四元學習設計在生成式人工智能項目教學中的實證研究

摘要：隨著DeepSeek、具身智能走入中小學信息科技課堂，近期有關生成式人工智能的教研活動蓬勃開展。生成式人工智能項目課程具有一定的典型特征，其教學流程和邏輯結構有別于傳統(tǒng)的信息科技內容。其典型的設計思路為采用綜合性學習的方式，展開多元學習設計和活動實踐，最終完成既定主題的認知任務。生成式人工智能項目課程落地在信息科技學科中，可以借助四元學習設計的方式進行實施。

關鍵詞：四元學習設計；信息科技教學；生成式人工智能

中圖分類號：G434" 文獻標識碼：A" 論文編號：1674-2117（2025）06-0015-04

四元學習設計的理論界定與特征分析

四元學習設計又稱綜合性學習設計，是由荷蘭馬斯特里赫大學教育發(fā)展與研究系教授杰倫·范梅里恩伯爾教授提出。四元學習設計包括面向學習者提出的學習任務、教師呈現(xiàn)相關知能、提供支持程序及環(huán)境、安排專項練習任務四個階段，對改進教學效能、實現(xiàn)學習遷移具有重要的現(xiàn)實價值，為培養(yǎng)和發(fā)展學生的綜合能力提供了可行的實施途徑。

四元學習設計主題選擇是建立在廣泛的實證研究基礎之上的，每一個階段均與學習過程的基本類型以及相應的教學方法緊密聯(lián)系在一起。四元學習設計模式的特征包括：更關注指向能力發(fā)展的學習任務，而基于問題的學習更重視知識的獲?。惶峁└喾N類的學習任務，包括問題生成、項目設置、案例分析、專業(yè)實踐等；更重視任務“由易到難”的排序和“從扶到放”的教師指導。

信息科技教學中有關生成式人工智能項目的愿景與新課標適配

在信息科技教學中，隨著《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課標”）加入算力部分的內容，生成式人工智能的應用逐漸普及，尤其在身邊的算法、數(shù)據與編碼和跨學科模塊展現(xiàn)出顯著潛力，學生通過接觸ChatGPT、DeepSeek等生成式人工智能工具，實踐AI生成代碼、圖像和文本的能力，通過對話方式讓大模型完成既定的任務。生成式人工智能項目教學的教育環(huán)境和學習方式與傳統(tǒng)學科教學有較大的區(qū)別，對于學生來說，設計方式和進程已經成為自身學習內容的一部分。學生使用數(shù)字化工具、信息化手段等支持環(huán)境，構建自身的智能體。通過多維交互方式，使學生的學習過程更加豐富多樣，促進學生不斷自主構建，衍生傳統(tǒng)學科的教學外延。同時，四元學習設計可以滿足學生的需求，構建“以學習者為中心”的生成式人工智能課堂，為師生構建溝通平臺和學習支架工具、學習腳手架，讓學生參與體驗式的自主、互動、探究的綜合學習過程。

四元學習設計的教學實例分析

階段一：精準定向——確定活動主體目標

四元學習設計的第一階段為活動定向，即明確活動主題，由教師引導學生與生成式人工智能大模型展開討論，澄清模糊概念、界定問題、嘗試提供解釋、草擬解決方案，然后列出解決問題的要點。大模型可以在充分交流的基礎上，依據提問者的認知水平和興趣，選擇與其學習階段相匹配的生成式人工智能技術應用場景，如編程、設計或文本生成；明確教學目標，包括技術掌握、創(chuàng)新思維培養(yǎng)及倫理意識提升；通過數(shù)據分析與反饋機制，動態(tài)調整主題難度與內容，確?；顒幽繕说膶崿F(xiàn)與學生能力的同步發(fā)展，從而最大化生成式人工智能在教學中的支持型功能。

（1）原設計

《數(shù)據編碼有規(guī)則》是義務教育階段第二學段的內容，核心要義為理解編碼規(guī)則，知道如何使用編碼建立數(shù)據間的聯(lián)系，了解編碼越長信息量越大的含義。此單元適宜采用生成式人工智能工具為載體實施教學，在第一部分的學習中，常規(guī)的教學過程一般沿用原理說明→典型APP對話過程觀察→練習與智能體對話→作品發(fā)布→評價與調整等。在教學流程中，硬性的技術特征較為明顯，教學過程流于形式。在此過程中，智能體并未協(xié)助學生產生深思的過程，因此它并非完整意義上的生成式人工智能項目的信息科技課。

（2）思考焦點

在以上的設計中技能痕跡明顯，生成式人工智能項目課程的特征不足，學生缺乏必要的認知定向。思考焦點為學生是認知的主體，生成式人工智能是主觀了解的對象，并非為技術而學習。因此，此種傳統(tǒng)的學習方式缺少活動定向環(huán)節(jié)，學習過程缺少智能體的支持。

