摘 要：尋求人工智能教學(xué)與現(xiàn)有課堂，特別是與信息技術(shù)課堂相融合的方式和方法，改革當前青少年人工智能教學(xué)模式，已成為培養(yǎng)計算思維及信息技術(shù)意識的共識性問題。針對人工智能教學(xué)過程中軟件和硬件依賴度高，實驗驗證與歸納過程復(fù)雜，以及在教學(xué)過程中面臨高綜合性問題難以建立有效的解決思路等問題，可構(gòu)建三種基于現(xiàn)有課堂的人工智能教學(xué)模式：資源型、實踐型和整合型。三種模式分別強調(diào)問題的推理、歸納及自動求解，從方法論上解決人、問題、計算之間的關(guān)系。以“走進人工智能”為主題，對三種教學(xué)模式進行實踐，收獲的課堂滿意度較高，證明該教學(xué)模式的有效性。

關(guān)鍵詞：人工智能;青少年;教學(xué)模式

中圖分類號：N42 文獻標識碼：A 文章編號：1004-8502（2022）02-0055-08

作者簡介：席菁，蘇州市教育科學(xué)研究院講師，研究方向為中小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)設(shè)計、教育評價。

一、引言

近年，借由大數(shù)據(jù)、云計算技術(shù)的強力推動，人工智能已成為新一輪工業(yè)革命級的技術(shù)創(chuàng)新爆發(fā)點。一個國家國民（特別是青少年）的信息素養(yǎng)正潛移默化地影響整個國家創(chuàng)新與發(fā)展的能力，也影響個體在社會中的生存機會和發(fā)展空間。為抓住人工智能發(fā)展的重大戰(zhàn)略機遇期，推進青少年人工智能教育，教育部于2017年印發(fā)《中小學(xué)綜合實踐活動課程指導(dǎo)綱要》，強調(diào)對大數(shù)據(jù)、人工智能、“互聯(lián)網(wǎng)+”等信息技術(shù)的合理利用。2019年初，教育部啟動義務(wù)教育課程修訂工作，建議根據(jù)需要將人工智能教育納入課程標準。江蘇省義務(wù)教育階段選用的信息技術(shù)教材也加入《人工智能初步》模塊，從課程綱要到教材內(nèi)容均對人工智能課程提出明確要求，不僅要滿足學(xué)生知識層面的需求，更應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生對科學(xué)技術(shù)的興趣和愛好，發(fā)展學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新精神[1]。結(jié)合時代需求，尋求適合青少年的人工智能教學(xué)模式迫在眉睫。

作為人工智能當前的使用者和未來的決策者，學(xué)生必須具備人工智能知識。目前，人工智能教育在青少年階段主要依托信息技術(shù)課程開展，由信息技術(shù)學(xué)科教師負責(zé)講授。技術(shù)準入的“高門檻”與青少年認知的“低水平”，人工智能專職教師的“高標準”與現(xiàn)實中普遍性的“低配置”，均成為制約人工智能教學(xué)發(fā)展的因素。因此，如何改革課程教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)模式，適應(yīng)智能化時代的需要，是近年來計算機領(lǐng)域和教育領(lǐng)域的重點研究內(nèi)容。

二、現(xiàn)有人工智能教學(xué)模式存在的問題

為健全人工智能技術(shù)的教育生態(tài)，契合國家層面的創(chuàng)新創(chuàng)造需求，更好地推進人工智能技術(shù)的教學(xué)與實踐，本文從不同角度出發(fā)，對教材、課程內(nèi)容與實踐、思維培養(yǎng)方式等進行具體分析。

（一）缺乏開展實踐教學(xué)的平臺

在課程研發(fā)方面，各地紛紛開展人工智能相關(guān)教材的編寫及應(yīng)用平臺建設(shè)，如《人工智能基礎(chǔ)（高中版）》[2]《中小學(xué)人工智能系列叢書》，以及眾多互聯(lián)網(wǎng)公司建設(shè)的AI（Artificial Intelligence）開放創(chuàng)新平臺等。現(xiàn)有教材及平臺建設(shè)在一定程度上打破了教師想教卻無教材的現(xiàn)狀，但人工智能教學(xué)受限于對各類軟件和硬件的高依賴性，與其他學(xué)科知識點的高度關(guān)聯(lián)性，以及平臺高度模塊化等因素，在一線教學(xué)中很難開展相應(yīng)的實踐教學(xué)。

