面向創(chuàng)新思維發(fā)展的初中人工智能課程設計

【摘 要】人工智能課程對培養(yǎng)初中生的創(chuàng)新思維有著較高的實踐價值，創(chuàng)新思維應成為人工智能課程設計的聚焦點。本文從需求分析、內(nèi)容設計、情境設計、過程設計和評價設計五個方面闡述初中人工智能課程的設計，并在此基礎上提出了具體的實施建議，通過“做中學”“用中學”和“創(chuàng)中學”培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，發(fā)展學生的創(chuàng)新思維。

【關鍵詞】創(chuàng)新思維；人工智能；課程設計

【中圖分類號】G434 【文獻標志碼】A

【論文編號】1671-7384（2024）07-048-03

創(chuàng)新思維與人工智能課程

1.創(chuàng)新思維及其教育現(xiàn)狀

創(chuàng)新思維，也被稱為“創(chuàng)造性思維”，是指能夠察覺問題并找出癥結，產(chǎn)生解決問題的新穎想法，最終傳達出結果的一種思維能力[1]。創(chuàng)新思維是人類最復雜、最高級的思維過程，是一切創(chuàng)造活動的源泉，是智力的核心，也是實踐創(chuàng)新的重要內(nèi)容。實踐創(chuàng)新是中國學生發(fā)展六大核心素養(yǎng)之一，在當今“惟創(chuàng)新者進，惟創(chuàng)新者強，惟創(chuàng)新者勝”之大變革時代，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是新時代立德樹人的關鍵[2]。目前，我國的教育系統(tǒng)仍存在著過度注重考試和機械化教育的問題，這可能會使學生在解決實際問題時缺乏創(chuàng)造力和創(chuàng)新精神。

2.初中人工智能課程的現(xiàn)實需求

2003年4月，我國教育部正式頒布了《普通高中技術課程標準（實驗）》，首次在信息技術科目中設立了“人工智能初步”選修模塊，這標志著我國高中人工智能課程的正式起步[3]。2017年，國務院印發(fā)了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，首次將人工智能發(fā)展上升到國家戰(zhàn)略層面，提出實施全民智能教育項目，要求在中小學設置人工智能相關課程。此后，教育部發(fā)布的《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020年修訂）》和《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》都將人工智能納入課程內(nèi)容，推進中小學人工智能教育的開展。

在初中階段，開設人工智能課程已成為一種現(xiàn)實需求，主要體現(xiàn)在以下三方面。第一，人工智能已成為發(fā)達國家K-12教育的必備內(nèi)容。如美國在K-CPib6KokNYd1jqGNi+vSww==12計算機科學課程標準中提出了開設人工智能課程[4]；新加坡推出了面向小學的“AI for Kids”（兒童人工智能）和面向中學的“AI for Students”（中學生人工智能）等計劃[5]。當今社會已進入人工智能時代，人才也在快速迭代轉型，新時代需要更多的人工智能人才。所以，亟須將人工智能課程納入中小學生的課程之中，為培養(yǎng)尖端人才做儲備。第二，隨著我國經(jīng)濟建設和基礎教育的逐步發(fā)展，中小學的計算機軟、硬件及網(wǎng)絡設施水平不斷提高，師資、教學材料和設施等方面水平持續(xù)提升，在初中開設人工智能課程的條件已具備。第三，人工智能課程的開設不僅關系到人才的培養(yǎng)，更關系到教育理念的發(fā)展、教與學活動方式的轉變、教師能力素養(yǎng)的提升，以及立德樹人根本任務的落實。

3.面向創(chuàng)新思維發(fā)展的初中人工智能課程設計可行性

創(chuàng)新思維是指以新穎獨創(chuàng)的方法解決問題的思維過程，通過這種思維能突破常規(guī)思維的界限，以超常規(guī)甚至反常規(guī)的方法、視角去思考問題，提出與眾不同的解決方案，從而產(chǎn)生新穎的、獨到的、有社會意義的思維成果[6]。值得關注的是，初中人工智能課程為學生創(chuàng)新思維的發(fā)展提供了新路徑。首先，從課程內(nèi)容來看，人工智能課程最底層是大數(shù)據(jù)、算法，這是實現(xiàn)各類人工智能技術的核心，包括傳統(tǒng)的機器學習、深度學習。第二層是感知，能聽會看，如語音識別、圖像識別、生物特征識別、文字識別等技術。最上層是創(chuàng)新、應用，開展人工智能項目，將理論應用于實踐。由此可以看出，人工智能課程內(nèi)容體現(xiàn)的是學生跨學科、跨領域綜合性的創(chuàng)新思維能力。其次，從教學方式來看，人工智能課程所涉及的大多是綜合性、創(chuàng)造性的活動，學生需要綜合運用知識，進行項目式設計或動手實踐來解決問題。而創(chuàng)新思維培養(yǎng)恰好強調(diào)的是問題求解、系統(tǒng)設計等項目式學習的活動方式，故人工智能課程的開展可為創(chuàng)新思維的發(fā)展提供支持。最后，從評價方面來看，創(chuàng)新思維培養(yǎng)和人工智能課程都指向“以學習者為中心”和“素養(yǎng)培養(yǎng)”，兩者都關注學生在項目式學習中的過程性表現(xiàn)以及學生發(fā)展的綜合性評價。綜上，教師通過設計初中人工智能課程培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維具有可行性。