（3）改進型設計

在基于四元學習設計的教學中，《數(shù)據編碼有規(guī)則》一課將進行更有指向性的設計過程。教學建議如下。

環(huán)節(jié)名稱：編碼規(guī)則源于生活。

導入部分：師生對話，找找身邊的編碼案例（路牌、車位號等）。

教師引導：明天我們集體組織前往市青少年宮參觀，哪些同學是第一次去少年宮？應該如何找到目的地？

學生思考：我們可以根據地址編碼找到目的地。

學生活動：詢問大模型，還有哪些根據編碼到達目的地的方式。

生成式人工智能大模型詢問：

問題1：身邊有智能手機嗎？

問題2：編碼里藏著規(guī)則嗎？

問題3：它們有時間限制嗎？

問題N：……

提出主題：小組確定主題，在繪制思維導圖后由生成式人工智能進行完善。

生成式人工智能大模型補充：

①定點→具體集合地點如何尋找？

②定向→找到地點以后如何學習？

③定標→我們尋找的目的是什么？

智能評價：各小組交流活動成果，對照生成式人工智能給出的建議確定任務目標。

反思調整：采用生成式人工智能及時生成評價情況，調整定位，為后續(xù)學習打下基礎。

教學評析：在以上學習設計中，學生發(fā)揮主觀能動性，通過對學習目標的定位、學習伙伴的定位、學習項目的定位、組內合作的定位，形成完整的系列學習框架。生成式人工智能成為師生活動的協(xié)同者，對各級定位進行必要的指導，共同合理完成學習過程的規(guī)劃。通過這樣的學習設計，學生能夠掌握的認知概念是生動明確、源于自身需要的，因此教學效果良好。

階段二：精致設計——構建自主學習氛圍

四元學習設計的第二階段為構建良好的學習環(huán)境，借助適宜的學習工具，創(chuàng)設自主學習的氛圍。在基于四元學習設計的教學中，環(huán)境的支持是幫助學生進行深度思維的要素之一。根據前一階段的學習指向，教師可以進行有針對性的自主環(huán)境構建，并據此開展泛在性認知活動。

（1）原設計

《數(shù)據編碼有規(guī)則》的第二部分是讓學生通過生活實際，發(fā)現(xiàn)編碼的規(guī)則，理解編碼規(guī)則的實際意義。在已有的生成式人工智能項目課程中，常規(guī)的教學思路如下：教師演示生成式人工智能大模型的對話方式→講解生成式人工智能大模型的工作原理→學生與生成式人工智能大模型對話→出示生成式人工智能代碼并調試→教師小結。在以上過程中僅采用了意義和編碼之間的表面聯(lián)系，學生并沒有感受到生成式人工智能對編碼過程產生的影響，因此需要修改。

（2）思考焦點

作為生成式人工智能項目的課程，上述教學缺乏在人工智能介入后對信息科技學科解決問題的挖掘，學生缺乏必要的生活常識需求，所以教學過程較為單薄。

（3）改進型設計

在基于四元學習設計的《數(shù)據編碼有規(guī)則》一課的第二部分教學中，教師可以創(chuàng)設適宜的教學環(huán)境，提供學習工具支持，讓學生能夠在模擬情境中提升信息化的綜合能力。教學建議如下。

環(huán)節(jié)名稱：編碼規(guī)則要有意義。

教師引導：同學們思考，每位同學在校期間都有學號，它是我們在校內的唯一標識，那么它是如何編碼的？

學生活動：找到自己的學號，并彼此觀察尋找規(guī)律。

對話生成式人工智能大模型：驗證尋找的規(guī)則和智能體給出的規(guī)則是否相同。

生成式人工智能大模型設問：

設問1：請讀一讀你的學號，想一想學號是依據什么規(guī)則編碼的？

設問2：如果三位同學都是某小學2025級的學生，請根據你的研究結論，嘗試對某一位同學的學號進行填寫。

設問3：請比較你們的研究結果，找一找問題答案有哪些特征？

設問N：……

生成式人工智能大模型構建環(huán)節(jié)：

①與人相關的環(huán)境要求→建設意見。

②與數(shù)相關的數(shù)值要求→收集內容。

③與校相關的編碼要求→落實規(guī)則。

構建環(huán)境：編碼規(guī)則為什么要有意義。

評價小結：組織評選，借助生成式人工智能進行投票，顯性結果。

教學評析：通過上述的學習，學生了解到編碼規(guī)則是有意義的。通過生成式人工智能大模型對話可以理解學號一般會按照年級、性別、班級班內編號的信息進行編碼，通過學號學生可以快速讀取學生信息，準確地標識每位學生。這樣，生成式人工智能營造了適宜學生去理解編碼規(guī)則的環(huán)境，通過層層深入的對話，讓學生更好地去理解。

