曹燕華 謝忠新

上海市浦東教育發(fā)展研究院 上海 200135

隨著大數(shù)據(jù)和云計算技術(shù)的快速發(fā)展，人工智能已成為新一輪工業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)突破口。在國家政策和課程標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動下［1］，各地中小學(xué)紛紛開始人工智能教育的實踐探索。目前，上海市中小學(xué)已經(jīng)開始開展人工智能課程教學(xué)實踐，為不同年級的學(xué)生開設(shè)合適的課程，并采購人工智能教育套件用于教學(xué)支持。然而，人工智能作為一門綜合性的學(xué)科，其教學(xué)實踐中仍然缺乏創(chuàng)新的教學(xué)方法和匹配教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)方式。為促進人工智能教育在中小學(xué)的高質(zhì)量實施，本研究創(chuàng)新性地構(gòu)建了中小學(xué)人工智能課程SCCS教學(xué)模式，并應(yīng)用于實際教學(xué)中。此模式旨在解決當(dāng)前人工智能教學(xué)面臨的困境，豐富教育教學(xué)方式，促進學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)與遷移能力的提升，從而為人工智能教育教學(xué)實踐提供有益的參考。

一、當(dāng)前人工智能教學(xué)存在的問題與挑戰(zhàn)

（一）學(xué)科基礎(chǔ)知識和核心概念缺乏明確性

作為一個新生領(lǐng)域，人工智能教育正處于迅速發(fā)展的階段。然而，在起步階段，教育者們迫切希望在課程標(biāo)準(zhǔn)、課程體系、教學(xué)內(nèi)容和課程設(shè)置等方面得到指導(dǎo)。當(dāng)前，小學(xué)和初中的人工智能課程標(biāo)準(zhǔn)尚未確立，課程內(nèi)容體系也尚未完善，這使得對人工智能的基礎(chǔ)知識、核心概念、關(guān)鍵技術(shù)等的明確定義變得困難。此外，在區(qū)域和學(xué)校實踐中，選擇合適的教材也是一個難題，通常需要自行定制教材以滿足實際教學(xué)的需求。

（二）采取傳統(tǒng)方式教學(xué)，教學(xué)模式固化

教師在人工智能學(xué)科教學(xué)中往往采用以講授為主的教學(xué)方法，主要對技術(shù)原理進行講解。然而，深度學(xué)習(xí)算法等人工智能的關(guān)鍵技術(shù)較為晦澀難懂，僅憑講授難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究能力［2］。而部分教師過于注重實踐體驗，忽略了相關(guān)方法、原理的講解。雖然這樣的教學(xué)方式使得課堂氛圍活躍開放，學(xué)生表現(xiàn)出一定的學(xué)習(xí)積極性，但由于缺乏對人工智能思想的深入理解，學(xué)生無法有效地培養(yǎng)自身發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，這樣一來也制約了學(xué)生計算思維的發(fā)展。

（三）過度關(guān)注知識技能，忽視遷移能力培養(yǎng)

在人工智能教學(xué)中，一部分教師過度注重人工智能理論和技術(shù)知識的傳授，對于學(xué)生遷移能力的培養(yǎng)卻缺乏足夠的關(guān)注。比如，在進行小學(xué)生Scratch 圖形編程和中學(xué)生Python 編程教學(xué)時，教師過于關(guān)注編程技巧的傳授，采用編程工具進行編程語言教育，卻忽視了系統(tǒng)教學(xué)過程和問題解決環(huán)節(jié)對學(xué)生遷移能力的培養(yǎng)。這樣，學(xué)生一旦離開了具體的編程任務(wù)和工具環(huán)境，就很難將所學(xué)的編程技能遷移到新的情境中，用來解決新的問題。

（四）缺乏有針對性的、多元化的教學(xué)評價

由于人工智能課程的教學(xué)內(nèi)容比較復(fù)雜和抽象，很多教師難以設(shè)計出有針對性的評價方案。他們往往采用傳統(tǒng)的考試和作業(yè)評分方法，無法全面評估學(xué)生的能力。同時，由于學(xué)生的學(xué)習(xí)方式和能力存在差異，單一的評估方式無法充分滿足學(xué)生的需求，更無法激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣。為了確保評價結(jié)果的真實性和準(zhǔn)確性，教師需要細(xì)心思索和探討，精心設(shè)計和規(guī)劃，不停地實踐、反思和修正教學(xué)評價，才能為學(xué)生提供有效的反饋和指導(dǎo)。