（二）內(nèi)容過于單一，缺乏對應(yīng)性和個性化

在課程內(nèi)容設(shè)置和教學(xué)實踐方面，目前國內(nèi)青少年階段的人工智能課程多由一線教師和校外專業(yè)廠商共同研討制定，內(nèi)容主要局限在人工智能基本原理的科普上，主要依托信息技術(shù)課堂、社團、STEM與創(chuàng)客等特色形式開展。不少學(xué)校和區(qū)域也根據(jù)自身的實際情況，編寫了校本和區(qū)本教材，但基本以理論和簡單的硬件操作為主，相較“知”的教學(xué)活動，“情”“意”類的活動略顯單薄，道德倫理方面的內(nèi)容較欠缺，對人工智能的整體架構(gòu)、多個領(lǐng)域的劃分及相關(guān)知識沒有涉及。

（三）缺乏精準的計算思維方式的培養(yǎng)

在思維培養(yǎng)方面，目前大部分信息技術(shù)課堂“解決問題”的思路是結(jié)構(gòu)化和常規(guī)性的，與其他學(xué)科和日常生活中遇到的解決問題思路類似。如證明定理，屬于結(jié)構(gòu)化的問題;生活中遇到的大多是常規(guī)性問題，可通過再現(xiàn)性思維解決。人工智能解決的問題是非結(jié)構(gòu)化、非常規(guī)性的問題，如漢諾塔、過河問題等。對此類問題，需運用發(fā)散思維、創(chuàng)新思維尋找新的問題求解策略，然而，一線教學(xué)中缺乏對此類思維方式的培養(yǎng)[3]。

針對上述問題，本文將傳統(tǒng)的科學(xué)方法論引入教學(xué)與實踐，提出人工智能教育的三種教學(xué)模式，讓人工智能教育不再局限于對知識點的學(xué)習(xí)和對工具的操作使用。

三、基于科學(xué)研究方法論的人工智能教學(xué)模式初探

傳統(tǒng)課堂以“教”與“學(xué)”為核心傳授方式，并以知識的掌握作為唯一的課堂目標。這種課堂可被看作基于經(jīng)驗的課堂教學(xué)，講授者將過往形成的某種經(jīng)驗傳授給學(xué)生，在一定程度上，該過程忽視了學(xué)生學(xué)習(xí)過程的體驗與感受。人工智能課程的培養(yǎng)目標除要求學(xué)生理解并掌握各種“經(jīng)驗”，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生對非結(jié)構(gòu)化信息的梳理能力及創(chuàng)新能動意識。這要求人工智能課程更多地注重學(xué)生的體驗和收獲，在學(xué)習(xí)過程中逐漸形成創(chuàng)新思維。同時，在講解人工智能相關(guān)知識的基礎(chǔ)上，教學(xué)模式與方法應(yīng)強調(diào)教學(xué)活動的過程性和完整性[4]。

人工智能是一門高度交叉融合的課程，其本質(zhì)是利用人工智能技術(shù)促進基礎(chǔ)科學(xué)與工程技術(shù)的創(chuàng)新研究，涉及人工智能技術(shù)與各種應(yīng)用領(lǐng)域知識和技術(shù)的深度結(jié)合，如腦科學(xué)、智能交通、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的探索及深度應(yīng)用。

