AI 素養(yǎng)導(dǎo)向的人機對話系統(tǒng)教學(xué)設(shè)計與實踐

摘要：為提升師范生的人工智能素養(yǎng)，培養(yǎng)其人工智能教學(xué)能力，本文以人機對話系統(tǒng)為例，基于人工智能素養(yǎng)培養(yǎng)理念，結(jié)合《中小學(xué)人工智能教師能力標(biāo)準(zhǔn)》和《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)》，對計算機師范專業(yè)課程進行了重構(gòu)，并設(shè)計了以學(xué)生為主體的教學(xué)案例。該案例通過“互動導(dǎo)入—構(gòu)建機器人—實現(xiàn)對話—優(yōu)化功能”四個環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生掌握人機對話系統(tǒng)開發(fā)的基本流程，提升其信息意識、計算思維和數(shù)字化學(xué)習(xí)能力。實踐表明，該教學(xué)設(shè)計能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：人工智能素養(yǎng)；人機對話系統(tǒng)；教學(xué)設(shè)計；計算機師范專業(yè)；教學(xué)案例

中圖分類號：G424文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）35-0013-03開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

0引言

隨著人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展，人工智能在教育領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，逐步形成了以提高教育質(zhì)量、實現(xiàn)個性化教學(xué)和管理、優(yōu)化教育資源配置為目標(biāo)的智能教育新模式。人工智能的應(yīng)用促使教育培養(yǎng)目標(biāo)發(fā)生轉(zhuǎn)變：從以知識為核心的培養(yǎng)目標(biāo)向以人的發(fā)展為核心價值的轉(zhuǎn)變[1]。

全球教育發(fā)展的推動者聯(lián)合國教科文組織（UNESCO）在2022年的國際人工智能與教育大會上提出：促使人工智能賦能教師并變革教學(xué)。在2023年發(fā)布的《生成式人工智能教育和研究應(yīng)用指南》中指出，人工智能是教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要組成部分，教師成為微課的設(shè)計者，是“情境反應(yīng)學(xué)習(xí)”的促進者和指導(dǎo)者。在人工智能教學(xué)能力框架中，除了人文價值、人工智能與教學(xué)法、使用和創(chuàng)造人工智能工具以促進學(xué)習(xí)、保護教師權(quán)利以及確保人工智能工具的倫理規(guī)范等關(guān)鍵領(lǐng)域外，還特別強調(diào)了人工智能素養(yǎng)。人工智能素養(yǎng)是廣義數(shù)字素養(yǎng)的一部分，“發(fā)展人工智能素養(yǎng)”成為2024年人工智能教育領(lǐng)域的重點。人工智能素養(yǎng)的核心要素包括AI知識、AI能力以及看待AI的態(tài)度，這是適應(yīng)智能社會所必備的素質(zhì)。

如何以培養(yǎng)人工智能素養(yǎng)為導(dǎo)向，對計算機專業(yè)師范生的核心課程進行重構(gòu)？如何在教學(xué)案例設(shè)計中融合人工智能素養(yǎng)教育內(nèi)容框架的組成部分？這是本文接下來設(shè)計與實踐的重點。

1AI素養(yǎng)培養(yǎng)為導(dǎo)向的課程重構(gòu)

從知識的本質(zhì)來看，智能時代的知識是人類與人工智能通過所處環(huán)境的交互而獲得的信息，或通過生成性意義建構(gòu)的結(jié)果[2]。通過教育和培訓(xùn)使受教育者具備批判性思考人工智能所需的知識，培養(yǎng)人工智能素養(yǎng)可以提升使用者對人工智能技術(shù)的有效利用能力和責(zé)任意識[3]。人工智能素養(yǎng)的教育內(nèi)容框架由AI認(rèn)知、AI技能、AI應(yīng)用和AI倫理四大部分組成[4]。

師范院校作為培養(yǎng)教育人才的主力陣地，積極探索“人工智能+”公費師范生培養(yǎng)新模式。以培養(yǎng)人工智能素養(yǎng)為導(dǎo)向，對標(biāo)中國教育科學(xué)研究院研制發(fā)布的《中小學(xué)人工智能教師能力標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（簡稱《能力標(biāo)準(zhǔn)》）中提出的人工智能理解與意識、基本知識、基本技能、問題解決、教學(xué)實踐、倫理與安全等6個維度及18項基本技能要求，采用《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（簡稱《新課標(biāo)》）作為師范生專業(yè)技能實操內(nèi)容的參考依據(jù)。結(jié)合《人工智能教育藍皮書》（簡稱《藍皮書》），重構(gòu)了計算機科學(xué)與技術(shù)普通師范專業(yè)的教育類主干課程。

