初中人工智能跨學(xué)科主題單元項(xiàng)目式學(xué)習(xí)實(shí)踐

【摘要】推動(dòng)人工智能教育進(jìn)課堂是新時(shí)代信息科技教育發(fā)展的重要議題。鑒于人工智能本質(zhì)上具有的跨學(xué)科屬性，以及新課標(biāo)對(duì)跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)的強(qiáng)調(diào)，從跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)視角進(jìn)行人工智能教學(xué)實(shí)踐顯得尤為必要。文章通過(guò)具體的教學(xué)案例，從大單元視角出發(fā)，探討了單元教學(xué)規(guī)劃與項(xiàng)目式學(xué)習(xí)實(shí)踐兩個(gè)層面。單元教學(xué)規(guī)劃涵蓋確立單元主題、明晰單元目標(biāo)、設(shè)計(jì)單元任務(wù)以及構(gòu)建評(píng)價(jià)體系等方面，而項(xiàng)目式學(xué)習(xí)從單元構(gòu)思到課時(shí)實(shí)施，貫穿整個(gè)教學(xué)過(guò)程?！娟P(guān)鍵詞】人工智能；跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)；單元教學(xué)；項(xiàng)目式學(xué)習(xí)2022年版義務(wù)教育課程方案提出要“統(tǒng)籌設(shè)計(jì)綜合課程和跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)”，并在各科新課標(biāo)中新增了“跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)”模塊。2022年版義務(wù)教育信息科技新課標(biāo)列舉的跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)案例中明確涉及了人工智能。人工智能以計(jì)算機(jī)科學(xué)為基礎(chǔ)，融合交叉心理學(xué)、哲學(xué)、數(shù)學(xué)等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，研究領(lǐng)域涉及機(jī)器學(xué)習(xí)、圖像識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、自然語(yǔ)言處理（簡(jiǎn)稱NLP）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，其原理知識(shí)的講解、生活學(xué)習(xí)的應(yīng)用都涉及跨學(xué)科知識(shí)。因此，人工智能本質(zhì)上具有跨學(xué)科屬性，從跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)視角探索人工智能教育實(shí)踐問(wèn)題，是新時(shí)代新課改的關(guān)鍵點(diǎn)。人工智能跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)存在的問(wèn)題跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)是基于學(xué)生基礎(chǔ)、體驗(yàn)、興趣，圍繞某一研究主題，即真實(shí)情境的綜合問(wèn)題，以本學(xué)科課程內(nèi)容為主干，運(yùn)用并整合其他課程的相關(guān)知識(shí)和方法，開展綜合學(xué)習(xí)的一種方式[1]。信息科技課程中，人工智能跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)必然立足于信息科技學(xué)科本身，不同于其他學(xué)科課程中以人工智能為工具的跨學(xué)科學(xué)習(xí)活動(dòng)，教師要關(guān)注人工智能前沿發(fā)展資訊，聚焦人工智能素養(yǎng)和核心素養(yǎng)，立足學(xué)生現(xiàn)有特點(diǎn)，充分運(yùn)用智能時(shí)代的網(wǎng)絡(luò)資源平臺(tái)，以跨學(xué)科融合視角構(gòu)建人工智能課程體系[2]，助力學(xué)生數(shù)字素養(yǎng)與技能提升以及高階思維的發(fā)展。然而，隨著人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，其專業(yè)性不斷加強(qiáng)，信息科技學(xué)科教師面臨難以精確掌握教學(xué)內(nèi)容以及缺乏有效教學(xué)策略的困境，出現(xiàn)主題活動(dòng)過(guò)于“專業(yè)化”，學(xué)習(xí)內(nèi)容過(guò)于“拼盤化”[3]，學(xué)習(xí)過(guò)程過(guò)于“淺表化”的情況。人與技術(shù)的互動(dòng)僅停留在淺層次上，在課堂中如何利用技術(shù)支持合作學(xué)習(xí)和探究學(xué)習(xí)的價(jià)值并未充分挖掘[4]。跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)視域下初中人工智能教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施案例跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)應(yīng)當(dāng)從單元教學(xué)規(guī)劃與項(xiàng)目式學(xué)習(xí)實(shí)踐兩個(gè)層面展開。單元教學(xué)規(guī)劃涵蓋確立單元主題、明晰單元目標(biāo)、設(shè)計(jì)單元任務(wù)以及構(gòu)建評(píng)價(jià)體系等方面。同時(shí)，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)從單元構(gòu)思到課時(shí)實(shí)施，貫穿教學(xué)全過(guò)程。而跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)視域下的人工智能教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施同樣采用這樣的思路。1.單元主題深圳的盛夏時(shí)節(jié)，全市多處荷花盛開，許多學(xué)生都有賞荷的經(jīng)歷?；趯?duì)學(xué)情的深入分析，我們精心策劃了“荷花的數(shù)字化演繹”這一人工智能跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)項(xiàng)目。該項(xiàng)目涉及語(yǔ)文、美術(shù)、信息科技、音樂(lè)、生物等多個(gè)學(xué)科的知識(shí)，分為五個(gè)實(shí)踐模塊，即“觀荷”“聽荷”“繪荷”“吟荷”與“養(yǎng)荷”，旨在通過(guò)這五個(gè)任務(wù)模塊的實(shí)踐，引導(dǎo)學(xué)生全方位且多角度地探索荷花之美。整個(gè)項(xiàng)目計(jì)劃九個(gè)課時(shí)來(lái)完成。2.單元目標(biāo)一是通過(guò)實(shí)地觀荷，學(xué)生能夠借助AI攝影實(shí)地拍攝荷花之美的圖片和視頻片段，理解AI音頻生成原理，根據(jù)需要生成關(guān)于荷花的背景音樂(lè)，為微視頻作品配樂(lè)，并通過(guò)AI剪輯軟件高效完成微視頻創(chuàng)作，提升發(fā)現(xiàn)美、表達(dá)美、創(chuàng)作美的能力。二是理解AI繪畫原理，學(xué)生能夠根據(jù)荷花的古典詩(shī)詞意境，選擇合適的提示詞實(shí)現(xiàn)AI高效繪圖，提升數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力，加深對(duì)中華傳統(tǒng)優(yōu)秀文化的熱愛。三是學(xué)會(huì)turtle庫(kù)、for循環(huán)的使用，學(xué)生能夠用Python編程實(shí)現(xiàn)繪制荷花與飛花令程序；通過(guò)體驗(yàn)AI大語(yǔ)言模型編程進(jìn)階，理解自然語(yǔ)言處理的工作原理，能夠通過(guò)jieba庫(kù)編程實(shí)現(xiàn)分詞。四是了解荷花的生長(zhǎng)習(xí)性，學(xué)生通過(guò)家庭智能養(yǎng)荷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，了解虛實(shí)結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，理解數(shù)字孿生的概念以及物聯(lián)網(wǎng)的工作原理，學(xué)會(huì)將生活中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)字模型，通過(guò)編程解決實(shí)際問(wèn)題提升計(jì)算思維，明白科技不僅是提高生產(chǎn)力的有力武器，更需要向善向美，踐行社會(huì)責(zé)任。3.單元項(xiàng)目化任務(wù)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)整個(gè)單元的真實(shí)核心驅(qū)動(dòng)問(wèn)題為：夏天到了，深圳很多地方荷花競(jìng)相綻放，如洪湖公園、仙湖植物園等，引發(fā)人們流連忘返，除了在真實(shí)世界賞荷，你會(huì)怎樣用數(shù)字技術(shù)展現(xiàn)荷花之美呢？師生由此展開討論與AI相關(guān)的技術(shù)，像“如何獲取關(guān)于深圳荷花的實(shí)景美圖和視頻，并借助AI后期美化？”“如何借助AI快速創(chuàng)作出關(guān)于荷花的神曲，并為微視頻配樂(lè)？”“對(duì)比編程繪畫與AI繪畫，你更喜歡哪種方式，為什么？”“對(duì)比你用Python編程實(shí)現(xiàn)飛花令程序，借助AI編程幾秒就可以完成飛花令程序以及高難度的超級(jí)飛花令程序，它是如何理解人類語(yǔ)言，并與人對(duì)話交流的呢？”“智能養(yǎng)荷系統(tǒng)的原理及實(shí)現(xiàn)過(guò)程是怎樣的？”等，從而形成問(wèn)題鏈。