《江蘇省義務(wù)教育信息技術(shù)課程綱要（2017年修訂）》將人工智能課程的目標設(shè)定為“初步了解人工智能的基本概念及發(fā)展歷程，通過體驗及剖析生活中常見的人工智能系統(tǒng)應(yīng)用案例，感知人工智能技術(shù)的特點，初步了解人工智能的基本工作原理與過程，嘗試設(shè)計與實現(xiàn)簡單的人工智能系統(tǒng)”，并建議按照人工智能基礎(chǔ)、人工智能應(yīng)用與問題解決、人工智能技術(shù)發(fā)展三個模塊開展教學(xué);青少年階段人工智能教學(xué)可采用教師引導(dǎo)、學(xué)生為主體的項目式學(xué)習(xí)方式。結(jié)合培養(yǎng)目標及教學(xué)建議，本文在分析項目式學(xué)習(xí)方式的內(nèi)涵后給出三種適應(yīng)現(xiàn)階段人工智能課堂的教學(xué)模式。

（一）資源型教學(xué)模式

資源型教學(xué)模式通過提升學(xué)生的信息分析能力，培養(yǎng)學(xué)生的自我知識構(gòu)建能力，以適應(yīng)人工智能技術(shù)的高速發(fā)展。人工智能課程的教學(xué)內(nèi)容覆蓋人工智能基礎(chǔ)、算法、典型領(lǐng)域的應(yīng)用等多個教學(xué)模塊，需整合大量的知識點。資源型教學(xué)模式利用教師和網(wǎng)絡(luò)提供的豐富資源，讓學(xué)生對問題進行分析，在分析過程中獲取、提煉有價值的信息，并最終形成知識。在這種教學(xué)模式中，學(xué)生從知識的被動接收者變?yōu)橹R的主動加工者?；谫Y源型教學(xué)模式的教學(xué)過程一般為：幫助學(xué)生確定待解決的問題及目標，為學(xué)生提供本地資源與網(wǎng)絡(luò)資源，學(xué)生挑選信息進行分析、重組，形成問題解決方案，最后通過自評與互評調(diào)整方案、獲得新知。從方法論的視角看，資源型教學(xué)模式是通過理論思維的方式對問題進行分析，對過程進行推理，對知識進行建構(gòu)。

（二）經(jīng)驗型教學(xué)模式

經(jīng)驗型教學(xué)模式通過真實情境的構(gòu)建，幫助學(xué)生在解決實際問題的過程中形成自身經(jīng)驗，獲得新知識。人工智能系統(tǒng)可被用于生活中的多個領(lǐng)域，在講授過程中緊密聯(lián)系生活，讓學(xué)生認識到人工智能在信息社會的重要作用。經(jīng)驗型教學(xué)模式將經(jīng)驗分為直接經(jīng)驗和間接經(jīng)驗，從學(xué)生習(xí)得的知識轉(zhuǎn)化成的經(jīng)驗或?qū)W生的生活經(jīng)驗入手，讓學(xué)生調(diào)動自身的感官系統(tǒng)認識世界、感知世界，將活動課堂轉(zhuǎn)化為活力課堂?；诮?jīng)驗型教學(xué)模式的教學(xué)過程一般為：通過教學(xué)手段讓學(xué)生回憶既有經(jīng)驗以形成直接經(jīng)驗，幫助學(xué)生根據(jù)自身經(jīng)驗提煉問題，利用活動感知形成問題求解，最后總結(jié)問題求解過程，通過問題求解幫助學(xué)生形成新的經(jīng)驗。經(jīng)驗型教學(xué)模式結(jié)合方法論中的實驗理論，結(jié)合既有的、現(xiàn)實中的認知和經(jīng)驗，通過歸納的方式可有效提升學(xué)生的思維方式。

