摘要： 當(dāng)前中小學(xué)階段的人工智能教育存在低價(jià)值、不合理等偏航問(wèn)題。文章基于指向思維與核心素養(yǎng)價(jià)值取向的“思維型”課堂理論，提出人工智能教學(xué)框架，并開(kāi)展實(shí)證研究，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新、批判、遷移等思維能力以及適應(yīng)新時(shí)代社會(huì)需求的必備品質(zhì)，以期為人工智能教學(xué)研究開(kāi)拓新思路。

關(guān)鍵詞：人工智能;思維型課堂;教學(xué)設(shè)計(jì);核心素養(yǎng)

目前，基礎(chǔ)教育階段的人工智能教育處于探索發(fā)展階段。培養(yǎng)人的創(chuàng)造力、人文素養(yǎng)和計(jì)算思維，是人工智能課程的核心目標(biāo)，也是人工智能時(shí)代基礎(chǔ)教育課程的重要價(jià)值取向^[1]。人工智能課程設(shè)計(jì)是人工智能課程中重要的綜合性實(shí)踐環(huán)節(jié)，對(duì)提高學(xué)生理解和掌握人工智能基本概念和算法的能力，以及培養(yǎng)學(xué)生從智能設(shè)計(jì)的角度分析解決問(wèn)題的素養(yǎng)，具有重要的作用?；谌斯ぶ悄芙逃闹匾獌r(jià)值取向與目標(biāo)，筆者應(yīng)用“思維型”課堂理論對(duì)中小學(xué)人工智能課堂教學(xué)加以改進(jìn)，以期促進(jìn)人工智能課堂教學(xué)的創(chuàng)新發(fā)展。

一、基本原理與應(yīng)用研究

（一）基本原理

“思維型”課堂教學(xué)理論的依據(jù)來(lái)源于思維的心理結(jié)構(gòu)模型，即“三棱結(jié)構(gòu)”模型。它將思維的目的、過(guò)程、內(nèi)容、品質(zhì)、自我監(jiān)控與非智力因素的六種基礎(chǔ)要素進(jìn)行組合，形成了多側(cè)面、多形態(tài)、多水平、多聯(lián)系的思維結(jié)構(gòu)框架^[2]。林崇德與胡衛(wèi)平認(rèn)為，教師應(yīng)根據(jù)思維的結(jié)構(gòu)與影響因素設(shè)計(jì)組織課堂教學(xué)，從正確認(rèn)識(shí)思維的結(jié)構(gòu)出發(fā)，選取恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)思想和方法，實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)目標(biāo)。思維型課堂教學(xué)理論的基本原理如下：認(rèn)知沖突原理;自主建構(gòu)原理;自我監(jiān)控原理;應(yīng)用遷移原理。基于以上基本原理，“思維型”課堂教學(xué)被分為4個(gè)基本環(huán)節(jié)：教學(xué)導(dǎo)入、教學(xué)過(guò)程、學(xué)習(xí)反思、應(yīng)用遷移。

（二）課堂應(yīng)用

現(xiàn)階段，已有不少學(xué)者將“思維型”課堂教學(xué)理論引入學(xué)科教學(xué)研究，通過(guò)與其他教學(xué)理論、觀念的融合，實(shí)現(xiàn)更加高質(zhì)高效的課堂教學(xué)。蘭春壽將“思維型”課堂教學(xué)理論運(yùn)用于英語(yǔ)文學(xué)閱讀的教學(xué)中，采用“輸入文學(xué)文本—激活認(rèn)知結(jié)構(gòu)—產(chǎn)生認(rèn)知沖突—操作思維活動(dòng)—表征文本意義—建構(gòu)新認(rèn)知結(jié)構(gòu)”的模式教學(xué)，使學(xué)生在認(rèn)知結(jié)構(gòu)的同化和順應(yīng)過(guò)程中發(fā)展各種思維能力。馬濤根據(jù)“思維型”課堂教學(xué)理論提出了初中地理“三環(huán)六步”思維型課堂教學(xué)模式，將學(xué)思充分結(jié)合，讓學(xué)生積極思維，全面提升學(xué)習(xí)能力和思維能力。

