低成本視角下初中人工智能課程大班教學(xué)的實踐

陳衛(wèi)軍　項婉

摘 要：在中小學(xué)開設(shè)人工智能課程逐漸成為社會共識，部分學(xué)校也開始了人工智能課程大班教學(xué)的各種嘗試。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，初中人工智能課程教學(xué)在資金、設(shè)備、教材、課時等方面存在問題。文章探索了初中人工智能課程大班教學(xué)的低成本實現(xiàn)方式，從軟硬件環(huán)境搭建、教學(xué)內(nèi)容選取、課時安排等方面進行實踐，并以“如何設(shè)計更智能的垃圾桶”為例，展示了低成本開展初中人工智能課程教學(xué)的項目化實施過程。

關(guān)鍵詞：低成本;初中人工智能;大班教學(xué)

基金項目：本文系廣東省中小學(xué)“百千萬人才培養(yǎng)工程”專項科研項目課題“初中信息技術(shù)人工智能模塊的項目教學(xué)實踐研究”（項目編號：BQW2021JCL003）階段性研究成果。

作者簡介：陳衛(wèi)軍（1980—），男，廣東省中山市第一中學(xué)。

項 婉（1993—），女，廣東省中山市第一中學(xué)。

一、概念界定

（一）人工智能課程教學(xué)

人工智能教學(xué)包含兩種方向。一種是指利用人工智能提升教學(xué)效果，比如智能助教、自動評卷、智能出題等;另一種是指對學(xué)生進行系統(tǒng)的人工智能知識和技能的教育[1]。本文中的“人工智能課程教學(xué)”特指利用信息技術(shù)課堂對學(xué)生進行人工智能相關(guān)知識的普及，讓學(xué)生感知和體驗人工智能，并進行簡單的人工智能作品設(shè)計與制作。

（二）大班教學(xué)

人工智能教育面向全體學(xué)生，考慮到各地學(xué)校班級班額的實際情況，本研究將人工智能教育的開展范圍定義在初中某個年級的所有班級進行，每班的班額即學(xué)生人數(shù)為40—50人，將這種常規(guī)班級的人工智能教育稱為人工智能課程“大班教學(xué)”。

（三）低成本

為了更好地探索人工智能課程如何普及，本文將“低成本”定義為：利用現(xiàn)有計算機機房的硬件和軟件設(shè)備，投入不超過1000元就能正常開展（按8課時計）的人工智能課程教學(xué)活動。我們將這樣的成本投入界定為“低成本”。

二、初中開展人工智能課程教學(xué)的困境

筆者曾經(jīng)向一些初中教師開展過一個有關(guān)“初中開設(shè)人工智能課程的困難和問題”的問卷調(diào)查，調(diào)查對象普遍認為初中開設(shè)人工智能課程的難點和痛點主要集中在以下三個方面。

（一）資金和設(shè)備問題

談到人工智能課程教學(xué)，大家的第一反應(yīng)是：沒有錢。一套主流的人工智能控制板套件的價格在500元左右，按照一個班50名學(xué)生，人手一套人工智能控制板的配置，需要2萬元左右的資金。這確實會讓很多想開設(shè)人工智能課程的教師望而卻步。

（二）教材問題

除了資金和設(shè)備問題，人工智能課程缺乏合適的教材也是一個很大的問題。高中有國家信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)，其中有專門的人工智能模塊;但初中沒有信息技術(shù)課程的國家標(biāo)準(zhǔn)，部分發(fā)達地區(qū)的信息技術(shù)教材中有涉及人工智能方面的內(nèi)容，但需要依托硬件來實現(xiàn);不需要依托硬件的，又比較偏理論[2]。

（三）課時問題

由于沒有人工智能課程單獨開課的執(zhí)行細則，目前初中人工智能課程一般是融入信息技術(shù)課程中，初中信息技術(shù)課程的課時本來就少，再加上人工智能課程的內(nèi)容，課時就更不夠了。

三、低成本人工智能教學(xué)環(huán)境構(gòu)建

（一）軟硬件環(huán)境

低成本的人工智能課程教學(xué)借助原有的電腦室，按照每班上課人數(shù)50人的標(biāo)準(zhǔn)進行軟硬件配置。具體所需額外投入資金如下表1所示。

由上表可以看出，開展人工智能課程教學(xué)所需的資金不多，一般學(xué)校應(yīng)該可以接受。特別是有些學(xué)校，如果電腦室配備的電腦是筆記本電腦，那就不用投入任何額外資金了。

（二）人工智能課程教學(xué)內(nèi)容

目前成體系的人工智能課程教學(xué)內(nèi)容還是以校本課程居多。教師開設(shè)人工智能課程可以購買已經(jīng)成熟的校外人工智能課程，也可以自己開發(fā)相應(yīng)的課程，還可以在開源的人工智能課程基礎(chǔ)上進行校本化的改造[3]。

以使用國產(chǎn)自主知識產(chǎn)權(quán)的開源軟件Mind+自帶的人工智能教程為例，官方教程中包括AI語音相關(guān)教程、AI圖像識別教程、AI機器學(xué)習(xí)教程、AI硬件相關(guān)教程等。除了“AI硬件相關(guān)教程”，其他的教程都是基于前面提到的軟硬件環(huán)境，不需要額外配置硬件。