二、教學(xué)模式構(gòu)建

我們從問題分析中可以看出，隨著中小學(xué)人工智能教育的普及和深入開展，尋求合適的教學(xué)模式顯得尤為重要。然而，許多創(chuàng)新的教育模式雖然具有獨特性，卻未能充分吸納傳統(tǒng)教學(xué)模式的優(yōu)點。在互聯(lián)網(wǎng)與教育深度融合的背景下，美國瑪麗·桑塔格（Marie Sontag）博士提出了社會認(rèn)知雙聯(lián)通教學(xué)模式（Social and Cognitive-Connectedness Schemata，以下簡稱“SCCS 教學(xué)模式”）。該模式融合多種教學(xué)模式的優(yōu)勢，借鑒SOI 教學(xué)模式、4C/ID 教學(xué)模式、重視理解的課程設(shè)計模式和游戲教學(xué)模式的特點［3］，能夠提高教師的教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗。

（一）SCCS 教學(xué)模式的適用性

SCCS 教學(xué)模式以聯(lián)通主義［4］的學(xué)習(xí)原理為指導(dǎo)，強調(diào)學(xué)生利用技術(shù)輔助學(xué)習(xí)活動，通過選擇、組織和整理信息來理解并掌握知識，進而實現(xiàn)知識的構(gòu)建。在認(rèn)知聯(lián)通和社會聯(lián)通的雙重作用下，該模式推動學(xué)生的遷移能力和信息科技運用能力的提升。SCCS 教學(xué)模式在中小學(xué)人工智能教學(xué)中的適用性體現(xiàn)在以下幾個方面。

1.符合網(wǎng)絡(luò)時代學(xué)習(xí)者特征和學(xué)科內(nèi)容特點

在信息化時代，學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)環(huán)境及學(xué)習(xí)模式也應(yīng)時而變。由于人工智能課堂的靈活性和開放性，學(xué)生的求知欲和好奇心得到了更大的激發(fā)。在教學(xué)過程中，學(xué)生不再僅僅滿足于接受教師傳授的知識，而是尋求利用互聯(lián)網(wǎng)進行自我發(fā)現(xiàn)和學(xué)習(xí)。此外，由于中小學(xué)人工智能課程缺乏完整的內(nèi)容體系要求，學(xué)生在學(xué)習(xí)活動中經(jīng)常需要主動探索并發(fā)現(xiàn)自己所需的信息知識，以更好地完成知識構(gòu)建和促進有意義的學(xué)習(xí)發(fā)生。

在SCCS 教學(xué)模式中，學(xué)習(xí)者主動運用網(wǎng)絡(luò)來尋找和識別自身所需的知識信息，并將其與課堂學(xué)習(xí)緊密結(jié)合。這種教學(xué)模式既符合網(wǎng)絡(luò)時代學(xué)習(xí)者的需求特征，又解決了人工智能學(xué)科中基礎(chǔ)知識和核心概念難以明確界定的問題。

2.解決學(xué)生遷移應(yīng)用難的問題

學(xué)生對知識的理解深度和掌握程度是影響他們有效運用所學(xué)知識的關(guān)鍵因素。然而，由于人工智能課程內(nèi)容難度較大，而每個學(xué)生的認(rèn)知能力、學(xué)習(xí)風(fēng)格和先前經(jīng)驗都不同，使得他們在理解和掌握課程內(nèi)容方面存在較大差異，遷移應(yīng)用困難。

SCCS 教學(xué)模式以任務(wù)為導(dǎo)向，將任務(wù)劃分為不同的難易層級，幫助學(xué)生逐層理解并掌握知識。在該模式下，教師組織探究學(xué)習(xí)，利用多元化的評估手段提供及時反饋，幫助學(xué)生找出并彌補學(xué)習(xí)的空白。通過整個教學(xué)活動，學(xué)生逐漸深入掌握知識，發(fā)現(xiàn)并解決問題，根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況強化知識點的理解，提升應(yīng)用和遷移能力。

綜上，SCCS 教學(xué)模式在知識的獲取方法、課堂行為、評估手段和教學(xué)策略等方面與傳統(tǒng)的教學(xué)模式存在顯著的差異。SCCS 教學(xué)模式和傳統(tǒng)教學(xué)模式的對比如表1 所示。SCCS 教學(xué)模式充分應(yīng)用現(xiàn)代教育技術(shù)，使得課堂教學(xué)更具效率，從而達到更好的教學(xué)效果。

