新課標(biāo)視域下義務(wù)教育階段人工智能課程主題式教學(xué)探索
——以“自然語言處理”為例

范 潔

(北京市大興區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校，北京，102600)

一、引言

2017年7月，《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》提出要把在中小學(xué)推行人工智能、普及人工智能知識作為推動我國人工智能發(fā)展的一項重要保障措施。[1]《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版 2020年修訂)》指出，《人工智能初步》作為選擇性必修模塊進(jìn)入高中課程內(nèi)容。[2]《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》(以下簡稱信息科技課程標(biāo)準(zhǔn))指出，人工智能成為義務(wù)教育信息科技課程知識體系中六條邏輯主線之一，“人工智能與智慧社會”設(shè)定為第四學(xué)段(七至九年級)的內(nèi)容模塊。[3]這些信息技術(shù)(信息科技)課程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步明確了在中小學(xué)開展人工智能教育的必要性。

在一系列國家政策和課程標(biāo)準(zhǔn)的指引下，人工智能教育在我國基礎(chǔ)教育領(lǐng)域被按下“加速鍵”，國內(nèi)教研單位、企業(yè)、學(xué)校和課外培訓(xùn)機構(gòu)相繼推出各具特色的人工智能課程。這些課程，在定位、內(nèi)容、開發(fā)思路和受眾群體上各有不同，極大地豐富了教學(xué)資源，加速了人工智能課程在中小學(xué)的落地實施。技術(shù)快速迭代發(fā)展，給人工智能課程教學(xué)帶來挑戰(zhàn)，如“學(xué)習(xí)人工智能讓學(xué)生獲得什么”“如何選擇適切的技術(shù)和學(xué)生感興趣的應(yīng)用場景”“怎樣更高效地組織教學(xué)”“哪種學(xué)習(xí)方式更適合學(xué)生”等問題需要研究解決。以人工智能知識為載體，培養(yǎng)學(xué)生計算思維能力，促進(jìn)學(xué)生數(shù)字素養(yǎng)與技能的提升是當(dāng)前義務(wù)教育階段人工智能教學(xué)實踐的應(yīng)然形態(tài)。

二、主題視角下的義務(wù)教育階段人工智能課程

作為當(dāng)前研究熱點，人工智能涉及計算機科學(xué)、控制論、信息論、神經(jīng)心理學(xué)、哲學(xué)及語言學(xué)等多個學(xué)科知識。結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知能力和水平，在義務(wù)教育階段開設(shè)人工智能課程側(cè)重普及教育，讓學(xué)生了解人工智能的基本知識、感受人工智能對人類社會的積極影響，培養(yǎng)學(xué)生成為適應(yīng)智能化社會的合格公民。[4]

主題是學(xué)生能夠主動參與的、有情境的復(fù)雜問題。[5]主題式教學(xué)是圍繞某一主題構(gòu)建學(xué)習(xí)單元，讓學(xué)生借助各種探究手段和活動及與主題相關(guān)的各類資源，使學(xué)生認(rèn)知發(fā)生遷移，提高其高階思維能力及主動探究精神的有效教學(xué)方式。[6]義務(wù)教育階段人工智能課程(以下簡稱人工智能課程)具有普及性和開放性，適合開展主題式教學(xué)。在主題統(tǒng)領(lǐng)下，結(jié)合真實情境多角度挖掘與主題相關(guān)的內(nèi)容，以問題探究和項目實踐為驅(qū)動，促進(jìn)學(xué)生在實踐中感悟和理解人工智能知識，拓展學(xué)生學(xué)習(xí)的廣度和深度。

信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)對中小學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能提出了具體學(xué)業(yè)要求，如表1所示。[3]從表述可以看出，人工智能在生活中的應(yīng)用是中小學(xué)生與智能社會連接的橋梁，也是展開人工智能課程主題式學(xué)習(xí)的優(yōu)質(zhì)載體。根據(jù)應(yīng)用來劃分教學(xué)主題，能有效地提高學(xué)生學(xué)習(xí)的代入感和興趣。學(xué)生從體驗應(yīng)用出發(fā)，感受人工智能的魅力；探究應(yīng)用背后的技術(shù)實現(xiàn)，了解人工智能的原理和方法；探討應(yīng)用給人類社會帶來的挑戰(zhàn)，提高信息意識，增強信息社會責(zé)任感。