對(duì)應(yīng)任務(wù)群“借助AI技術(shù)，從觀荷、繪荷、吟荷、聽荷、養(yǎng)荷五個(gè)方面創(chuàng)作作品，展現(xiàn)荷花之美”，最終呈現(xiàn)賞荷微視頻、神曲、編程簡(jiǎn)筆畫、古典詩(shī)意圖、飛花令程序、智能養(yǎng)荷系統(tǒng)等作品集。在任務(wù)實(shí)施過(guò)程中，教師需組建學(xué)生學(xué)習(xí)小組，并為之配備必要的工具、平臺(tái)、微課以及導(dǎo)學(xué)單等資源，以此作為學(xué)生學(xué)習(xí)的支架體系，確保探究活動(dòng)的順利進(jìn)行。在作品展示交流活動(dòng)之后，教師會(huì)引導(dǎo)學(xué)生思考并討論人工智能帶來(lái)的倫理問(wèn)題。整個(gè)單元任務(wù)遵循真實(shí)問(wèn)題驅(qū)動(dòng)、分析問(wèn)題、活動(dòng)探究、成果展評(píng)、總結(jié)拓展的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)流程。而評(píng)價(jià)的方式以表現(xiàn)性評(píng)價(jià)作品集為主，每小節(jié)有評(píng)價(jià)量規(guī)、每課時(shí)有自我檢測(cè)等。單元項(xiàng)目式學(xué)習(xí)終結(jié)性評(píng)價(jià)量規(guī)主要從信息科技AI知識(shí)與跨學(xué)科知識(shí)融合、問(wèn)題解決與創(chuàng)新表現(xiàn)、跨學(xué)科思維、團(tuán)隊(duì)協(xié)作與溝通、藝術(shù)審美與表現(xiàn)力等方面展開。4.人工智能課時(shí)實(shí)施案例：AI助力超級(jí)飛花令——NLP的奧秘（1）從單元到課時(shí)進(jìn)行內(nèi)容分析?；诖髥卧目鐚W(xué)科主題項(xiàng)目“荷花的數(shù)字化演繹”分九課時(shí)完成，該課為第二節(jié)吟荷的第二課時(shí)?；谇耙徽n時(shí)無(wú)法完成超級(jí)飛花令這一學(xué)習(xí)中遇到的真實(shí)問(wèn)題，引發(fā)學(xué)生對(duì)自然語(yǔ)言處理（NLP）的好奇，讓他們?cè)诮鉀Q真實(shí)問(wèn)題的過(guò)程中，學(xué)習(xí)自然語(yǔ)言處理的原理知識(shí)，并通過(guò)編程實(shí)踐深化原理理解，體現(xiàn)了“科”“技”并重的教學(xué)理念。（2）從知識(shí)技能基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)需要、學(xué)習(xí)興趣與認(rèn)知風(fēng)格等方面進(jìn)行學(xué)情分析。八年級(jí)學(xué)生已學(xué)習(xí)了Python程序設(shè)計(jì)入門知識(shí)及人工智能基礎(chǔ)知識(shí)，具備完成“荷花的數(shù)字化演繹”跨學(xué)科學(xué)習(xí)項(xiàng)目的知識(shí)基礎(chǔ)。上節(jié)課單主題荷字飛花令程序的實(shí)現(xiàn)讓他們充滿成就感，然而進(jìn)階任務(wù)——雙主題字（荷與顏色）的超級(jí)飛花令讓他們感到沮喪。本節(jié)正是基于他們目前遇到的真實(shí)問(wèn)題，引出AI新知的學(xué)習(xí)——NLP的奧秘。在人工智能飛速發(fā)展的社會(huì)背景下，大多數(shù)學(xué)生對(duì)AI和編程的學(xué)習(xí)主題表現(xiàn)出濃厚的興趣，尤其是動(dòng)手實(shí)踐的熱情遠(yuǎn)超對(duì)科學(xué)原理的學(xué)習(xí)。在使用專業(yè)術(shù)語(yǔ)的規(guī)范表達(dá)方面，他們?nèi)杂星啡?，需要教師多加引?dǎo)。上節(jié)課已經(jīng)進(jìn)行了本節(jié)課的課前檢測(cè)，目的是希望通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)來(lái)盡可能精準(zhǔn)地進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。（3）在單元目標(biāo)的基礎(chǔ)上，確立本節(jié)課的目標(biāo)。一是通過(guò)體驗(yàn)AI大模型高效編程，了解自然語(yǔ)言處理的目標(biāo)，形成人工智能意識(shí)。學(xué)生通過(guò)類比人與人之間的交流過(guò)程，理解自然語(yǔ)言處理的兩大核心技術(shù)。二是了解自然語(yǔ)言處理的一般流程，通過(guò)實(shí)例類比，理解語(yǔ)料預(yù)處理的四大關(guān)鍵技術(shù)。三是能夠通過(guò)jieba庫(kù)編程實(shí)現(xiàn)中文分詞，提升編程實(shí)踐能力，同時(shí)深化對(duì)自然語(yǔ)言處理原理的理解，從而發(fā)展人工智能思維，提高人工智能應(yīng)用與探究能力。四是了解人工智能的便利和局限性，對(duì)人與AI的關(guān)系有正確的認(rèn)識(shí)，踐行人工智能社會(huì)責(zé)任，積極適應(yīng)和融入人工智能社會(huì)。