基于“思维型”课堂理论的初中人工智能教学模式设计

摘要： 当前中小学阶段的人工智能教育存在低价值、不合理等偏航问题。文章基于指向思维与核心素养价值取向的“思维型”课堂理论，提出人工智能教学框架，并开展实证研究，培养学生的创新、批判、迁移等思维能力以及适应新时代社会需求的必备品质，以期为人工智能教学研究开拓新思路。

关键词：人工智能;思维型课堂;教学设计;核心素养

目前，基础教育阶段的人工智能教育处于探索发展阶段。培养人的创造力、人文素养和计算思维，是人工智能课程的核心目标，也是人工智能时代基础教育课程的重要价值取向^[1]。人工智能课程设计是人工智能课程中重要的综合性实践环节，对提高学生理解和掌握人工智能基本概念和算法的能力，以及培养学生从智能设计的角度分析解决问题的素养，具有重要的作用。基于人工智能教育的重要价值取向与目标，笔者应用“思维型”课堂理论对中小学人工智能课堂教学加以改进，以期促进人工智能课堂教学的创新发展。

一、基本原理与应用研究

（一）基本原理

“思维型”课堂教学理论的依据来源于思维的心理结构模型，即“三棱结构”模型。它将思维的目的、过程、内容、品质、自我监控与非智力因素的六种基础要素进行组合，形成了多侧面、多形态、多水平、多联系的思维结构框架^[2]。林崇德与胡卫平认为，教师应根据思维的结构与影响因素设计组织课堂教学，从正确认识思维的结构出发，选取恰当的教学思想和方法，实现课堂教学目标。思维型课堂教学理论的基本原理如下：认知冲突原理;自主建构原理;自我监控原理;应用迁移原理。基于以上基本原理，“思维型”课堂教学被分为4个基本环节：教学导入、教学过程、学习反思、应用迁移。

（二）课堂应用

现阶段，已有不少学者将“思维型”课堂教学理论引入学科教学研究，通过与其他教学理论、观念的融合，实现更加高质高效的课堂教学。兰春寿将“思维型”课堂教学理论运用于英语文学阅读的教学中，采用“输入文学文本—激活认知结构—产生认知冲突—操作思维活动—表征文本意义—建构新认知结构”的模式教学，使学生在认知结构的同化和顺应过程中发展各种思维能力。马涛根据“思维型”课堂教学理论提出了初中地理“三环六步”思维型课堂教学模式，将学思充分结合，让学生积极思维，全面提升学习能力和思维能力。

综上所述，“思维型”课堂教学的目标大多指向思维与核心素养，追求培养学生学科相关的创新、批判、迁移等思维能力和适应个人发展与社会需求的必备品质。从课堂结构来看，“思维型”课堂强调问题与情境、探究与合作、总结与反思、应用与迁移等要素，教学设计具有开放性、创新性、逻辑性与层次性。从课堂效果来看，“思维型”课堂能够吸引学生积极主动地探究，独立思考，合作解决问题，进而系统地归纳所学并自然地迁移运用于生活或其他领域的学习。

（三）指导意义

第一，将人工智能学科思维作为学生的学习对象，而非仅仅学习“知识点”。应用“思维型”课堂理论设计人工智能课程内容与课堂活动，可以更好地围绕“基础体验、兴趣培养、自主探究”三个重要特征，将人工智能学科思维而不是“知识点”作为学生学习的对象，将学生计算思维与相关核心素养的提升作为最终教育目标。

第二，以多元方式激发学生在学习人工智能过程中深度思考。这不仅可实现人工智能课堂效率、效果的提升，而且可以改变学生对人工智能领域认知过程中的非智力因素影响，从情感、意志、兴趣等方面促进学习成效的提升。

第三，通过测评人工智能学科思维与创造力、人文素养及计算思维的提升来判断学生是否成功。

二、教学模式设计

根据“思维型”课堂教学理论的四大基本原理，结合人工智能教学研究经验，笔者将人工智能课堂教学活动分成教学导入、教学过程、教学反思和应用迁移四个基本环节（如图1）。

（一）教学导入：真实情境引发认知冲突

在设计人工智能课堂活动的过程中，教师需要确定课程内容，结合学生的知识背景和人工智能知识的逻辑体系，合理进行规划安排。教师将学生日常生活中的经验与人工智能课程教学目标联系，在课堂上为学生创建真实的问题情境。问题情境越生动有趣、越贴近现实，越容易激发学生兴趣。创设的人工智能课堂教学情境最好与学生已有的认知结构存在暂时性矛盾。认知冲突有利于激发学生的探究心理。

