基于人工智能課程教學(xué)提升初中生數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新素養(yǎng)

【摘要】人工智能的發(fā)展，有利于數(shù)字化學(xué)習(xí)工具的教育應(yīng)用。以培養(yǎng)數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新素養(yǎng)為目標(biāo)進(jìn)行人工智能課程設(shè)計(jì)與教學(xué)，凸顯了人工智能時(shí)代學(xué)習(xí)工具的特色。本文結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，以“AI天工造物”一課為例，嘗試構(gòu)建項(xiàng)目式教學(xué)模式，提升學(xué)生的數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新素養(yǎng)，探討數(shù)字化學(xué)習(xí)工具評(píng)價(jià)在學(xué)校教學(xué)中的應(yīng)用策略?！娟P(guān)鍵詞】人工智能；項(xiàng)目式學(xué)習(xí)；數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新；數(shù)字化學(xué)習(xí)工具人工智能技術(shù)的發(fā)展呈現(xiàn)出數(shù)據(jù)規(guī)模增加、計(jì)算能力增強(qiáng)和行業(yè)應(yīng)用能力提升等顯著特征[1]。人工智能技術(shù)支撐下的教育生態(tài)，學(xué)生的學(xué)習(xí)邁向個(gè)性化，教師開(kāi)展精準(zhǔn)化教學(xué)，學(xué)校實(shí)現(xiàn)智能化管理。教師利用數(shù)字化工具更好地推動(dòng)初中生的數(shù)字化學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在體驗(yàn)中理解人工智能原理[2]；根據(jù)學(xué)生特點(diǎn)開(kāi)展有趣味的人工智能項(xiàng)目式教學(xué)課程，以賽促學(xué)，設(shè)計(jì)創(chuàng)新性數(shù)字化作品，在解決問(wèn)題的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生人工智能學(xué)科素養(yǎng)。學(xué)生通過(guò)本學(xué)科學(xué)習(xí)之后，逐步形成人工智能關(guān)鍵能力、必備品格與價(jià)值觀念，并將人工智能技術(shù)遷移到生活中以解決實(shí)際問(wèn)題。人工智能課程教學(xué)思路人工智能課程教學(xué)概念通常界定為以人工智能作為學(xué)習(xí)內(nèi)容，體驗(yàn)技術(shù)，并對(duì)技術(shù)應(yīng)用蘊(yùn)含的原理、創(chuàng)新方法進(jìn)行學(xué)習(xí)，借助課程配套的實(shí)驗(yàn)裝備，驗(yàn)證測(cè)試原理并進(jìn)行創(chuàng)新性的應(yīng)用，通過(guò)機(jī)器自動(dòng)對(duì)信息采集、分析、處理、執(zhí)行的一系列過(guò)程模擬真實(shí)場(chǎng)景問(wèn)題的實(shí)踐性課程。在初中階段開(kāi)設(shè)人工智能課程，借助人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)，打造一個(gè)智能化教育生態(tài)，通過(guò)線上和線下相結(jié)合的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)人工智能時(shí)代的教育教學(xué)創(chuàng)新。1.基于項(xiàng)目的課程教學(xué)何謂初中生數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新素養(yǎng)？在初中階段，學(xué)生通過(guò)選用合適的數(shù)字設(shè)備、平臺(tái)和資源，有效地管理學(xué)習(xí)過(guò)程和學(xué)習(xí)資源，開(kāi)展基于項(xiàng)目式的探究性學(xué)習(xí)，創(chuàng)造性解決真實(shí)問(wèn)題，從而培養(yǎng)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力（圖1）。學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中積極參與創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，理解和內(nèi)化知識(shí)技能，體驗(yàn)創(chuàng)新的艱辛和成功的樂(lè)趣，注重的是項(xiàng)目完成過(guò)程，而不是最終的結(jié)果。圖1