表1 SCCS 教學(xué)模式和傳統(tǒng)教學(xué)模式的對比

（二）中小學(xué)人工智能課程SCCS 教學(xué)模式構(gòu)建

本研究將SCCS 教學(xué)模式與中小學(xué)人工智能課程教學(xué)相結(jié)合，初步構(gòu)建了中小學(xué)人工智能課程SCCS 教學(xué)模式（圖1）。它通過網(wǎng)絡(luò)資源搜索、小組合作、師生交互等方式促進學(xué)生社會聯(lián)通能力的發(fā)展，并通過教學(xué)活動來深化學(xué)生對知識的理解和應(yīng)用，發(fā)展其認(rèn)知聯(lián)通能力。同時，它參考UbD 模式的“逆向設(shè)計”和“理解為先”教學(xué)理念［5］，每堂課初始明確教學(xué)目標(biāo)和預(yù)期學(xué)習(xí)成果，促進學(xué)生對知識的理解，為其在真實情境中運用和遷移知識奠定基礎(chǔ)；參考SOI 教學(xué)模式，強調(diào)學(xué)習(xí)過程的重要性，促進學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)資源的個體認(rèn)知加工，實現(xiàn)意義構(gòu)建；參考4C/ID 教學(xué)模式，以真實且逐層遞進的教學(xué)任務(wù)為核心，讓學(xué)生在實際情境中掌握并運用相關(guān)知識技能，并為學(xué)生提供及時有效的支持和指導(dǎo)，助力問題解決和任務(wù)達成［6］；參考游戲教學(xué)模式，將教學(xué)內(nèi)容以更為趣味化、游戲化的形式呈現(xiàn)，用寓教于樂的教學(xué)活動吸引學(xué)生，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)積極性，使其在實踐中運用知識，完成遷移。

圖1 中小學(xué)人工智能課程SCCS 教學(xué)模式

中小學(xué)人工智能課程SCCS 教學(xué)模式將教學(xué)活動劃分為六個階段，分別為準(zhǔn)備階段、導(dǎo)入階段、合作探究階段、教師指導(dǎo)階段、強化階段和反思總結(jié)階段。

一是準(zhǔn)備階段。教師呈現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，并制定適當(dāng)?shù)脑u估標(biāo)準(zhǔn)，以便讓學(xué)生在課程開始之前就清楚地了解自己所需達到的目標(biāo)和需要掌握的技能。

二是導(dǎo)入階段。教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)，創(chuàng)設(shè)問題情境、信息情境、生活情境等，使課堂教學(xué)更接近現(xiàn)實生活，并利用學(xué)生已有的經(jīng)驗體驗，激起他們的求知欲，吸引他們主動參與學(xué)習(xí)活動。

三是合作探究階段。教師按照知識的邏輯順序?qū)⒔虒W(xué)內(nèi)容呈現(xiàn)給學(xué)生，讓他們初步了解并在此基礎(chǔ)上搜索、篩選和匯聚相關(guān)學(xué)習(xí)資源，以建立新舊知識的連接。這樣通過幾輪的反復(fù)鍛煉，不斷強化學(xué)生對知識的理解，為實現(xiàn)知識遷移做好準(zhǔn)備。

四是教師指導(dǎo)階段。教師根據(jù)學(xué)生合作完成任務(wù)的情況，有針對性地講授重難點知識，協(xié)助學(xué)生深入理解和掌握知識。在此基礎(chǔ)上，通過鞏固復(fù)習(xí)，教師完成前期教學(xué)任務(wù)，持續(xù)深化學(xué)生對知識的理解，推動知識的建構(gòu)與轉(zhuǎn)化。

五是強化階段。通過強化練習(xí)，學(xué)生在練習(xí)中進一步彌補知識的不足，完善知識結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)知識的建構(gòu)和轉(zhuǎn)化，進而提高遷移能力。

六是反思總結(jié)階段。學(xué)生通過成果分享、問題和經(jīng)驗交流，鞏固本堂課所學(xué)內(nèi)容，并培養(yǎng)溝通能力和合作意識。教師則反思教學(xué)過程，為后續(xù)的教學(xué)改進提供參考。

