韓思瑤

人工智能的迅速發(fā)展對(duì)人工智能的教育教學(xué)提出了新的要求。2017年7月，國(guó)務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》提出在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程。2018年，教育部發(fā)布普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)，在高中信息技術(shù)選擇性必修模塊里單獨(dú)列出人工智能初步模塊。新課標(biāo)指出，普通高中信息技術(shù)課程需圍繞信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)（信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會(huì)責(zé)任），構(gòu)建具有時(shí)代特征的學(xué)習(xí)內(nèi)容，鼓勵(lì)學(xué)生在數(shù)字化環(huán)境中學(xué)習(xí)與實(shí)踐，倡導(dǎo)基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方式，讓學(xué)生參與到信息技術(shù)支持的溝通、共享、合作與協(xié)商中，培養(yǎng)信息意識(shí)，理解信息技術(shù)對(duì)人類社會(huì)的影響，提高信息社會(huì)參與的責(zé)任感與行為能力。因此，如何設(shè)計(jì)人工智能相關(guān)課程，在落實(shí)課程內(nèi)容的同時(shí)提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)就成為一個(gè)值得探索和實(shí)踐的課題。

基于核心素養(yǎng)的項(xiàng)目教學(xué)設(shè)計(jì)

本文以北京市十一學(xué)校校本課程“人工智能技術(shù)與應(yīng)用”的第三單元“AI助力垃圾分類”主題項(xiàng)目為例，來分析如何通過人工智能項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)來提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

首先，根據(jù)課程內(nèi)容及學(xué)情我們重構(gòu)了選擇性必修模塊4人工智能初步的主要內(nèi)容，將計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)、語音技術(shù)、自然語言處理的知識(shí)用一個(gè)真實(shí)項(xiàng)目承載，學(xué)生在解決實(shí)際問題的項(xiàng)目過程中學(xué)習(xí)知識(shí)，通過合作探究等活動(dòng)，提升核心素養(yǎng)。

此單元任務(wù)為：利用人工智能技術(shù)幫助師生更高效地進(jìn)行垃圾分類，維護(hù)校園環(huán)境。包含3個(gè)子任務(wù)，具體內(nèi)容以及教學(xué)活動(dòng)、學(xué)生活動(dòng)如圖1所示。

整個(gè)單元的學(xué)習(xí)即為整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)踐，學(xué)生在教師引導(dǎo)、新知學(xué)習(xí)、自學(xué)探索、實(shí)踐反饋的過程中進(jìn)行學(xué)習(xí)實(shí)踐。在項(xiàng)目推進(jìn)的過程中，教師會(huì)提供多樣化的資源腳手架、工具平臺(tái)以及評(píng)價(jià)量規(guī)輔助整個(gè)學(xué)習(xí)過程。課后會(huì)根據(jù)學(xué)生課堂表現(xiàn)進(jìn)行過程性評(píng)價(jià)（表1）。

教學(xué)活動(dòng)與實(shí)踐

接下來以任務(wù)1“看圖分類”的第一節(jié)課為例，展示具體課程活動(dòng)設(shè)計(jì)的情況。

綜合課程內(nèi)容以及學(xué)生情況調(diào)研，我們制定了本課的教學(xué)目標(biāo)：了解圖像識(shí)別的概念及簡(jiǎn)單原理;了解數(shù)據(jù)多樣性對(duì)分類模型準(zhǔn)確率的影響;設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的垃圾分類方案。從而提升用人工智能技術(shù)解決實(shí)際問題的能力，提升學(xué)科核心素養(yǎng)。

1.學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)

本節(jié)課的學(xué)習(xí)活動(dòng)主要包括四個(gè)部分：確定任務(wù)、學(xué)習(xí)新知、探究實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)方案。整個(gè)過程中培養(yǎng)了學(xué)生計(jì)算思維以及數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新的素養(yǎng)。

（1）確定任務(wù)。從“靈魂拷問”出發(fā)，引出垃圾分類熱點(diǎn)，學(xué)生通過“垃圾大作戰(zhàn)”的小游戲，隨機(jī)點(diǎn)名來分辨垃圾類別，在游戲中體會(huì)垃圾分類的困難，從而引出單元主題。在此過程中，教師通過隨機(jī)點(diǎn)名、參與獎(jiǎng)勵(lì)分的方式提高課堂活躍度。之后，學(xué)生通過觀看自動(dòng)垃圾識(shí)別的視頻，思考拍照進(jìn)行垃圾分類運(yùn)用到的技術(shù)，并通過教師引導(dǎo)建立單元目標(biāo)以及本節(jié)課學(xué)習(xí)任務(wù)（圖2）。