（三）整合型教學(xué)模式

整合型教學(xué)模式打破學(xué)科壁壘，利用各學(xué)科間知識的互通性，通過培養(yǎng)學(xué)生的建模思維，培養(yǎng)學(xué)生的知識整合能力。人工智能具有綜合性、跨學(xué)科性的學(xué)科本質(zhì)，講授過程中需融合多學(xué)科知識，教師要在各學(xué)科知識間找到平衡點，突出信息技術(shù)學(xué)科本質(zhì)，圍繞教學(xué)目標開展教學(xué)。整合型教學(xué)模式將培養(yǎng)學(xué)生的思維模式、綜合解決問題能力作為課程目標，通過觀察—抽象—分解—建?！獨w納的活動流程整合教學(xué)過程，通過從講授表象到講授表象背后的原理提升學(xué)生的信息素養(yǎng)?；谡闲徒虒W(xué)模式的教學(xué)過程一般為：通過真實案例的觀察分析，幫助學(xué)生學(xué)會分析案例，并結(jié)合自身知識儲備，對案例進行初步抽象后提出本學(xué)科相關(guān)問題，分解問題進行活動體驗，并幫助學(xué)生對問題進行建模，最后進行設(shè)計，完成再次抽象。

在三種教學(xué)模式中，我們采用探究式的教學(xué)方式，從發(fā)現(xiàn)問題開始，通過推理、歸納等思維方式，將解決問題作為最終目標，培養(yǎng)適應(yīng)智能時代，具有信息素養(yǎng)的合格公民。其他學(xué)科通常是從知識的講授到應(yīng)用能力的培養(yǎng)，以知識為載體，構(gòu)建學(xué)生的學(xué)科知識體系，這三種人工智能課堂的教學(xué)模式都以學(xué)生本體為基礎(chǔ)，以學(xué)生的思維培養(yǎng)為目標，不僅注重培養(yǎng)學(xué)生的人工智能通用問題思維方式和利用人工智能技術(shù)解決問題的能力，也注重倫理知識，客觀認識人工智能等一系列“人工智能時代原住民”情感知識的灌輸。其中，資源型教學(xué)模式重在培養(yǎng)學(xué)生的信息意識，主要依據(jù)理論思維的模式，更適于教學(xué)目標為人工智能基礎(chǔ)知識講解、通用問題解決等方面的課程;經(jīng)驗型教學(xué)模式更易于培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，主要依據(jù)實驗思維和計算思維的模式，通過問題求解形成經(jīng)驗，更適于教學(xué)目標為探究新概念、解決問題和實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)等方面的課程;整合型教學(xué)模式重在培養(yǎng)學(xué)生的信息素養(yǎng)，主要依據(jù)實驗思維的模式，通過類項目式的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的健全思維，這種教學(xué)模式適于對人工智能有一定了解的課程。

四、人工智能教學(xué)模式實踐

前文提到的三種教學(xué)模式適于不同人群和不同教學(xué)目標，其教學(xué)實施過程存在差異，如圖1所示。本文以“走進人工智能”為主題，嘗試實施三種教學(xué)模式，針對不同人群制定不同教學(xué)目標，并在課堂實施過程中獲得較好的教學(xué)效果。

（一）資源型教學(xué)模式

教學(xué)過程：在具體實踐過程中，選擇七年級的學(xué)生作為教學(xué)對象。教學(xué)目標為開拓學(xué)生科學(xué)視野，讓學(xué)生了解人工智能技術(shù)中的“模式識別”及“機器翻譯”概念，體會技術(shù)為生活帶來的便利，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。課堂從“疫情”入手，以“同心協(xié)力抗擊疫情”為目標，請學(xué)生搜尋在新冠肺炎疫情期間人工智能發(fā)揮的作用，從模式識別和機器翻譯兩個角度引導(dǎo)學(xué)生感受人工智能技術(shù)給生活帶來的變化。學(xué)生通過搜索相關(guān)信息了解人工智能的具體應(yīng)用場景，教師輔助學(xué)生總結(jié)，幫助學(xué)生從疫情態(tài)勢分析、線上教育、物資投遞、發(fā)熱檢測、物資保障調(diào)度、輔助診斷六方面歸納，讓學(xué)生理解什么是人工智能，并嘗試通過分析應(yīng)用，猜想“模式識別”和“機器翻譯”的學(xué)術(shù)概念。教師和學(xué)生一起探討學(xué)生給出的概念，分析概念涉及的關(guān)鍵詞，引導(dǎo)學(xué)生針對關(guān)鍵詞進行搜索并對相關(guān)信息進行技術(shù)層面的分析，進而總結(jié)“模式識別”和“機器翻譯”的概念，將知識內(nèi)化。最后，通過對人工智能未來的探討，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維。