三、實踐探索

本研究將SCCS 教學(xué)模式應(yīng)用到中小學(xué)人工智能教學(xué)活動中，設(shè)計了具體的教學(xué)案例。本文將以初中人工智能課程“抽象表現(xiàn)-如何用模型認(rèn)識世界”這一課為例，闡述該教學(xué)模式在中小學(xué)人工智能教學(xué)中的具體應(yīng)用。

（一）教學(xué)概述

“抽象表現(xiàn)-如何用模型認(rèn)識世界”這一課是學(xué)生在體驗了貓兔識別實驗項目后，對“機器學(xué)習(xí)”復(fù)雜抽象理論的進一步學(xué)習(xí)。本課的教學(xué)目標(biāo)包括：一是通過已知知識解釋新概念，完成“手勢識別”智能程序的創(chuàng)建和識別檢驗，進一步感受機器學(xué)習(xí)的應(yīng)用效果；二是探究“圖像集的內(nèi)容對機器學(xué)習(xí)效果的影響”，了解機器學(xué)習(xí)的基本原理；三是理解模型的概念，知道用模型解決現(xiàn)實問題，能從具體場景中抽象出具體的數(shù)學(xué)公式。本課以學(xué)生熟悉的真實情境引入教學(xué)，以任務(wù)和問題驅(qū)動教學(xué)實施。學(xué)生完成分類程序創(chuàng)建及識別檢驗、機器學(xué)習(xí)基本原理探究、模型概念理解三大任務(wù)，加深對機器學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容的理解，提升自身問題解決能力和應(yīng)用遷移能力。

（二）教學(xué)環(huán)節(jié)

1.評價導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)習(xí)

在準(zhǔn)備階段，教師將“抽象表現(xiàn)-如何用模型認(rèn)識世界”這一課的教學(xué)目標(biāo)和各環(huán)節(jié)任務(wù)、成果、評價標(biāo)準(zhǔn)公布于人工智能學(xué)習(xí)平臺，方便學(xué)生隨時查看。課前，學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，復(fù)習(xí)相關(guān)內(nèi)容，為實現(xiàn)手勢識別做好準(zhǔn)備。課中，學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)目標(biāo)，先進行合作探究，再跟隨教師的講授，鞏固學(xué)習(xí)手勢識別和模型的相關(guān)內(nèi)容。課后，學(xué)生進行拓展練習(xí)，對照教學(xué)目標(biāo)和評價標(biāo)準(zhǔn)，完成相應(yīng)的鞏固練習(xí)。

在教學(xué)活動中，教師創(chuàng)建了本課的主題學(xué)習(xí)自評表（表1），引導(dǎo)學(xué)生進行自我評估和學(xué)習(xí)經(jīng)驗的總結(jié)，并通過自我反思查漏補缺。此外，通過觀察學(xué)生的知識應(yīng)用和遷移情況、問題分析和問題解決情況，以及動手實踐情況，教師設(shè)計了主題學(xué)習(xí)的教師評估表（表2），對學(xué)生進行過程性評價。

表1 “抽象表現(xiàn)-如何用模型認(rèn)識世界”主題學(xué)習(xí)自評表

表2 “抽象表現(xiàn)-如何用模型認(rèn)識世界”主題學(xué)習(xí)教師評估表

2.創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)興趣

在導(dǎo)入階段，教師通過“石頭剪刀布”這一學(xué)生生活中常見的游戲情境，將“手勢識別”的課程內(nèi)容引入，使問題和學(xué)習(xí)目標(biāo)緊密相連，進而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。課堂上，教師提出問題：“你玩過石頭剪刀布的游戲嗎？”引發(fā)師生互動。隨后，教師再次提問：“如何讓計算機實現(xiàn)手勢識別？”幫助學(xué)生回憶貓兔識別機的實現(xiàn)過程，激活原有知識，從而為其在人工智能實驗平臺完成“手勢識別”智能程序做好鋪墊。

3.自主探究，交流合作

在合作探究階段，學(xué)生登錄人工智能實驗平臺，學(xué)習(xí)教師預(yù)設(shè)的“手勢識別”智能程序創(chuàng)建的相關(guān)知識，嘗試通過加載圖像集、特征提取、訓(xùn)練分類程序、測試新圖像四個步驟實現(xiàn)機器對三種手勢的區(qū)分，并使用攝像頭獲取手勢的照片，進行識別檢驗。接著，為探究“圖像集的內(nèi)容對機器學(xué)習(xí)效果的影響”，學(xué)生調(diào)整“手勢識別”數(shù)據(jù)集的圖片，進行實驗驗證，將幾張無關(guān)的手勢圖像放入“石頭、剪刀、布”的圖像集中，探究三種手勢識別率的變化。