表1 信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)中人工智能模塊學(xué)業(yè)要求

結(jié)合當(dāng)前主流的智能應(yīng)用，信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)人工智能技術(shù)的研究領(lǐng)域劃分，將教學(xué)主題設(shè)定為智能語音、計算機視覺、自然語言處理和機器學(xué)習(xí)。根據(jù)研究領(lǐng)域劃分主題，與學(xué)科知識的內(nèi)在邏輯一致，有利于學(xué)生在知識結(jié)構(gòu)化過程中實現(xiàn)自身學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。

三、人工智能課程主題式教學(xué)案例設(shè)計

參考信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容要求，本研究面向六、七年級學(xué)生開設(shè)人工智能課程，設(shè)計了四個主題：“智能語音”(六年級，8課時)，在信息科技課程中實施； “計算機視覺”“自然語言處理”和“機器學(xué)習(xí)”(七年級，共24課時)，在信息科技和校本課程中實施。每個主題聚焦一個技術(shù)研究的核心領(lǐng)域，以“應(yīng)用體驗—原理探究—項目實踐”為路徑展開學(xué)習(xí)活動，整體設(shè)計如表2所示。

表2 人工智能課程主題式教學(xué)整體設(shè)計

下面以“自然語言處理”主題為例，以信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)中提出的課程內(nèi)容和學(xué)業(yè)要求為依據(jù)，從分析主題學(xué)習(xí)內(nèi)容、設(shè)定教學(xué)目標(biāo)、設(shè)計學(xué)習(xí)任務(wù)、細(xì)化活動方案和評價學(xué)習(xí)效果五個方面探索如何開展主題式教學(xué)。

(一)梳理技術(shù)任務(wù)框架，分析主題學(xué)習(xí)內(nèi)容

從理論上說，人工智能可分為運算智能、感知智能、認(rèn)知智能和創(chuàng)造智能。[7]自然語言處理(Natural Language Processing，NLP)屬于認(rèn)知智能層次，被譽為人工智能皇冠上的明珠，主要研究人與計算機之間使用自然語言進(jìn)行溝通與交流的各種理論和方法。自然語言處理技術(shù)任務(wù)框架，如圖1所示。生活中常見的機器人客服、搜索引擎、在線翻譯、新聞自動寫作等都屬于自然語言處理技術(shù)的典型應(yīng)用。

圖1 自然語言處理技術(shù)任務(wù)框架

信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)指出，課程內(nèi)容應(yīng)同時注重科學(xué)原理與實踐應(yīng)用。[3]對應(yīng)自然語言處理技術(shù)的任務(wù)框架，“自然語言處理”主題的學(xué)習(xí)內(nèi)容聚焦在三個方面：體驗自然語言處理技術(shù)的應(yīng)用；了解基本概念、基本原理，探究基礎(chǔ)技術(shù)和核心技術(shù)的實現(xiàn)方法；運用技術(shù)解決生活中的實際問題。

(二)以學(xué)科核心素養(yǎng)為導(dǎo)向，設(shè)定主題教學(xué)目標(biāo)

主題教學(xué)目標(biāo)的設(shè)定建立在學(xué)科核心素養(yǎng)的特征和內(nèi)涵之上，且每個活動環(huán)節(jié)均有明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)和素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)。在“自然語言處理”主題中，主題教學(xué)目標(biāo)采用遞進(jìn)式設(shè)計，隨著體驗、探究和實踐相關(guān)活動的開展，逐步深化學(xué)生對原理的認(rèn)知，提升學(xué)生學(xué)科思維水平和運用信息科技手段解決實際問題的能力，如表3所示。

表3 “自然語言處理”主題教學(xué)目標(biāo)

續(xù)表

(三)以真實完整的任務(wù)為載體，設(shè)計學(xué)習(xí)任務(wù)群

以真實完整的任務(wù)為載體，設(shè)計特征多樣化、難度遞增的系列任務(wù)，并推動學(xué)習(xí)與評價的一體化，借助任務(wù)序列促進(jìn)學(xué)習(xí)的遷移。[8]圍繞“自然語言處理”主題，設(shè)計的學(xué)習(xí)任務(wù)群如圖2所示。

(四)分解學(xué)習(xí)任務(wù)，細(xì)化活動方案

以下給出“自然語言處理”主題下的一個學(xué)習(xí)活動案例——“機器翻譯”，如表4所示。

圖2 “自然語言處理”主題學(xué)習(xí)任務(wù)

