融入設(shè)計(jì)思維和跨學(xué)科理念的人工智能課程設(shè)計(jì)與實(shí)踐

姜冰倩 尹君慧 華東師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)系

人工智能技術(shù)作為新一輪技術(shù)和產(chǎn)業(yè)革命的重要驅(qū)動(dòng)力，正在深刻改變社會(huì)的生產(chǎn)、生活及學(xué)習(xí)方式。在我國(guó)以創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)高質(zhì)量社會(huì)發(fā)展的國(guó)家建設(shè)戰(zhàn)略指導(dǎo)下，在中小學(xué)開(kāi)設(shè)人工智能教育、提升青少年智能素養(yǎng)，成為普及公民數(shù)字化勝任力、儲(chǔ)備創(chuàng)新型人才的重要內(nèi)容。作為融入數(shù)字社會(huì)的新興技術(shù)，人工智能技術(shù)涉及物理、數(shù)學(xué)、信息科學(xué)、認(rèn)知心理學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，是跨學(xué)科學(xué)習(xí)開(kāi)展的重要內(nèi)容平臺(tái)。但當(dāng)前的中小學(xué)人工智能課程，存在將教學(xué)窄化為編程教育、缺乏與實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景結(jié)合等問(wèn)題，無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)對(duì)人工智能技術(shù)理解與智能素養(yǎng)的形成，為學(xué)生建構(gòu)有意義的學(xué)習(xí)。因此，筆者嘗試在人工智能課程中引入設(shè)計(jì)思維方法，以配合智能硬件開(kāi)發(fā)的真實(shí)項(xiàng)目為載體，引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展有目的的實(shí)踐和探究，促進(jìn)核心素養(yǎng)的形成與發(fā)展。

●設(shè)計(jì)思維與跨學(xué)科理念支持下的人工智能教學(xué)

1.跨學(xué)科學(xué)習(xí)促進(jìn)有效人工智能學(xué)習(xí)的產(chǎn)生

跨學(xué)科學(xué)習(xí)融合多學(xué)科知識(shí)與方法，指向真實(shí)的生活情境與問(wèn)題，是一種建構(gòu)有意義學(xué)習(xí)、實(shí)現(xiàn)素養(yǎng)導(dǎo)向教學(xué)的有效學(xué)習(xí)方式。人工智能本身就涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，跨學(xué)科學(xué)習(xí)能夠使學(xué)生更全面地理解人工智能的本質(zhì)和應(yīng)用。同時(shí)，由于智能技術(shù)與數(shù)字社會(huì)的高度融合，所指向的學(xué)習(xí)問(wèn)題往往真實(shí)且復(fù)雜，無(wú)法通過(guò)孤立的知識(shí)或技能予以解決。因此，在中小學(xué)人工智能教學(xué)中引入跨學(xué)科的教學(xué)理念，從真實(shí)的智能技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景中生成具體的跨學(xué)科問(wèn)題，從而進(jìn)一步凝練人工智能學(xué)習(xí)問(wèn)題，既符合人工智能學(xué)科特點(diǎn)及其深度滲透社會(huì)生活的技術(shù)特點(diǎn)，又能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)有效、持續(xù)學(xué)習(xí)探究的產(chǎn)生。

2.設(shè)計(jì)思維深化人工智能學(xué)習(xí)的開(kāi)展

設(shè)計(jì)思維是一種解決工程、技術(shù)設(shè)計(jì)中復(fù)雜問(wèn)題的創(chuàng)新性方法，以實(shí)踐為導(dǎo)向，將問(wèn)題進(jìn)行分階段的定義和設(shè)計(jì)解決，具有較好的普適性、包容性，被眾多教育者作為一種教學(xué)策略整合在人工智能、創(chuàng)客等具有跨學(xué)科和技術(shù)融合特征的課程教學(xué)中。設(shè)計(jì)思維能夠支持學(xué)生進(jìn)行學(xué)科整合的設(shè)計(jì)研究，關(guān)注指向具體需求的問(wèn)題解決，在此過(guò)程中學(xué)生能夠找到自身知識(shí)技能短板，提高認(rèn)知能力和決策能力，同時(shí)也可以體會(huì)作品設(shè)計(jì)中的樂(lè)趣，激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，發(fā)展創(chuàng)造力、溝通協(xié)作能力與問(wèn)題解決能力。