對于探究過程中發(fā)現(xiàn)的問題，學(xué)生既可以開展合作交流，又可以通過搜索人工智能學(xué)習(xí)平臺中預(yù)設(shè)的學(xué)習(xí)內(nèi)容開展自主學(xué)習(xí)。教師則發(fā)揮主導(dǎo)作用，對學(xué)生進行啟發(fā)式教學(xué)，提供“支架式”支持［7］，確保探究活動的順利展開。

4.答疑解惑，指導(dǎo)學(xué)習(xí)

在教師指導(dǎo)階段，結(jié)合學(xué)生“手勢識別”智能程序合作探究的完成情況，教師講授重難點，引導(dǎo)學(xué)生進一步體會機器學(xué)習(xí)的本質(zhì)，并引出模型的概念與作用。隨后，教師開展個別化指導(dǎo)，以小組為單位，滿足群體的個性化需求，幫助學(xué)生鞏固知識、深化理解，促進知識的建構(gòu)與轉(zhuǎn)化。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生不斷修正自己的知識不足，完善自身的知識體系，并完成學(xué)習(xí)任務(wù)。

5.強化練習(xí)，完成遷移

在強化階段，教師布置分層任務(wù)，要求學(xué)生利用已學(xué)的知識，完成“訓(xùn)練機器學(xué)會區(qū)分指定的多個種類”的任務(wù)。學(xué)生在“頭腦風(fēng)暴”后，依據(jù)個人興趣進行創(chuàng)意實踐，搜索相關(guān)圖像集，并在人工智能實驗平臺上創(chuàng)建相應(yīng)的智能程序，完成分類程序訓(xùn)練和測試。在此過程中，教師通過引導(dǎo)學(xué)生將新知識不斷內(nèi)化吸收，啟發(fā)他們利用所學(xué)知識解決具有關(guān)聯(lián)性的新問題，從而促進新知識的遷移和運用。

6.總結(jié)評價，鞏固知識

在反思總結(jié)階段，學(xué)生分小組分享“訓(xùn)練機器學(xué)會區(qū)分指定的多個種類”實踐成果，交流編程過程中遇到的問題和解決方案。教師組織學(xué)生共同討論，并對整個教學(xué)活動和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進行評價。通過成果分享、問題和經(jīng)驗交流，學(xué)生鞏固了本堂課所學(xué)內(nèi)容，提升了溝通能力和合作意識。

四、總結(jié)與反思

在教育信息化背景下，將SCCS 教學(xué)模式與中小學(xué)的人工智能教學(xué)實踐相結(jié)合是一種全新的嘗試。從實踐效果來看，SCCS 教學(xué)模式在引導(dǎo)學(xué)生主動探究、培養(yǎng)創(chuàng)新思維與遷移能力方面具有一定的優(yōu)勢。首先，SCCS教學(xué)模式關(guān)注學(xué)生的認(rèn)知聯(lián)通和社會聯(lián)通能力，通過資源搜索、問題鏈引導(dǎo)、合作學(xué)習(xí)等方式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決問題的能力。其次，SCCS 教學(xué)模式強調(diào)逆向設(shè)計，從教學(xué)目標(biāo)出發(fā)，促進知識的深度理解和應(yīng)用，提高學(xué)生的遷移能力。最后，SCCS 教學(xué)模式的分層次任務(wù)設(shè)計更有助于教師達成教學(xué)目標(biāo)，它能夠滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，適應(yīng)其能力水平，使每個學(xué)生都能夠在探究過程中有所收獲。

盡管如此，SCCS 教學(xué)模式并不適用于所有年級的學(xué)生以及所有的人工智能課程內(nèi)容。該教學(xué)模式的應(yīng)用，對于學(xué)生搜集信息的能力、自主學(xué)習(xí)的能力有一定的要求。因此，教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生學(xué)情等因素理性地作出選擇，做到因“課”制宜，因“生”制宜。同時，考慮到SCCS 教學(xué)模式的具體執(zhí)行步驟，教師需要避免僵化地按步執(zhí)行，應(yīng)根據(jù)具體的教學(xué)情況進行靈活調(diào)整和變通。