高中人工智能课程中项目化学习设计与实施

秦朋绪 陈明选

摘要：本文从项目目标、情境、问题、活动、评价五个方面阐述了人工智能课程项目化学习的设计策略，并以高中信息技术“智能语音电话簿的制作”人工智能课程为例，对在人工智能课程中运用项目化学习的方式落实计算思维培养进行了探究与思考。

关键词：人工智能课程;项目化学习;计算思维

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2022）07-0000-05

● 人工智能课程与项目化学习

目前，人工智能课程的开展方式主要有以下几种：作为独立的课程开设、融入创客课程或STEAM课程[1]、作为信息技术课程的一个模块。在本文中，人工智能课程是指在基于人工智能技術的数字化工具与环境支持下，以人工智能核心技术为课程内容，以培养人工智能时代人才的核心能力为目标的跨学科综合实践课程。人工智能课程包含三方面的内容：人工智能作为教学内容、人工智能作为教学工具与环境、适应人工智能时代的素养作为教学目标。人工智能课程具有跨学科、技术性、实践性等特点，运用普通的教学方法难以有效解释人工智能的原理，难以带动学生对人工智能进行理解、感受、应用和创新，而项目化的教学方法以其高情境性、高参与度、高协作性、问题导向、学习的真实性等优势成为人工智能课程开展的最好方法。[2]研究表明，项目化学习可以在很大程度上提高学生学习的积极性，促进学生积极思考、团队协作、动手实践、解决实际问题，在完成项目的同时突破原有思维的限制，促进批判性思维和创新性思维的养成[3]，这与人工智能课程对学生计算思维培养目标的要求是高度一致的。因此，开展人工智能课程的项目化学习，培养学生的计算思维成为本研究的取向，并将人工智能课程的项目化学习定义为：学生以团队协作的形式在特定的人工智能学习情境中发现问题、查找资料、规划设计问题解决方案、解决问题，并将学习结果以项目的形式呈现与分享，达到对人工智能核心概念的深度理解，形成计算思维的目标。

● 人工智能课程的项目化学习设计理念分析

1.项目目标：指向学科的核心素养

在当前的信息社会中，学生需要具备信息的获取能力、甄别能力和抽象能力，学会组织和使用数据，通过系统设计、逻辑思考，完成实际任务，解决实际问题，这与计算思维的内涵是基本一致的。因此，在基础教育阶段，人工智能课程的项目化学习目标定位于培养学生的计算思维，培养能够发现问题、综合运用多学科知识解决问题的人才。

2.项目情境：创设真实的多维情境

项目化学习是个体参与实践活动，与他人、环境相互作用的过程，需要在相适应的情境中开展才能使有效性得到最大程度的发挥。人工智能课程培养学生利用计算思维解决生活中的实际问题的能力，需要在一定的情境中进行，因此，人工智能课程的项目化学习应充分利用人工智能技术，开发多维学习空间，建构适合学生学习的多维情境，让学生在真实情境中建立人工智能与实际生活的联系感，激发学生的学习积极性。

3.项目问题：提出真实的驱动性问题

驱动性问题是项目化学习的核心要素，指引着学生项目进行的方向。人工智能课程的项目化学习应该在真实的人工智能情境创设的基础上，针对情境中已经发生或可能发生的真实性问题提出可以利用人工智能知识与技术解决的问题。驱动性问题具有明确的任务导向，学生根据驱动性问题就可以确定项目的核心任务，明确接下来的项目活动方向并引导学生最终将这个问题解决。

4.项目活动：开展有意义的学习实践

人工智能课程本身就是一种综合实践课程，旨在通过有意义的实践活动培养学生利用人工智能技术和计算思维解决实际问题的能力。所以，人工智能课程的项目化学习需要学生亲身参与到有意义的学习实践中去，这种实践是具有思考、假设、验证概念性质的，是动手动脑，整合了知识、技能、行为和态度的行动。

