生成式人工智能教學(xué)實(shí)踐探索

【摘 要】目前與生成式人工智能大模型有關(guān)的中小學(xué)教學(xué)案例較少，本研究注重培養(yǎng)學(xué)生的高階性和創(chuàng)新性思維，探討在心理安撫的真實(shí)情境下，基于設(shè)計(jì)思維開(kāi)展項(xiàng)目，運(yùn)用App Inventor的大語(yǔ)言模型ChatBot組件與開(kāi)源硬件結(jié)合教學(xué)，同時(shí)基于本地大語(yǔ)言模型的人機(jī)協(xié)同學(xué)習(xí)模式，開(kāi)發(fā)項(xiàng)目產(chǎn)品“校園心理安撫助手”。本研究通過(guò)完整的項(xiàng)目實(shí)施，形成了生成式人工智能教學(xué)的策略和方法。

【關(guān)鍵詞】生成式人工智能教學(xué)；App Inventor；開(kāi)源硬件；ChatGPT

【中圖分類號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2024）010-011-03

國(guó)務(wù)院《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確指出，全民智能教育項(xiàng)目應(yīng)逐步開(kāi)展。在中小學(xué)階段，設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育?！读x務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）將“人工智能”列為課程六條邏輯主線之一，提倡在初中階段開(kāi)展人工智能教育，并使用開(kāi)源硬件營(yíng)造真實(shí)場(chǎng)景的教學(xué)環(huán)境。通過(guò)梳理近年的文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)目前的人工智能教育更側(cè)重基于開(kāi)源硬件的程序設(shè)計(jì)，和面向特定任務(wù)的模型訓(xùn)練，較少涉及以自然語(yǔ)言的方式與人工智能大模型交互，特別是和App Inventor、開(kāi)源硬件相結(jié)合的項(xiàng)目教學(xué)案例更是空白[1]。

將App Inventor與開(kāi)源硬件結(jié)合，能輕易打造“聯(lián)通萬(wàn)物”的物聯(lián)網(wǎng)作品[2]。2023年6月，App Inventor上線了大語(yǔ)言模型ChatBot組件[3]，其生成式人工智能的教學(xué)優(yōu)勢(shì)得到凸顯。

項(xiàng)目介紹與設(shè)計(jì)思路

1.項(xiàng)目介紹

當(dāng)今校園內(nèi)的初中生面臨著學(xué)習(xí)壓力巨大、情緒波動(dòng)大等多方面的心理挑戰(zhàn)，他們常常得不到其他人的認(rèn)真傾聽(tīng)和反饋。為幫助學(xué)生改善這類問(wèn)題，本案例選取心理健康為項(xiàng)目主題，經(jīng)過(guò)項(xiàng)目實(shí)踐，開(kāi)發(fā)出“校園心理安撫助手”，為學(xué)生提供支持和傾聽(tīng)，針對(duì)學(xué)業(yè)壓力、交友難題、情緒安撫給出建議。學(xué)習(xí)者是學(xué)校人工智能社團(tuán)8年級(jí)的學(xué)生，他們具備APP Inventor和開(kāi)源硬件的編程基礎(chǔ)。

2.設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)思維是一種注重用戶體驗(yàn)和解決問(wèn)題的思維方式，它強(qiáng)調(diào)創(chuàng)造性思維、實(shí)踐性和團(tuán)隊(duì)協(xié)作。目前設(shè)計(jì)思維經(jīng)典流程廣泛采用斯坦福大學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)院開(kāi)發(fā)的EDIPT模型，該模型包含五個(gè)階段的設(shè)計(jì)思維過(guò)程，即共情（Empathize）、定義（Define）、創(chuàng)想（Ideate）、原型（Prototype）、測(cè)試（Test）[4]。

