初中人工智能课程跨学科主题学习活动设计策略

赵莹莹

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下称“新课标”）特别强调跨学科主题学习，但目前教师对于人工智能课程和跨学科主题学习的研究与实践处于探索阶段，没有构建起系统的内容和结构框架。笔者所述人工智能课程指信息科技课程中人工智能与智慧社会模块，或者其他课程中以人工智能为工具的跨学科学习活动。跨学科主题学习指旨在围绕某研究主题或真实问题，以信息科技课程内容为主干，运用并整合其他学科的相关知识和方法解决问题、形成解释、创造产品，开展综合学习活动的过程。

人工智能技术专业性强且正在快速发展，许多信息科技教师难以把握教学内容，缺乏有效的教学方法，在开展跨学科主题学习活动时，不知如何将人工智能技术与其他学科有机地结合起来。为此，笔者以北京雨燕为例，以中学信息科技人工智能与智慧社会内容为立足点，设计、实施、反思、优化人工智能教学，改进人工智能跨学科主题学习的课程方案，探究科学设计教学内容、渗透学科方法、促进学生深度学习、培养学生核心素养的策略。

一、依据新课标做好跨学科主题学习的内容分析

新课标坚持创新导向，强化了课程综合性和实践性，推动育人方式的变革，着力发展学生核心素养，设计了跨学科主题学习活动，以加强学科关联，优化课程综合实践^[1]。

笔者以北京雨燕的保护为主题，设计并开展跨学科主题学习活动，涉及人工智能、生物学、信息科技、劳动技术和数学学科。在生物学学科中，学生了解与北京雨燕相关的知识，并提出保护措施。学生发现建造巢穴是保护北京雨燕的有效措施。在信息科技学科中，学生探索利用人工智能算法寻找北京雨燕。在劳动学科中，学生设计建造巢穴并进行测试和改进。笔者依此引导学生在真实情境中发现问题、利用信息技术解决问题，培养学生的探究和创新精神，树立热爱自然、保护环境、爱护动物的生态文明观念。北京雨燕跨学科主题学习线路如图1所示。

笔者在信息科技学科“寻找北京雨燕”单元课程教学中，给学生布置大单元学习任务：基于循环神经网络进行声音分类，解决跨学科主题学习中的一个问题，即如何找到北京雨燕。笔者安排3个课时教学：第一课时，从怎样找到北京雨燕的问题出发，将问题层层分解，分析用以往的计算机技术寻找北京雨燕遇到的问题，启发学生用人工智能解决同类问题，引导学生准备数据并建立声音分类模型，训练模型，测试模型，让学生对深度学习算法有一个感性认识；第二课时，揭秘神经网络是怎样工作的；第三课时，调用已经训练好的声音分类模型编程，支持“小燕同学”的设计，用人工智能视角对北京雨燕进行监测。单元课程框架如图2所示。

二、人工智能跨学科主题学习课程设计的三大策略

笔者开展北京雨燕跨学科主题学习活动，立足信息科技学科，引导学生借助人工智能技术寻找北京雨燕，高效实践，提升素养。课程设计策略如下。

（一）以学生为中心，设计跨学科主题学习内容

笔者以学生为中心，分析学生的特征、关注学生需求，促进学生有效学习。笔者所在校位于北京市东城区，附近有较多古建筑，学生见到北京雨燕的机会较多。“国潮来袭——北京中轴线”主题科技嘉年华跨学科综合实践作品设计展示活动中，学生提出了北京雨燕的保护问题，并以此为契机开展保护北京雨燕的跨学科主题学习活动。学生在生物学课上探究了鸟适于飞行的外部形态和内部结构以及生理特点，同时阐述了北京雨燕的生存现状，探讨了保护措施。

