高中信息技術(shù)人工智能內(nèi)容教學(xué)研究

隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，高中信息技術(shù)新課標(biāo)將人工智能列為必修模塊，強(qiáng)調(diào)通過(guò)實(shí)踐培養(yǎng)學(xué)生的信息意識(shí)、計(jì)算思維與創(chuàng)新能力。當(dāng)前，高中信息技術(shù)人工智能教學(xué)仍存在知識(shí)傳授碎片化、脫離真實(shí)情境、學(xué)生被動(dòng)接受等問(wèn)題，這導(dǎo)致學(xué)生對(duì)人工智能原理理解表層化，難以遷移知識(shí)[1]。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)以真實(shí)問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)，通過(guò)跨學(xué)科項(xiàng)目整合知識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生在協(xié)作探究中完成作品，契合新課標(biāo)“做中學(xué)”的實(shí)踐導(dǎo)向。本文基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)框架，設(shè)計(jì)高中信息技術(shù)人工智能繪畫教學(xué)方案，旨在破解傳統(tǒng)教學(xué)困境，為核心素養(yǎng)的有效落地提供實(shí)踐路徑。

一、教學(xué)背景

基于滬科教版高中信息技術(shù)必修1第四單元“人工智能初步”存在的生成式人工智能缺失、跨學(xué)科融合薄弱及實(shí)踐淺層化的問(wèn)題，結(jié)合學(xué)生熱衷視覺(jué)創(chuàng)作卻畏懼抽象理論的特點(diǎn)，本研究以“生成式人工智能 + 人文藝術(shù)”為核心重構(gòu)項(xiàng)目：在保留原單元數(shù)據(jù)預(yù)處理與模型訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，引入圖像風(fēng)格遷移技術(shù)，通過(guò)Python實(shí)現(xiàn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)造性應(yīng)用；引導(dǎo)學(xué)生使用家鄉(xiāng)景觀照片與藝術(shù)畫作，進(jìn)行風(fēng)格遷移實(shí)踐，從而既掌握核心原理，又通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)算法邏輯，最終在藝術(shù)創(chuàng)作中理解人工智能（以下簡(jiǎn)稱AI）的人文價(jià)值，突破傳統(tǒng)分類任務(wù)的局限，達(dá)成技術(shù)認(rèn)知與跨學(xué)科素養(yǎng)的同步提升[]。

二、教學(xué)預(yù)期

（一）破解傳統(tǒng)課堂問(wèn)題，重構(gòu)教學(xué)邏輯

1.整合碎片化知識(shí)

傳統(tǒng)課堂的知識(shí)點(diǎn)比較零散，學(xué)生難以整合。為此，本課以“開(kāi)發(fā)風(fēng)格遷移工具”為主線，讓學(xué)生將算法原理、Python編程實(shí)踐和藝術(shù)設(shè)計(jì)美學(xué)構(gòu)圖等知識(shí)串聯(lián)，構(gòu)建認(rèn)知橋梁。

2.轉(zhuǎn)化被動(dòng)學(xué)習(xí)

以往學(xué)生被動(dòng)聽(tīng)講，而本課“創(chuàng)作個(gè)性化數(shù)字藝術(shù)作品”的任務(wù)可以促使他們主動(dòng)探索。在創(chuàng)作時(shí)，學(xué)生需要自主選擇圖像風(fēng)格、調(diào)整損失函數(shù)權(quán)重，從被動(dòng)聽(tīng)講轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)創(chuàng)造。

3.深化學(xué)科融合

教師把校園藝術(shù)節(jié)、數(shù)字畫展等場(chǎng)景融入項(xiàng)目。學(xué)生可以運(yùn)用風(fēng)格遷移工具為藝術(shù)作品增添特色，感受藝術(shù)表達(dá)的多元性，打破AI教學(xué)與文化語(yǔ)境的隔閡，提升綜合素養(yǎng)。

（二）指向核心素養(yǎng)，賦能學(xué)生發(fā)展

1.計(jì)算思維進(jìn)階

參數(shù)調(diào)試是培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維的關(guān)鍵。以“平衡內(nèi)容與風(fēng)格權(quán)重”為例，學(xué)生通過(guò)調(diào)整參數(shù)、觀察遷移結(jié)果，可以學(xué)會(huì)“分解一抽象一迭代”的工程思維，提升計(jì)算思維能力。

2.數(shù)字化創(chuàng)新實(shí)踐

學(xué)生將藝術(shù)靈感通過(guò)代碼轉(zhuǎn)化為AI繪畫作品，如把古詩(shī)意境融入風(fēng)格遷移，選擇合適的風(fēng)格進(jìn)行創(chuàng)作。技術(shù)與人文創(chuàng)意相互促進(jìn)，可以培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)字化創(chuàng)新能力。

