基于OBE-CDIO理念的初中人工智能课程体系建设路向

【摘要】基于OBE-CDIO理念的初中人工智能课程体系建设路向，符合教育部办公厅提出在2030年前在中小学基本普及人工智能教育的精神。本文以培养“通识、通智、通用”的创新人才为导向，从关键概念、课程设计模型、课程建设框架、资源开发路径、研究技术路线等方面，详细阐述了基于OBE-CDIO理念的初中人工智能课程体系建设逻辑，以期为同行开展人工智能普及教育提供实践参考。【关键词】OBE-CDIO理念；课程体系；路向建设背景1.顺应智能时代的学科教学要求2023年5月，为贯彻党的二十大精神，落实立德树人根本任务，办好人民满意的教育，教育部决定推进实施“基础教育课程教学改革深化行动”，其中提到深化核心素养导向开展人工智能科普教育。深圳市龙华区教育局立足“数字龙华”发展战略，印发了《龙华区推进中小学人工智能教育实施方案》的通知，整区推进义教阶段的中小学人工智能普及教育。2024年11月，教育部办公厅发布了《关于加强中小学人工智能教育的通知》，龙华区积极推动人工智能与教育的深度融合，以培养“通识、通智、通用”的创新人才为导向，进一步探索高质量、有温度的人工智能普及教育生态。2.拟解决的问题由于龙华区初中人工智能教学尚处于起步阶段，教师在人工智能科普教学过程中往往面临多个人工智能教学平台、多种教学资源的选择难题。基于不同资源的人工智能科普教育，难以利用统一、明确的评价体系来衡量学生的学习效果。因此，龙华区要突破的重点就是在区域内构建一套特色鲜明的优质人工智能课程体系，为区域内教师开展初中人工智能科普教育提供教学资源、学习资源、评价指标等“教-学-评”全过程支撑。建设逻辑1.厘清课程关键概念成果导向教育（Outcomes-BasedEducation，OBE）是一种聚焦学习成果的课程设计和教学的方法，CDIO（Conceive构思、Design设计、Implement实施、Operate运作）是工程教育理念，倡导“做中学”和“项目式学习”。龙华团队以“做中学、用中学、创中学”为指导思想，构建OBE-CDIO模式[1]，一方面学生需要在“构思”和“设计”阶段对人工智能知识进行学习和关联，另一方面“实现”和“运行”阶段又是学生工程素养的集中体现。也就是说，CDIO教育模式将“做中学”理念分散于各个阶段中。基于OBE-CDIO理念构建龙华区初中人工智能课程体系，有助于实现从“以教为中心”到“以学为中心”、从“知识体系为中心”到“能力达成为目标”的转变，为构建规模化、常态化、高质量、可复制的初中人工智能普及教育提供实践样本。2.确定课程设计模型为了防止人工智能学习活动过程“浅层化”、流于形式，需要对教学过程进行深度设计。龙华的项目团队对人工智能普及教育课程体系进行了项目化、案例式、任务链设计，立足成果导向，以学习项目为载体，聚焦问题解决，选择合适的学习内容、设计合适的CDIO教与学模型，形成能强化学生学习认知、意志和行为等综合素质的教与学模型，促进人工智能学习、应用效果最优化。CDIO工程教育理念注重“学中做”和“做中学”，以产品研发到产品运行的全生命周期为载体，培养学生在真实环境下对产品进行系统构思、设计、实施、运行的综合能力，更好地解决人工智能教育中理论与实践脱节的问题。3.明确课程建设框架根据人工智能的多学科融合性特点，龙华区为了实现“AI普及→AI提升→AI应用”的区域人工智能普及教育阶梯式发展，以通识教育为主，构建“1+N”初中人工智能课程体系。课程总体建设框架如图1所示。“1”是区域提供人工智能托底课程，注重学科融合教学，一体化开发七至八年级的托底课程读本与配套教学资源，通过多形式的学习活动和多元化的学习评价，推进人工智能普及教育。“N”是学校开发多领域多形态的特色课程，重视分层分类培养，逐步形成“一校一AI团队、一校一创新项目、一校一品牌活动”的人工智能教育生态，通过高标准项目资源准入和现有资源升级迭代，孵化人工智能产教学研一体化人工智能科技成果。主要举措根据前期的文献调研，OBE-CDIO教学模型相比于传统教学模式，在提升学生学习内动力、调动其高级思维能力、提高其工程素养等方面具有较为明显的优势。龙华区初中人工智能核心建设团队主要基于准实验研究法，分析OBE-CDIO教学模型的优势；同时，基于实证分析结果，开展“基于OBE-CDIO教学模型的初中人工智能课程体系”成果应用和推广。主要举措包含了以下几个方面。1.