教學(xué)策略

1.設(shè)計(jì)思維貫穿的課程模式

本項(xiàng)目以EDIPT設(shè)計(jì)思維模型貫穿始終，通過(guò)開(kāi)展“校園心理安撫助手”項(xiàng)目的教學(xué)實(shí)踐，從心理安撫的真實(shí)情境中理解他人，挖掘真實(shí)需求，進(jìn)行功能分析，再運(yùn)用App Inventor的大語(yǔ)言模型ChatBot組件開(kāi)發(fā)產(chǎn)品原型，在真實(shí)校園中對(duì)原型進(jìn)行測(cè)試，對(duì)于新出現(xiàn)的問(wèn)題和需求，運(yùn)用開(kāi)源硬件再次迭代改進(jìn)，最終形成項(xiàng)目作品總結(jié)匯報(bào)。本項(xiàng)目在筆者所在學(xué)校是以校本課程的形式展開(kāi)的，共分為6個(gè)課時(shí)（表1）。

2.提示工程培養(yǎng)學(xué)生高階認(rèn)知力

當(dāng)前大語(yǔ)言模型已成為不可忽視的趨勢(shì)，如何用大模型解決實(shí)際問(wèn)題，是學(xué)生亟需提升的能力。課前學(xué)情調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，有90%的學(xué)生沒(méi)有用過(guò)提示詞引導(dǎo)大模型。為幫助學(xué)生更好地理解人工智能、使用大模型解決實(shí)際問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生高階認(rèn)知力，教師可以使用下列教學(xué)策略。（1）提示工程解決問(wèn)題。生成式人工智能可以用自然語(yǔ)言與人類交流，還能完成通用型任務(wù)，但這都建立在用戶能有效地構(gòu)造提示的基礎(chǔ)上。學(xué)生在項(xiàng)目中發(fā)現(xiàn)聊天機(jī)器人反饋冷漠的問(wèn)題，結(jié)合學(xué)習(xí)支架分析問(wèn)題，確定使用修改提示詞的方法解決問(wèn)題，以鍛煉解決問(wèn)題的能力。（2）創(chuàng)編測(cè)試提示詞。學(xué)生掌握提示詞的編寫原則后，編寫提示詞測(cè)試反饋，將測(cè)試過(guò)程記錄下來(lái)，總結(jié)形成自己的方法經(jīng)驗(yàn)。測(cè)試反饋是一個(gè)循環(huán)往復(fù)的過(guò)程，學(xué)生會(huì)遇到聊天機(jī)器人反饋不佳的情況，因此需要用批判性思維、創(chuàng)新思維編寫提示詞，在多次試錯(cuò)過(guò)程中達(dá)到最佳效果。

3.基于本地大語(yǔ)言模型的人機(jī)協(xié)同學(xué)習(xí)模式

為滿足學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)需求，筆者自主搭建了Ollama + MaxKB的本地大語(yǔ)言模型知識(shí)庫(kù)問(wèn)答系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程對(duì)話式的人機(jī)協(xié)同教學(xué)模式。學(xué)生可以自由選擇適合的工具完成任務(wù)，具體實(shí)踐策略如下。

（1）內(nèi)容生成與創(chuàng)作輔助。學(xué)生初次接觸人工智能的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，無(wú)法完全理解和掌握新概念，本地大語(yǔ)言模型知識(shí)庫(kù)問(wèn)答系統(tǒng)可以充當(dāng)智能虛擬導(dǎo)師，為學(xué)生擴(kuò)展更多的創(chuàng)作思路，引導(dǎo)學(xué)生深入探索。如學(xué)生可以使用本地大模型輔助頭腦風(fēng)暴，思考問(wèn)題的解決方案，也可以咨詢程序的編寫思路。

（2）個(gè)性化學(xué)習(xí)助手。本系統(tǒng)在大語(yǔ)言模型的基礎(chǔ)上融入領(lǐng)域知識(shí)庫(kù)。教師需在課前準(zhǔn)備好課程知識(shí)點(diǎn)、預(yù)設(shè)好學(xué)生可能存在的疑惑，制作成QA回答并導(dǎo)入知識(shí)庫(kù)。在對(duì)答過(guò)程中，教師可以查看對(duì)話日志，實(shí)時(shí)調(diào)整教學(xué)策略，確保該系統(tǒng)緊密貼合課程內(nèi)容，在多輪的問(wèn)答交互中，深度分析學(xué)生的反饋，提供定制化的對(duì)答。

（3）內(nèi)容安全可控。為防止學(xué)生問(wèn)答與課程無(wú)關(guān)的內(nèi)容，該系統(tǒng)可以在交互過(guò)程中添加濾網(wǎng)，對(duì)學(xué)生的提問(wèn)進(jìn)行檢索判斷，只有學(xué)生提出適宜的問(wèn)題時(shí)，才能調(diào)用大語(yǔ)言模型實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。