以“信息科技課程與教學(xué)論”為例，將人工智能知識圖譜與課程中的教育教學(xué)理論深度融合，對課程原有內(nèi)容進行精簡和提煉，重組成不同主題模塊，如“建構(gòu)主義理論”“教學(xué)結(jié)構(gòu)理論”“教學(xué)模式”“教學(xué)設(shè)計”“資源設(shè)計與應(yīng)用”等。每一模塊與《新課標(biāo)》、必修教材《數(shù)據(jù)與計算》及《人工智能初步》的內(nèi)容結(jié)合，并將AI信息教師能力指標(biāo)嵌入其中，作為教學(xué)實操的重要考核依據(jù)。

2教學(xué)案例設(shè)計背景

通過分析《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》全文，共出現(xiàn)了81次“人工智能”一詞?！缎抡n標(biāo)》指出：“人工智能代表了解決社會生活中各種問題的一種思維方式，其最大的教育價值在于啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識。”信息科技教育的核心在于思維培養(yǎng)，強調(diào)以學(xué)生為主體，提倡“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”。

基于此，圍繞《新課標(biāo)》中提出的“利用開源人工智能應(yīng)用框架，搭建簡單人工智能應(yīng)用模塊，并能根據(jù)實際需要配置適當(dāng)?shù)沫h(huán)境、參數(shù)及自然交互方式等”要求，本文設(shè)計了一個基于自然語言處理的簡單人機對話系統(tǒng)教學(xué)案例。

3教學(xué)設(shè)計案例與實施

本案例面向計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的普通高校師范生，旨在引導(dǎo)學(xué)生運用人工智能原理，培養(yǎng)計算思維和數(shù)字化AI工具應(yīng)用能力，完成知識建構(gòu)，提升問題解決能力。教學(xué)設(shè)計從以下4個方面展開：學(xué)情背景分析、學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)計、教學(xué)活動設(shè)計和教學(xué)代碼設(shè)計。

3.1學(xué)情背景分析

學(xué)習(xí)的過程是學(xué)習(xí)者“意義建構(gòu)”的過程。學(xué)情背景分析需要明確學(xué)習(xí)者已有知識與待學(xué)習(xí)知識的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并分析如何通過積極情緒切入教學(xué)內(nèi)容。

在本案例中，學(xué)習(xí)者已具備一定的Python編程經(jīng)驗，并對自然語言處理的基本概念有所了解，這為本課程的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。同時，必修課程人工智能初步中關(guān)于陪伴機器人的學(xué)習(xí)內(nèi)容與本案例密切相關(guān)，為激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性提供了有利條件。

3.2學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)計

在“教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體”的教學(xué)指導(dǎo)思想下，結(jié)合《新課標(biāo)》要求，從學(xué)習(xí)者培養(yǎng)的角度出發(fā)，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)。需要注意的是，學(xué)習(xí)者的目標(biāo)描述不同于教學(xué)目標(biāo)。本案例以培養(yǎng)學(xué)生的信息意識、計算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力[5]為核心目標(biāo)，具體包括以下幾點：1）掌握人機對話系統(tǒng)的簡單實現(xiàn)技術(shù)，包括創(chuàng)建Chatbot的算法步驟；2）理解Chatbot人機對話的檢索原理；3）學(xué)會完善Chatbot智能的方法。

通過“從簡單到復(fù)雜”的循序漸進學(xué)習(xí)實踐，學(xué)生將提升對信息的敏感度和判斷力，形成計算思維，并利用Chatbot工具完成個性化的人機對話系統(tǒng)設(shè)計。最終，學(xué)生能夠形成正向、理性的信息社會責(zé)任感。

3.3教學(xué)活動設(shè)計

教師作為“情境反應(yīng)學(xué)習(xí)”的促進者和指導(dǎo)者，教學(xué)活動的設(shè)計是教學(xué)案例的核心環(huán)節(jié)?；凇吨行W(xué)人工智能教師能力標(biāo)準(zhǔn)（試行）》的6大維度，教學(xué)活動需滿足具體能力指標(biāo)。以下是人機對話系統(tǒng)教學(xué)活動的設(shè)計（A1～A6），具體見表1。

表1中A1～A6活動的設(shè)計意圖和預(yù)期效果達成情況分析如下：

1）A1的設(shè)計意圖是激發(fā)學(xué)生對人工智能及人機對話技術(shù)的興趣，激起對聊天機器人對話原理的探究欲望。學(xué)生的積極應(yīng)答表明該環(huán)節(jié)達到了預(yù)期效果。

2）A2的設(shè)計意圖是讓學(xué)生充分融入教學(xué)情境，并鍛煉學(xué)生的思維能力。學(xué)生能夠自主推導(dǎo)出構(gòu)建聊天機器人的三個步驟，這表明預(yù)期效果得以實現(xiàn)。

3）A3的設(shè)計意圖是通過“做中學(xué)”實現(xiàn)理論與實踐的結(jié)合，即學(xué)即用，將知識轉(zhuǎn)化為實際成果。學(xué)生通過親身實踐體驗構(gòu)建聊天機器人并與之對話的過程。實踐中，90%的學(xué)生能夠獨立實現(xiàn)簡單的聊天功能，其余學(xué)生通過互助方式也達成了目標(biāo)。