3.社會(huì)責(zé)任意識(shí)

在項(xiàng)目反思階段，學(xué)生需要探討“AI繪畫版權(quán)歸屬”“人類藝術(shù)家與AI的關(guān)系”等議題，反思技術(shù)應(yīng)用的倫理，從而增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任意識(shí)，確保正確運(yùn)用技術(shù)。

三、教學(xué)理論

（一）核心概念界定

1.項(xiàng)目式學(xué)習(xí)

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)即基于真實(shí)情境，以問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)，通過(guò)跨學(xué)科整合與協(xié)作探究完成項(xiàng)目成果，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的建構(gòu)與能力的培養(yǎng)。其情境性、自主性的特征與新課標(biāo)“做中學(xué)”的理念深度契合。

2.深度學(xué)習(xí)

深度學(xué)習(xí)即基于多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，通過(guò)特征抽象與非線性建模實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)表征學(xué)習(xí)。

3.圖像風(fēng)格遷移

圖像風(fēng)格遷移即利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分離圖像內(nèi)容特征與風(fēng)格特征，通過(guò)損失函數(shù)的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)藝術(shù)風(fēng)格重構(gòu)的技術(shù)。其典型應(yīng)用包括名畫風(fēng)格與目標(biāo)圖像的跨模態(tài)融合。

4.AI繪畫

AI繪畫即以深度學(xué)習(xí)模擬人類藝術(shù)創(chuàng)作的技術(shù)范式，本質(zhì)是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模式生成與藝術(shù)表達(dá)的交叉領(lǐng)域，涵蓋從算法邏輯到美學(xué)價(jià)值的雙重維度。

（二）概念之間的關(guān)系

概念體系呈現(xiàn)技術(shù)邏輯與教育價(jià)值的雙向映射：項(xiàng)目式學(xué)習(xí)構(gòu)建實(shí)踐框架，深度學(xué)習(xí)提供算法基礎(chǔ)，圖像風(fēng)格遷移作為技術(shù)載體，最終在AI繪畫中實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)一算法一藝術(shù)一倫理”的跨域?qū)υ?，為AI教育提供從工具應(yīng)用到價(jià)值反思的完整認(rèn)知鏈條。

四、教學(xué)過(guò)程的實(shí)施

（一）教學(xué)目標(biāo)：核心素養(yǎng)導(dǎo)向的項(xiàng)目式定位

本課程以新課標(biāo)為綱，圍繞“圖像風(fēng)格遷移”項(xiàng)目構(gòu)建三維教學(xué)目標(biāo)體系。

1.技術(shù)遷移：從工具調(diào)用到原理認(rèn)知

學(xué)生通過(guò)運(yùn)用Python與OpenCV，掌握深度學(xué)習(xí)模型的調(diào)用、參數(shù)調(diào)試及效果評(píng)估方法，在可視化參數(shù)的幫助下理解算法運(yùn)行機(jī)制，培養(yǎng)計(jì)算思維與數(shù)字化創(chuàng)新能力。

2.認(rèn)知進(jìn)階：從技術(shù)理解到社會(huì)反思

教師通過(guò)分析AI繪畫在藝術(shù)創(chuàng)作與文化傳播中的雙刃劍效應(yīng)，引導(dǎo)學(xué)生辯證認(rèn)知技術(shù)倫理，促進(jìn)學(xué)生形成“科技向善”的價(jià)值判斷力。

3.素養(yǎng)貫通：從技能訓(xùn)練到綜合發(fā)展

教師跨學(xué)科整合編程實(shí)踐、美學(xué)評(píng)價(jià)、倫理思辨，培養(yǎng)學(xué)生的信息意識(shí)、創(chuàng)新能力與社會(huì)責(zé)任感，構(gòu)建符合數(shù)字時(shí)代的核心素養(yǎng)教育生態(tài)。

（二）教學(xué)過(guò)程：項(xiàng)目式學(xué)習(xí)框架下的“六階框架”

1.項(xiàng)目引入：真實(shí)情境驅(qū)動(dòng)，激發(fā)探究動(dòng)機(jī)

教師以“校園藝術(shù)節(jié)”作為真實(shí)情境，引入AI繪畫經(jīng)典案例《太空歌劇院》?！短崭鑴≡骸返漠嬅娣浅＞溃宫F(xiàn)了獨(dú)特的藝術(shù)風(fēng)格。教師把這幅作品和校園藝術(shù)節(jié)上的學(xué)生作品進(jìn)行對(duì)比，提出“如何用AI技術(shù)創(chuàng)作家鄉(xiāng)主題藝術(shù)作品”這樣一個(gè)真實(shí)且貼近學(xué)生生活的問(wèn)題。