教學(xué)評析：七年級學(xué)生已有4年信息技術(shù)學(xué)科知識經(jīng)驗，具備一定的信息素養(yǎng)，可以進行簡單的信息分析和總結(jié)。整堂教學(xué)課程以“抗擊疫情”作為主線，從應(yīng)用入手，通過感知應(yīng)用到探知應(yīng)用背后的技術(shù)，學(xué)生在教學(xué)過程中對應(yīng)用進行初步歸納，并根據(jù)老師的引導(dǎo)嘗試總結(jié)關(guān)于“模式識別”和“機器翻譯”的概念。在最后的探討環(huán)節(jié)，學(xué)生討論的廣度和深度基本達到本課的教學(xué)目標。

（二）經(jīng)驗型教學(xué)模式

教學(xué)過程：在具體實踐過程中，選擇的授課對象是五年級學(xué)生。教學(xué)目標為探究人工智能的相關(guān)知識，感受“人工智能”與“人”的智能之間的關(guān)聯(lián)。課堂從網(wǎng)絡(luò)搜索身邊的人工智能入手，使學(xué)生初步了解人工智能。利用活動“車牌識別”“聲紋識別”“小艾問答”幫助學(xué)生分別用眼、耳等感受和體會人工智能。讓學(xué)生將感受到的直接經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為人工智能的相關(guān)經(jīng)驗，最后通過“中英文古詩互譯”活動，讓學(xué)生體會人工智能與“人”的智能之間的區(qū)別，進一步完善新經(jīng)驗，最終形成學(xué)生本體對人工智能的個體認識。

教學(xué)評析：五年級學(xué)生對信息的感受源于身邊與人工智能相關(guān)的事物，整堂課以身邊的人工智能為載體，以“體驗”為主線，將“人工智能”與“人”進行類比分析，課堂教學(xué)過程幫助學(xué)生完成從已知經(jīng)驗向未知經(jīng)驗的轉(zhuǎn)變，直到形成獨特的自有經(jīng)驗。教學(xué)目標達成度高，人工智能的相關(guān)知識涉及面廣，但缺乏一定的目標呈現(xiàn)。

（三）整合型教學(xué)模式

教學(xué)過程：在實踐過程中選擇的教學(xué)對象是八年級學(xué)生。教學(xué)目標為以小動物識別系統(tǒng)為載體，探求人工智能中圖像識別的算法設(shè)計，以小見大，讓學(xué)生體會人工智能的本質(zhì)。學(xué)生通過大量實例初步抽象出人工智能的概念，以“百度的AI識別”活動，引出“貓狗識別”中需要解決的兩個問題：如何提高識別率;圖像如何識別。讓學(xué)生帶著問題體驗。通過“如何提高識別率”這一問題，讓學(xué)生從表象特征認識人工智能;通過“圖像如何識別”這一問題，幫助學(xué)生完成模式識別的數(shù)據(jù)建模。數(shù)學(xué)知識的引入幫助學(xué)生了解數(shù)據(jù)背后的算法，了解算法設(shè)計是人工智能的關(guān)鍵，突出學(xué)生計算思維的培養(yǎng)，完成從表象到表象背后原理的轉(zhuǎn)變。

教學(xué)評析：這堂課涉及人工智能中的圖像識別算法，學(xué)生應(yīng)具備一定的數(shù)學(xué)知識和圖像識別知識。八年級學(xué)生具備一定的數(shù)據(jù)建模思想，對卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理也大致了解。“貓狗識別”作為模式識別的入門級數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)規(guī)模不大，圖像特征易采集，輔助“百度AI識別”平臺，讓學(xué)生體驗?zāi)Ｊ阶R別的整個訓(xùn)練過程，理解人工智能的背后是大數(shù)據(jù)和算法的支撐，從表象背后的原理重新認識人工智能，理解人工智能是時代發(fā)展的產(chǎn)物，是多學(xué)科融合的產(chǎn)物。

