基于核心素养的主题式人工智能课程实践

付婷婷

教育部印发的《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》明确提出信息科技学科核心素养为：信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任。当前学校信息科技及人工智能课程在教学内容上以知识原理及体验、技术学习为主，学生通过课程学会某一项具体的知识或技术，但将知识和技术创新应用于解决实际问题的意识和能力的培养难以实现；教学以教师主导为主，学生缺乏主动性，这也不利于学生自主学习能力的培养。

本研究通过设计以问题解决为导向的教学模式，为学生搭建学习的脚手架，让学生自主把控学习进度，学会问题分析及解决的过程和方法不仅仅是掌握知识与技术，更重要的是培养学科核心素养。

以问题为导向的主题式课程设计

根据维果斯基最近发展区理论，以“发现问题、解决问题”为逻辑主线，侧重培养学生分解抽象问题、通过设计算法解决问题的意识及能力素养，在问题解决的过程中培养学生不惧困难、勇于创新的品格。以问题为导向的人工智能特色课程教学内容分为问题分析、基础课程、主题课程、拓展课程四个环节，各环节之间相互关联、层层递进。

课程情境的选取：发现问题。问题的发现与解决方案的提出。学生利用头脑风暴法讨论并提出校园中存在的问题，循序渐进说明原因，直到回答“没有好的理由”或直到一个新的障碍问题出现，从而明确不同校园情境中存在的问题，将问题分解成系列子问题，对每一个子问题提出解决方法，最终形成问题解决方案。

本环节从问题的发现、问题的分解到解决方案的提出，侧重对学生将实际问题分解归纳、具体化为可操作解决方案的计算思维的培养，同时在问题解决的过程中，培养学生主动获取信息及运用创意想法解决实际问题的意识。

基础课程：问题解决的工具。知识内容的载体。将解决方案中的原理和技术抽离出来，对每一个子问题的解决方法以“要解决……问题、需要掌握……知识（技术、原理）”清单形式呈现，通过研讨将清单按照相关性以及知识间的逻辑关系重新排列组合出教学内容模块，引导学生依次进行自主探究学习。

教学的组织。本环节的教学聚焦解决问题的原理、方法和技术的学习，是基础性课程，以学生自主探究为主，教师及小组成员指导为辅，每节课设计学案导引，同时提供完成任务的辅助微课、开发套件的使用说明书、相关的程序代码，学生通过学案导引完成基础内容的学习。

本环节侧重对学生数字化学习与创新能力的培养，提高学生能够准确选取相应的数字化工具的能力，并恰当地运用数字化学习工具及获取的资源自主完成学习。

主题课程：问题解决的方法与过程。教学的组织。本环节通过小组合作开展，教师提供小组分工任务表，学生通过讨论认领任务确认分工，小组借助教师提供的微课、参考代码及学案实现主题问题的解决。学案中提供逻辑框架支持，学生通过学案的引导，运用所学基础课程知识逐步实现解决方案的落实。

本环节通过问题解决的过程培养学生问题具体化、算法设计的计算思维，培养在解决方案实现的过程中不断优化的能力，培养学生有效管理学习过程与学习资源及合作探究的能力。

拓展课程：问题解决思维与方法的迁移。教学的组织。学生以小组为单位，选取校园场景中的一个新问题进行分析，设计问题解决方案，运用所学知识设计算法，模拟解决问题并具体落实问题的解决。此环节侧重于对前期课程所学知识的迁移，以创新创作为主。

本环节学生通过合作探究解决校园场景中一个新问题，培养学生将所学到的分析问题、解决问题的过程与方法迁移应用于解决生活中其他问题的计算思维能力和应用技术解决生活实际问题的意识。

以问题为导向的智慧校园主题课程实践

本研究在学校初中二年级开设实验课程，学生学习一年的人工智能课程后，对人工智能的应用、涉及的机器学习、数据、算法、算力会有一定的了解，能够读懂简单程序但不具备独自编写的能力。