5.项目评价：进行全程的多元评价

人工智能课程的项目化学习评价应秉持“以始为终，逆向设计”的特点，在项目开始之初就设计好覆盖全程的多维度评价，将评价活动融入到学生的学习过程中，并以易理解的形式表示出来，促进学生在学习过程中基于评价结果不断改正，真正实现学生认知、思维等多方面的发展，促进学生个人和学习团体共同进步。[4]

● 人工智能课程的项目化学习活动设计与实施

本研究选取了江苏省某高中27名学生为研究对象，根据学生的实际情况采用异质分组的方式将其三人或四人组成一组，以“智能语音电话簿的制作”项目开展教学，选取 “智能语音电话簿的制作”项目案例进行说明，该项目通过让学生自主设计并开发实现语音识别联系人并显示电话号码的电话簿程序，引导学生体验人工智能技术实现的过程。项目设计与实施过程如下。

1.情境创设

首先通过情境创设将学生带到项目特定的人工智能情境中，让学生认识到人工智能与现实问题的相互关联性，产生利用人工智能解决现实问题的强烈意愿及主动探索的动力。本项目的情境创设过程如下：“同学们，请大家帮小明同学一个忙，小明的爷爷奶奶年纪都大了，记性也不好，可又不愿搬来与小明的爸爸妈妈一起住，而他们又不太会使用智能手机，每次联系家人都要从纸质的电话簿里找到电话号码再拨打，特别不方便，请大家帮小明同学想一想，怎么才能简化拨号流程，方便老人打电话？”

2.问题提出

学生思考并和同伴交流上述情境中存在的现实问题，在教师的引导下，给出问题的解决方案：帮小明制作一个智能语音电话簿应用程序，只要对着应用程序说出联系人的名字，程序就会自动显示该联系人的电话号码，这样，小明的爷爷奶奶再给家人或者其他人打电话就方便多了。由此，将现实问题转化为指向问题解决的驱动性问题：如何设计一款语音识别并显示联系人电话号码的电话簿程序？

3.任务布置

在项目的驱动性问题提出后，就要明确解决该问题需要完成的任务，所以项目任务也是项目问题的一种更具有目的性的陈述，本项目拟完成的任务为：设计并开发一款能通过语音查找显示电话号码的电话簿应用程序。

4.资料准备

人工智能课程的项目是多领域、跨学科的，需要相应的资源、环境等多方面支持，在明确了拟解决的问题和任务之后，就要广泛搜集相关的资源，对重要的资源做出定义和分析，探索问题或任务的各个方面，并梳理出解决该问题的核心路径。资料收集是学生为了完成项目所做的准备活动，要考虑资料的需求、资料来源、收集资料的工具、资料成果的呈现形式等方面，本项目中的资料收集情况如表1所示。

5.方案设计

项目实施方案是项目实施的总依据，一个好的人工智能项目方案需要团队成员多方面的协作与探究。某学习小组在充分了解相关资料和听取个人观点的基础上，发挥聚合思维，在共同确定项目的实施方案后，设计了以思维导图的方式呈现的项目实施方案，如图1所示。

6.方案实施

在项目实施方案设计完成后，学生按照方案制作项目作品，教师巡视课堂，观察学生作品的制作情况，提供必要的、适合的帮助，“智能语音电话簿”的制作过程主要包含以下三个部分：

（1）界面设计。智能语音电话簿的最终呈现形式是一个可以运行指定功能的APP，功能的实现有赖于界面的支持，首先设计制作APP的图形界面，包括文本显示框、按钮、语音识别组件（不可见）等。另外，在进行界面设计的同时，要考虑各个组件的形状、颜色、大小、对齐方式等属性，使界面具有美观性。某学习小组的界面设计如图2所示。

（2）程序编写。在程序界面设计好之后，就要进行程序编写，App Inventor是基于代码块的编程，操作简单，适合初学者，学生只要将需要用到的代码块按照一定的语法规则组合在一起就可以实现相应的功能。智能语音电话簿的程序只需要用到按钮控制、语音识别组件调用、条件语句编写等代码块的调用，一个某学生制作的编程界面如下页图3所示。