●融入設(shè)計(jì)思維與跨學(xué)科理念的人工智能教學(xué)模式設(shè)計(jì)

EDIPT模型是當(dāng)前教育領(lǐng)域使用最為廣泛的一種設(shè)計(jì)思維模型，由斯坦福大學(xué)提出，包括共情、定義、構(gòu)思、原型、測(cè)試五個(gè)步驟，以“劣構(gòu)問(wèn)題”為起點(diǎn)，貫穿“主體性活動(dòng)”。在設(shè)計(jì)問(wèn)題的解決過(guò)程中，設(shè)計(jì)者綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，學(xué)會(huì)共情、思考、創(chuàng)想、修正原型制品，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)知識(shí)遷移和知識(shí)創(chuàng)新，其核心強(qiáng)調(diào)問(wèn)題解決過(guò)程中的循環(huán)迭代。而跨學(xué)科學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)真實(shí)情境和問(wèn)題的構(gòu)建，在此基礎(chǔ)上生成具體的跨學(xué)科問(wèn)題，進(jìn)一步凝練分析具體的學(xué)科問(wèn)題，從而逐步推進(jìn)學(xué)習(xí)問(wèn)題的解決和學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成。

基于此，融入設(shè)計(jì)思維和跨學(xué)科理念的人工智能教學(xué)，可以以指向具體問(wèn)題或任務(wù)解決的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)為驅(qū)動(dòng)，以學(xué)生為中心，引導(dǎo)學(xué)生從真實(shí)的項(xiàng)目中學(xué)會(huì)識(shí)別有價(jià)值的問(wèn)題，與學(xué)科知識(shí)相結(jié)合，發(fā)展學(xué)生提出問(wèn)題及分析問(wèn)題的能力。通過(guò)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和合作探究，尋找并設(shè)計(jì)問(wèn)題解決方案，在完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)與制作的實(shí)踐過(guò)程中應(yīng)用并深化所學(xué)知識(shí)技能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)高通路遷移，同時(shí)提升學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。以此為指導(dǎo)構(gòu)建的教學(xué)模式如下圖所示。

融入設(shè)計(jì)思維和跨學(xué)科理念的人工智能教學(xué)模式

●設(shè)計(jì)思維和跨學(xué)科理念支持下的人工智能課程設(shè)計(jì)與實(shí)施

基于設(shè)計(jì)思維與跨學(xué)科理念，筆者結(jié)合《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》的“人工智能初步”與“開(kāi)源硬件項(xiàng)目設(shè)計(jì)”模塊中關(guān)于人工智能技術(shù)及應(yīng)用場(chǎng)景剖析、人工智能應(yīng)用模塊搭建、開(kāi)源硬件作品設(shè)計(jì)與制作等內(nèi)容要求，設(shè)計(jì)了《智能垃圾桶設(shè)計(jì)與制作》人工智能課程，引導(dǎo)學(xué)生以小組為單位開(kāi)展創(chuàng)意設(shè)計(jì)和學(xué)習(xí)實(shí)踐。

1.共情—真實(shí)情境及問(wèn)題下的需求分析

共情是設(shè)計(jì)思維的第一個(gè)環(huán)節(jié)，也是教學(xué)環(huán)節(jié)的起點(diǎn)。此階段應(yīng)以真實(shí)情境及問(wèn)題作為課程導(dǎo)入，需要學(xué)生由學(xué)習(xí)者的視角轉(zhuǎn)向真實(shí)的用戶使用視角，從實(shí)際需求的角度分析學(xué)習(xí)任務(wù)、設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)制品。共情環(huán)節(jié)可以使學(xué)生快速進(jìn)入問(wèn)題解決的思維過(guò)程，同時(shí)激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)持續(xù)學(xué)習(xí)的產(chǎn)生。