学生通过头脑风暴分析校园场景存在的问题，讨论确定智慧教室和智慧种植区，分别对两个场景存在的问题进行梳理，列出知识清单。教师根据知识逻辑关系重组学习资源，基础课程阶段由学生自主探究，完成知识及技术的学习。在智慧校园解决方案环节，学生运用所学知识分析智慧教室及智慧种植区，科技创新环节学生分小组提出一个需解决的新问题，运用所学知识设计解决方案，并实现问题的解决。

问题分析。教师提出：“在校园场景中，你觉得存在一些什么问题？能否运用人工智能技术来优化解决？”学生分小组头脑风暴讨论出问题场景，将提出的问题列出，最后确定智慧教室和智慧劳动种植区作为学习主题，通过分析得出子问题及解决方案。

基础课程实施。根据问题清单分析需要掌握的知识清单，将知识清单按照知识的逻辑关系分为人工智能的应用、物联网、程序设计、人工智能技术原理与实践四大模块，针对性解决提出的问题。在教师及小组成员的指导帮助下，学生借助微课、学案进行自主探究学习，掌握基础知识及技术。

智慧校园主题课程实施。根据确定的问题，设计开发包含智慧教室及智慧劳动种植区两个区域的实景沙盘，用于模拟问题场景，每个区域配置3个可编程人工智能控制器供学生实现相应功能。主题课程共10课时，学生通过小组合作探究，依托教师提供的微课、学案、代码等学习资源实现主题环境下的相应功能，并对问题解决的过程进行总结归纳、对解决方案提出优化建议，小组分别展示本组作品，并提出本组的优化建议方案。

智慧教室。智慧教室区域模拟真实教室场景，配置有可开关的门、灯带、风扇，课桌椅，装有三个控制设备。学生通过小组合作探究，完成以下功能的实现：语音控制灯光、灯带、风扇及门的开关；实时自动检测教室中学生人数并反馈考勤。智慧教室主题提供的學习资料包括引导任务开展的学案、如何操作设备、上传代码的微课、各个功能的实现原理微课、各功能的关键性代码。

智慧劳动种植区。智慧劳动种植区设置有温湿度传感器、灯光传感器、灌溉水箱、种植槽、加湿器水箱、灌溉水箱、控制设备。学生通过合作探究需完成以下功能：自动感应灯光，控制灯光亮度及开关；自动感应温湿度，调整空气中的湿度值；语音控制自动给植物浇水。智慧劳动种植主题课堂提供引导任务的学案、如何使用控制设备及上传代码微课、各个功能的实现原理微课、各个功能实现的关键性代码。

小组合作完成两个区域的任务后，学生对存在的问题进行总结归纳、提出优化解决方案，分小组展示本组的最终作品及优化方案。

科技创新课程实施。经过前期学习，学生初步掌握对生活中问题的分析、解决的一般过程与方法，同时学会解决问题的原理、技术。科技创新课程阶段设置10课时，学生以小组为单位，选取智慧校园环境下存在的一个新问题，设计解决方案，并运用数字化手段及技术解决问题，形成创新作品及方案，课程结束时以小组为单位展示作品及创新方案。本环节的课程侧重于对学生问题解决思维的迁移能力及创新能力的培养。

本研究以问题解决为主线，课程设计遵循发现问题、提出解决方案、掌握解决方法、解决问题、优化解决方案、创新解决新问题的逻辑思路；教学开展以学生自主探究、合作探究为主，课堂为学生提供学习的支撑资源，侧重培养学生计算思维、数字化学习与创新核心素养。通过智慧校园主题的实践，学生在课堂中对学习进度及资源选取自主性高、参与度高，最终养成了用技术解决生活实际问题的思维意识，培养了对实际问题进行分析并解决的能力。

（本文系2023年广州市青少年科技教育项目“基于智能化学校主题式人工智能课程的构建”的研究成果，项目编号：KP市2023107）

责任编辑/杨亮亮