本環(huán)節(jié)以熱點(diǎn)話題引起學(xué)生關(guān)注，引出本節(jié)課的任務(wù)，提高學(xué)生的目標(biāo)感和積極性。

（2）學(xué)習(xí)新知。學(xué)生從人類識(shí)別過程出發(fā)通過類比理解圖像識(shí)別概念，并運(yùn)用Teachable Machine工具教會(huì)機(jī)器識(shí)別廢紙、塑料瓶，讓學(xué)生對(duì)訓(xùn)練分類器有了更加直觀的認(rèn)識(shí)（圖3）。在此過程中，學(xué)生通過dojo平臺(tái)提交探索任務(wù)單，教師通過平臺(tái)實(shí)時(shí)進(jìn)行反饋及點(diǎn)贊，使課堂互動(dòng)更加順暢，也提升了學(xué)生的積極性。最后，在體驗(yàn)探索中總結(jié)整個(gè)計(jì)算機(jī)識(shí)別圖片的過程，探究分類模型以及準(zhǔn)確率概念。也為有興趣的學(xué)生提供計(jì)算機(jī)領(lǐng)域綜述論文，輔助他們課下深入學(xué)習(xí)。

本環(huán)節(jié)通過類比人類識(shí)物的流程，體驗(yàn)訓(xùn)練機(jī)器識(shí)別的過程，幫助學(xué)生了解圖像識(shí)別的基本原理，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用工具探究新知，培養(yǎng)數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新的素養(yǎng)。

（3）探究實(shí)驗(yàn)。提供探究實(shí)驗(yàn)?zāi)_手架，引導(dǎo)學(xué)生探索什么樣的訓(xùn)練數(shù)據(jù)能讓識(shí)別效果更好。學(xué)生在分組探索實(shí)驗(yàn)中通過數(shù)據(jù)的多少、物體的角度形態(tài)變化，得到結(jié)論：數(shù)據(jù)的種類需要豐富、角度形態(tài)需要多樣。強(qiáng)調(diào)在算法一定的情況下數(shù)據(jù)很關(guān)鍵，訓(xùn)練分類模型，需要“見多識(shí)廣”， 需要收集能盡量覆蓋真實(shí)情況的大數(shù)據(jù)。教師提供探索實(shí)驗(yàn)的腳手架（圖4），輔助和引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探索實(shí)驗(yàn)，通過學(xué)生分享進(jìn)行實(shí)時(shí)的評(píng)價(jià)和總結(jié)。

本環(huán)節(jié)的探究實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生體驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)果的重要性，為后期訓(xùn)練分類模型、采集數(shù)據(jù)提供方法指導(dǎo)。學(xué)生能從提出問題、分析問題、探究原理、得出結(jié)論的過程提升計(jì)算思維素養(yǎng)。

（4）設(shè)計(jì)方案。本環(huán)節(jié)利用所學(xué)原理解決實(shí)際問題，檢驗(yàn)課堂學(xué)習(xí)成果。教師提供設(shè)計(jì)表和垃圾分類一覽表引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)任務(wù)，親歷從想法到實(shí)踐的過程，為后期實(shí)踐提供方法指引，培養(yǎng)解決問題的能力。

本環(huán)節(jié)提供給學(xué)生詳細(xì)的設(shè)計(jì)表以及相關(guān)垃圾分類的資料供參考，在設(shè)計(jì)之后有學(xué)生互相分享，進(jìn)行互評(píng)和反思（圖5）。

2.學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)

教師點(diǎn)評(píng)：通過平臺(tái)隨機(jī)點(diǎn)名方式提問，進(jìn)行加分獎(jiǎng)勵(lì)，對(duì)學(xué)生課堂表現(xiàn)實(shí)時(shí)點(diǎn)評(píng);在分享環(huán)節(jié)進(jìn)行口頭點(diǎn)評(píng);在dojo平臺(tái)對(duì)提交的任務(wù)單進(jìn)行反饋以及點(diǎn)贊。

學(xué)生自評(píng)：在探究實(shí)驗(yàn)及設(shè)計(jì)方案時(shí)通過腳手架學(xué)生實(shí)現(xiàn)自評(píng)，自我調(diào)整方案。

過程性評(píng)價(jià)：課后根據(jù)學(xué)生表現(xiàn)進(jìn)行過程性評(píng)價(jià)，總分60（課堂任務(wù)25、課堂表現(xiàn)10、資源利用10、創(chuàng)新與進(jìn)步5、出勤10）。

3.特色學(xué)習(xí)資源說明

Class dojo平臺(tái)：課堂項(xiàng)目平臺(tái)，幫助更好地組織項(xiàng)目開展。

Teachable Machine：基于瀏覽器端的訓(xùn)練工具，任何學(xué)生都能在不編寫代碼的情況下，體驗(yàn)如何訓(xùn)練一個(gè)分類模型。