項(xiàng)目式教學(xué)思維導(dǎo)圖根據(jù)教學(xué)需求，筆者選擇AI編程，設(shè)計(jì)思路如圖2所示。從課標(biāo)到教材，從內(nèi)容到方法，這樣的設(shè)計(jì)能讓學(xué)生擁有更為廣闊的探究空間。圖2

“AI天工造物”課設(shè)計(jì)思路2．注重學(xué)生數(shù)字化學(xué)習(xí)真實(shí)體驗(yàn)人工智能課程教學(xué)為學(xué)生數(shù)字化學(xué)習(xí)提供了新視角，根據(jù)學(xué)生體驗(yàn)的深度從下而上分為本能層、行為層、反思層三個(gè)層次（圖3）。感官體驗(yàn)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，數(shù)字化學(xué)習(xí)資源助力學(xué)生體驗(yàn)資源的交互、生成等智能化功能，提高學(xué)生的數(shù)字化學(xué)習(xí)素養(yǎng)。符合學(xué)生從淺層次外在感知逐步走向深層次情感認(rèn)同的認(rèn)知規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生從個(gè)性化發(fā)展到情感價(jià)值觀塑造。圖3

智能時(shí)代數(shù)字化學(xué)習(xí)資源的學(xué)生體驗(yàn)?zāi)Ｐ?.提倡多元評(píng)價(jià)教師利用問(wèn)卷星、騰訊文檔在線收集、UMU互動(dòng)、Storyline等搭建多維度、多主體參與的多元評(píng)價(jià)方式[3]，鼓勵(lì)學(xué)生將項(xiàng)目活動(dòng)中編寫(xiě)好的程序截圖或拍攝視頻后提交；指導(dǎo)學(xué)生錄制作品視頻時(shí)選擇容易操作的錄頻軟件，如全能錄屏助手、迅捷屏幕錄像等軟件，確保視頻畫(huà)面穩(wěn)定，用通俗易懂的語(yǔ)言介紹作品功能，展示亮點(diǎn)。多元評(píng)價(jià)采取幾種評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式。（1）自評(píng)。側(cè)重分析小組成員的評(píng)價(jià)策略，如何對(duì)項(xiàng)目頭腦風(fēng)暴，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)主題活動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新，如何分工，如何解決問(wèn)題等，量化對(duì)比找差距。（2）互評(píng)。要求團(tuán)隊(duì)成員按照組長(zhǎng)分工，查看和點(diǎn)評(píng)他組作業(yè)至少6份。從信息意識(shí)、計(jì)算思維、小組協(xié)作、數(shù)字化創(chuàng)新等方面進(jìn)行多維度評(píng)價(jià)。學(xué)生通過(guò)數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺(tái)查看其他小組上傳的數(shù)字化作品，充分發(fā)揮自主及合作能力，關(guān)注作品設(shè)計(jì)亮點(diǎn)，提升運(yùn)用數(shù)字化資源與工具解決生活中實(shí)際問(wèn)題的綜合能力。（3）師評(píng)。教師評(píng)價(jià)既要從學(xué)生信息意識(shí)和計(jì)算思維課程設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，還要從學(xué)生數(shù)字化作品的創(chuàng)作和整合能力等方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，分析存在的不足及需繼續(xù)完善的方向。人工智能賦能課堂精準(zhǔn)化教學(xué)如何借助數(shù)字化學(xué)習(xí)創(chuàng)造性地解決問(wèn)題？