實(shí)施過(guò)程

1.探索情境，理解他人（E共情、D定義）

（1）真實(shí)情境。學(xué)生通過(guò)調(diào)查問(wèn)卷收集同學(xué)們最近的狀態(tài)與不愉快的原因。（2）感知問(wèn)題。學(xué)生從真實(shí)情境中感知同學(xué)們遇到的三大問(wèn)題：學(xué)業(yè)壓力大、無(wú)法被傾聽(tīng)、心理老師難預(yù)約，促進(jìn)學(xué)生的共情體驗(yàn)。（3）思維發(fā)散。小組頭腦風(fēng)暴，運(yùn)用本地大模型，討論問(wèn)題應(yīng)對(duì)策略。（4）思維聚合。確定單元驅(qū)動(dòng)問(wèn)題：如何開(kāi)發(fā)一個(gè)具備生成式人工智能功能的作品緩解學(xué)生情緒焦慮？

2.分析需求，明確功能（I創(chuàng)想）

（1）列舉問(wèn)題清單。學(xué)生對(duì)驅(qū)動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行分解，提出子問(wèn)題，形成問(wèn)題鏈。（2）鏈接已學(xué)知識(shí)。學(xué)生根據(jù)已有的App Inventor最新技術(shù)、開(kāi)源硬件、Mind+、物聯(lián)網(wǎng)等知識(shí)，利用本地大語(yǔ)言模型生成對(duì)應(yīng)的解決方案。（3）生成解決方案。學(xué)生查閱資料驗(yàn)證其可行性，利用思維導(dǎo)圖繪制作品的功能。

3.界面設(shè)計(jì)，算法描述（P原型）

（1）界面草圖繪制。各小組繪制界面設(shè)計(jì)圖紙。（2）界面組件設(shè)計(jì)。學(xué)生根據(jù)功能描述，在App Inventor設(shè)計(jì)作品界面。

4.程序設(shè)計(jì)，提示工程（P原型）

（1）聊天機(jī)器人原理探究。新課標(biāo)強(qiáng)調(diào)理解人工智能基本概念的重要性，人工智能的運(yùn)行原理往往都十分復(fù)雜，可以用動(dòng)畫將抽象的原理具象化，幫助學(xué)生理解聊天機(jī)器人的運(yùn)行機(jī)制。筆者用動(dòng)畫將抽象的聊天機(jī)器人運(yùn)行原理具象化，用流程圖鞏固練習(xí)，幫助學(xué)生厘清相關(guān)概念。（2）半成品策略輔助編程。人工智能教學(xué)普遍存在只講編程或算法的誤區(qū)，本項(xiàng)目選用了編程門檻低的教學(xué)平臺(tái)，并采用半成品加工策略，減少編程教學(xué)的比例，最終目的是幫助學(xué)生體驗(yàn)人工智能、提高對(duì)人工智能的興趣。App Inventor的ChatBot組件，自動(dòng)接入OPEN AI公司大語(yǔ)言模型的API接口，大大降低了編程難度。學(xué)生只需要編寫核心功能輸入、輸出的程序積木，就能完成聊天機(jī)器人聊天功能的原型開(kāi)發(fā)。核心功能代碼：發(fā)送文本給ChatGPT服務(wù)器，需要調(diào)用Converse方法發(fā)送文本信息到ChatGPT服務(wù)器，參數(shù)值是question中要發(fā)送的信息內(nèi)容。當(dāng)ChatGPT服務(wù)器收到文本，服務(wù)器會(huì)通過(guò)GotResponse事件返回結(jié)果responseText，再用對(duì)話框組件顯示文本。（3）提示對(duì)話引導(dǎo)。通過(guò)編程部署，學(xué)生發(fā)現(xiàn)，默認(rèn)狀態(tài)下的聊天機(jī)器人生成的回復(fù)很冷漠，達(dá)不到心理安撫效果。如何改進(jìn)聊天機(jī)器人的回復(fù)質(zhì)量？在學(xué)習(xí)文檔和本地大模型的幫助下，學(xué)生逐步感悟角色扮演、清晰指令的提示方法[5]，小組合作在App Inventor多次創(chuàng)編提示詞，從測(cè)試改進(jìn)過(guò)程中總結(jié)自己的提示詞方法，培養(yǎng)了學(xué)生批判性思維和創(chuàng)新思維。為檢測(cè)聊天機(jī)器人的回復(fù)效果，學(xué)生采用不同的提示詞進(jìn)行測(cè)試，參照組不設(shè)提示詞。對(duì)照組設(shè)置提示詞為：“你是一位心理老師，要求善于理解、傾聽(tīng)、引導(dǎo)學(xué)生，積極提供建議?！痹谕粏?wèn)題場(chǎng)景下，參照組只是在解釋情緒的定義，而對(duì)照組會(huì)使用理解、不孤單等詞匯安慰用戶，說(shuō)明學(xué)生引導(dǎo)聊天機(jī)器人在心理學(xué)上的共情、傾聽(tīng)方面有了很大的進(jìn)步。

