初中人工智能跨学科主题单元项目式学习实践

【摘要】推动人工智能教育进课堂是新时代信息科技教育发展的重要议题。鉴于人工智能本质上具有的跨学科属性，以及新课标对跨学科主题学习的强调，从跨学科主题学习视角进行人工智能教学实践显得尤为必要。文章通过具体的教学案例，从大单元视角出发，探讨了单元教学规划与项目式学习实践两个层面。单元教学规划涵盖确立单元主题、明晰单元目标、设计单元任务以及构建评价体系等方面，而项目式学习从单元构思到课时实施，贯穿整个教学过程。【关键词】人工智能；跨学科主题学习；单元教学；项目式学习2022年版义务教育课程方案提出要“统筹设计综合课程和跨学科主题学习”，并在各科新课标中新增了“跨学科主题学习”模块。2022年版义务教育信息科技新课标列举的跨学科主题学习案例中明确涉及了人工智能。人工智能以计算机科学为基础，融合交叉心理学、哲学、数学等多个学科的知识，研究领域涉及机器学习、图像识别、语音识别、自然语言处理（简称NLP）、人工神经网络等，其原理知识的讲解、生活学习的应用都涉及跨学科知识。因此，人工智能本质上具有跨学科属性，从跨学科主题学习视角探索人工智能教育实践问题，是新时代新课改的关键点。人工智能跨学科主题学习存在的问题跨学科主题学习是基于学生基础、体验、兴趣，围绕某一研究主题，即真实情境的综合问题，以本学科课程内容为主干，运用并整合其他课程的相关知识和方法，开展综合学习的一种方式[1]。信息科技课程中，人工智能跨学科主题学习必然立足于信息科技学科本身，不同于其他学科课程中以人工智能为工具的跨学科学习活动，教师要关注人工智能前沿发展资讯，聚焦人工智能素养和核心素养，立足学生现有特点，充分运用智能时代的网络资源平台，以跨学科融合视角构建人工智能课程体系[2]，助力学生数字素养与技能提升以及高阶思维的发展。然而，随着人工智能技术的飞速发展，其专业性不断加强，信息科技学科教师面临难以精确掌握教学内容以及缺乏有效教学策略的困境，出现主题活动过于“专业化”，学习内容过于“拼盘化”[3]，学习过程过于“浅表化”的情况。人与技术的互动仅停留在浅层次上，在课堂中如何利用技术支持合作学习和探究学习的价值并未充分挖掘[4]。跨学科主题学习视域下初中人工智能教学设计与实施案例跨学科主题学习应当从单元教学规划与项目式学习实践两个层面展开。单元教学规划涵盖确立单元主题、明晰单元目标、设计单元任务以及构建评价体系等方面。同时，项目式学习从单元构思到课时实施，贯穿教学全过程。而跨学科主题学习视域下的人工智能教学设计与实施同样采用这样的思路。1.单元主题深圳的盛夏时节，全市多处荷花盛开，许多学生都有赏荷的经历。基于对学情的深入分析，我们精心策划了“荷花的数字化演绎”这一人工智能跨学科主题学习项目。该项目涉及语文、美术、信息科技、音乐、生物等多个学科的知识，分为五个实践模块，即“观荷”“听荷”“绘荷”“吟荷”与“养荷”，旨在通过这五个任务模块的实践，引导学生全方位且多角度地探索荷花之美。整个项目计划九个课时来完成。2.单元目标一是通过实地观荷，学生能够借助AI摄影实地拍摄荷花之美的图片和视频片段，理解AI音频生成原理，根据需要生成关于荷花的背景音乐，为微视频作品配乐，并通过AI剪辑软件高效完成微视频创作，提升发现美、表达美、创作美的能力。二是理解AI绘画原理，学生能够根据荷花的古典诗词意境，选择合适的提示词实现AI高效绘图，提升数字化学习与创新能力，加深对中华传统优秀文化的热爱。三是学会turtle库、for循环的使用，学生能够用Python编程实现绘制荷花与飞花令程序；通过体验AI大语言模型编程进阶，理解自然语言处理的工作原理，能够通过jieba库编程实现分词。四是了解荷花的生长习性，学生通过家庭智能养荷系统的设计与实现，了解虚实结合的优势，理解数字孪生的概念以及物联网的工作原理，学会将生活中发现的问题转化为数字模型，通过编程解决实际问题提升计算思维，明白科技不仅是提高生产力的有力武器，更需要向善向美，践行社会责任。3.单元项目化任务设计与评价整个单元的真实核心驱动问题为：夏天到了，深圳很多地方荷花竞相绽放，如洪湖公园、仙湖植物园等，引发人们流连忘返，除了在真实世界赏荷，你会怎样用数字技术展现荷花之美呢？师生由此展开讨论与AI相关的技术，像“如何获取关于深圳荷花的实景美图和视频，并借助AI后期美化？”“如何借助AI快速创作出关于荷花的神曲，并为微视频配乐？”“对比编程绘画与AI绘画，你更喜欢哪种方式，为什么？”“对比你用Python编程实现飞花令程序，借助AI编程几秒就可以完成飞花令程序以及高难度的超级飞花令程序，它是如何理解人类语言，并与人对话交流的呢？”“智能养荷系统的原理及实现过程是怎样的？”等，从而形成问题链。对应任务群“借助AI技术，从观荷、绘荷、吟荷、听荷、养荷五个方面创作作品，展现荷花之美”，最终呈现赏荷微视频、神曲、编程简笔画、古典诗意图、飞花令程序、智能养荷系统等作品集。