綜上所述，“思維型”課堂教學(xué)的目標(biāo)大多指向思維與核心素養(yǎng)，追求培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科相關(guān)的創(chuàng)新、批判、遷移等思維能力和適應(yīng)個(gè)人發(fā)展與社會(huì)需求的必備品質(zhì)。從課堂結(jié)構(gòu)來(lái)看，“思維型”課堂強(qiáng)調(diào)問(wèn)題與情境、探究與合作、總結(jié)與反思、應(yīng)用與遷移等要素，教學(xué)設(shè)計(jì)具有開(kāi)放性、創(chuàng)新性、邏輯性與層次性。從課堂效果來(lái)看，“思維型”課堂能夠吸引學(xué)生積極主動(dòng)地探究，獨(dú)立思考，合作解決問(wèn)題，進(jìn)而系統(tǒng)地歸納所學(xué)并自然地遷移運(yùn)用于生活或其他領(lǐng)域的學(xué)習(xí)。

（三）指導(dǎo)意義

第一，將人工智能學(xué)科思維作為學(xué)生的學(xué)習(xí)對(duì)象，而非僅僅學(xué)習(xí)“知識(shí)點(diǎn)”。應(yīng)用“思維型”課堂理論設(shè)計(jì)人工智能課程內(nèi)容與課堂活動(dòng)，可以更好地圍繞“基礎(chǔ)體驗(yàn)、興趣培養(yǎng)、自主探究”三個(gè)重要特征，將人工智能學(xué)科思維而不是“知識(shí)點(diǎn)”作為學(xué)生學(xué)習(xí)的對(duì)象，將學(xué)生計(jì)算思維與相關(guān)核心素養(yǎng)的提升作為最終教育目標(biāo)。

第二，以多元方式激發(fā)學(xué)生在學(xué)習(xí)人工智能過(guò)程中深度思考。這不僅可實(shí)現(xiàn)人工智能課堂效率、效果的提升，而且可以改變學(xué)生對(duì)人工智能領(lǐng)域認(rèn)知過(guò)程中的非智力因素影響，從情感、意志、興趣等方面促進(jìn)學(xué)習(xí)成效的提升。

第三，通過(guò)測(cè)評(píng)人工智能學(xué)科思維與創(chuàng)造力、人文素養(yǎng)及計(jì)算思維的提升來(lái)判斷學(xué)生是否成功。

二、教學(xué)模式設(shè)計(jì)

根據(jù)“思維型”課堂教學(xué)理論的四大基本原理，結(jié)合人工智能教學(xué)研究經(jīng)驗(yàn)，筆者將人工智能課堂教學(xué)活動(dòng)分成教學(xué)導(dǎo)入、教學(xué)過(guò)程、教學(xué)反思和應(yīng)用遷移四個(gè)基本環(huán)節(jié)（如圖1）。

（一）教學(xué)導(dǎo)入：真實(shí)情境引發(fā)認(rèn)知沖突

在設(shè)計(jì)人工智能課堂活動(dòng)的過(guò)程中，教師需要確定課程內(nèi)容，結(jié)合學(xué)生的知識(shí)背景和人工智能知識(shí)的邏輯體系，合理進(jìn)行規(guī)劃安排。教師將學(xué)生日常生活中的經(jīng)驗(yàn)與人工智能課程教學(xué)目標(biāo)聯(lián)系，在課堂上為學(xué)生創(chuàng)建真實(shí)的問(wèn)題情境。問(wèn)題情境越生動(dòng)有趣、越貼近現(xiàn)實(shí)，越容易激發(fā)學(xué)生興趣。創(chuàng)設(shè)的人工智能課堂教學(xué)情境最好與學(xué)生已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)存在暫時(shí)性矛盾。認(rèn)知沖突有利于激發(fā)學(xué)生的探究心理。

（二）教學(xué)過(guò)程：多元方法促進(jìn)知識(shí)的自主建構(gòu)

教師在人工智能課堂上試圖遠(yuǎn)離學(xué)生的思維，只用枯燥無(wú)味的邏輯進(jìn)行說(shuō)明講解，肯定是徒勞無(wú)益的。人工智能課堂教學(xué)重在體驗(yàn)和感受，教師理應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生思考、質(zhì)疑、探究、創(chuàng)新，采取啟發(fā)式、問(wèn)題導(dǎo)向式、項(xiàng)目式、探究式等方式教學(xué)，以調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，展開(kāi)思維活動(dòng)。

“思維型”課堂教學(xué)理論涉及贊可夫的“發(fā)展性教學(xué)法”，該理論強(qiáng)調(diào)教師與學(xué)生間的思維、情緒互動(dòng)。在人工智能教學(xué)活動(dòng)中，教師應(yīng)秉持同樣的方法與認(rèn)知，以培養(yǎng)思維的靈活性與創(chuàng)造性為原則，關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中思維與邏輯的活動(dòng)并適時(shí)地加以引導(dǎo)，同時(shí)還應(yīng)時(shí)刻注意學(xué)生的情緒變化，使其獲得成就感并發(fā)現(xiàn)樂(lè)趣。

