基于“双师课堂”的人工智能跨学科项目化教学模式构建及应用

许月媚

（广州市南武中学，广东 广州 510220）

引言

近年来，随着国家政策的积极推动，人工智能教育已经上升为国家战略，要求在中小学阶段设置人工智能课程[1]。自2018 年以来，多地教育主管部门相继发文要求在中小学设置人工智能课程。从国务院和各地教育主管部门文件的相继发布可以看出，在中小学开展人工智能课程已势在必行。然而，人工智能课程涉及多学科知识，没有成熟的教学模型可供借鉴，多学科乃至跨学科的教学内容呈现增加了教学难度，学生对新知识的理解需要长时间的思考和消化，教学内容需要教师多次讲解，这给开展人工智能课程教学带来了诸多难题。基于此，本研究引入人类教师和虚拟数字人教师协同授课的“双师课堂”教学模式进行实验，构建了包括真实项目活动设计、学生自主参与知识建构、“双师课堂”协同教学、学生跨学科能力培养、跨学科学习效果评价的教学模式，并将该模式在中学人工智能教学中进行应用探索，把多学科知识进行整合，以学生为中心、以“双师”为主导开展项目式学习教学实践，进而培养学生的项目设计能力、计算思维能力、跨学科学习能力和数字化应用能力。

一、基于“双师课堂”的人工智能跨学科项目化学习理论基础

（一）人工智能课程

人工智能教学是指以人工智能技术为支撑，对其原理、方法和应用进行研究的课程教学。目前人工智能在中小学均已上升为国家课程，教育部发布的《普通高中信息技术课程标准（2017 年版2020 年修订）》（以下简称“普高版”）必修模块1“数据与计算”内容包括人工智能及其应用等相关内容[2]；选择性必修模块4“人工智能初步”覆盖了人工智能概念、特征、发展历程、核心算法、开发工具、典型应用、伦理与安全等内容，着重描述学习层次，设计与实现简单智能系统。2022 年4 月，教育部发布的《义务教育信息科技课程标准（2022 年版）》（以下简称“义教版”）模块9“人工智能与智慧社会”[3]，将人工智能作为课程的独立模块，并设计了跨学科主题。同时，无论是“普高版”还是“义教版”，都把项目化学习放在了突出位置。

（二）“双师课堂”

针对“双师课堂”，多位学者研究的视角不同，其内涵也各不相同。目前“双师课堂”的提法有多种：黄甫全等人[4]所研究的“双师课堂”是指人工智能教师与真人教师联袂执教，并开展了双师课堂人机交互、课堂课程开发、深度学习和科目学习知识研究。付艳芳等人[5]所指的“双师课堂”是智能教育机器人和人类教师在课堂教学中，由机器人主讲，教师主导兼助教，实现双师协作。王同聚[6]提出了“三师课堂”教学模型，即指人类教师、虚拟数字人教师和智能机器人教师协同开展课堂教学，三类教师有共同的目标，协同完成教学任务。本研究所采用的“双师课堂”是指虚拟数字人教师和人类教师二元一体，协同完成授课任务。在授课的过程中，虚拟数字人教师负责视频授课，人类教师负责项目规划指导、线下答疑解惑、动手实操指导、学生心理疏导等。

（三）跨学科学习

张华[7]认为，跨学科学习是基于跨学科意识，运用两种及以上不同学科的观念来解决真实问题的课程和学习方式。“义教版”在不同章节多次强调跨学科主题学习,倡导“做中学”“用中学”“创中学”，要求跨学科实践活动不少于本学科总课时的10%。李克东等人[8]认为，跨学科学习是对复杂问题进行不同的认识以及更深层次的内化与理解的过程。笔者在归纳各位学者针对跨学科学习的论述，结合人工智能课程的特点对跨学科学习进行梳理后认为，在人工智能课程教学中，跨学科学习是基于学科核心素养，整合多学科知识，以特殊的方式组织课程、创设多学科学习环境、搭建跨学科课程学习平台、实现多学科内容整合的学习方式。跨学科学习过程通过跨学科整合、跨学科思考、跨学科实践、跨学科评价，在探索中进行创新，将跨学科知识进行融合、内化和吸收，从而培养学生的跨学科融合能力、创新能力和解决问题能力等。