通過(guò)這樣的情境設(shè)定，能夠讓學(xué)生清楚地知道自己的學(xué)習(xí)目標(biāo)。以往，學(xué)生感覺(jué)學(xué)習(xí)技術(shù)和生活沒(méi)有關(guān)系，而現(xiàn)在，學(xué)生能夠通過(guò)真實(shí)情境明白學(xué)習(xí)圖像風(fēng)格遷移技術(shù)能夠讓自己從一個(gè)旁觀者變?yōu)橐粋€(gè)真正的創(chuàng)造者。

2.項(xiàng)目準(zhǔn)備：技術(shù)與人文融合，深化學(xué)習(xí)內(nèi)涵

教師用“AI修復(fù)《富春山居圖》”的案例開(kāi)展教學(xué)。《富春山居圖》是中國(guó)著名的繪畫作品，但是由于年代久遠(yuǎn)等原因已出現(xiàn)破損。AI技術(shù)能夠讓它原本模糊不清的部分變得清晰，缺失的部分也能合理修復(fù)。通過(guò)這個(gè)案例，教師向?qū)W生揭示技術(shù)對(duì)文化遺產(chǎn)保護(hù)的重要意義。

教師把愛(ài)國(guó)主義教育融入技術(shù)教學(xué)。當(dāng)學(xué)生看到AI技術(shù)能夠讓國(guó)家珍貴的文化遺產(chǎn)重新煥發(fā)光彩時(shí)，會(huì)增強(qiáng)民族自豪感；同時(shí)，這個(gè)教學(xué)過(guò)程涉及計(jì)算機(jī)技術(shù)、藝術(shù)史等多個(gè)學(xué)科知識(shí)，能夠體現(xiàn)跨學(xué)科融合的理念。學(xué)生通過(guò)參與分析教學(xué)案例實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)”，從而能夠更好地理解知識(shí)的價(jià)值。

3.項(xiàng)目規(guī)劃：原理可視化拆解，降低認(rèn)知負(fù)荷

教師展示寫實(shí)畫和抽象畫，讓學(xué)生觀察兩者在表現(xiàn)形式上的不同。然后，教師用“內(nèi)容一風(fēng)格分離”的圖示解釋卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理。比如，把一幅寫實(shí)畫看作內(nèi)容和風(fēng)格的結(jié)合，內(nèi)容就是畫中所描繪的具體事物，風(fēng)格則是畫家獨(dú)特的筆觸、色彩的運(yùn)用等。通過(guò)圖示，學(xué)生可以理解卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別是如何對(duì)內(nèi)容和風(fēng)格進(jìn)行處理的。此外，教師還使用一些視覺(jué)化支架，比如參數(shù)調(diào)節(jié)模擬器。學(xué)生可以通過(guò)操作這個(gè)模擬器，改變一些參數(shù)，觀察圖像風(fēng)格遷移效果的變化。

學(xué)生的認(rèn)知水平還在不斷發(fā)展的過(guò)程中，理解這種抽象的算法有一定難度。通過(guò)上述教學(xué)方式，可以把原本抽象的算法轉(zhuǎn)化成學(xué)生能夠看得見(jiàn)、摸得著、可操作的工程問(wèn)題，更符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)。

4.項(xiàng)目實(shí)施：迭代式創(chuàng)作，賦能自主探究

在項(xiàng)目實(shí)施階段，學(xué)生會(huì)經(jīng)歷從模仿遷移到自由創(chuàng)作的過(guò)程。一開(kāi)始，教師給學(xué)生提供預(yù)設(shè)風(fēng)格庫(kù)，讓他們先從里面選擇一些風(fēng)格，再對(duì)給定的圖像進(jìn)行風(fēng)格遷移，這就是模仿遷移階段。在這個(gè)階段，學(xué)生可以熟悉風(fēng)格遷移的流程和操作方法。當(dāng)學(xué)生掌握一定的技巧后，就可以進(jìn)入自由創(chuàng)作階段，以“智繪家鄉(xiāng)山水”為主題進(jìn)行圖像風(fēng)格遷移創(chuàng)作。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生會(huì)不斷經(jīng)歷“試錯(cuò)一調(diào)試一優(yōu)化”的循環(huán)。首先，學(xué)生一開(kāi)始選擇的風(fēng)格可能與主題不太搭，這就是試錯(cuò)。其次，學(xué)生會(huì)調(diào)整一些參數(shù)，嘗試不同的方法，這就是調(diào)試。最后，學(xué)生會(huì)根據(jù)調(diào)整后的效果，不斷優(yōu)化自己的作品，讓作品更符合自己對(duì)主題的理解，這就是優(yōu)化。