為評估效果，本研究對學(xué)生進行問卷調(diào)查，從不同角度（如授課方式的接受程度、能否激發(fā)學(xué)生興趣、是否需要提高表達能力等方面）對教學(xué)模式進行考察，相關(guān)結(jié)果如表1所示。

從統(tǒng)計結(jié)果可知，三種教學(xué)模式授課方式的接受度[（贊成數(shù)+中立數(shù)）/總?cè)藬?shù)]都在98%以上，授課實例（實驗及示范）維度分別得到92%、98%及96%的滿意度（贊成數(shù)/總?cè)藬?shù)）。教學(xué)過程設(shè)置了復(fù)習(xí)與消化課堂內(nèi)容、師生互動、實踐小組的協(xié)作能力、啟發(fā)式教學(xué)四個維度，從教學(xué)互動、學(xué)生課堂反饋和教師教學(xué)方法等方面評測教學(xué)效果，同時根據(jù)人工智能課程的相關(guān)特點，增設(shè)對批判性思維能力維度的評價，主要描述學(xué)生在學(xué)習(xí)某知識點后，對該知識點的學(xué)習(xí)過程是否進行思考，對知識點的對立面是否有批判意識。授課后，同樣讓學(xué)生對該項進行初步評價，分別獲得91%、96.7%及92.1%的教學(xué)評估滿意度。綜合而言，本文提出的三種教學(xué)模式獲得較好的教學(xué)效果，但在課程實例及啟發(fā)式教學(xué)方面，如何提升批判性思維能力，提升學(xué)生主動獲取知識的能力，仍需改進與完善。

五、總結(jié)

本文根據(jù)青少年階段人工智能教學(xué)的特點，結(jié)合實際教學(xué)情況，給出適于不同教學(xué)內(nèi)容及教學(xué)目標的資源型、經(jīng)驗型和整合型三種教學(xué)模式，并在同一主題下，根據(jù)不同年級學(xué)生的基礎(chǔ)制定不同的教學(xué)目標，分別采用適應(yīng)其教學(xué)目標的教學(xué)模式開展課程，課堂效果反饋良好。其中，資源型教學(xué)模式建立在作為“信息社會原住民”的學(xué)生對信息的敏感度基礎(chǔ)上，信息獲取是現(xiàn)代社會學(xué)生急需掌握的一項技能，資源的選擇、教師的講解及學(xué)生自學(xué)的活動設(shè)計是課堂教學(xué)的重點;經(jīng)驗型教學(xué)模式從學(xué)生的既有經(jīng)驗出發(fā)，易在課堂上產(chǎn)生共鳴，從既有經(jīng)驗到新經(jīng)驗的實踐過程是課堂教學(xué)的重點及難點;整合型教學(xué)模式對學(xué)生和教師的知識廣度和深度有一定要求，活動的搭建是應(yīng)用與技術(shù)間的橋梁，貼近學(xué)生知識層面和情感層面的活動設(shè)計是課堂教學(xué)的難點。

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Discussion on the Teaching Modes of Artificial Intelligence in the Adolescent Stage

XI Jing

（Suzhou Institute of Educational Sciences）

Abstract： In the process of cultivating adolescents’ computational thinking and information technology awareness， it has become a consensus that we should seek ways and means of integrating artificial intelligence （AI） teaching with existing classrooms， especially with information technology classrooms， and reform the current AI teaching mode. In view of the high dependence on software and hardware in AI teaching， the complex process of experimental verification and induction， and the difficulty in establishing effective solutions to high comprehensive problems in the teaching process， this paper constructs three types of AI teaching modes used in the classrooms， which are resource-based， practice-based and integration-based. The three modes emphasize the reasoning， induction and automatic solution of problems respectively， and solve the relationship between people， problems and calculations methodologically. Finally， with the theme of “Walking into AI，” the three teaching modes are practiced in class which have obtained high recognition， very well proving their effectiveness.

Keywords： Artificial Intelligence; Adolescent; Teaching Mode