通過(guò)人工智能課程的教學(xué)實(shí)踐，筆者選擇適合項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的環(huán)境、創(chuàng)意、活動(dòng)、交流的教學(xué)模式，學(xué)生能夠積極主動(dòng)地運(yùn)用數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)與創(chuàng)新活動(dòng)。在活動(dòng)過(guò)程中，學(xué)生專注知識(shí)創(chuàng)新和實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，提升數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新素養(yǎng)。教學(xué)環(huán)節(jié)以人工智能項(xiàng)目式教學(xué)“AI天工造物之食品分類”為例來(lái)說(shuō)明。1.創(chuàng)真實(shí)情境教師視頻導(dǎo)入：冬奧會(huì)冰雪之旅，“冰雪精靈”賽車在賽場(chǎng)上按照比賽路線依次抵達(dá)檢錄區(qū)，錄入人臉信息；抵達(dá)休息區(qū)，識(shí)別食品；抵達(dá)比賽區(qū)，比賽計(jì)時(shí)，完成頒獎(jiǎng)；最終抵達(dá)終點(diǎn)，完成冰雪旅程。學(xué)生看完視頻后，教師設(shè)問(wèn)：如何幫助“冰雪精靈”賽車在2分鐘內(nèi)按照既定路線完成各個(gè)賽區(qū)的任務(wù)呢？如果你能提前完成，每提前1秒加1分。本項(xiàng)目以學(xué)生幫助冰雪精靈賽車完成比賽作為驅(qū)動(dòng)，開(kāi)展真實(shí)情境的學(xué)習(xí)活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神和創(chuàng)新意識(shí)，進(jìn)而解決實(shí)際問(wèn)題。2.分析問(wèn)題，設(shè)計(jì)方案教師引導(dǎo)學(xué)生使用人工智能實(shí)驗(yàn)教具——FuturisticAI小車的基本應(yīng)用，對(duì)AI小車形成感性認(rèn)識(shí)，根據(jù)賽區(qū)完成的任務(wù)需求，建模并設(shè)計(jì)“冰雪精靈賽車”的創(chuàng)意雛形（圖4）。本階段是AI知識(shí)、技巧掌握的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，學(xué)生分析問(wèn)題特征，教師幫助學(xué)生在數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺(tái)上合理地甄別學(xué)習(xí)資源，拓寬視野，引導(dǎo)學(xué)生有效地解決問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化學(xué)習(xí)。圖4

學(xué)生設(shè)計(jì)的賽車雛形3.引導(dǎo)解惑，活動(dòng)驗(yàn)證教師請(qǐng)學(xué)生觀察賽車前進(jìn)時(shí)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)方向是怎樣的？接著示范編寫(xiě)前進(jìn)的程序，學(xué)生編寫(xiě)后退程序。教師指導(dǎo)學(xué)生小組協(xié)作探究小車轉(zhuǎn)向的幾種方式，編寫(xiě)程序測(cè)試不同轉(zhuǎn)向方式的效果，用時(shí)最短優(yōu)先選擇。學(xué)生用履帶、編碼電機(jī)及手動(dòng)遙控程序，在起點(diǎn)、檢錄區(qū)、休息區(qū)、比賽區(qū)、終點(diǎn)的路程中，控制機(jī)器人移動(dòng)；用超聲波傳感器和測(cè)距程序在檢錄區(qū)測(cè)量機(jī)器到目標(biāo)的距離，并語(yǔ)音合成播報(bào)和顯示。教師拋出問(wèn)題：食品分類識(shí)別的奧秘是什么呢？學(xué)生只需要打開(kāi)攝像頭并拍下方塊上的文字就可以識(shí)別食物的種類。學(xué)生用攝像頭、人臉識(shí)別程序、印刷數(shù)字文字識(shí)別程序，在檢錄區(qū)、休息區(qū)和比賽區(qū)，分別進(jìn)行人臉?shù)浫搿⑷四樕矸蒡?yàn)證、數(shù)字識(shí)別、文字識(shí)別。本活動(dòng)中，學(xué)生編寫(xiě)分類程序，建立一個(gè)訓(xùn)練模型，將類似的詞分別輸入兩個(gè)框中，然后進(jìn)行“模型訓(xùn)練”，在大數(shù)據(jù)庫(kù)，訓(xùn)練模型時(shí)就從數(shù)據(jù)庫(kù)中找到同類的并分配。