结合学情，形成课程知识框架设计逻辑本课程形成了“二阶三重”课程知识框架设计逻辑。“二阶”是指根据《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》的指导思想以及市、区两级人工智能教育课程纲要，明确课程定位，以计算思维培养为核心，根据学段特征，确定不同层次课程目标，建立科学的初中人工智能普及教育知识框架，构建区域“基础普及类+学校特色类”人工智能教育二阶课程。“三重”是指初中人工智能课程知识框架的顶层设计，将为学生在初中阶段了解、学习人工智能知识，规划学习路径、搭建好学习支架。通过结合学生认知规律，我们提出“知识能力”和“工程能力”相对平衡的三重逻辑：一是学科逻辑，以项目为统领；二是生活逻辑，以解决真实生活问题为线索；三是学习逻辑，以建构知识体系、发展思维为特征。2.对标课程标准，明确课程项目主题本课程一方面结合区域的地方文化、教育特色开发人工智能课程资源在全区普及应用。另一方面，结合学校文化、特色培育与多样发展，依托学校特色类课程，整合、优化教学资源，开发基于校本的人工智能项目化学习资源，坚持推进多样化、有特色的人工智能项目模型资源建设。基于真实问题情境，本课程立足龙华区位特色开发人工智能课程资源，重点突出“现代数字龙华”的产业优势，以龙华区数字产业板块中的“芯片”（图2）“智能音箱”“无人机”及“大浪时尚小镇”为四大主情境，将人工智能与社会发展有机衔接，引导学生感悟人工智能、学习人工智能、应用人工智能、创造人工智能，培育具备科学家精神的青少年。图2"“芯片引脚我检测”课程单元CDIO教学设计思路3.根据教学需要，开发课程资源（1）建立课程资源的内容编码。在明确各年级学生认知特点和学习基础的情况下，紧扣深圳市人工智能纲要，结合龙华课程知识框架，梳理深圳市龙华区对标市人工智能课程纲要的内容编码（7～8年级）。（2）形成课程资源的开发路径。课程实施以来，龙华区开发了“AI看世界”“AI读名著”等若干跨学科学习活动，并根据活动开发经验，梳理出了如下“E-I-T-A-E”五个环节的活动开发路径，如表1所示，用以指导人工智能跨学科主题学习活动的开发。（3）形成课程资源的行动研究技术路线图。“E-I-T-A-E”五个环节的活动开发路径，需经过三轮行动研究进行设计策略、实施途径的反复修改、完善，最终达成“提炼精品，形成系列”的目标。课程资源建设体现以下几个方面的价值取向。一是以主题为导向。在教学中，教师在各学科中寻找契合跨学科学习的主题，从教学用书中挖掘可供实践的内容，提炼出具有共性的教学问题，开发具有过程性、综合性的跨学科主题学习案例[2]，组织学生开展实践活动。二是以联动整合为原则。本项目以学科知识的学习为基础，同时又是对学科知识的深化理解、综合运用和扩展延伸。在实践过程中，既要重视在教学中为学生打好相关学科的知识基础，又要注重跨学科学习活动案例的开发与实施。主题活动设计以联动整合为原则，使学生在某一学科中所学的知识，在其他学科的学习过程中能够得以补充和延伸，通过不同学科中教学内容或学习方式的交叉与渗透[3]，几个学科同时开展教学活动，拓展学生学习视野，提高学习效率。三是以活动为载体。活动是开展跨学科主题学习的重要载体。在实施过程中，把实践活动与“教材内容、现实生活、自主创造”等结合起来，认真落实活动计划，周密策划活动环节，精心设计活动形式，重点关注活动过程。四是以评价为标尺。开展跨学科主题学习活动，让学生在生活中、实践中综合地运用跨学科知识和经验来发现问题、解决问题，培养学生的创新精神及与他人合作、为他人服务的意识，提高实践能力。评价应重参与、重过程，强调评价主体的多元化，评价内容的综合性和全面性，评价标准的合理性，以及评价方法、手段的多样性。合理设计、运用量表对学生的创新精神、实践能力等指标进行前测、后测，通过数据验证本课题对学生的影响。4.成果导向，“三位一体”推动课程立体化实施课程实施架构方面，为高效推进人工智能普及教育，龙华AI教育课程采用“学校+支持团队+数字平台”三位一体的教学架构，如图3所示。将线上教学资源与线下教学活动有机融合，形成“虚实混合、软硬结合、学创融合”的立体化课程实施架构。在该架构中，由龙华区教师授课的实体课堂与智能化平台支持下的虚拟课堂相混合，形成OMO（OnlineMergeOffline）混合式AI课堂；图形化编程、3D仿真编程、代码编程等多种形式的软件编程与扩展硬件编程相结合，打造贴近真实体验的人工智能项目；AI知识学习和创新创造