階段三：精密分析——評估驗證學習結果

四元學習設計的第三階段為評估與驗證學生的認知達成度，即通過多維度的評價，不斷對學習過程進行考查。評估與驗證學生的認知達成度是確保教學目標實現(xiàn)的核心環(huán)節(jié)，該階段可以采用多元化的評估方法，如形成性評價與終結性評價相結合，量化分析學生在知識掌握、應用及問題解決等方面的表現(xiàn)。同時，引入學習分析技術，追蹤學生的學習行為與認知發(fā)展軌跡，結合反饋機制，動態(tài)調整教學策略，以驗證其認知目標的達成度，從而為后續(xù)教學優(yōu)化提供科學依據。

（1）原設計

《數(shù)據編碼有規(guī)則》的第三部分為讓學生通過生活實際理解編碼有多種方式。該課讓學生體驗多種編碼的方式，并能夠據此理解編碼內部聯(lián)系的原理。在常見的生成式人工智能項目教學中，該課有著一定的程式?？裳膶W習設計如下：觀看實例編碼解碼視頻→學習已有編碼內容→出示解碼程序→學生嘗試修改→教師點評部分不合理的作品→評價小結。

（2）思考焦點

以上的設計是傳統(tǒng)的教學和學習過程，缺乏新課標的結構化思維，因此其設計的深度不足。生成式人工智能有突破傳統(tǒng)的歸納與提升功能，對教學過程中的編碼理解具有深刻的意義。因此，此教學過程應做適應性的修改。

（3）改進型設計

在基于四元學習設計的教學中，該課針對生成式人工智能項目的課堂教學特點，進行以驗證促優(yōu)化的改良，以促進學生的生成性思維的提升，鼓勵學生多元智能的迭代。教學建議如下。

環(huán)節(jié)名稱：編碼建立內在聯(lián)系。

教師提問：運動會的賽場區(qū)域很大，人很多，你是怎樣找到同學的？

學生回答：

回答1：我用手機打電話給他。

回答2：我用微信、QQ聯(lián)系他。

回答3：我在場地大聲呼喊他的名字。

生成式人工智能大模型回答：可以通過他的運動員號碼牌，很快找到你的同學。

生成式人工智能大模型驗證：

互動活動1：請觀察圖1中的圖例，分析圖中的號碼長度是否相同。

互動活動2：請觀察圖2中運動員的號碼，同一組號碼有順序之分嗎？

互動活動3：請觀察圖3中的車牌，思考它們有哪些異同。

互動活動N：……

評估環(huán)節(jié)：

①分類編碼：分類編碼有哪些特色？在哪些地方可以采用具有多個特定意義的數(shù)據塊組成分類編碼？

②意義編碼：如電子班牌等包含級部班級課程的多種數(shù)據塊，它是一種分類編碼，生活中還有哪些場合會運用到分類編碼？

③實踐編碼：圖書館使用多組數(shù)據塊，可以識別圖書的存放地、書籍類型等信息。那么，通過數(shù)據塊編碼建立數(shù)據間的聯(lián)系是為了什么呢？

與生成式人工智能大模型共同小結：

①我理解了分類編碼的意義。

②我嘗試了多種編碼的方式。

③我與大模型溝通了編碼制訂的流程。

共商改進：①擴大生活應用范圍；②擴展場合應用人群；③擴充數(shù)據編碼容量……

教學評析：以上的學習設計突出了生成式人工智能對學習設計的優(yōu)化。生成式人工智能大模型成為學習伙伴，通過教師適宜的引導，對學習過程進行了理性的評價，并提出后續(xù)學習的意見。此時的生成式人工智能不僅僅是學習的工具，還是協(xié)同學習的伙伴，讓學生在教師的指導下，不斷反思自我的作品，提升綜合學習能力。

生成式人工智能項目教學中應用四元學習設計的關注點

第一，選擇有效內容載體。在認知過程前，需要根據學生的情況，設定具體的學習目標，如掌握生成模型的基本原理、熟練使用生成式人工智能聊天對話框以及理解其應用場景與局限性。

第二，設置多樣化的學習活動，如項目實踐、案例分析、協(xié)作探究等，深入理解技術邏輯與應用方法。同時，鼓勵學生實踐，并在真實場景中驗證其效果，確保學生在技術學習的同時，培養(yǎng)創(chuàng)新思維與倫理意識，為后續(xù)學習奠定堅實基礎。

第三，強調評估反饋的科學性與動態(tài)性。在生成式人工智能項目教學中，需通過多元化的評估方法，如生成內容的質量分析、項目成果展示及學習行為數(shù)據追蹤，全面衡量學生的認知達成度。同時，建立實時反饋機制，幫助學生及時調整學習策略，優(yōu)化生成結果。