對(duì)于人工智能教學(xué)，筆者不提倡教師占主導(dǎo)地位、以講授為主的教學(xué)方式，同時(shí)抵制只重視學(xué)生通過(guò)材料自學(xué)而忽視教師作用的教學(xué)傾向。人工智能教學(xué)中，教師應(yīng)把握好“思維型”課堂教學(xué)理論倡導(dǎo)的“雙主體”師生關(guān)系，突出課堂教學(xué)中教師和學(xué)生積極思維這一核心，同時(shí)強(qiáng)調(diào)教師和學(xué)生的各自獨(dú)立作用。在實(shí)施具體活動(dòng)時(shí)，教師可以采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的方式，讓學(xué)生在項(xiàng)目學(xué)習(xí)過(guò)程中，學(xué)會(huì)收集信息、獲取知識(shí)、探討方案、解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題、培養(yǎng)計(jì)算思維和創(chuàng)新思維。教師也可以采取小組交流合作的方式，為學(xué)生搭建相互交流、合作學(xué)習(xí)的橋梁，為課堂活動(dòng)開(kāi)拓更廣闊的思維互動(dòng)空間（如圖2）。

（三）學(xué)習(xí)反思：批判反思形成思維策略

“思維型”課堂教學(xué)中，教師應(yīng)關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程和學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的思考能力發(fā)展，做好計(jì)劃、控制、評(píng)價(jià)和控制。教師要引導(dǎo)學(xué)生有意識(shí)地對(duì)自身探究并解決問(wèn)題的過(guò)程進(jìn)行總結(jié)、評(píng)價(jià)和反思，用理性的、批判的眼光回顧課堂活動(dòng)。反思的內(nèi)容包括以下兩個(gè)方面。

一方面，學(xué)生要分析人工智能學(xué)習(xí)中自身的思維過(guò)程，分析自身的思維缺陷以及在本次學(xué)習(xí)活動(dòng)中的不足。另一方面，學(xué)生要分析自身通過(guò)學(xué)習(xí)所掌握的人工智能知識(shí)，梳理知識(shí)脈絡(luò)，理解學(xué)科知識(shí)的思維邏輯，總結(jié)自身認(rèn)知的盲區(qū)與不足。

（四）應(yīng)用遷移：解決問(wèn)題提升核心素養(yǎng)

人工智能教學(xué)活動(dòng)的最終目標(biāo)是使學(xué)生產(chǎn)生整體的人工智能觀念，能夠運(yùn)用人工智能的知識(shí)與邏輯思維解決實(shí)際問(wèn)題。教師在開(kāi)展人工智能活動(dòng)前要掌握知識(shí)理解和遷移應(yīng)用的基本邏輯，結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律與具體的活動(dòng)教學(xué)內(nèi)容，采取科學(xué)有效的方法引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。

劉偉曾提出致力于知識(shí)遷移的深度學(xué)習(xí)路徑。筆者通過(guò)調(diào)研與整合，總結(jié)出適用于人工智能教學(xué)活動(dòng)的指導(dǎo)理念。第一，教授完整的知識(shí)。簡(jiǎn)單的人工智能應(yīng)用背后是系統(tǒng)的概念、原理、意義和價(jià)值，教師需要為學(xué)生設(shè)計(jì)獲取知識(shí)需經(jīng)歷的由淺入深、由表及里、逐漸深入的學(xué)習(xí)過(guò)程。第二，帶領(lǐng)學(xué)生加工知識(shí)。教師需要帶領(lǐng)學(xué)生梳理活動(dòng)過(guò)程中涉及的知識(shí)，刪掉無(wú)關(guān)內(nèi)容并將同一主題或觀點(diǎn)相似的內(nèi)容進(jìn)行整合，將原來(lái)那些零碎內(nèi)容加工組合成條理清晰的人工智能知識(shí)體系，使學(xué)生擺脫最初淺層理解的束縛，將各種事實(shí)性信息轉(zhuǎn)換成完整的、有意義的、條理清晰且可儲(chǔ)存的知識(shí)。第三，聯(lián)系學(xué)生已有的經(jīng)驗(yàn)。