学生在调查过程中提出不少疑问，有些问题比较典型。例如，有学生质疑，奥林匹克森林公园北园专门设计建造了一座雨燕塔，但巢穴建成几年后，北京雨燕好像并没有入住，成了麻雀乐园，这在一定程度上造成了浪费。如果先找到北京雨燕经常活动的路径，再有的放矢建造巢穴，可能效果更好。北京雨燕塔是否满足雨燕居住需求，数量是多少？在信息科技课上，笔者针对这些问题，指导学生利用人工智能技术寻求解决方案。笔者选择的课题源于学生熟悉的事物，以学生发现的实际问题为切入点，将人工智能技术渗透到社会生活领域，生成对问题的解释，引导学生跨学科思考问题。

人工智能课程教学内容多、难度大，如何以通俗易懂的方式让初中学生理解并应用机器学习的理论是本课程的难点。为使学生乐学、易学，笔者将机器学习分为准备数据、创建模型、训练模型、测试模型四个阶段，拿人对声音分类进行类比，让学生理解机器学习的过程。鉴于初中生大多没有接触过代码编程也没有使用过Python语言，笔者选择易操作的AIBox模型训练软件作为人工智能实践平台（如图3），在模型训练阶段借助友好的界面流程化操作让学生理解机器学习的过程，使用图形化编程手段调用模型，解决问题。初中人工智能课程绝不是大学和高中课程的“下放”。教师应以学生为中心，将理论与实践结合起来，简化理论分析，强调实际应用，重视图形化编程并及时反馈，增强学生的成就感，从而激发他们学习人工智能的兴趣。

（二）开阔学生的人工智能视野，利用多学科方法共同解决问题

教师应当立足人工智能学科，开阔学生的视野和思维，以人工智能为核心运用多学科知识解决问题，以此拓展学生的思路，从而培养学生面对真实且复杂的问题，利用人工智能技术解决问题的思维和习惯，提升人机协同等数字胜任力。

在北京雨燕跨学科主题学习活动的教学中，笔者注重帮助学生发散思维掌握更多解决问题的方法，同时注意引导学生利用人工智能解决问题。学生分组研讨，找到很多寻找北京雨燕的方法，包括现场人工寻找和用监控设备寻找等手段。教师的主要工作是引导学生对各种方法进行分析比较，了解人工智能在解决简单但烦琐问题方面的优势，为今后在生活中尝试用人工智能解决问题做准备。

揭秘人工神经网络是怎样工作（学习）的课程涉及一个重要的数学概念“权重”。不断调整“权重”和偏置项，使得网络更好地拟合训练数据，并在未见过的数据上表现良好，这就是神经网络工作（学习）的过程。笔者的学生尚未学习“权重”概念，为了让学生更好地了解“权重”对神经网络的决策作用，笔者设计了課堂活动“从选班长看权重”。学生计算后发现，评价因素的“权重”对谁能当选起决定性作用。学生理解了数学是人工智能的基础，学习了借助数学工具解决信息技术问题。

（三）注重学科联系，构建完整思维链，促进学生深度学习

笔者开展跨学科主题学习活动，加强学科联系，整体促进学生学习。生物学学科主要关注“是什么”的问题，即生物体的组成和基本结构。信息科技学科主要关注“为什么和怎么做”这类问题，即如何利用计算机系统和算法解决实际问题。劳动学科知识的应用体现在解决“怎么做和测试反思”的问题上，即设计制作不同的人工巢穴，并优化“小燕同学”的外观使其更适合户外环境。针对这一真实的问题，学生思维深度层层递进，形成完整的解决问题的思维链，掌握系统化解决问题的方法，实现了深度学习。学生跨学科学习的目的不仅仅是为了获取更多的知识，更重要的是提高解决问题的能力。从不同的角度和层次去审视问题，更接近问题的本质，进而从获得局部最优解迈向获得全局最优解。

三、教学评价和反思

笔者在八年级四个班级开展人工智能课程教学，基础课程包括初识人工智能、声音的数字化、我的语音小管家、语音合成排队叫号、声纹识别锁、就餐中的人工智能（AI），学期内主要开展的跨学科主题学习活动包括北京雨燕、人脸性别识别、疫情中的AI，课程结束后对学生进行了问卷调查和访谈。