（四）项目化学习

刘景福等人[9]提出，项目学习是指以学科的概念和原理为中心，在真实世界和一定时间内借助多种资源开展探究活动。“普高版”“义教版”均强调项目学习的重要性，要求以项目学习为主线，让学生开展项目主题探究活动，经过知识建构、知识迁移、问题解决和创造价值的过程，体会探究新知的乐趣。在开展人工智能课程教学时，采用项目式学习，设计教学项目，选择“项目范例”，让学生通过“情境导入→选择主题→项目规划→项目探究→项目实施→成果展示→教学评价”等环节开展项目学习活动。

综上，人工智能课程教学是依据“普高版”“义教版”，在知识建构理念指导下，通过将跨学科知识与项目式教学相结合，教师进行精心设计和指导，以人工智能项目问题为中心，引导学生在真实情境中探究、设计和实践，从而培养学生的解决问题能力。本研究引入虚拟数字人教师，优化教学环境，开发教育数字化教学资源，采用“双师课堂”教学模式，能为学生提供跨学科学习、项目学习实践指导，从而培养学生的创新能力和综合技能，拓展人工智能数字化教育资源，提升课堂教学质量。基于“双师课堂”的人工智能跨学科项目化教学能推动人工智能教学创新，为人工智能教学资源的开发提供借鉴。

二、构建基于“双师课堂”的人工智能跨学科项目化教学模式

构建基于“双师课堂”的人工智能跨学科项目化教学模式，其核心是将“知识建构、双师课堂、教学评价”进行三位一体的有机融合，基于“普高版”和“义教版”、知识建构理论、跨学科学习理论，运用项目化学习方法，开展人工智能课程教学研究，培养学生的计算思维、设计思维和创新思维能力。模式的具体内容包含五部分：设计真实的项目活动、“双师课堂”协同教学、运用指向学生跨学科能力培养的设计、主动参与自主建构、制定学生跨学科学习的评价方式等教学策略。基于“双师课堂”的人工智能跨学科项目化教学模式如图1 所示。

图1 基于“双师课堂”的人工智能跨学科项目化教学模式

（一）真实项目活动设计

该模式在人工智能项目教学中引入了设计思维，帮助学生解决实际问题，设计真实的项目情境。所选择的项目主题应与学生的生活息息相关，以提高学生学习的动机，为学生提供共情的可能性。设计适切的项目活动有利于学生主动学习，提出解决问题的方法，筛选出最优解决方案，建立模型并创造出实物作品，最后对创作的作品进行测试和评价，进一步完善项目活动设计。融入设计思维的人工智能项目教学架构分为“发现问题—定义问题—方案设计—原型制作—测试改进—分享评价”六个阶段。在发现问题阶段，开展学情分析，了解学生的认知水平，以此为依据提出项目的主题，创建合适的问题情境，布置调查研究任务；在定义问题阶段，提倡用共情的方式，引导学生聚焦问题的本质，确定需求，剖析问题产生的原因；在方案设计阶段，提倡各小组成员根据不同的认知提出丰富的设计方案，由小组成员梳理想法，并对想法进行目标评估及可行性分析，学习新知，确定拟使用的解决方案；在原型制作阶段和测试改进阶段，小组成员利用软硬件设备，将设计方案可视化，学生在这个过程中需要通过搭建、测试和修正完善模型，逐步生成更佳的解决方案；在分享评价阶段，小组成员展示各自的创意设计，收集同伴的反馈意见，依此改进、完善解决方案。所以，方案设计、原型制作、测试改进是一个循环迭代过程。融入设计思维的人工智能项目教学架构如图2 所示（见下页）。

