人工智能課程的教學(xué)實(shí)踐與思考

1、人工智能課程的教學(xué)實(shí)踐與思考摘要：分析中學(xué)人工智能課程的教學(xué)現(xiàn)狀，提出師范院校人工智能課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革，在人本主義教育觀指導(dǎo)下，從課程內(nèi)容、課程目標(biāo)、課程實(shí)施、課程評(píng)價(jià)、師生管理等5個(gè)環(huán)節(jié)介紹以學(xué)生為中心的人工智能課程設(shè)計(jì)改革實(shí)踐，最后通過(guò)問(wèn)卷分析說(shuō)明教學(xué)效果。0引言近年來(lái)，全球掀起人工智能研發(fā)浪潮，歐美、日本等相繼出臺(tái)一系列國(guó)家政策，搶占國(guó)家 戰(zhàn)略制高點(diǎn)。人工智能技術(shù)創(chuàng)新最關(guān)鍵的是人工智能人才。為了適應(yīng)未來(lái)人工智能的發(fā)展， 國(guó)務(wù)院新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃根據(jù)教育部發(fā)展規(guī)劃司 2019年公布的全國(guó)教育事業(yè)發(fā)展基本情況的數(shù)據(jù)，全國(guó)各類 學(xué)校51.89萬(wàn)所，其中初中5.20萬(wàn)所，高中2.44萬(wàn)所，中

2、等教育人工智能師資需求巨大, 完善師范院校計(jì)算機(jī)專業(yè)中學(xué)人工智能課程設(shè)計(jì)課程成為時(shí)代的需求。為了滿足時(shí)代需求，應(yīng)基于人本主義教育觀展開(kāi)中學(xué)人工智能課程設(shè)計(jì)。首先，以人工智 能技術(shù)支持課程設(shè)計(jì)，讓學(xué)生在體驗(yàn)人工智能技術(shù)的過(guò)程中學(xué)習(xí)技術(shù)，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主 動(dòng)性；其次，堅(jiān)持以人為中心的人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑，人工智能技術(shù)的實(shí)施以學(xué)生為中 心，而不是以技術(shù)為中心；最后，堅(jiān)持以人為中心的技術(shù)價(jià)值取向，樹(shù)立“人工智能技術(shù) 研究要有助于人的價(jià)值與尊嚴(yán)的提高”的價(jià)值倫理觀。1中學(xué)人工智能課程的教學(xué)現(xiàn)狀高等院校師范類的目標(biāo)是培養(yǎng)未來(lái)的中小學(xué)教師，承擔(dān)中學(xué)人工智能課程的信息技術(shù)教師 大多來(lái)源于計(jì)算機(jī)專業(yè)的師范生。為

3、了使中學(xué)人工智能課程設(shè)計(jì)更具有針對(duì)性，根據(jù)加拿 大Victoria 大學(xué)的課程設(shè)計(jì)機(jī)制與文獻(xiàn)1.1 課程內(nèi)容與課程目標(biāo)“學(xué)什么”是課程設(shè)計(jì)的首要問(wèn)題。解決了 “學(xué)什么”的問(wèn)題，接下來(lái)就是“學(xué)到什么程 度”，即課程目標(biāo)設(shè)置2003年我國(guó)正式啟動(dòng)中小學(xué)人工智能教育。2018年在國(guó)家政策文件的要求下，出版了高中版的人工智能基礎(chǔ)教材。目前中小學(xué)的人工智能教育主要在信息技術(shù)課程、創(chuàng)客課 程人工智能教育課程是以人工智能教育為主題的泛在課程系列，主要分為編程教育和機(jī)器人 教育兩部分。編程教育停留在指導(dǎo)學(xué)生利用程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言完成具體的編程題，學(xué)生大多以 參加競(jìng)賽為目的，在學(xué)習(xí)過(guò)程中更多地關(guān)注編程技能的提升，缺少

4、對(duì)學(xué)生人工智能思維能 力培養(yǎng)的引導(dǎo)；機(jī)器人教育則停留在簡(jiǎn)單的實(shí)體安裝層次，對(duì)機(jī)器人的設(shè)計(jì)思想與技術(shù)涉 及較少?？v觀國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀，課程內(nèi)容是碎片化的，缺少對(duì)人工智能思維、方法、能力目標(biāo)的系統(tǒng)化設(shè) 計(jì)。課程目標(biāo)只是人工智能課程目標(biāo)的一小部分。1.2 課程實(shí)施與課程評(píng)價(jià)根據(jù)文獻(xiàn)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，不同地區(qū)的學(xué)校，人工智能課程實(shí)施與課程評(píng)價(jià)有較大差別。如有些縣中，信息技術(shù)課程并未開(kāi)設(shè)人工智能模塊，即使開(kāi)設(shè)也是采用傳統(tǒng)課程設(shè)計(jì)中以“教師一粉筆/黑板一學(xué)生”的方法實(shí)施教學(xué)活動(dòng)，評(píng)價(jià)方式采用傳統(tǒng)的考試。在中小城市的中學(xué)，僅用 多媒體課件代替了粉筆/黑板，機(jī)試代替了筆試，或者增加一些人工智能產(chǎn)品的展示。辦 學(xué)條件較好的一二