共收到143份有效问卷，对于课程接受度的调查，“我非常喜欢本学期的人工智能课”，80%以上学生选择同意或非常同意。具体统计结果：非常同意，60.99%；同意，20.57%；一般，14.89%；不同意，2.84%；非常不同意，0.71%。

“寻找北京雨燕是跨学科主题学习（涉及生物学、数学、信息科技、劳动），你对寻找北京雨燕这节课感兴趣吗？”78%的学生选择感兴趣和非常感兴趣。具体统计结果：非常感兴趣，48.25%；感兴趣，29.37%；一般，18.18%；不感兴趣，2.1%；不喜欢，2.1%。

在課程难度方面，“我认为课程难度符合我的认知水平，我能够理解教师在课上讲授的机器学习、人工神经网络、人脸识别等基本原理。”85%的学生选择同意和非常同意。具体统计结果：非常同意，61.70%；同意，24.11%；一般，12.77%；不同意，0.71%；非常不同意，0.71%。

可见，在学期跨学科主题学习过程中，大部分学生对课程内容比较感兴趣。笔者在各班随机抽样（学号为9—11），对12个学生进行了访谈。他们普遍对北京雨燕跨学科主题学习活动非常感兴趣，有的表示学会了解决复杂问题的方法，对于提升思维的深度有促进作用。学生认为在课堂上利用多学科知识解决信息科技问题很有意思。笔者在问卷调查中提到“你在跨学科主题学习中，最大的感受是什么？”笔者进行了词云图分析（如图4），发现“有意思”“生活”“成就感”等等出现频率比较高。跨学科主题学习活动比较受学生欢迎，且课程难度适宜。

在提升学生核心素养方面，笔者开展了测评信息意识的问卷调查。对于“学习课程后能有意识地用人工智能解决生活中的问题”选项，选择同意和非常同意的超过72%。学习为期一年的人工智能课程后，大部分学生能有意识地用人工智能解决生活中的问题，有28%的学生认为自己还不具备这样的素养。思维能力的提升难以一蹴而就，教师应对学生进行长期且连续不断的强化训练。

笔者对部分不喜欢上述人工智能课程和不喜欢北京雨燕跨学科主题学习的学生进行访谈。部分学生表示，不喜欢在信息科技课上做数学运算。针对学生反映的问题，笔者将“从选班长看权重的重要性”小组活动中纸笔计算改成利用网络计算器运算，减轻计算负担。此外，使用数字化手段进行运算，更有利于学生提升信息科技学科核心素养。个别不喜欢人工智能课程的学生表示，人工智能离我们很远，并没有普及，认为学习无用。

郭华提出：“跨学科学习最终的切入点和目的就是激发学生的主动学习。不仅要让学生知道，而且要让学生喜爱。”^[2]在人工智能跨学科主题学习活动的教学中，教师可以人工智能技术为桥梁，联结其他学科共同解决生活中的真实问题，引导学生分组合作、自主探究，体验解决问题的乐趣，获得成就感。兴趣是跨学科主题学习的起点和驱动力。教师要基于自身学科开展跨学科主题学习活动，以提升学生核心素养为目标，促进学生深度学习。《中国教育现代化2035》提出：到2035年我国总体实现教育现代化，迈入教育强国行列，成为学习大国、人力资源强国和人才强国^[3]。教育的数字化转型与人才的数字素养和数字化学习能力提升密不可分。高阶思维能力需要学生长期学习和实践，逐渐养成。今后，笔者会继续根据新课标要求，设计更多适合初中生的人工智能跨学科主题学习活动，为智能时代的人才培养添砖加瓦。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.义务教育信息科技课程标准：2022年版[S].北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 现代课程网.北师大教授郭华｜为什么新课标要求每门课都开发跨学科主题？[EB/OL].（2023-02-16）[2023-02-20]. https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1757970690386354859&wfr=spider&for=pc.

[3] 朱益明.中国教育现代化2035[M].上海：上海教育出版社，2020.

（作者系北京市第五中学分校信息科技教师）

责任编辑：祝元志