表4 “機器翻譯”學(xué)習(xí)活動方案

(五)運用多元化評價方式，評價學(xué)習(xí)效果

在“自然語言處理”主題教學(xué)中，采用多元化方式評價學(xué)習(xí)效果。針對不同活動環(huán)節(jié)設(shè)計相應(yīng)的評價指標(biāo)，并開展自評、互評和師評，將形成性評價與總結(jié)性評價有機結(jié)合起來，如表5所示。

表5 “自然語言處理”主題評價量規(guī)

四、實踐中取得的成效

本研究選取了兩所九年一貫制學(xué)校的六、七年級學(xué)生展開教學(xué)實踐。在主題統(tǒng)領(lǐng)下，學(xué)生依托豐富的資源，在真實情境中進(jìn)行自主探究學(xué)習(xí)，完成了信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)“模塊9 人工智能與智能社會”的內(nèi)容要求和學(xué)業(yè)要求。實踐結(jié)果表明，主題式教學(xué)模式的應(yīng)用在人工智能課程教學(xué)中取得了一定的成效。

(一)促進(jìn)了學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成

信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)指出，應(yīng)使學(xué)生“初步具備應(yīng)用信息科技解決問題的能力，發(fā)展計算思維”[3]，而主題式教學(xué)具有實踐性、綜合性和開放性的特點，是發(fā)展學(xué)生解決問題能力的有效途徑。例如，“自然語言處理”主題實踐環(huán)節(jié)的“同聲翻譯機器人”項目，源于真實的生活情境，能有效地激發(fā)學(xué)生的興趣；實現(xiàn)“同聲翻譯”功能，需對問題進(jìn)行分解，轉(zhuǎn)化成“識別語音輸入的中文句子”“把中文句子翻譯成英語”“朗讀翻譯后生成的英語句子”三個子任務(wù)，再分別利用語音識別、機器翻譯和語音合成等人工智能技術(shù)實現(xiàn)。通過項目實踐，在問題解決過程中促進(jìn)學(xué)生計算思維品質(zhì)的提升。

(二)提升了學(xué)生自主構(gòu)建知識體系的能力

圍繞主題，把數(shù)據(jù)、算法、信息安全、系統(tǒng)等學(xué)科大概念投射到人工智能的應(yīng)用中，形成具象表達(dá)，促進(jìn)學(xué)生知識結(jié)構(gòu)化構(gòu)建。例如，在“自然語言處理”主題的體驗環(huán)節(jié)，通過對“在線翻譯”軟件的應(yīng)用和探究，學(xué)生對數(shù)據(jù)的認(rèn)知擴展到大數(shù)據(jù)，知道如何從數(shù)據(jù)中獲取知識，進(jìn)一步理解數(shù)據(jù)的作用與價值。

(三)幫助學(xué)生從多角度感知人工智能對學(xué)習(xí)和生活產(chǎn)生的積極影響

例如，在“自然語言處理”主題中體驗“作文自動批改”應(yīng)用，該應(yīng)用會提供批閱報告和修改建議，如提示作文中詞匯、語法、結(jié)構(gòu)等方面可能存在的問題，并提供參考例句，幫助學(xué)生提高作文寫作能力；通過對比機器與教師的批改結(jié)果，學(xué)生可以分析人工方法和人工智能方法處理相同問題的效果與效率，進(jìn)而認(rèn)識人工智能的特點、優(yōu)勢和能力邊界。

五、結(jié)語

信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)明確闡述了義務(wù)教育階段人工智能模塊的內(nèi)容要求和學(xué)業(yè)要求，為學(xué)校解決人工智能課程“學(xué)什么”和“學(xué)到什么程度”的問題提供了依據(jù)。在“舊教材——新課標(biāo)”的過渡期，探索主題式教學(xué)在人工智能課程中的應(yīng)用有助于落實新課標(biāo)理念，彰顯信息科技學(xué)科的育人價值。圍繞主題建構(gòu)學(xué)習(xí)單元，加強了人工智能知識與學(xué)生經(jīng)驗、社會實踐的聯(lián)系；通過“應(yīng)用體驗—原理探究—項目實踐”進(jìn)階式學(xué)習(xí)和多元化評價方式，提高了學(xué)生對人工智能的興趣和理解力，提升了學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。展望未來，主題式教學(xué)必將為教師組織學(xué)生開展跨學(xué)科學(xué)習(xí)起到積極的作用。