這樣一來(lái)，在運(yùn)行時(shí)就可以隨意調(diào)用這些數(shù)據(jù)并分類。4．拓展交流，概念轉(zhuǎn)化教師提問(wèn)：在日常訓(xùn)練中也會(huì)出現(xiàn)識(shí)別錯(cuò)誤的現(xiàn)象，那么這又是為什么呢？（縱向拓展）學(xué)生各抒己見(jiàn)，如攝像頭拍攝方塊上的食物文字，方塊上的字與其他類別的食品名字相似度太高，如蘋果、蘋果汁，我們?cè)谀Ｐ陀?xùn)練時(shí)盡可能多地輸入詳細(xì)的詞條，避免失誤。學(xué)生經(jīng)過(guò)思考提出優(yōu)化解決方案：事先建立分類模型，再新建三個(gè)模型，在每一個(gè)模型中，首先通過(guò)輸入文本，輸入十個(gè)以上的文字?jǐn)?shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行人工分類；之后讓計(jì)算機(jī)根據(jù)這些數(shù)據(jù)的相關(guān)特點(diǎn)建立模型，對(duì)于每一種模型，先根據(jù)第一個(gè)數(shù)據(jù)建立模型，再結(jié)合后面的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行矯正，最后形成一個(gè)相對(duì)準(zhǔn)確的模型。每一類建立一個(gè)模型，然后進(jìn)行模型訓(xùn)練，訓(xùn)練出準(zhǔn)確的模型，再通過(guò)攝像機(jī)將圖像識(shí)別成文字，拍攝識(shí)別文字，將錄入的文字與這些模型進(jìn)行對(duì)比，選擇相似度最高的一個(gè)模型進(jìn)行模型分類，最終確定分類結(jié)果。如輸入火龍果，則輸出結(jié)果為水果，這樣完成食品分類。在新的情境活動(dòng)中，教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)發(fā)現(xiàn)的新問(wèn)題進(jìn)行矯正，訓(xùn)練準(zhǔn)確模型，進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)模型建立，從而優(yōu)化方案，提升了數(shù)字化創(chuàng)新能力。學(xué)生在交流拓展中深化新知識(shí)和內(nèi)容，在挑戰(zhàn)中體驗(yàn)成就感?；陧?xiàng)目式的教學(xué)模式，從問(wèn)題情境、興趣引入、活動(dòng)組織、活動(dòng)評(píng)價(jià)、問(wèn)題解決這些環(huán)節(jié)既相對(duì)獨(dú)立，又緊密聯(lián)系，組成了人工智能課程教學(xué)的閉環(huán)。其蘊(yùn)藏著由淺入深培養(yǎng)學(xué)生問(wèn)題探究能力的教學(xué)理念，從深刻理解原理到逐級(jí)探索創(chuàng)新，培養(yǎng)學(xué)生由概念轉(zhuǎn)變到知識(shí)體系建構(gòu)的人工智能數(shù)字化創(chuàng)新思維提升能力。人工智能課程教學(xué)反思1.項(xiàng)目式教學(xué)激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新欲在項(xiàng)目式教學(xué)實(shí)踐中，教師要將生活中人工智能應(yīng)用的事物和現(xiàn)象融入課程，拓展并豐富中學(xué)階段人工智能課程教學(xué)目標(biāo)和內(nèi)容向更深層次的發(fā)展。同時(shí)，教師在課程中應(yīng)用相關(guān)人工智能硬件和成熟的智慧課堂系統(tǒng)，降低對(duì)學(xué)生人工智能知識(shí)儲(chǔ)備要求，更有益于教師普及性教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的探索欲望。2.巧用教具助力培養(yǎng)學(xué)生高階思維教師選擇適合學(xué)生的人工智能實(shí)驗(yàn)教具，根據(jù)問(wèn)題需求，搭建集功能性和個(gè)性化于一體的模型，如學(xué)生可以通過(guò)AI圖形化的方式實(shí)現(xiàn)程序功能，降低他們文本編程對(duì)編程能力的要求，從而將更多的注意力和精力投入到體驗(yàn)和實(shí)踐人工智能作品創(chuàng)作上，力圖發(fā)展學(xué)生的數(shù)字化學(xué)習(xí)能力。教師要注重從學(xué)生問(wèn)題解決能力、創(chuàng)