三、教學(xué)案例分析

為研究基于“思維型”課堂理論的人工智能教學(xué)，筆者到某中學(xué)開(kāi)展了教學(xué)實(shí)踐。研究的實(shí)驗(yàn)對(duì)象為該校八年級(jí)學(xué)生，平均年齡15歲。筆者采取前測(cè)與后測(cè)的形式，從學(xué)生的知識(shí)與技能、過(guò)程與方法、情感態(tài)度與價(jià)值觀三個(gè)維度對(duì)人工智能教學(xué)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。收集的數(shù)據(jù)類型包括問(wèn)卷數(shù)據(jù)、測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)、訪談數(shù)據(jù)與學(xué)生成果數(shù)據(jù)。

（一）創(chuàng)設(shè)機(jī)器人服務(wù)情境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

課堂伊始，教師設(shè)置如下情境：某超市采用機(jī)器人服務(wù)員為客人提供服務(wù)。機(jī)器人穿梭在超市中完成送貨、整理貨架、收銀等工作。此時(shí)，有客人提出要買一個(gè)蘋果和一把香蕉，需要機(jī)器人服務(wù)員幫忙挑選。機(jī)器人接到指令后來(lái)到了水果貨架前。

教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入場(chǎng)景，讓學(xué)生代入機(jī)器人服務(wù)員的視角，承擔(dān)挑選蘋果與香蕉的任務(wù)。接下來(lái)，由學(xué)生自主思考“如何使機(jī)器人在貨架上識(shí)別蘋果與香蕉”。教師通過(guò)創(chuàng)設(shè)機(jī)器人服務(wù)的真實(shí)情境，巧設(shè)問(wèn)題，引起認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生的求知欲和探求欲，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能興趣，在學(xué)以致用的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和創(chuàng)新思維。

（二）通過(guò)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，建構(gòu)機(jī)器學(xué)習(xí)知識(shí)

教師引導(dǎo)學(xué)生分析基本情況，機(jī)器人可以通過(guò)攝像頭來(lái)獲取外界圖像。如何讓機(jī)器人會(huì)看也會(huì)認(rèn)呢？教師在此時(shí)依托情境介紹機(jī)器學(xué)習(xí)的概念，圍繞“如何讓機(jī)器人通過(guò)學(xué)習(xí)具備圖像識(shí)別的功能”這一問(wèn)題，帶領(lǐng)學(xué)生開(kāi)啟探究學(xué)習(xí)。

整個(gè)教學(xué)活動(dòng)基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)展開(kāi)，人工智能課程中圖像識(shí)別的模塊知識(shí)在“機(jī)器人水果分類”的項(xiàng)目中逐步呈現(xiàn)。學(xué)生在活動(dòng)前被分到不同的小組，以小組為單位探究討論，并嘗試運(yùn)用軟件實(shí)現(xiàn)功能。學(xué)生在實(shí)踐和體驗(yàn)中逐漸加深對(duì)人工智能技術(shù)的理解，完成模式識(shí)別的知識(shí)建構(gòu)。項(xiàng)目活動(dòng)在以下具體任務(wù)中展開(kāi)。

任務(wù)一：數(shù)據(jù)采集與模型訓(xùn)練。學(xué)生以小組為單位，利用人工智能在線學(xué)習(xí)平臺(tái)，通過(guò)訓(xùn)練讓計(jì)算機(jī)來(lái)識(shí)別蘋果和香蕉的相關(guān)圖像，進(jìn)行水果分類的模型訓(xùn)練。

任務(wù)二：水果分類。在模型訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，利用Scratch編程實(shí)現(xiàn)對(duì)水果的分類功能。從機(jī)器學(xué)習(xí)平臺(tái)打開(kāi)Scratch3，完成程序的編寫，使用訓(xùn)練有素的機(jī)器學(xué)習(xí)模型來(lái)識(shí)別一系列蘋果和香蕉的圖像。

在教學(xué)過(guò)程中，教師以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的方式開(kāi)展教學(xué)，應(yīng)以學(xué)生的主動(dòng)學(xué)習(xí)為主，而不是以教師講授為主，讓學(xué)生通過(guò)小組討論的形式，圍繞問(wèn)題獨(dú)立收集資料、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新能力，建構(gòu)知識(shí)。

（三）利用學(xué)習(xí)反思，促進(jìn)思維提升

小組完成任務(wù)后，學(xué)生利用人工智能平臺(tái)體驗(yàn)特征模型的訓(xùn)練和驗(yàn)證的過(guò)程，獲得對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的感性認(rèn)識(shí)和理性認(rèn)識(shí)。在這一階段，教師組織學(xué)生以小組為單位進(jìn)行項(xiàng)目作品的展示和交流，引導(dǎo)學(xué)生清晰表達(dá)在活動(dòng)過(guò)程中經(jīng)歷了哪些思考和調(diào)整。學(xué)生在分享的同時(shí)聆聽(tīng)其他小組的經(jīng)驗(yàn)介紹，相互學(xué)習(xí)，使知識(shí)和技能再次得到提升，在過(guò)程中獲得更多的成就感。