《智能垃圾桶設(shè)計(jì)與制作》課程選擇了垃圾分類(lèi)這一與學(xué)生日常生活密切相關(guān)的真實(shí)情境，并從垃圾分類(lèi)投放過(guò)程中存在的諸多問(wèn)題入手，引起學(xué)生的“共情”。在此教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師以明確具體的問(wèn)題解決需求為目的，通過(guò)頭腦風(fēng)暴的形式引發(fā)學(xué)生討論，使學(xué)生從自身生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，思考垃圾分類(lèi)投放中存在的問(wèn)題，如不清楚垃圾分類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)、垃圾桶容量太小、濕垃圾投放不便等，為后續(xù)課程中確定學(xué)習(xí)問(wèn)題、設(shè)計(jì)與制作學(xué)習(xí)制品等做準(zhǔn)備。

2.定義—人工智能關(guān)鍵問(wèn)題的定義與提取

定義階段包括對(duì)課程中所要解決具體問(wèn)題的明確界定，以及對(duì)其中所包含關(guān)鍵問(wèn)題的設(shè)計(jì)與分析。學(xué)生基于“共情”思考發(fā)現(xiàn)的實(shí)際問(wèn)題往往是復(fù)雜的、多元的，需要多學(xué)科的知識(shí)方法協(xié)同解決。在此階段，教師需要根據(jù)課程的教學(xué)目標(biāo)對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步的凝練和設(shè)計(jì)，明確界定在人工智能課堂教學(xué)中所需解決的關(guān)鍵問(wèn)題，從而使教學(xué)始終圍繞課程的核心內(nèi)容開(kāi)展。

經(jīng)過(guò)頭腦風(fēng)暴環(huán)節(jié)后的智能垃圾桶需求分析，通常會(huì)呈現(xiàn)多樣化的功能構(gòu)想，如干濕垃圾語(yǔ)音識(shí)別、自動(dòng)開(kāi)蓋、容量報(bào)警、自動(dòng)行走、自動(dòng)傾倒等，但從需求構(gòu)想到原型設(shè)計(jì)、功能實(shí)現(xiàn)往往存在一定的差距，或超出學(xué)生認(rèn)知水平，或與人工智能教學(xué)內(nèi)容脫離，無(wú)法在課堂環(huán)境中實(shí)現(xiàn)?；诖?，教師需要在教學(xué)中提供必要的學(xué)習(xí)干預(yù)，在諸多功能需求的基礎(chǔ)上幫助學(xué)生梳理出具有共性的、聚焦課程教學(xué)目標(biāo)的內(nèi)容，形成課程所需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。在本課程的授課中，教師結(jié)合學(xué)生的能力達(dá)成情況，總結(jié)整理各小組提出的共性問(wèn)題—智能垃圾桶的自動(dòng)開(kāi)蓋及容量報(bào)警功能作為課程所需解決的關(guān)鍵問(wèn)題，開(kāi)展人工智能及相關(guān)內(nèi)容學(xué)習(xí)及項(xiàng)目設(shè)計(jì)推進(jìn)。

3.構(gòu)思—問(wèn)題解決方案的設(shè)計(jì)與構(gòu)想

在確定所需解決的關(guān)鍵問(wèn)題后，需要構(gòu)想可能的問(wèn)題解決方案，并通過(guò)對(duì)比分析選擇最佳解決方案。此過(guò)程引導(dǎo)學(xué)生從問(wèn)題設(shè)計(jì)解決的角度，對(duì)所需完成的任務(wù)開(kāi)展學(xué)習(xí)探究，設(shè)計(jì)可行的技術(shù)路線，并應(yīng)用所學(xué)知識(shí)對(duì)不同技術(shù)路線的可行性進(jìn)行分析、類(lèi)比、抽象等?！皹?gòu)思”是一個(gè)對(duì)知識(shí)與技術(shù)方法整合應(yīng)用的環(huán)節(jié)，既需要學(xué)生能夠準(zhǔn)確理解并合理應(yīng)用所學(xué)知識(shí)方法，建立已有認(rèn)知之間的關(guān)聯(lián)，也需要調(diào)用高階認(rèn)知策略對(duì)項(xiàng)目方案進(jìn)行綜合評(píng)估，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維、批判性思維以及設(shè)計(jì)規(guī)劃能力、溝通協(xié)作能力等，是從跨學(xué)科問(wèn)題轉(zhuǎn)向具體問(wèn)題解決的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