图2 融入设计思维的人工智能项目教学架构

（二）学生自主参与知识建构

人工智能课程教学注重学生主动参与知识建构、积极探究提出问题，通过与他人的合作交流，不断建构、重构和优化自己的知识体系，从而帮助学生更好地理解知识的本质和核心，培养学生的高阶思维能力。在人工智能课程教学中，需要将学习任务情境化，让学生在学习过程中，通过自主探究学习和小组协作学习，动手创作项目作品，最终完成具有创新性的作品。因此，知识建构理论可以帮助学生更加深入地理解人工智能知识，在实践中促进学生的知识应用和创新思维的形成。

（三）“双师课堂”协同教学

“双师课堂”是由人类教师、虚拟数字人教师协同开展的课堂教学，其教学模型如图3 所示（见下页）。“双师课堂”中的两类教师通过不同的方式进行授课，学生通过聆听虚拟数字人教师的讲解，获取人工智能课程的新知识、接受项目任务，学习硬件组装设计方案和软件编程思路。在原型制作阶段，学生根据虚拟数字人教师讲授的内容，用微型计算机、各种传感器、摄像头等硬件进行组装，程序设计则采用Python 语言编程。在测试改进阶段，学生如果遇到知识性问题就向虚拟数字人教师求助，遇到动手实操技能性疑难问题则向人类教师求助，通过自主探究、小组协商、共同创作，完成项目的制作。最后，学生将完成的作品进行分组展示、交流分享和相互评价。

图3 “双师课堂”教学模型

1.虚拟数字人教师：负责视频授课

虚拟数字人技术是语音识别、语音合成、自然语言理解、动画生成等多种技术的融合。

制作虚拟数字人是将授课内容的文字导入制作平台，由AI 驱动生成授课视频。课前，学生观看虚拟数字人教师的授课视频进行预习；课中，虚拟数字人教师进行授课内容的教学，学生跟着虚拟数字人教师学习时，可以把虚拟数字人教师的讲解视频反复播放，直至把所有讲解内容全部学会；课后，如果需要巩固所学内容，学生还可以随时复习观看。可见，虚拟数字人教师能够代替人类教师授课，让人类教师回归到育人的教育本质上。

2.人类教师：负责项目规划和课堂活动辅导

在虚拟数字人教师的帮助下，人类教师可以把主要精力放在解决学生在项目规划设计、硬件设计制作、软件程序编写、作品联合调试过程中临时出现的疑难问题，指导学生设计方案，帮助学生找到实现创意的有效途径，设计出高质量的作品，并关注学生的个体需求，给予即时的辅导。

（四）学生跨学科能力培养

人工智能是一门综合性学科，融合了生物学、数学、脑科学、信息科学等知识，同时与物联网、云计算、大数据等技术紧密联系，在教学中既可以作为学习内容，又可以作为学习工具。由此可以看出，人工智能具有跨学科的特性，基于设计思维的人工智能教育在选择教学内容时，需要整合多学科知识，实现学科的跨界互补、“协同”解决问题，从而培养学生的工程思维能力、设计思维能力、计算思维能力，发展核心素养。

（五）学习效果评价

学习效果评价可以帮助教师了解教学效果，从而有针对性地调整引导、支持策略；提供教学反馈，让学生了解自己的学习效果，从而有针对地进行改进，促进自身的发展。进行学习效果评价时，要设置有效的评价量规，使评价可以基于不同视角和不同维度展开，最终获得比较公平客观的评价结果[10]。在基于设计思维的人工智能课程教学中，强调多元化评价与智能化评价贯穿在整个教学活动中。采用多元化评价，能够从多维度进行考量，关注学生各种能力的培养。学生的创新设计并非能一次性形成，需要在与同伴的合作交流中不断改进完善。多元化的评价增加了师生、生生之间的互动交流，可以帮助老师和学生从多个视角看待项目设计的过程，从而帮助学生形成成果。采用智能化评价，则可以实现多场景高效率的协同评价。学习效果评价方式如图4 所示。