5.功能創(chuàng)新，程序調(diào)試（P原型）

（1）測(cè)試作品。當(dāng)基礎(chǔ)_{72ACyTZDGGcIUcZLy4IAnw==}功能實(shí)現(xiàn)后，學(xué)生為了驗(yàn)證作品的可用性，將其放在學(xué)校的走廊上進(jìn)行產(chǎn)品原型測(cè)試。（2）根據(jù)反饋提出新需求。針對(duì)測(cè)試中產(chǎn)生的新問(wèn)題，學(xué)生進(jìn)行需求可行性分析，明確改進(jìn)方向，將開(kāi)源硬件技術(shù)融入作品中。（3）結(jié)合開(kāi)源硬件實(shí)現(xiàn)需求。學(xué)生運(yùn)用各種技術(shù)手段，如掌控板、人工智能攝像頭、LED環(huán)形燈等開(kāi)源硬件，通過(guò)咨詢本地大語(yǔ)言模型獲取思路，解決實(shí)際場(chǎng)景中作品的不足，充分鍛煉了學(xué)生的設(shè)計(jì)思維。如面對(duì)無(wú)法實(shí)名的問(wèn)題，學(xué)生利用人工智能攝像頭“二哈識(shí)圖”進(jìn)行人臉識(shí)別，驗(yàn)證身份后將姓名和班級(jí)信息上傳至App，才能開(kāi)始對(duì)話。

6.項(xiàng)目總結(jié)，作品迭代（T測(cè)試）

（1）作品展示。在展示環(huán)節(jié)，各小組對(duì)本組二次迭代的作品進(jìn)行了功能講解，同時(shí)從技術(shù)、團(tuán)隊(duì)合作、作品設(shè)計(jì)等方面反思其不足之處。（2）項(xiàng)目評(píng)價(jià)總結(jié)。教師對(duì)各小組的項(xiàng)目展示進(jìn)行總結(jié)，并提出修改建議。同時(shí)按照評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各小組作品進(jìn)行評(píng)分，最終投票選出優(yōu)秀作品，在校內(nèi)展出。項(xiàng)目設(shè)置了豐富的評(píng)價(jià)體系，有項(xiàng)目前期規(guī)劃、任務(wù)完成情況、設(shè)計(jì)UI界面、作品展示、項(xiàng)目學(xué)習(xí)自我總結(jié)等評(píng)價(jià)量表。

實(shí)施效果及可推廣性

本項(xiàng)目從批判性思維和問(wèn)題解決能力等方面，促進(jìn)了學(xué)生高階認(rèn)知能力的提高。評(píng)價(jià)量表與學(xué)習(xí)單記錄，展示了學(xué)生在創(chuàng)編提示詞方面的進(jìn)步，有助于批判性思維的培養(yǎng)。項(xiàng)目學(xué)習(xí)結(jié)束后，大部分學(xué)生可以高效地使用大模型解決自己的各方面問(wèn)題，例如，編程問(wèn)題、生活經(jīng)驗(yàn)等。學(xué)生還利用ChatBot組件開(kāi)發(fā)了營(yíng)養(yǎng)建議師、旅行規(guī)劃師等特色作品，促進(jìn)了問(wèn)題解決能力的提高。

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