观摩、体验其优势与不足。

3.人工智能课程的情境设计

设计和开展人工智能课程的目标是培养学生的人工智能素养和发展学生的创新思维。中小学人工智能课程具有很强的实践性。在教学过程中，应把知识与技能的学习置于真实、生动的情境中，以任务驱动方式进行自主学习与合作探究。教师在整个项目实施过程中适时引导，并提供自主探究的学习支架与学习资源，助力学生进行项目开发和创新，并进行多方面的交流与评价。

4.人工智能课程的过程设计

初中人工智能课程的开展方式可以是基于问题的学习，也可以是基于项目的学习。教师应创设真实的情境，引导学生在真实的情境中自主学习、合作探究和分享交流，达成学习目标，在学习人工智能的过程中养成良好的学习习惯和学习能力。第一步，学生通过自主学习解决项目的基础问题，发现存在的难点；第二步，学生通过小组合作探究，解决自主学习中出现的问题，突破项目的重难点；第三步，通过分享交流展示学习成果，分享该项目的收获，评价项目成果。人工智能课程的过程设计应以教师为主导，以学生为主体，把“教师教”变为“学生学”，拓展教学区域，提倡合作探究型学习，让每位学生都能收获学习的乐趣，既关注学生现实生活，又着眼于学生的长远发展。学生学习人工智能的过程，实质上是一种探究、选择和创造的过程，也是学生的科学精神、创新思维乃至世界观逐步形成的过程。

5.人工智能课程的评价设计

2020年10月，中共中央、国务院印发了《深化新时代教育评价改革总体方案》，指出教育评价事关新时代教育改革发展方向和高质量教育体系建设，并提出了“改进结果评价，强化过程评价，探索增值评价，健全综合评价”的总体方向。人工智能课程的评价应注重过程性、实践性和发展性评价，促进学生全面健康发展。在教学实践中，教师要构建多维评价体系。如利用教学网站或其他网络平台构建学生综合评价体系，评价内容包括回答问题、课堂展示、提出质疑、项目展示、合作交流等。教师要给学生自评、互评与反思的机会，培养学生良好的项目记录能力与习惯，让学生在对自身及他人的活动评价和反思中不断成长。评价设计中还可加入小组评价和教师评价等，让学生逐步学会客观地评价他人和正确地看待他人的评价。教师更要重点关注学生的创新思维、计算思维、编程能力和人机协同等人工智能素养水平，尤其是创新思维应重点考查。

初中人工智能课程设计建议

1.“做中学”建构知识，呼唤学生的创新意识

“做中学”是由美国实用主义哲学家、教育家约翰·杜威提出的，他认为，“从做中学”也就是“从活动中学”“从经验中学”。基于“做中学”的人工智能教育，教师需要为学生创设适合他们经验的活动主题，引导学生在动手实践中完成任务，在实践过程中思考解决问题的方法与策略，建构人工智能知识[7]。如在制作“智能垃圾分类”模型的过程中，学生在明确了垃圾分类的标准后，借助人工智能学习平台采集数据，体验机器进行垃圾识别的过程，完成模型训练，最后再应用训练的模型对垃圾进行识别，识别出可回收物、有害垃圾、厨余垃圾或其他垃圾。学生在“做中学”的过程中，了解机器学习的基本过程和方法，为后续深入学习相关内容打下基础。学生通过“做中学”，实现人工智能知识的构建，唤醒创新意识，以逐步适应人工智能的生存环境。

2.“用中学”培养能力，锻炼学生的创新思维

“用中学”的理念鼓励学生通过运用所学知识解决现实问题，实现知识的迁移和拓展，从而将知识、技能和方法转化为核心素养。“用中学”的人工智能教学，教师需要把实际问题融入真实的情境中，让学生在真实情境中用人工智能解决实际问题。如为解决饭卡容易丢失的问题，某学生想要为食堂开发一款刷脸支付的程序，以代替饭卡的使用。在实践过程中，学生先学习采集一位同学的人脸数据并正确识别该同学。接着采集多位同学的人脸数据，并正确识别出不同人脸。在程序的验证阶段，学生发现用照片也能进行刷脸支付，所以，在真实的人脸识别中，一定要加入“活体检测”。学生通过“初始化设备—采集人脸—识别人脸”的过程初步解决刷脸支付的问题。“用中学”帮助学生在应用人工智能解决问题的过程锻炼了解决复杂问题的能力和创新思维。

3.“创中学”提升素养，发展学生的创新能力

为提高学生的人工智能创新能力，人工智能教育就不应停留于把学生培养成智能工具的消费者层面，而应将学生培养成人工智能的创新应用者，将“创中学”教育理念与方法融入教学[8]。“创中学”可通过创设跨领域的复杂主题情境引导学生应用人工智能创造性解决问题，引导学生经历“分析问题—设计方案—应用人工智能—解决问题”的过程，在创造性解决问题的过程中培养学生解决问题的能力，提升学生的人工智能素养。如在开发“红橙分拣器”的项目活动中，学生要解决根据红橙的颜色和大小来预测红橙的品质问题。学生先初始化摄像头与图像识别模块，再采集红橙图像进行机器学习，接着识别图像，最后鉴别出优质红橙和一般红橙并进行分类。通过“创中学”提升了学生的人工智能素养，发展了学生的创新能力。

注：本文系广东省中小学教师教育科研能力提升计划重点项目“基于ICS教学理念的中小学人工智能课程实践研究”（课题批准号：2022ZQJK062）研究成果

参考文献

任剑锋，祁永珍. 面向创新思维培养的小学课程学习活动设计[J]. 电化教育研究，2020（3）： 108-113.

邢永芹. 创新思维培养的四重关系[J]. 思想政治课教学，2023（11）： 21-24.

中华人民共和国教育部. 普通高中技术课程标准（实验）[S]. 北京：人民教育出版社，2003.

钱松岭，董玉琦. 美国中小学计算机科学课程发展新动向及启示[J]. 中国电化教育，2016（10）：83.

张丹，崔光佐. 中小学阶段的人工智能教育研究[J]. 现代教育技术，2020，30（1）：39.

姚本先．大学生心理健康教育[M]．合肥：北京师范大学出版集团安徽大学出版社，2012：272-275.

[8] 李峰. 素养导向的中小学人工智能教育：化知识为素养[J]. 基础教育课程，2023（11）：4-11.