图4 学习效果评价方式

三、基于“双师课堂”的人工智能跨学科项目化模式应用实践

本研究以“智能配送”主题为例，该主题包含智能分拣、智能运输、智能放置3 个环节，教学采用基于“双师课堂”的人工智能跨学科项目化模式进行，通过“发现问题—定义问题—方案设计—原型制作—测试改进—分享评价”的项目流程加以实践。在教学过程中，人类教师担任项目规划和项目辅导角色，虚拟数字人教师担任课程授课和主讲角色，双师密切配合，协同完成授课任务；学生在“智能配送”项目中完成主题设计、项目规划、结构搭建、程序代码编写、测试运行、小组分享、互动评价等探究活动。

（一）“智能配送”项目主题设计与项目规划环节

“项目立项”是项目主题设计和项目规划的关键环节，决定了项目实施的方向、目标和资源配置。在此环节，明确“智能配送”项目的实施目标和范围，包括要解决的问题、涉及的技术和方法、预期的成果等。教师可要求学生用共情的方式，站在目标用户的角度思考问题，通过调研收集信息、剖析问题产生的原因，了解目标用户对智能配送的需求和期望，以及社会上对该问题现有的解决方案。例如，学生考虑到“一种可用于图书馆书籍自动传送的装置”等。

（二）“智能配送”结构搭建与程序设计环节

根据设计方案，“智能配送”项目结构的外观搭建、程序设计语言编写和调试直接关系到目标实现的效果。按照功能需要，智能分拣和智能放置两个环节需要搭配硬件结构协作完成任务，为此，课程配置了人工智能基础套装，包含微型计算机、各种传感器、摄像头、结构积木等硬件，可拼搭式组装硬件结构，实现自由组合多种造型。程序设计采用Python 语言编程，学习平台提供程序代码模板和一些基本的语法和控制流程，学生通过学习平台提供的程序代码模板，直接运行并模仿其中的逻辑、改造现有的代码，以理解代码的实现原理，逐渐掌握更高级的编程技巧。在这个环节里，小组成员重点关注过程控制，及时发现和解决问题；人类教师观察学生的课堂状态，为学生提供个性化辅导，帮助学生解决问题，确保设计方案的落实。

（三）“智能配送”作品分享与教学评价环节

作品分享与教学评价是学习效果检测的一个重要环节，开展教学评价要注重评价主体、方法和工具的多元化，借助智能平台（如UMU 或问卷星），采用科学的评价手段（例如问卷、访谈、评价量表、日志报告等）对评价结果进行智能分析，开展过程性与总结性、定性与定量相结合的评价；重视自评与他评，采纳学生个体、小组团体的评价意见和建议，学生根据教师提供的评价指南，对自己的学习情况或小组内其他同学的学习情况进行评价，包括对知识点的掌握情况、学习方法和策略的运用情况等。

总之，完成“智能配送”项目的主题设计需要综合运用跨学科知识和技术，需要不断调整和改进项目计划和方案，以实现项目的预期目标。在项目学习过程中，要发挥学生的主体作用，培养学生的项目规划能力、问题解决能力、团队合作能力，以发展学生核心素养。教学案例设计如表1 所示。

表1 基于“双师课堂”的人工智能跨学科项目化模式应用的教学案例设计

四、结语

人工智能课程涉及多学科知识，没有成熟的教学模式可供借鉴，给开展人工智能课程教学带来了诸多难题。本研究构建了基于“双师课堂”的人工智能跨学科项目化教学模式，并应用该模式以“智能配送”项目主题为例，进行教学实验。实验结果表明：采用“双师课堂”协同教学能够减轻人类教师的教学负担，能够提高教师的教学效率；学生在学习时，接受人类教师和虚拟数字人教师的协同授课，根据遇到的不同问题分别向两类教师求助，开展跨学科学习，采用项目式学习方法，可以有效提高自身解决问题的能力。因此，在人工智能教学中，将“双师课堂”、跨学科学习、项目化学习三者进行有机融合，形成了一种新型教学模式，让学生在实践中体验、在探索中创新，能够培养学生的项目规划能力、工程设计能力、计算思维能力和创新思维能力，为学生进行科技创新提供了展示平台，有助于复合型创新人才的培养。