在任务实施过程中，教师需组建学生学习小组，并为之配备必要的工具、平台、微课以及导学单等资源，以此作为学生学习的支架体系，确保探究活动的顺利进行。在作品展示交流活动之后，教师会引导学生思考并讨论人工智能带来的伦理问题。整个单元任务遵循真实问题驱动、分析问题、活动探究、成果展评、总结拓展的项目式学习流程。而评价的方式以表现性评价作品集为主，每小节有评价量规、每课时有自我检测等。单元项目式学习终结性评价量规主要从信息科技AI知识与跨学科知识融合、问题解决与创新表现、跨学科思维、团队协作与沟通、艺术审美与表现力等方面展开。4.人工智能课时实施案例：AI助力超级飞花令——NLP的奥秘（1）从单元到课时进行内容分析。基于大单元的跨学科主题项目“荷花的数字化演绎”分九课时完成，该课为第二节吟荷的第二课时。基于前一课时无法完成超级飞花令这一学习中遇到的真实问题，引发学生对自然语言处理（NLP）的好奇，让他们在解决真实问题的过程中，学习自然语言处理的原理知识，并通过编程实践深化原理理解，体现了“科”“技”并重的教学理念。（2）从知识技能基础、学习需要、学习兴趣与认知风格等方面进行学情分析。八年级学生已学习了Python程序设计入门知识及人工智能基础知识，具备完成“荷花的数字化演绎”跨学科学习项目的知识基础。上节课单主题荷字飞花令程序的实现让他们充满成就感，然而进阶任务——双主题字（荷与颜色）的超级飞花令让他们感到沮丧。本节正是基于他们目前遇到的真实问题，引出AI新知的学习——NLP的奥秘。在人工智能飞速发展的社会背景下，大多数学生对AI和编程的学习主题表现出浓厚的兴趣，尤其是动手实践的热情远超对科学原理的学习。在使用专业术语的规范表达方面，他们仍有欠缺，需要教师多加引导。上节课已经进行了本节课的课前检测，目的是希望通过数据驱动来尽可能精准地进行教学设计。（3）在单元目标的基础上，确立本节课的目标。一是通过体验AI大模型高效编程，了解自然语言处理的目标，形成人工智能意识。学生通过类比人与人之间的交流过程，理解自然语言处理的两大核心技术。二是了解自然语言处理的一般流程，通过实例类比，理解语料预处理的四大关键技术。三是能够通过jieba库编程实现中文分词，提升编程实践能力，同时深化对自然语言处理原理的理解，从而发展人工智能思维，提高人工智能应用与探究能力。四是了解人工智能的便利和局限性，对人与AI的关系有正确的认识，践行人工智能社会责任，积极适应和融入人工智能社会。（4）依据单元目标、课时目标以及学情，确定教学重难点。本节课的教学重难点为：理解自然语言处理的两大核心技术和语料预处理的四大关键技术，能够通过Jieba库编程实现中文分词。（5）利用云平台，进行基于大单元的跨学科主题项目化学习方法设计。教师利用导学单以及腾讯人工智能平台的大模型AI助手，为学生创设数字化学习环境，通过生活举例和类比，将NLP的原理转化为学生易于理解的形式；设计基于海龟编辑器的编程实践，目的是加深学生对NLP原理的理解，同时要为学有余力的学生设计拓展任务，关注不同基础不同层次的学生；通过问题引发学生对人与AI关系的思考，内化人工智能价值观，践行社会责任。另外，借助云平台的课前检测和课后的自我检测与评价，也体现数据循证精准教学的理念。（6）项目式学习流程。教师引导学生经历真实问题情境，从而发现问题、分析问题、学习新知，自主合作进行实践探究，展示交流，总结评价及拓展提升等项目式学习过程。环节一：真实问题情境，激发学生兴趣。教师引导学生打开导学单，明确学习目标、学习流程以及评价规则，同时打开上节课未完成的超级飞花令作业，引出尝试大模型AI这一得力助手助力问题解决。环节二：体验AI，分析问题，引出新知。在人工智能平台，学生打开腾讯大模型AI助手，给予清晰指令，请它帮助修改自己未完成的超级飞花令程序，从而引发学生思考AI为何越来越聪明，它是如何理解人类语言，并与人对话交流的呢？环节三：举例类比，原理学习通俗化。师生将人与人交流的过程类比人与机器的交流，从而理解自然语言处理（简称NLP）的两大核心技术——自然语言理解（NLU）和自然语言生成（NLG），再通过视频生动讲解，突破难点之一，即语料预处理。环节四：自主合作编程探究，展示交流。教师提供jieba库语法知识，让学生自学，并通过自我检测突破重点；利用程序半成品，使学生聚焦新知学习，提升课堂效率。教师应注意引导学生展示交流反馈，实时掌握学生的学习状况，并在发现问题时及时进行调整。环节五：AI协作，拓展提升。对于学有余力的学生，可以尝试借助AI大模型用jieba库实现荷花环保知识问答正误的自动判断。分层教学，让不同基础的学生有不同的收获。环节六：拓展思考，伦理与责任。既然AI几乎无所不知，还会编程，我们还有必要学习编程吗？人工智能在自然语言处理方面有哪些便利性与局限性？这些问题开拓学生思维，让他们思考未来人机协作以及社会责任问题，指向核心素养培养。环节七：归纳总结，自我评价。教师在引导学生进行内容归纳与总结的同时，完成自我检测表和自评表。教师还应充分考虑学生的特性