通過(guò)這樣漸進(jìn)式的任務(wù)鏈，學(xué)生不再被動(dòng)地接受知識(shí)，而是像設(shè)計(jì)師一樣運(yùn)用設(shè)計(jì)思維解決問(wèn)題。學(xué)生需要在藝術(shù)效果和技術(shù)可行性之間找到平衡，同時(shí)在不斷嘗試和調(diào)整的過(guò)程中培養(yǎng)解決問(wèn)題的韌性。

5.項(xiàng)目拓展：技術(shù)邊界拓展，啟發(fā)創(chuàng)新思維

教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)比Dall-E和StableDiffusion這兩個(gè)知名AI繪畫工具的生成邏輯。Dall-E在生成圖像時(shí)更側(cè)重根據(jù)文本描述生成一些奇幻、有創(chuàng)意的圖像，而StableDiffusion則在生成圖像的多樣性和可控性方面有自己的特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)比，學(xué)生可以深入探討“AI能否替代人類藝術(shù)家”這個(gè)話題。

這個(gè)環(huán)節(jié)讓學(xué)生跳出操作工具的層面，開(kāi)始深入思考技術(shù)的可能性和局限性。學(xué)生思考：“AI雖然能夠生成精美的圖像，但是它是否能夠完全替代人類藝術(shù)家呢？人類藝術(shù)家的情感、創(chuàng)造力及獨(dú)特的人生經(jīng)歷是AI無(wú)法復(fù)制的?！蓖ㄟ^(guò)這樣的思考，學(xué)生能夠發(fā)展批判性思維。

6.項(xiàng)目總結(jié)：倫理反思閉環(huán)，強(qiáng)化社會(huì)責(zé)任

教師圍繞“AI版權(quán)歸屬”這個(gè)熱點(diǎn)話題組織學(xué)生開(kāi)展辯論活動(dòng)。在AI繪畫越來(lái)越普遍的今天，很多作品的版權(quán)歸屬存在爭(zhēng)議。比如，一個(gè)人使用AI生成一幅作品，那么這幅作品的版權(quán)是屬于這個(gè)人，還是屬于開(kāi)發(fā)AI的公司呢？學(xué)生通過(guò)辯論，能夠從不同的角度思考這個(gè)問(wèn)題。

學(xué)生通過(guò)這樣的學(xué)習(xí)，不僅可以掌握技術(shù)，還可以明白在使用技術(shù)的過(guò)程中應(yīng)該承擔(dān)的社會(huì)責(zé)任。

（三）設(shè)計(jì)亮點(diǎn)：項(xiàng)目式教學(xué)的四重突破

1.真實(shí)情境驅(qū)動(dòng)

教師以“家鄉(xiāng)文化傳播”的任務(wù)替代傳統(tǒng)的任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生以風(fēng)格遷移創(chuàng)作解決現(xiàn)實(shí)需求，可以使技術(shù)學(xué)習(xí)與鄉(xiāng)土情懷融合，激發(fā)學(xué)生深度學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力。

2.跨學(xué)科深度融合

教師將數(shù)學(xué)原理、Python編程及構(gòu)圖美學(xué)有機(jī)融入創(chuàng)作流程，引導(dǎo)學(xué)生在調(diào)試參數(shù)的過(guò)程中理解算法邏輯，在優(yōu)化代碼的過(guò)程中融合藝術(shù)思維，從而打破學(xué)科壁壘，構(gòu)建知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。

3.三維素養(yǎng)評(píng)價(jià)體系

教師構(gòu)建“技術(shù)實(shí)現(xiàn)度、藝術(shù)創(chuàng)新性、倫理反思力”評(píng)價(jià)框架，從單純的技能考核轉(zhuǎn)向計(jì)算思維、審美素養(yǎng)、社會(huì)責(zé)任感的核心素養(yǎng)綜合評(píng)價(jià)。

4.可遷移教學(xué)模式

教師提煉“情境錨定一原理拆解一創(chuàng)作迭代一倫理反思”四步范式，生成適配技術(shù)教學(xué)的場(chǎng)景。如AI語(yǔ)音教學(xué)可轉(zhuǎn)化為“方言保護(hù)需求錨定一聲紋合成原理探究一語(yǔ)音庫(kù)迭代優(yōu)化一隱私倫理辯論”的范式，從而形成可推廣的AI教育方法論。

結(jié)語(yǔ)

本研究以“智繪家鄉(xiāng)山水”項(xiàng)目為載體，通過(guò)風(fēng)格遷移技術(shù)實(shí)踐，引導(dǎo)學(xué)生從技術(shù)應(yīng)用轉(zhuǎn)向價(jià)值創(chuàng)造，踐行杜威“教育即生活”理念，讓AI教育超越工具理性，讓技術(shù)成為滋養(yǎng)人文精神的源泉。

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