基于核心素養(yǎng)的主題式人工智能課程實踐

付婷婷

教育部印發(fā)的《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》明確提出信息科技學(xué)科核心素養(yǎng)為：信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會責(zé)任。當(dāng)前學(xué)校信息科技及人工智能課程在教學(xué)內(nèi)容上以知識原理及體驗、技術(shù)學(xué)習(xí)為主，學(xué)生通過課程學(xué)會某一項具體的知識或技術(shù)，但將知識和技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用于解決實際問題的意識和能力的培養(yǎng)難以實現(xiàn)；教學(xué)以教師主導(dǎo)為主，學(xué)生缺乏主動性，這也不利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。

本研究通過設(shè)計以問題解決為導(dǎo)向的教學(xué)模式，為學(xué)生搭建學(xué)習(xí)的腳手架，讓學(xué)生自主把控學(xué)習(xí)進(jìn)度，學(xué)會問題分析及解決的過程和方法不僅僅是掌握知識與技術(shù)，更重要的是培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)。

以問題為導(dǎo)向的主題式課程設(shè)計

根據(jù)維果斯基最近發(fā)展區(qū)理論，以“發(fā)現(xiàn)問題、解決問題”為邏輯主線，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生分解抽象問題、通過設(shè)計算法解決問題的意識及能力素養(yǎng)，在問題解決的過程中培養(yǎng)學(xué)生不懼困難、勇于創(chuàng)新的品格。以問題為導(dǎo)向的人工智能特色課程教學(xué)內(nèi)容分為問題分析、基礎(chǔ)課程、主題課程、拓展課程四個環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)之間相互關(guān)聯(lián)、層層遞進(jìn)。

課程情境的選?。喊l(fā)現(xiàn)問題。問題的發(fā)現(xiàn)與解決方案的提出。學(xué)生利用頭腦風(fēng)暴法討論并提出校園中存在的問題，循序漸進(jìn)說明原因，直到回答“沒有好的理由”或直到一個新的障礙問題出現(xiàn)，從而明確不同校園情境中存在的問題，將問題分解成系列子問題，對每一個子問題提出解決方法，最終形成問題解決方案。

本環(huán)節(jié)從問題的發(fā)現(xiàn)、問題的分解到解決方案的提出，側(cè)重對學(xué)生將實際問題分解歸納、具體化為可操作解決方案的計算思維的培養(yǎng)，同時在問題解決的過程中，培養(yǎng)學(xué)生主動獲取信息及運(yùn)用創(chuàng)意想法解決實際問題的意識。

基礎(chǔ)課程：問題解決的工具。知識內(nèi)容的載體。將解決方案中的原理和技術(shù)抽離出來，對每一個子問題的解決方法以“要解決……問題、需要掌握……知識（技術(shù)、原理）”清單形式呈現(xiàn)，通過研討將清單按照相關(guān)性以及知識間的邏輯關(guān)系重新排列組合出教學(xué)內(nèi)容模塊，引導(dǎo)學(xué)生依次進(jìn)行自主探究學(xué)習(xí)。

教學(xué)的組織。本環(huán)節(jié)的教學(xué)聚焦解決問題的原理、方法和技術(shù)的學(xué)習(xí)，是基礎(chǔ)性課程，以學(xué)生自主探究為主，教師及小組成員指導(dǎo)為輔，每節(jié)課設(shè)計學(xué)案導(dǎo)引，同時提供完成任務(wù)的輔助微課、開發(fā)套件的使用說明書、相關(guān)的程序代碼，學(xué)生通過學(xué)案導(dǎo)引完成基礎(chǔ)內(nèi)容的學(xué)習(xí)。

本環(huán)節(jié)側(cè)重對學(xué)生數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，提高學(xué)生能夠準(zhǔn)確選取相應(yīng)的數(shù)字化工具的能力，并恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用數(shù)字化學(xué)習(xí)工具及獲取的資源自主完成學(xué)習(xí)。