（3）运行调试。在界面设计和程序编写完成后，在手机上安装调试助手对制作的软件进行功能测试，对出现的问题及时修正，直到制作的程序能够完整实现想要的功能。

7.作品展示

在作品完成之后，以要求各小组为单位派学生代表上台以个人演讲的方式展示自己小组的作品，说明作品制作的过程、遇到的困难以及是如何克服困难的，并最终形成项目完成报告。作品制作的过程也是计算思维的运用过程，对作品制作过程进行讲述不仅可以巩固所学的人工智能知识，促进计算思维的提升，还可以锻炼语言表达能力，其他学生通过观看作品展示可以进行对比与反思，促进学生之间的互动交流、共同进步。

8.评价总结

（1）作品评价。教师事先提前制订好评价维度和指标，通过组内自评和教师评价两个方面分别对学生作品进行评价，评价内容包括作品制作过程中问题解决能力和小组协作能力等方面，这些方面的评价也从侧面反映了学生一定的计算思维水平，项目作品评价表如表2所示。

分析后发现，学生智能语音电话簿作品的平均分为34.7分，最低分为14分，4人满分，大多数学生作品的分值在30～-40分之间，可见，学生的人工智能作品制作能力已经处于中上等水平，作品也基本实现了指定的功能，只是在功能复杂度、界面美观性等方面存在差异。结合课堂观察发现，学生已经能够对项目问题进行比较深入的探讨，有了自己的想法，制订的问题解决方案比较可行，具备一定的将问题转化为计算机能够解决的方式的能力。

（2）计算思维评价。为验证项目化学习的开展对学生计算思维的提升的效果，本研究采用陈兴冶等人[5]编制的本土化计算思维量表对学生的计算思维水平进行评价，该量表将计算思维分为计算思维态度和计算思维技能两个维度，计算思维态度包括情感态度、思维品质、合作学习，计算思维技能包括分解、抽象、概括、算法、评估。实验前后测的克隆巴赫系数分别为0.944和0.924，说明问卷结构良好，对前后测数据进行配对样本t检验结果如上页表3所示，计算思维八个维度显著性P=0.000<0.001，体现出显著性差异，可见基于项目化教学的人工智能课程对高中生计算思维的培养是有效果的。

● 结语

高中人工智能课程重在提升学生的计算思维，项目化学习为人工智能课程的开展提供了方法上的支持，引导学生主动思考、积极探究、动手实践，在理解与掌握人工智能基本原理的基础上运用计算思维解决真实生活中的问题。本研究表明，好的项目化学习在人工智能课程中具有事半功倍的作用，能够显著提高教学效率，在深化理解人工智能核心知识的同时启发学生的计算思维，提高学生利用人工智能知识积极回报社会的意识。另外，本研究给出了一个人工智能课程项目化学习的实践案例，但还存在研究样本量少、研究时间短、课程内容不够丰富等不足之处，后续会扩大研究样本和研究时间，设计更为丰富的项目内容进行实践。学生计算思维的培养还需要进行不断的理论研究与实践检验才能真正落地，希望本研究能够给一线教师和研究者带来一些些启示。

参考文献：

[1]方圆媛，黄旭光.中小学人工智能教育：学什么，怎么教——来自“美国K-12人工智能教育行动”的启示[J].中国电化教育，2020，405（10）：32-39.

[2]周邵锦，王帆.K-12人工智能教育的逻辑思考：学生智慧生成之路——兼论K-12人工智能教材[J].现代教育技术，2019，29（04）：12-18.

[3]胡红杏.项目式学习：培养学生核心素养的课堂教学活动[J].兰州大学学报：社会科学版，2017，45（06）：165-172.

[4]张生，王雪，齐媛.人工智能赋能教育评价：“学评融合”新理念及核心要素[J].中国远程教育，2021，553（02）：1-8+16+76.

[5]陈兴冶，马颖莹.本土化计算思维评价指标体系的构建与探索——基于1410名高中生的样本分析与验证[J].远程教育杂志，2020，38（05）：70-80.

基金項目：国家社会科学基金（教育学）一般项目“互联网+环境下促进深度理解的项目化学习研究”（课题编号：BCA210087）。