（二）教学过程：多元方法促进知识的自主建构

教师在人工智能课堂上试图远离学生的思维，只用枯燥无味的逻辑进行说明讲解，肯定是徒劳无益的。人工智能课堂教学重在体验和感受，教师理应引导学生思考、质疑、探究、创新，采取启发式、问题导向式、项目式、探究式等方式教学，以调动学生学习积极性，展开思维活动。

“思维型”课堂教学理论涉及赞可夫的“发展性教学法”，该理论强调教师与学生间的思维、情绪互动。在人工智能教学活动中，教师应秉持同样的方法与认知，以培养思维的灵活性与创造性为原则，关注学生学习过程中思维与逻辑的活动并适时地加以引导，同时还应时刻注意学生的情绪变化，使其获得成就感并发现乐趣。

对于人工智能教学，笔者不提倡教师占主导地位、以讲授为主的教学方式，同时抵制只重视学生通过材料自学而忽视教师作用的教学倾向。人工智能教学中，教师应把握好“思维型”课堂教学理论倡导的“双主体”师生关系，突出课堂教学中教师和学生积极思维这一核心，同时强调教师和学生的各自独立作用。在实施具体活动时，教师可以采用项目式学习的方式，让学生在项目学习过程中，学会收集信息、获取知识、探讨方案、解决现实问题、培养计算思维和创新思维。教师也可以采取小组交流合作的方式，为学生搭建相互交流、合作学习的桥梁，为课堂活动开拓更广阔的思维互动空间（如图2）。

（三）学习反思：批判反思形成思维策略

“思维型”课堂教学中，教师应关注学生学习过程和学生在学习过程中的思考能力发展，做好计划、控制、评价和控制。教师要引导学生有意识地对自身探究并解决问题的过程进行总结、评价和反思，用理性的、批判的眼光回顾课堂活动。反思的内容包括以下两个方面。

一方面，学生要分析人工智能学习中自身的思维过程，分析自身的思维缺陷以及在本次学习活动中的不足。另一方面，学生要分析自身通过学习所掌握的人工智能知识，梳理知识脉络，理解学科知识的思维逻辑，总结自身认知的盲区与不足。

（四）应用迁移：解决问题提升核心素养

人工智能教学活动的最终目标是使学生产生整体的人工智能观念，能够运用人工智能的知识与逻辑思维解决实际问题。教师在开展人工智能活动前要掌握知识理解和迁移应用的基本逻辑，结合学生的认知规律与具体的活动教学内容，采取科学有效的方法引导学生进行深度学习。

刘伟曾提出致力于知识迁移的深度学习路径。笔者通过调研与整合，总结出适用于人工智能教学活动的指导理念。第一，教授完整的知识。简单的人工智能应用背后是系统的概念、原理、意义和价值，教师需要为学生设计获取知识需经历的由浅入深、由表及里、逐渐深入的学习过程。第二，带领学生加工知识。教师需要带领学生梳理活动过程中涉及的知识，删掉无关内容并将同一主题或观点相似的内容进行整合，将原来那些零碎内容加工组合成条理清晰的人工智能知识体系，使学生摆脱最初浅层理解的束缚，将各种事实性信息转换成完整的、有意义的、条理清晰且可储存的知识。第三，联系学生已有的经验。

三、教学案例分析

为研究基于“思维型”课堂理论的人工智能教学，笔者到某中学开展了教学实践。研究的实验对象为该校八年级学生，平均年龄15岁。笔者采取前测与后测的形式，从学生的知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个维度对人工智能教学效果进行评价。收集的数据类型包括问卷数据、测评数据、访谈数据与学生成果数据。

（一）创设机器人服务情境，激发学生学习兴趣

课堂伊始，教师设置如下情境：某超市采用机器人服务员为客人提供服务。机器人穿梭在超市中完成送货、整理货架、收银等工作。此时，有客人提出要买一个苹果和一把香蕉，需要机器人服务员帮忙挑选。机器人接到指令后来到了水果货架前。

教师引导学生进入场景，让学生代入机器人服务员的视角，承担挑选苹果与香蕉的任务。接下来，由学生自主思考“如何使机器人在货架上识别苹果与香蕉”。教师通过创设机器人服务的真实情境，巧设问题，引起认知冲突，激发学生的求知欲和探求欲，激发学生学习人工智能兴趣，在学以致用的过程中培养学生的计算思维和创新思维。