主題課程：問題解決的方法與過程。教學(xué)的組織。本環(huán)節(jié)通過小組合作開展，教師提供小組分工任務(wù)表，學(xué)生通過討論認(rèn)領(lǐng)任務(wù)確認(rèn)分工，小組借助教師提供的微課、參考代碼及學(xué)案實現(xiàn)主題問題的解決。學(xué)案中提供邏輯框架支持，學(xué)生通過學(xué)案的引導(dǎo)，運(yùn)用所學(xué)基礎(chǔ)課程知識逐步實現(xiàn)解決方案的落實。

本環(huán)節(jié)通過問題解決的過程培養(yǎng)學(xué)生問題具體化、算法設(shè)計的計算思維，培養(yǎng)在解決方案實現(xiàn)的過程中不斷優(yōu)化的能力，培養(yǎng)學(xué)生有效管理學(xué)習(xí)過程與學(xué)習(xí)資源及合作探究的能力。

拓展課程：問題解決思維與方法的遷移。教學(xué)的組織。學(xué)生以小組為單位，選取校園場景中的一個新問題進(jìn)行分析，設(shè)計問題解決方案，運(yùn)用所學(xué)知識設(shè)計算法，模擬解決問題并具體落實問題的解決。此環(huán)節(jié)側(cè)重于對前期課程所學(xué)知識的遷移，以創(chuàng)新創(chuàng)作為主。

本環(huán)節(jié)學(xué)生通過合作探究解決校園場景中一個新問題，培養(yǎng)學(xué)生將所學(xué)到的分析問題、解決問題的過程與方法遷移應(yīng)用于解決生活中其他問題的計算思維能力和應(yīng)用技術(shù)解決生活實際問題的意識。

以問題為導(dǎo)向的智慧校園主題課程實踐

本研究在學(xué)校初中二年級開設(shè)實驗課程，學(xué)生學(xué)習(xí)一年的人工智能課程后，對人工智能的應(yīng)用、涉及的機(jī)器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)、算法、算力會有一定的了解，能夠讀懂簡單程序但不具備獨(dú)自編寫的能力。

學(xué)生通過頭腦風(fēng)暴分析校園場景存在的問題，討論確定智慧教室和智慧種植區(qū)，分別對兩個場景存在的問題進(jìn)行梳理，列出知識清單。教師根據(jù)知識邏輯關(guān)系重組學(xué)習(xí)資源，基礎(chǔ)課程階段由學(xué)生自主探究，完成知識及技術(shù)的學(xué)習(xí)。在智慧校園解決方案環(huán)節(jié)，學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識分析智慧教室及智慧種植區(qū)，科技創(chuàng)新環(huán)節(jié)學(xué)生分小組提出一個需解決的新問題，運(yùn)用所學(xué)知識設(shè)計解決方案，并實現(xiàn)問題的解決。

問題分析。教師提出：“在校園場景中，你覺得存在一些什么問題？能否運(yùn)用人工智能技術(shù)來優(yōu)化解決？”學(xué)生分小組頭腦風(fēng)暴討論出問題場景，將提出的問題列出，最后確定智慧教室和智慧勞動種植區(qū)作為學(xué)習(xí)主題，通過分析得出子問題及解決方案。

基礎(chǔ)課程實施。根據(jù)問題清單分析需要掌握的知識清單，將知識清單按照知識的邏輯關(guān)系分為人工智能的應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)、程序設(shè)計、人工智能技術(shù)原理與實踐四大模塊，針對性解決提出的問題。在教師及小組成員的指導(dǎo)幫助下，學(xué)生借助微課、學(xué)案進(jìn)行自主探究學(xué)習(xí)，掌握基礎(chǔ)知識及技術(shù)。