4）A4的設(shè)計意圖是激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，引導(dǎo)學(xué)生不滿足于知識的重復(fù)應(yīng)用，而是不斷改進并突破自己的作品。預(yù)期目標(biāo)是所有學(xué)生掌握導(dǎo)入語料庫的方法，部分學(xué)生對語料庫建設(shè)表現(xiàn)出濃厚興趣。實踐結(jié)果表明目標(biāo)已達成。

5）A5的設(shè)計意圖是激發(fā)學(xué)生對Chatbot更多適配器的自主學(xué)習(xí)興趣，推動學(xué)生探究與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。預(yù)期目標(biāo)是所有學(xué)生掌握簡單的數(shù)學(xué)和時間邏輯適配器的使用，部分學(xué)生對更復(fù)雜的適配器產(chǎn)生興趣。實踐中，目標(biāo)得以實現(xiàn)。

6）A6的設(shè)計意圖是幫助學(xué)生完成學(xué)習(xí)回顧，促進所學(xué)知識的內(nèi)化，并激發(fā)學(xué)生對后續(xù)學(xué)習(xí)的積極性，從而進入良性學(xué)習(xí)迭代周期。實踐中，學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)三個步驟中輸入和輸出環(huán)節(jié)尚未優(yōu)化，并對下節(jié)課的語音識別和語音合成知識表現(xiàn)出濃厚興趣，期望通過學(xué)習(xí)進一步完善自己的Chatbot。預(yù)期目標(biāo)得以實現(xiàn)。

在A1～A6教學(xué)活動中，教師通過多種資源構(gòu)建情境，師生與AI工具在所處環(huán)境中的交互過程中獲取信息，并進行生成性意義的建構(gòu)。

3.4教學(xué)活動中的代碼設(shè)計

在《新課標(biāo)》中，人工智能是一條“看得見的脊梁”，而編程則是一條“看不見的脊梁”。教學(xué)設(shè)計的重點是將核心素養(yǎng)目標(biāo)的各個碎片串聯(lián)起來。編程并非僅僅是技能的體現(xiàn)，例如AI算法的實現(xiàn)，編程只是算法實現(xiàn)的一個環(huán)節(jié)，關(guān)鍵在于算法如何實現(xiàn)。

表2給出了表1中教學(xué)活動A3～A5的主要步驟及其對應(yīng)的參考代碼，供教學(xué)設(shè)計參考。

在Chatbot構(gòu)建聊天機器人的教學(xué)過程中，代碼始終圍繞教學(xué)活動中的構(gòu)建步驟展開。代碼語法并非教學(xué)關(guān)注的重點，實踐中可采用代碼塊的方式，通過拼接、補全等工具和方法的使用，弱化對語法格式的要求，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注算法的實現(xiàn)思路和流程。教學(xué)的重點在于培養(yǎng)學(xué)生的計算思維、協(xié)作能力和創(chuàng)新精神。

4總結(jié)

以AI素養(yǎng)培養(yǎng)為導(dǎo)向的教學(xué)設(shè)計，著力于培養(yǎng)學(xué)生在日常應(yīng)用中對人工智能技術(shù)的自主思考、分析與實踐能力；引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注身邊的人工智能技術(shù)，激發(fā)其探究原理的動力；通過多樣化的資源和工具，培養(yǎng)學(xué)生對AI應(yīng)用成果的創(chuàng)新思維與動手實踐能力，使學(xué)生能夠運用所學(xué)的AI知識服務(wù)于日常生活實踐。

在自然語言處理之人機對話系統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計中，充分發(fā)揮了學(xué)生的主體性。教學(xué)設(shè)計邏輯嚴(yán)密、層層遞進，符合學(xué)習(xí)認(rèn)知規(guī)律。課堂結(jié)構(gòu)的每一步都提出了相應(yīng)的問題，引發(fā)學(xué)生思考并得出解決方案。學(xué)生通過“做中學(xué)”，以主體身份完成了聊天機器人的不斷優(yōu)化與升級。教與學(xué)兩個層面均取得了良好效果。教學(xué)是一個動態(tài)、不斷迭代的過程，隨著AI應(yīng)用素材的積累，教學(xué)實踐方法與內(nèi)容深度融合，逐步形成了一種實操性強的教學(xué)模式。

參考文獻：

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【通聯(lián)編輯：唐一東】

基金項目：湖南省普通高等學(xué)校教學(xué)改革研究項目：“人工智能+”背景下地方師范高校繼續(xù)教育高質(zhì)量人才培養(yǎng)路徑研究（202401000533）；湖南師范大學(xué)教師教育改革研究實踐項目“AI+教育”計算機科學(xué)與技術(shù)（公費師范）本科生培養(yǎng)新模式研究與實踐（217000210253）