5、線城市的部分中學(xué)，在人工智能課堂上利用為教師和學(xué)生搭建的交流平 臺(tái)如Class Dojo組建班級(jí)群，學(xué)生分組學(xué)習(xí)。教師通過(guò)項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)組織教學(xué)，學(xué)生以項(xiàng)目 成果的形式提交到Class Dojo的班級(jí)群展示項(xiàng)目成果，由教師評(píng)價(jià)。目前，課程實(shí)施與課程評(píng)價(jià)的主體都是教師。傳統(tǒng)課程設(shè)計(jì)中采用了 “教育工廠”模式1.3 師生管理隨著可穿戴技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，電子手環(huán)、谷歌眼鏡、可穿戴手套和口袋投影儀這些 人工智能產(chǎn)品已出現(xiàn)在課堂中，但目前還未能充分利用這些可穿戴設(shè)備獲取的學(xué)生在課堂 上的各種行為數(shù)據(jù)，進(jìn)行學(xué)生管理。目前，課程設(shè)計(jì)的師生管理只關(guān)注學(xué)生的管理，未包括教師的交流與學(xué)習(xí)，忽視了教師在 課程中的自我

6、提升。人工智能時(shí)代，教師的角色定位發(fā)生了變化2師范生的人工智能課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革實(shí)踐教育觀是人們基于實(shí)踐對(duì)教育產(chǎn)生的系統(tǒng)性認(rèn)識(shí)2.1 以學(xué)生為中心的人本主義教育觀人本主義教育觀是人本主義心理學(xué)在教育中的運(yùn)用，核心內(nèi)涵以學(xué)習(xí)者為中心，教學(xué)模式 以主體性教學(xué)、自主式學(xué)習(xí)為主，完成培養(yǎng)全面、完整的人 人本主義教育觀通過(guò)教育喚醒個(gè)體潛能，使個(gè)體通過(guò)自主選擇進(jìn)行學(xué)習(xí)，進(jìn)而發(fā)掘隱藏在 深處的自我，最終成為完整而豐富的人，達(dá)到自我實(shí)現(xiàn)。教育模式提倡知情結(jié)合與人性化 教學(xué)，讓學(xué)生自由討論、自主學(xué)習(xí)、自我評(píng)價(jià)，使學(xué)生感受到學(xué)習(xí)的樂(lè)趣。教師既是學(xué)生 學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者，又能以平等的態(tài)度對(duì)待學(xué)生，給予學(xué)生愛(ài)與關(guān)懷。2.2

7、基于師范生的人工智能課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革為國(guó)家培養(yǎng)高端人工智能人才，中等教育非常關(guān)鍵。為了奠定人工智能人才培養(yǎng)的廣泛基 礎(chǔ)，中小學(xué)信息技術(shù)教師的人工智能學(xué)科素養(yǎng)非常重要。為了提升未來(lái)的中小學(xué)信息技術(shù) 教師一計(jì)算機(jī)專業(yè)師范生的人工智能教育能力，在人工智能課程設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐中充分利用 人工智能技術(shù)進(jìn)行教學(xué)改革，并選用了商湯科技與華東師范大學(xué)慕課中心共同編寫(xiě)的人工 智能教材（高中版）。1）課前準(zhǔn)備。課前準(zhǔn)備不是課程設(shè)計(jì)的固有環(huán)節(jié)，但在教學(xué)實(shí)踐中卻不容忽視。根據(jù)尊重學(xué)生個(gè)體差異和學(xué)生認(rèn)知發(fā)展水平原則，通過(guò)中等教育中廣泛使用的電子檔案袋 技術(shù)，了解授課班級(jí)學(xué)生在上一階段學(xué)習(xí)的相關(guān)數(shù)據(jù)，并綜合教師、家長(zhǎng)對(duì)其性格