（二）通过项目式学习，建构机器学习知识

教师引导学生分析基本情况，机器人可以通过摄像头来获取外界图像。如何让机器人会看也会认呢？教师在此时依托情境介绍机器学习的概念，围绕“如何让机器人通过学习具备图像识别的功能”这一问题，带领学生开启探究学习。

整个教学活动基于项目式学习展开，人工智能课程中图像识别的模块知识在“机器人水果分类”的项目中逐步呈现。学生在活动前被分到不同的小组，以小组为单位探究讨论，并尝试运用软件实现功能。学生在实践和体验中逐渐加深对人工智能技术的理解，完成模式识别的知识建构。项目活动在以下具体任务中展开。

任务一：数据采集与模型训练。学生以小组为单位，利用人工智能在线学习平台，通过训练让计算机来识别苹果和香蕉的相关图像，进行水果分类的模型训练。

任务二：水果分类。在模型训练的基础上，利用Scratch编程实现对水果的分类功能。从机器学习平台打开Scratch3，完成程序的编写，使用训练有素的机器学习模型来识别一系列苹果和香蕉的图像。

在教学过程中，教师以项目式学习的方式开展教学，应以学生的主动学习为主，而不是以教师讲授为主，让学生通过小组讨论的形式，围绕问题独立收集资料、发现问题、解决问题，培养自主学习能力和创新能力，建构知识。

（三）利用学习反思，促进思维提升

小组完成任务后，学生利用人工智能平台体验特征模型的训练和验证的过程，获得对机器学习的感性认识和理性认识。在这一阶段，教师组织学生以小组为单位进行项目作品的展示和交流，引导学生清晰表达在活动过程中经历了哪些思考和调整。学生在分享的同时聆听其他小组的经验介绍，相互学习，使知识和技能再次得到提升，在过程中获得更多的成就感。

在完成本项目的教学活动后，教师通过几个思考问题引导学生反思：（1）模型训练过程中遇到了哪些问题，是什么原因造成的？（2）程序编写还有哪些部分需要改进，自己需要提升哪些具体的人工智能知识？（3）结合实践，简述计算机进行图像分类的工作原理。它对人们日常生活有什么样的帮助？

学生通过对学习活动过程进行反思是一种高效学习方法。学习中的反思如同生物体消化食物和吸收养分一样，是别人无法代替的。学生通过对自己的思维过程、思维结果进行再认识，有利于促进思维的提升。

（四）通过迁移应用，培养学生的核心素养

教师引导学生回顾“机器人水果分类”项目活动过程，体验学习与探究的乐趣，关注身边技术对世界的影响，引发学生思考技术对社会生活、对周围环境的重大作用。

问：图像分类技术还可以应用在哪些地方？

答：应用在网购时搜索相似商品、遥感领域中的遥感图像分类、交通领域的交通场景物体的识别、车辆数目检测、车辆逆行检测等领域。

问：通过学习人工智能图像分类技术，能设计哪些产品来改变人们的生活？

答：可以设计图书馆内用的“机器人图书分类”、社区内的“机器人垃圾分类”等产品来让生活变得更加美好。

教师引导学生将所学习的知识、方法，迁移应用到不同条件下的不同问题，突破思维定式，解释实际现象，提出解决方案，可帮助学生建构知识，提高思维能力，发展学生的核心素养，达成教学目标。

当今，人工智能、互联网、大数据、云计算等高新技术日新月异，社会智能化快速迭代。在这一背景下，让学生更好地适应未来的社会，拥有顺应个人发展与社会需求的必备品质是当下人工智能教育变革的主要诉求。中小学阶段，学生应当接受体系化的、符合其认知发展规律的人工智能教育，使其在建立兴趣的基础上，提高基于人工智能相关技术思想来分析和解决问题的能力、动手实践能力及创新创造能力。

“思维型”课堂理论的融入为中小学人工智能教育带来了积极正向的作用，使人工智能教育内容深入课堂，在教学的目标、过程、评价等方面提供了新思路。本研究中，基于“思维型”课堂的人工智能教学设计框架初具雏形，但运用到教学中仍会由于不同的教学情境而产生各种各样的问题，后续需要更多的案例研究和经验总结。

参考文献

[1] 王本陆，千京龙，卢亿雷，张春莉.简论中小学人工智能课程的建构[J].教育研究与实验，2018（4）：37-43.

[2] 于颖，周东岱，于伟.计算思维的意蕴解析与结构建构[J].现代教育技术，2017（5）：60-66.

（作者燕雨系江苏师范大学智慧教育学院学生;杨现民系江苏师范大学智慧教育学院教授;郑茜系江苏省徐州市第三十四中学特级教师）

责任编辑：祝元志