智慧校園主題課程實施。根據(jù)確定的問題，設(shè)計開發(fā)包含智慧教室及智慧勞動種植區(qū)兩個區(qū)域的實景沙盤，用于模擬問題場景，每個區(qū)域配置3個可編程人工智能控制器供學(xué)生實現(xiàn)相應(yīng)功能。主題課程共10課時，學(xué)生通過小組合作探究，依托教師提供的微課、學(xué)案、代碼等學(xué)習(xí)資源實現(xiàn)主題環(huán)境下的相應(yīng)功能，并對問題解決的過程進(jìn)行總結(jié)歸納、對解決方案提出優(yōu)化建議，小組分別展示本組作品，并提出本組的優(yōu)化建議方案。

智慧教室。智慧教室區(qū)域模擬真實教室場景，配置有可開關(guān)的門、燈帶、風(fēng)扇，課桌椅，裝有三個控制設(shè)備。學(xué)生通過小組合作探究，完成以下功能的實現(xiàn)：語音控制燈光、燈帶、風(fēng)扇及門的開關(guān)；實時自動檢測教室中學(xué)生人數(shù)并反饋考勤。智慧教室主題提供的學(xué)習(xí)資料包括引導(dǎo)任務(wù)開展的學(xué)案、如何操作設(shè)備、上傳代碼的微課、各個功能的實現(xiàn)原理微課、各功能的關(guān)鍵性代碼。

智慧勞動種植區(qū)。智慧勞動種植區(qū)設(shè)置有溫濕度傳感器、燈光傳感器、灌溉水箱、種植槽、加濕器水箱、灌溉水箱、控制設(shè)備。學(xué)生通過合作探究需完成以下功能：自動感應(yīng)燈光，控制燈光亮度及開關(guān)；自動感應(yīng)溫濕度，調(diào)整空氣中的濕度值；語音控制自動給植物澆水。智慧勞動種植主題課堂提供引導(dǎo)任務(wù)的學(xué)案、如何使用控制設(shè)備及上傳代碼微課、各個功能的實現(xiàn)原理微課、各個功能實現(xiàn)的關(guān)鍵性代碼。

小組合作完成兩個區(qū)域的任務(wù)后，學(xué)生對存在的問題進(jìn)行總結(jié)歸納、提出優(yōu)化解決方案，分小組展示本組的最終作品及優(yōu)化方案。

科技創(chuàng)新課程實施。經(jīng)過前期學(xué)習(xí)，學(xué)生初步掌握對生活中問題的分析、解決的一般過程與方法，同時學(xué)會解決問題的原理、技術(shù)?？萍紕?chuàng)新課程階段設(shè)置10課時，學(xué)生以小組為單位，選取智慧校園環(huán)境下存在的一個新問題，設(shè)計解決方案，并運(yùn)用數(shù)字化手段及技術(shù)解決問題，形成創(chuàng)新作品及方案，課程結(jié)束時以小組為單位展示作品及創(chuàng)新方案。本環(huán)節(jié)的課程側(cè)重于對學(xué)生問題解決思維的遷移能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

本研究以問題解決為主線，課程設(shè)計遵循發(fā)現(xiàn)問題、提出解決方案、掌握解決方法、解決問題、優(yōu)化解決方案、創(chuàng)新解決新問題的邏輯思路；教學(xué)開展以學(xué)生自主探究、合作探究為主，課堂為學(xué)生提供學(xué)習(xí)的支撐資源，側(cè)重培養(yǎng)學(xué)生計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新核心素養(yǎng)。通過智慧校園主題的實踐，學(xué)生在課堂中對學(xué)習(xí)進(jìn)度及資源選取自主性高、參與度高，最終養(yǎng)成了用技術(shù)解決生活實際問題的思維意識，培養(yǎng)了對實際問題進(jìn)行分析并解決的能力。

（本文系2023年廣州市青少年科技教育項目“基于智能化學(xué)校主題式人工智能課程的構(gòu)建”的研究成果，項目編號：KP市2023107）

責(zé)任編輯/楊亮亮