8、的評(píng)價(jià), 將性格互補(bǔ)、興趣相投的學(xué)生進(jìn)行初步分組；然后，考慮學(xué)生的情感需求，利用電子檔案 袋技術(shù)，進(jìn)行二次分組，小組中包含不同認(rèn)知水平層次的學(xué)生但不同于隨機(jī)分組；最后， 使用學(xué)習(xí)平臺(tái)如超星學(xué)習(xí)通發(fā)布小組任務(wù)：為小組取名，增強(qiáng)各學(xué)習(xí)小組的團(tuán)隊(duì)凝聚力， 調(diào)動(dòng)學(xué)生的自主性。在此期間，教師可以通過(guò)平臺(tái)教師端了解各小組組員討論情況，對(duì)分 組做出適當(dāng)調(diào)整。2）課程內(nèi)容選擇。課程內(nèi)容選擇考慮中學(xué)生的興趣、情感需求、認(rèn)知發(fā)展水平。課程內(nèi)容圍繞人的智能系統(tǒng) 組織，以此體現(xiàn)出人工智能的學(xué)科思想，它是計(jì)算機(jī)對(duì)人類智能的模擬與延伸，教師利用 課堂教學(xué)再現(xiàn)人工智能思想過(guò)程以培養(yǎng)高端專業(yè)人才的思維方式。首先，從人類智能的

9、發(fā)展演化探討人工智能研究應(yīng)遵循的倫理、遺傳算法的思想；然后， 從人類的感知過(guò)程學(xué)習(xí)機(jī)器感知，包括圖片識(shí)別、聲音識(shí)別、視頻識(shí)別的算法思想；第 部分圍繞人類的學(xué)習(xí)能力和學(xué)習(xí)方法，探索基于統(tǒng)計(jì)的機(jī)器學(xué)習(xí)與深度學(xué)習(xí)模型；第 分是機(jī)器的思維能力，通過(guò)了解已有的人工智能產(chǎn)品，理解智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想；第 分是機(jī)器的行為能力，包括自然語(yǔ)言理解、情感理解。具體課程內(nèi)容選擇時(shí)，借助軟件系統(tǒng)對(duì)給定的具體學(xué)習(xí)材料分組討論，以滿足中學(xué)生的興 趣的需求，利用繪制思維導(dǎo)圖軟件如Process On繪制相關(guān)內(nèi)容的思維導(dǎo)圖3）課程目標(biāo)制訂?；诹_杰斯的理念一一自我發(fā)現(xiàn)與自我調(diào)節(jié)的學(xué)習(xí)才能影響行為制訂課程目標(biāo)。首先，根據(jù)中學(xué)生的

10、思維發(fā)展特點(diǎn)，采取各小組討論，小組將討論結(jié)果上傳至班級(jí)群，再 由其他小組在線評(píng)價(jià)和提問(wèn)，綜合各小組的討論結(jié)果，獲取初步的課程目標(biāo)。然后，教師 通過(guò)對(duì)全體學(xué)生電子檔案袋中學(xué)業(yè)數(shù)據(jù)的分析，尊重個(gè)體差異，對(duì)初步課程目標(biāo)做出適當(dāng) 調(diào)整，完成班級(jí)課程目標(biāo)的設(shè)計(jì)。班級(jí)課程目標(biāo)為不同認(rèn)知層次的學(xué)生制定個(gè)性化學(xué)習(xí)目標(biāo)。保存的學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)計(jì)入學(xué)生 的電子檔案袋，用于下一階段學(xué)習(xí)，乃至終身學(xué)習(xí)。為了滿足學(xué)生的情感需求，在利用課堂互動(dòng)技術(shù)中保護(hù)學(xué)生的隱私，無(wú)條件尊重和接納學(xué) 生的個(gè)性化目標(biāo)。4）課程實(shí)施。人本主義認(rèn)為人類的學(xué)習(xí)是“完整的人的學(xué)習(xí)”。完整的人的學(xué)習(xí)包含認(rèn)知、感受和直覺(jué) 水平的學(xué)習(xí)?；谥袑W(xué)生的認(rèn)知水平

11、選擇人工智能助教技術(shù)，通過(guò)學(xué)情監(jiān)測(cè)和分析，得到“學(xué)生畫(huà)像”， 并制定下一步的教學(xué)計(jì)劃。然后按照課程內(nèi)容和目標(biāo)設(shè)計(jì)，基于學(xué)生的感受能力，充分利 用教學(xué)平臺(tái)和課程材料。如在“機(jī)器感知：語(yǔ)音識(shí)別”部分課程實(shí)施時(shí)，以小組為單位研 究智能機(jī)器人" NaO',通過(guò)與" NaO'對(duì)話，給" NaO'下語(yǔ)音指令等小組活動(dòng)，激發(fā)學(xué) 習(xí)興趣，積累學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)。選擇增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) /虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和課堂互動(dòng)技術(shù)，通過(guò)構(gòu)建虛擬的 學(xué)習(xí)場(chǎng)景，提升學(xué)生對(duì)人工智能技術(shù)的直覺(jué)經(jīng)驗(yàn)。如在“機(jī)器思維：圍棋高手”部分課程 實(shí)施時(shí)，利用增強(qiáng)/虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)設(shè)備，體驗(yàn)“ Alpha GO”的高超