在實(shí)現(xiàn)智能垃圾桶功能設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)探究中，教師會(huì)以“為了解決××關(guān)鍵問(wèn)題，你們小組需要使用××技術(shù)設(shè)計(jì)××”等問(wèn)題支架，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)思智能垃圾桶具體功能可能的實(shí)現(xiàn)方案，再次明確核心學(xué)習(xí)問(wèn)題。例如，為了解決垃圾桶自動(dòng)開(kāi)蓋的功能，除了掌握舵機(jī)的正確使用方法外，還需選擇合適的判斷條件：可以采用語(yǔ)音識(shí)別功能，調(diào)用人工智能算法中的語(yǔ)音識(shí)別模塊實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵字的識(shí)別控制；或使用熱運(yùn)動(dòng)傳感器，感應(yīng)有人靠近時(shí)實(shí)現(xiàn)垃圾桶的自動(dòng)開(kāi)合?；诮處煹膯?wèn)題引導(dǎo)與自己的方案設(shè)計(jì)，學(xué)生需要對(duì)不同的問(wèn)題解決方案從功能分析、創(chuàng)新點(diǎn)、可行性等角度進(jìn)行綜合對(duì)比，從而確定智能垃圾桶功能實(shí)現(xiàn)的最佳技術(shù)方案。

4.原型—技術(shù)融合的學(xué)習(xí)制品設(shè)計(jì)與構(gòu)建

原型階段包括原型設(shè)計(jì)和原型構(gòu)建兩個(gè)主要環(huán)節(jié)，此過(guò)程不僅是對(duì)人工智能學(xué)習(xí)中具體學(xué)習(xí)任務(wù)的設(shè)計(jì)落實(shí)，同時(shí)也是建構(gòu)學(xué)生對(duì)人工智能知識(shí)、技術(shù)、技能綜合應(yīng)用的認(rèn)知過(guò)程。在原型設(shè)計(jì)與構(gòu)建階段，學(xué)生在具體的學(xué)習(xí)制品設(shè)計(jì)與構(gòu)建過(guò)程中展開(kāi)探索，通過(guò)完成表現(xiàn)性學(xué)習(xí)任務(wù)產(chǎn)生深度學(xué)習(xí)。這是對(duì)人工智能學(xué)習(xí)內(nèi)容及問(wèn)題解決方法的實(shí)踐，能夠有效促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

在智能垃圾桶原型的設(shè)計(jì)與制作過(guò)程中，需要綜合應(yīng)用人工智能、開(kāi)源硬件相關(guān)的知識(shí)技能。首先，各小組在確定智能垃圾桶的設(shè)計(jì)方案后，要通過(guò)繪制草圖明確智能垃圾桶的外觀造型；其次，明確功能設(shè)計(jì)所需的材料清單及構(gòu)建流程，通過(guò)流程圖的形式梳理智能垃圾桶的工作過(guò)程，確定每一個(gè)功能實(shí)現(xiàn)所需選用的智能硬件及配合的代碼編寫(xiě)，并規(guī)劃完成外觀制作的技術(shù)條件；最后，學(xué)生分工合作，完成智能垃圾桶外觀設(shè)計(jì)，利用3D打印或激光切割技術(shù)完成桶身制作，同時(shí)將控制垃圾桶開(kāi)合、感應(yīng)等相關(guān)功能的傳感器、控制器、執(zhí)行器合理地放置于制作的垃圾桶外殼上，并完成相應(yīng)的控制代碼編寫(xiě)。