發(fā)展創(chuàng)新思維的人工智能課程設計

當前，中學人工智能課程仍存在依托編程教育和機器人教育，注重學生編程技能的習得，而對學生思維能力的提升涉及較少的現(xiàn)象。創(chuàng)新思維作為現(xiàn)代學生必須具備的一種思維，應成為人工智能課程設計的聚焦點。

1.人工智能課程的需求分析

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》雖將人工智能納入課程內(nèi)容，但其開發(fā)主體仍是學校教師個體或團隊，而大多數(shù)教師之前并無相關活動設計的經(jīng)驗，因此，需求分析對于人工智能課程設計尤為關鍵。初中人工智能課程設計的需求分析應重點關注以下兩方面。一是分析學情，了解學生已經(jīng)具備的知識體系和基礎能力。由于人工智能課程涉及語音識別、圖像識別、生物特征識別、文字識別技術等應用創(chuàng)新，所以教師還要分析學生的創(chuàng)新思維能力和跨學科綜合能力水平。二是分析學習環(huán)境和設備。人工智能課程活動并非在傳統(tǒng)的教室中開展，其需要計算機、機器人、開源硬件、創(chuàng)客、物聯(lián)網(wǎng)等設備的支持。為此，設計人工智能課程還要分析其對智能化學習設備、技術創(chuàng)設情境等方面的需求。

2.人工智能課程的內(nèi)容設計

中小學人工智能課程受限于現(xiàn)有的教學環(huán)境與資源，因此要順利開展相關課程就需因地制宜，選擇合適的授課內(nèi)容。經(jīng)費充足的學校，可以考慮建設高端的人工智能實驗室以及開放的、先進的人工智能實驗平臺，讓學生沉浸在人工智能的應用場景中，充分感受人工智能的優(yōu)勢及不足；經(jīng)費不足的學校則可以利用學?，F(xiàn)有的創(chuàng)客實驗室或開源硬件，在原有基礎上引入人工智能軟、硬件模塊；沒有經(jīng)費的學校，教師也可以利用手機、網(wǎng)絡平臺搜索人工智能應用，讓學生觀摩、體驗其優(yōu)勢與不足。

3.人工智能課程的情境設計

設計和開展人工智能課程的目標是培養(yǎng)學生的人工智能素養(yǎng)和發(fā)展學生的創(chuàng)新思維。中小學人工智能課程具有很強的實踐性。在教學過程中，應把知識與技能的學習置于真實、生動的情境中，以任務驅(qū)動方式進行自主學習與合作探究。教師在整個項目實施過程中適時引導，并提供自主探究的學習支架與學習資源，助力學生進行項目開發(fā)和創(chuàng)新，并進行多方面的交流與評價。

4.人工智能課程的過程設計

初中人工智能課程的開展方式可以是基于問題的學習，也可以是基于項目的學習。教師應創(chuàng)設真實的情境，引導學生在真實的情境中自主學習、合作探究和分享交流，達成學習目標，在學習人工智能的過程中養(yǎng)成良好的學習習慣和學習能力。第一步，學生通過自主學習解決項目的基礎問題，發(fā)現(xiàn)存在的難點；第二步，學生通過小組合作探究，解決自主學習中出現(xiàn)的問題，突破項目的重難點；第三步，通過分享交流展示學習成果，分享該項目的收獲，評價項目成果。人工智能課程的過程設計應以教師為主導，以學生為主體，把“教師教”變?yōu)椤皩W生學”，拓展教學區(qū)域，提倡合作探究型學習，讓每位學生都能收獲學習的樂趣，既關注學生現(xiàn)實生活，又著眼于學生的長遠發(fā)展。學生學習人工智能的過程，實質(zhì)上是一種探究、選擇和創(chuàng)造的過程，也是學生的科學精神、創(chuàng)新思維乃至世界觀逐步形成的過程。