12、水平，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于抽 象的人工智能課程內(nèi)容的理解。課程實(shí)施過(guò)程中，通過(guò)控制使用時(shí)間的方式，規(guī)避學(xué)生沉溺虛擬世界帶來(lái)的心理和生理問(wèn) 題，避免學(xué)生產(chǎn)生情感依賴。5）課程評(píng)價(jià)。中等教育中非常重視評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)，課程教學(xué)采用多種形式評(píng)價(jià)，包括自我評(píng)價(jià)、學(xué)生互評(píng)、 教師評(píng)價(jià)、整體評(píng)價(jià)。自我評(píng)價(jià)：與課程目標(biāo)一一對(duì)應(yīng)。學(xué)生根據(jù)自身對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的學(xué)習(xí)情況，與課程目標(biāo)中的 目標(biāo)動(dòng)詞進(jìn)行對(duì)照，目的在于查漏補(bǔ)缺。學(xué)生互評(píng)：借助學(xué)習(xí)平臺(tái)，學(xué)生將自己學(xué)習(xí)到的內(nèi)容制作成文字、圖片或視頻等各種形式, 上傳至班級(jí)群，由其他同學(xué)瀏覽和討論，評(píng)價(jià)主體是學(xué)生展示的學(xué)習(xí)成果。教師評(píng)價(jià)：借助學(xué)習(xí)平臺(tái)對(duì)學(xué)生進(jìn)行形成性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)主體是學(xué)生在課堂上

13、的隨堂測(cè)驗(yàn)及 課后作業(yè)，目的在于檢測(cè)學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況，并間接反映課堂教學(xué)效果。整體評(píng)價(jià)：整合以上3種評(píng)價(jià)結(jié)果，記錄到學(xué)生的電子檔案袋中。從多個(gè)角度進(jìn)行綜合性課程評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)主體是學(xué)生及其相關(guān)能力，評(píng)價(jià)者包括教師和學(xué)生。利用電子檔案袋技術(shù)，學(xué)生在某個(gè)學(xué)習(xí)階段的綜合數(shù)據(jù)被納入終身學(xué)習(xí)系統(tǒng)中，評(píng)價(jià)具有 整體性、發(fā)展性，與人本主義教育觀培養(yǎng)全面、完整的人一致。6）師生管理。將利用人工智能技術(shù)完成教學(xué)過(guò)程中的師生管理。利用合作學(xué)習(xí)技術(shù)考慮到教師的發(fā)展，選擇較多中學(xué)教師交流的Pedagoo等平臺(tái)，在平臺(tái)上教師疑惑、感觸的分享對(duì)象不再僅限于教研組成員，而是全國(guó)乃至全球教師，從而促進(jìn)教師教學(xué)水平的提 高、教

14、師自身的成長(zhǎng)，同時(shí)設(shè)置教師隱私保護(hù)機(jī)制，避免教師信息泄露。3教學(xué)效果分析針對(duì)課程內(nèi)容、目標(biāo)、實(shí)施、評(píng)價(jià)和師生管理等5個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了 “高中人工智能課程設(shè)計(jì)方案測(cè)評(píng)”問(wèn)卷，旨在為人工智能課程設(shè)計(jì)中各個(gè)環(huán)節(jié)的指導(dǎo)思想和實(shí)現(xiàn)路徑的選擇提供 數(shù)據(jù)支持，測(cè)評(píng)目標(biāo)見(jiàn)表 1。測(cè)評(píng)問(wèn)卷通過(guò)本校計(jì)算機(jī)專業(yè)師范生所在實(shí)習(xí)單位的微信群中分享二維碼完成，采取匿名 制。測(cè)試問(wèn)卷中評(píng)價(jià)維度包括課程內(nèi)容、目標(biāo)、實(shí)施、評(píng)價(jià)、師生管理、整體評(píng)價(jià)，每個(gè) 維度6個(gè)題目，共36個(gè)題目，其中3個(gè)題目用來(lái)篩選前后矛盾的問(wèn)卷，以排除無(wú)效問(wèn)卷。 共收到37份問(wèn)卷，去掉4份前后不一致的問(wèn)卷，有效問(wèn)卷 33份。測(cè)評(píng)過(guò)程包括兩個(gè)步驟：（1）閱讀人工智能課程設(shè)計(jì)方案中的“方案一” “方案二”， 方案一是改革前采用的人工智能課程設(shè)計(jì)方案，本方案是方案二；（2）根據(jù)各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中的評(píng)價(jià)維度，選出符合該維度的方案，每個(gè)維度的題目，分別對(duì)兩個(gè)方案做出評(píng)價(jià)