5.測(cè)試—學(xué)習(xí)制品的功能測(cè)試與迭代優(yōu)化

測(cè)試環(huán)節(jié)不僅包括對(duì)制品功能的測(cè)試，還包括在測(cè)試完成后的評(píng)估及迭代優(yōu)化。此環(huán)節(jié)與原型設(shè)計(jì)構(gòu)建環(huán)節(jié)是螺旋交叉的，在原型設(shè)計(jì)與制作過(guò)程中，需要進(jìn)行反復(fù)測(cè)試、改進(jìn)、完善，以產(chǎn)出最終的學(xué)習(xí)作品。此環(huán)節(jié)能夠有效提升學(xué)生對(duì)問(wèn)題的解釋分析能力和實(shí)施驗(yàn)證能力，是從人工智能學(xué)習(xí)問(wèn)題解決向真實(shí)場(chǎng)景中智能技術(shù)應(yīng)用的遷移。

在實(shí)際教學(xué)中，智能垃圾桶的測(cè)試環(huán)節(jié)是學(xué)生對(duì)小組學(xué)習(xí)成果檢驗(yàn)及反思的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。一方面，需要對(duì)智能垃圾桶的造型進(jìn)行測(cè)試，如桶身結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定、傳感器放置是否合理、連桿部位能否順利實(shí)現(xiàn)垃圾桶開(kāi)合等；另一方面，需要檢測(cè)預(yù)設(shè)功能的達(dá)成情況，如人工智能算法調(diào)用是否正確、程序編寫(xiě)邏輯是否合理等。此過(guò)程學(xué)生需要對(duì)遇到的問(wèn)題進(jìn)行調(diào)整與迭代，這是完整學(xué)習(xí)制品的輸出與反思總結(jié)。同時(shí)，測(cè)試完成后的作品展示與分享交流，也是重要的教學(xué)組成部分。在課程實(shí)施過(guò)程中，筆者設(shè)計(jì)了明確的智能垃圾桶評(píng)價(jià)方案，包括智能垃圾桶設(shè)計(jì)的美觀性、實(shí)用性、創(chuàng)新性，并強(qiáng)調(diào)了對(duì)功能實(shí)現(xiàn)多樣性、技術(shù)路線合理性、程序算法準(zhǔn)確性等人工智能技術(shù)方面的評(píng)價(jià)要素，指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展小組自評(píng)與組間互評(píng)。通過(guò)展示交流及評(píng)價(jià)活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)人工智能項(xiàng)目設(shè)計(jì)制作中所學(xué)習(xí)的知識(shí)與技能進(jìn)行總結(jié)，了解他人觀點(diǎn)，拓展設(shè)計(jì)思路，并對(duì)本小組作品設(shè)計(jì)進(jìn)行反思，從“共情”角度進(jìn)一步考慮項(xiàng)目可能的迭代優(yōu)化方案，發(fā)展學(xué)生的批判性思維，形成設(shè)計(jì)思維閉環(huán)。

●思考與總結(jié)

在中小學(xué)逐步推廣實(shí)施人工智能教學(xué)的當(dāng)下，教師應(yīng)嘗試探索新的教學(xué)理念，豐富教學(xué)模式，以真實(shí)的學(xué)習(xí)問(wèn)題促進(jìn)學(xué)生有意義學(xué)習(xí)的產(chǎn)生，從而真正培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用智能技術(shù)適應(yīng)智能社會(huì)的能力。本課程的設(shè)計(jì)嘗試解決當(dāng)前人工智能教學(xué)過(guò)分關(guān)注人工智能技術(shù)算法本身、以抽象理論或編程教學(xué)為主、缺乏學(xué)科核心實(shí)踐等問(wèn)題，在中學(xué)的教學(xué)實(shí)踐中獲得了積極的反饋。在設(shè)計(jì)思維支持下，通過(guò)真實(shí)場(chǎng)景中的項(xiàng)目化作品創(chuàng)作實(shí)踐，有效提高了學(xué)生的人工智能技術(shù)應(yīng)用能力，學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度、完成度與作品創(chuàng)新性較高，驗(yàn)證了此模式在人工智能教學(xué)中的有效性。后續(xù)研究將應(yīng)用該模式進(jìn)行行動(dòng)研究，在實(shí)踐中不斷調(diào)整完善，進(jìn)一步推進(jìn)中小學(xué)人工智能教學(xué)的開(kāi)展，促進(jìn)數(shù)字社會(huì)青少年智能素養(yǎng)培養(yǎng)。