（4）依據(jù)單元目標(biāo)、課時(shí)目標(biāo)以及學(xué)情，確定教學(xué)重難點(diǎn)。本節(jié)課的教學(xué)重難點(diǎn)為：理解自然語(yǔ)言處理的兩大核心技術(shù)和語(yǔ)料預(yù)處理的四大關(guān)鍵技術(shù)，能夠通過(guò)Jieba庫(kù)編程實(shí)現(xiàn)中文分詞。（5）利用云平臺(tái)，進(jìn)行基于大單元的跨學(xué)科主題項(xiàng)目化學(xué)習(xí)方法設(shè)計(jì)。教師利用導(dǎo)學(xué)單以及騰訊人工智能平臺(tái)的大模型AI助手，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境，通過(guò)生活舉例和類比，將NLP的原理轉(zhuǎn)化為學(xué)生易于理解的形式；設(shè)計(jì)基于海龜編輯器的編程實(shí)踐，目的是加深學(xué)生對(duì)NLP原理的理解，同時(shí)要為學(xué)有余力的學(xué)生設(shè)計(jì)拓展任務(wù)，關(guān)注不同基礎(chǔ)不同層次的學(xué)生；通過(guò)問(wèn)題引發(fā)學(xué)生對(duì)人與AI關(guān)系的思考，內(nèi)化人工智能價(jià)值觀，踐行社會(huì)責(zé)任。另外，借助云平臺(tái)的課前檢測(cè)和課后的自我檢測(cè)與評(píng)價(jià)，也體現(xiàn)數(shù)據(jù)循證精準(zhǔn)教學(xué)的理念。（6）項(xiàng)目式學(xué)習(xí)流程。教師引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷真實(shí)問(wèn)題情境，從而發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、學(xué)習(xí)新知，自主合作進(jìn)行實(shí)踐探究，展示交流，總結(jié)評(píng)價(jià)及拓展提升等項(xiàng)目式學(xué)習(xí)過(guò)程。環(huán)節(jié)一：真實(shí)問(wèn)題情境，激發(fā)學(xué)生興趣。教師引導(dǎo)學(xué)生打開導(dǎo)學(xué)單，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)流程以及評(píng)價(jià)規(guī)則，同時(shí)打開上節(jié)課未完成的超級(jí)飛花令作業(yè)，引出嘗試大模型AI這一得力助手助力問(wèn)題解決。環(huán)節(jié)二：體驗(yàn)AI，分析問(wèn)題，引出新知。在人工智能平臺(tái)，學(xué)生打開騰訊大模型AI助手，給予清晰指令，請(qǐng)它幫助修改自己未完成的超級(jí)飛花令程序，從而引發(fā)學(xué)生思考AI為何越來(lái)越聰明，它是如何理解人類語(yǔ)言，并與人對(duì)話交流的呢？環(huán)節(jié)三：舉例類比，原理學(xué)習(xí)通俗化。師生將人與人交流的過(guò)程類比人與機(jī)器的交流，從而理解自然語(yǔ)言處理（簡(jiǎn)稱NLP）的兩大核心技術(shù)——自然語(yǔ)言理解（NLU）和自然語(yǔ)言生成（NLG），再通過(guò)視頻生動(dòng)講解，突破難點(diǎn)之一，即語(yǔ)料預(yù)處理。環(huán)節(jié)四：自主合作編程探究，展示交流。教師提供jieba庫(kù)語(yǔ)法知識(shí)，讓學(xué)生自學(xué)，并通過(guò)自我檢測(cè)突破重點(diǎn)；利用程序半成品，使學(xué)生聚焦新知學(xué)習(xí)，提升課堂效率。教師應(yīng)注意引導(dǎo)學(xué)生展示交流反饋，實(shí)時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，并在發(fā)現(xiàn)問(wèn)題時(shí)及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。環(huán)節(jié)五：AI協(xié)作，拓展提升。對(duì)于學(xué)有余力的學(xué)生，可以嘗試借助AI大模型用jieba庫(kù)實(shí)現(xiàn)荷花環(huán)保知識(shí)問(wèn)答正誤的自動(dòng)判斷。分層教學(xué)，讓不同基礎(chǔ)的學(xué)生有不同的收獲。環(huán)節(jié)六：拓展思考，倫理與責(zé)任。既然AI幾乎無(wú)所不知，還會(huì)編程，我們還有必要學(xué)習(xí)編程嗎？人工智能在自然語(yǔ)言處理方面有哪些便利性與局限性？這些問(wèn)題開拓學(xué)生思維，讓他們思考未來(lái)人機(jī)協(xié)作以及社會(huì)責(zé)任問(wèn)題，指向核心素養(yǎng)培養(yǎng)。環(huán)節(jié)七：歸納總結(jié)，自我評(píng)價(jià)。教師在引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行內(nèi)容歸納與總結(jié)的同時(shí)，完成自我檢測(cè)表和自評(píng)表。教師還應(yīng)充分考慮學(xué)生的特性