5.人工智能課程的評價設計

2020年10月，中共中央、國務院印發(fā)了《深化新時代教育評價改革總體方案》，指出教育評價事關新時代教育改革發(fā)展方向和高質(zhì)量教育體系建設，并提出了“改進結果評價，強化過程評價，探索增值評價，健全綜合評價”的總體方向。人工智能課程的評價應注重過程性、實踐性和發(fā)展性評價，促進學生全面健康發(fā)展。在教學實踐中，教師要構建多維評價體系。如利用教學網(wǎng)站或其他網(wǎng)絡平臺構建學生綜合評價體系，評價內(nèi)容包括回答問題、課堂展示、提出質(zhì)疑、項目展示、合作交流等。教師要給學生自評、互評與反思的機會，培養(yǎng)學生良好的項目記錄能力與習慣，讓學生在對自身及他人的活動評價和反思中不斷成長。評價設計中還可加入小組評價和教師評價等，讓學生逐步學會客觀地評價他人和正確地看待他人的評價。教師更要重點關注學生的創(chuàng)新思維、計算思維、編程能力和人機協(xié)同等人工智能素養(yǎng)水平，尤其是創(chuàng)新思維應重點考查。

初中人工智能課程設計建議

1.“做中學”建構知識，呼喚學生的創(chuàng)新意識

“做中學”是由美國實用主義哲學家、教育家約翰·杜威提出的，他認為，“從做中學”也就是“從活動中學”“從經(jīng)驗中學”?；凇白鲋袑W”的人工智能教育，教師需要為學生創(chuàng)設適合他們經(jīng)驗的活動主題，引導學生在動手實踐中完成任務，在實踐過程中思考解決問題的方法與策略，建構人工智能知識[7]。如在制作“智能垃圾分類”模型的過程中，學生在明確了垃圾分類的標準后，借助人工智能學習平臺采集數(shù)據(jù)，體驗機器進行垃圾識別的過程，完成模型訓練，最后再應用訓練的模型對垃圾進行識別，識別出可回收物、有害垃圾、廚余垃圾或其他垃圾。學生在“做中學”的過程中，了解機器學習的基本過程和方法，為后續(xù)深入學習相關內(nèi)容打下基礎。學生通過“做中學”，實現(xiàn)人工智能知識的構建，喚醒創(chuàng)新意識，以逐步適應人工智能的生存環(huán)境。

2.“用中學”培養(yǎng)能力，鍛煉學生的創(chuàng)新思維

“用中學”的理念鼓勵學生通過運用所學知識解決現(xiàn)實問題，實現(xiàn)知識的遷移和拓展，從而將知識、技能和方法轉化為核心素養(yǎng)?！坝弥袑W”的人工智能教學，教師需要把實際問題融入真實的情境中，讓學生在真實情境中用人工智能解決實際問題。如為解決飯卡容易丟失的問題，某學生想要為食堂開發(fā)一款刷臉支付的程序，以代替飯卡的使用。在實踐過程中，學生先學習采集一位同學的人臉數(shù)據(jù)并正確識別該同學。接著采集多位同學的人臉數(shù)據(jù)，并正確識別出不同人臉。在程序的驗證階段，學生發(fā)現(xiàn)用照片也能進行刷臉支付，所以，在真實的人臉識別中，一定要加入“活體檢測”。學生通過“初始化設備—采集人臉—識別人臉”的過程初步解決刷臉支付的問題。“用中學”幫助學生在應用人工智能解決問題的過程鍛煉了解決復雜問題的能力和創(chuàng)新思維。

3.“創(chuàng)中學”提升素養(yǎng)，發(fā)展學生的創(chuàng)新能力

為提高學生的人工智能創(chuàng)新能力，人工智能教育就不應停留于把學生培養(yǎng)成智能工具的消費者層面，而應將學生培養(yǎng)成人工智能的創(chuàng)新應用者，將“創(chuàng)中學”教育理念與方法融入教學[8]。“創(chuàng)中學”可通過創(chuàng)設跨領域的復雜主題情境引導學生應用人工智能創(chuàng)造性解決問題，引導學生經(jīng)歷“分析問題—設計方案—應用人工智能—解決問題”的過程，在創(chuàng)造性解決問題的過程中培養(yǎng)學生解決問題的能力，提升學生的人工智能素養(yǎng)。如在開發(fā)“紅橙分揀器”的項目活動中，學生要解決根據(jù)紅橙的顏色和大小來預測紅橙的品質(zhì)問題。學生先初始化攝像頭與圖像識別模塊，再采集紅橙圖像進行機器學習，接著識別圖像，最后鑒別出優(yōu)質(zhì)紅橙和一般紅橙并進行分類。通過“創(chuàng)中學”提升了學生的人工智能素養(yǎng)，發(fā)展了學生的創(chuàng)新能力。

注：本文系廣東省中小學教師教育科研能力提升計劃重點項目“基于ICS教學理念的中小學人工智能課程實踐研究”（課題批準號：2022ZQJK062）研究成果

參考文獻

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