在完成本項(xiàng)目的教學(xué)活動(dòng)后，教師通過(guò)幾個(gè)思考問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生反思：（1）模型訓(xùn)練過(guò)程中遇到了哪些問(wèn)題，是什么原因造成的？（2）程序編寫還有哪些部分需要改進(jìn)，自己需要提升哪些具體的人工智能知識(shí)？（3）結(jié)合實(shí)踐，簡(jiǎn)述計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像分類的工作原理。它對(duì)人們?nèi)粘Ｉ钣惺裁礃拥膸椭?/p>

學(xué)生通過(guò)對(duì)學(xué)習(xí)活動(dòng)過(guò)程進(jìn)行反思是一種高效學(xué)習(xí)方法。學(xué)習(xí)中的反思如同生物體消化食物和吸收養(yǎng)分一樣，是別人無(wú)法代替的。學(xué)生通過(guò)對(duì)自己的思維過(guò)程、思維結(jié)果進(jìn)行再認(rèn)識(shí)，有利于促進(jìn)思維的提升。

（四）通過(guò)遷移應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)

教師引導(dǎo)學(xué)生回顧“機(jī)器人水果分類”項(xiàng)目活動(dòng)過(guò)程，體驗(yàn)學(xué)習(xí)與探究的樂(lè)趣，關(guān)注身邊技術(shù)對(duì)世界的影響，引發(fā)學(xué)生思考技術(shù)對(duì)社會(huì)生活、對(duì)周圍環(huán)境的重大作用。

問(wèn)：圖像分類技術(shù)還可以應(yīng)用在哪些地方？

答：應(yīng)用在網(wǎng)購(gòu)時(shí)搜索相似商品、遙感領(lǐng)域中的遙感圖像分類、交通領(lǐng)域的交通場(chǎng)景物體的識(shí)別、車輛數(shù)目檢測(cè)、車輛逆行檢測(cè)等領(lǐng)域。

問(wèn)：通過(guò)學(xué)習(xí)人工智能圖像分類技術(shù)，能設(shè)計(jì)哪些產(chǎn)品來(lái)改變?nèi)藗兊纳睿?/p>

答：可以設(shè)計(jì)圖書館內(nèi)用的“機(jī)器人圖書分類”、社區(qū)內(nèi)的“機(jī)器人垃圾分類”等產(chǎn)品來(lái)讓生活變得更加美好。

教師引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)習(xí)的知識(shí)、方法，遷移應(yīng)用到不同條件下的不同問(wèn)題，突破思維定式，解釋實(shí)際現(xiàn)象，提出解決方案，可幫助學(xué)生建構(gòu)知識(shí)，提高思維能力，發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

當(dāng)今，人工智能、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等高新技術(shù)日新月異，社會(huì)智能化快速迭代。在這一背景下，讓學(xué)生更好地適應(yīng)未來(lái)的社會(huì)，擁有順應(yīng)個(gè)人發(fā)展與社會(huì)需求的必備品質(zhì)是當(dāng)下人工智能教育變革的主要訴求。中小學(xué)階段，學(xué)生應(yīng)當(dāng)接受體系化的、符合其認(rèn)知發(fā)展規(guī)律的人工智能教育，使其在建立興趣的基礎(chǔ)上，提高基于人工智能相關(guān)技術(shù)思想來(lái)分析和解決問(wèn)題的能力、動(dòng)手實(shí)踐能力及創(chuàng)新創(chuàng)造能力。

“思維型”課堂理論的融入為中小學(xué)人工智能教育帶來(lái)了積極正向的作用，使人工智能教育內(nèi)容深入課堂，在教學(xué)的目標(biāo)、過(guò)程、評(píng)價(jià)等方面提供了新思路。本研究中，基于“思維型”課堂的人工智能教學(xué)設(shè)計(jì)框架初具雛形，但運(yùn)用到教學(xué)中仍會(huì)由于不同的教學(xué)情境而產(chǎn)生各種各樣的問(wèn)題，后續(xù)需要更多的案例研究和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。

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（作者燕雨系江蘇師范大學(xué)智慧教育學(xué)院學(xué)生;楊現(xiàn)民系江蘇師范大學(xué)智慧教育學(xué)院教授;鄭茜系江蘇省徐州市第三十四中學(xué)特級(jí)教師）

責(zé)任編輯：祝元志