百度Easy DL定制化訓(xùn)練工具：百度提供的定制化訓(xùn)練工具，只需要有基本的圖像識(shí)別知識(shí)，通過上傳數(shù)據(jù)即可獲得模型。

學(xué)習(xí)任務(wù)單：任務(wù)單和設(shè)計(jì)表幫助學(xué)生更好地了解課堂任務(wù)并更好地完成。

項(xiàng)目式教學(xué)里核心素養(yǎng)的培養(yǎng)

在項(xiàng)目的設(shè)計(jì)及實(shí)踐中，我們結(jié)合真實(shí)情景，在整個(gè)課程項(xiàng)目開展的過程中落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

（1）信息意識(shí)。本單元的設(shè)計(jì)來源于垃圾分類、環(huán)保話題，基于一個(gè)真實(shí)問題。學(xué)生在整個(gè)過程中了解人工智能的新進(jìn)展，并能適當(dāng)用在學(xué)習(xí)生活中。培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、思考方法、主動(dòng)獲取知識(shí)、運(yùn)用信息技術(shù)解決問題的習(xí)慣，形成用信息技術(shù)解決問題的思維模式，培養(yǎng)信息意識(shí)。

（2）計(jì)算思維。整個(gè)項(xiàng)目本質(zhì)是一個(gè)大問題：如何運(yùn)用信息技術(shù)提高垃圾分類效率。在教師的引導(dǎo)下，將大問題分解為三個(gè)子任務(wù)，分別從能識(shí)圖、能聽懂、能回復(fù)三個(gè)角度運(yùn)用技術(shù)的力量助力垃圾分類。在項(xiàng)目中學(xué)生自然地學(xué)習(xí)了人工智能三大領(lǐng)域的知識(shí)，并運(yùn)用知識(shí)解決了實(shí)際問題。從界定問題、抽象建模、組織知識(shí)、運(yùn)用合理的算法形成解決方案的過程中，訓(xùn)練了計(jì)算思維。

（3）數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新。項(xiàng)目學(xué)習(xí)的開展，離不開學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、協(xié)作分享。本單元的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)開展，運(yùn)用了多種在線工具，幫助學(xué)生體驗(yàn)探究。我們還引入了項(xiàng)目管理平臺(tái)，教師能發(fā)布任務(wù)，小組成員能實(shí)時(shí)完成并提交，同時(shí)學(xué)生還能在班級(jí)圈里實(shí)時(shí)發(fā)布小組的進(jìn)度，方便組間互動(dòng)。在此過程中，學(xué)生能借助工具有效地管理學(xué)習(xí)過程與學(xué)習(xí)資源，創(chuàng)造性地解決問題，培養(yǎng)了其數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新的能力。

（4）信息社會(huì)責(zé)任。除了承載知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生綜合素養(yǎng)之外，本單元的項(xiàng)目還起到了責(zé)任感培養(yǎng)的目的。垃圾分類、環(huán)保一直都是社會(huì)熱點(diǎn)，與人類美好生活息息相關(guān)，通過本項(xiàng)目的實(shí)踐，增強(qiáng)了學(xué)生利用智能技術(shù)服務(wù)人類發(fā)展的責(zé)任感，培養(yǎng)了他們的信息社會(huì)責(zé)任感。

本文以“AI 助力垃圾分類”項(xiàng)目的實(shí)踐為例，探索如何在人工智能相關(guān)課程中以項(xiàng)目式教學(xué)的方式落實(shí)課程內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)。本課程項(xiàng)目分為三個(gè)子任務(wù)，分別涉及人工智能的三大領(lǐng)域知識(shí);活動(dòng)形式生動(dòng)有趣且貼近現(xiàn)實(shí)生活;課程資源豐富，皆為在線資源，成本低且效果好;整個(gè)項(xiàng)目以評(píng)價(jià)量規(guī)輔助，進(jìn)行了基于課堂表現(xiàn)的過程性評(píng)價(jià)，輔助學(xué)生整個(gè)項(xiàng)目學(xué)習(xí)過程。

項(xiàng)目基于真實(shí)問題，統(tǒng)整學(xué)科內(nèi)、學(xué)科間的知識(shí)內(nèi)容，并在豐富的體驗(yàn)和探究活動(dòng)中，調(diào)動(dòng)學(xué)生自我學(xué)習(xí)熱情，讓學(xué)生在深度思考、積極探索實(shí)踐過程中，習(xí)得知識(shí)、提升綜合素養(yǎng)。實(shí)現(xiàn)了教學(xué)實(shí)踐中的情景化、統(tǒng)整化、活動(dòng)化、深度化，以達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的最終目標(biāo)。

作者單位：北京市十一學(xué)校