（三）課時

由于在初中的課程設(shè)置中沒有專門的人工智能課程，因此也就沒有相應(yīng)的人工智能課程課時。鑒于目前初中人工智能模塊的相關(guān)學(xué)習(xí)都是在信息技術(shù)課程的課堂上完成的，所以，可以采取精簡信息技術(shù)教材內(nèi)容，合理納入人工智能相關(guān)知識的做法。以筆者所在的學(xué)校為例，信息技術(shù)七年級下冊的教材安排為兩個單元共16課時，若將信息技術(shù)教材中的內(nèi)容進行整合，壓縮至8課時，剩下的8課時就可以用來進行人工智能項目的設(shè)計與制作。如果教材內(nèi)容與人工智能相關(guān)，還可以將人工智能知識融入教材內(nèi)容中，同樣以項目的形式進行。這樣就可以解決人工智能課程沒有固定課時的問題。

四、低成本人工智能項目學(xué)習(xí)案例

筆者下面以“如何設(shè)計更智能的垃圾桶”項目為例，介紹低成本人工智能課程教學(xué)的實踐。其中，表2為融入人工智能知識目標(biāo)的項目學(xué)習(xí)低成本實現(xiàn)方式。

（一）項目情境

學(xué)生經(jīng)過調(diào)查走訪發(fā)現(xiàn)，小區(qū)的垃圾桶大多是需要用腳踩或者手動才能打開蓋子投放垃圾，不夠智能。為了讓小區(qū)居民能更方便地投放垃圾，為垃圾分類做好準(zhǔn)備，大家決定一起設(shè)計一款更智能的垃圾桶。

（二）驅(qū)動性問題

如何設(shè)計更智能的垃圾桶。

（三）項目規(guī)劃

項目規(guī)劃如表3所示。

（四）方案交流

各小組將完成的方案在班級中進行展示、交流，師生根據(jù)交流情況，按照下面問題的指引，共同改進本小組的研究方案：

我們小組方案的優(yōu)點是什么？

我們小組方案還需要補充的地方有什么？

我認為還有更好的方案，我們可以怎么做？

（五）自主探究

根據(jù)主題的指引和項目學(xué)習(xí)規(guī)劃的安排，“如何設(shè)計更加智能的垃圾桶”項目學(xué)習(xí)探究活動內(nèi)容如表4所示。

（六）方案實施

1.評價量規(guī)

在人工智能作品設(shè)計與制作的過程中，過程比結(jié)果更重要。設(shè)計評價量規(guī)能夠?qū)W(xué)生進行過程性評價，培養(yǎng)學(xué)生的評價和鑒別能力。學(xué)生在開展項目學(xué)習(xí)的過程中進行自我評價，探究“怎樣做才能達到要求”“做到怎樣才算好”“我們小組做得怎么樣”等，借助評價量規(guī)，每個小組都能夠自主完成、完善每一階段的作品。

2.低成本的學(xué)習(xí)支架設(shè)計

項目化學(xué)習(xí)倡導(dǎo)以學(xué)生為中心，注重學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性。如何從傳統(tǒng)的以教師的“教”為中心轉(zhuǎn)向以學(xué)生的“學(xué)”為中心，學(xué)習(xí)支架的設(shè)計是關(guān)鍵。

（1）任務(wù)分解

任務(wù)一：開展主題為“你對垃圾桶的使用有哪些意見和建議”的問卷調(diào)查和訪談。

任務(wù)二：設(shè)計智能垃圾桶1.0。

任務(wù)三：制作智能垃圾桶。

任務(wù)四：智能垃圾桶展示與評價。

任務(wù)五：改進與完善智能垃圾桶2.0。

（2）支持性活動

教師通過建立校內(nèi)人工智能助學(xué)平臺，將人工智能的基礎(chǔ)知識以及簡單的體驗平臺整合在一起，學(xué)生可以依托平臺進行自主探究，也可以對系列微課進行反復(fù)觀看和學(xué)習(xí);同伴互助以及教師的個別指導(dǎo)相結(jié)合，讓學(xué)生隨時可學(xué)、隨時可以得到幫助。

（3）任務(wù)單與進度調(diào)控

“如何設(shè)計更智能的垃圾桶”提供了豐富的任務(wù)單來為學(xué)生的學(xué)習(xí)提供支持。比如，任務(wù)二中的“智能垃圾桶設(shè)計方案”，通過填寫表格的形式引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計方案要關(guān)注人工智能為生活帶來的影響;任務(wù)五中的“意見采納與實施表”，通過搜集其他小組的意見和建議，讓學(xué)生意識到設(shè)計人工智能作品是一個不斷改進、迭代的過程。

同時，一個個任務(wù)單也是一個個進度監(jiān)督表，通過任務(wù)單的提交來督促學(xué)生按照事先的項目規(guī)劃，按時落實和完成項目任務(wù)，起到進度調(diào)控的作用。

（七）成果展示

在小組開展項目學(xué)習(xí)的過程中，梳理小組成員在學(xué)習(xí)活動中的觀點，綜合應(yīng)用多媒體創(chuàng)編工具（如幻燈片、海報、電子雜志等），形成可視化學(xué)習(xí)成果（如項目研究報告），并在全班進行成果分享和展示。

（八）反思評價

對于項目學(xué)習(xí)而言，其重視的是學(xué)生在完成項目后對某一問題進行持續(xù)自主的探究?！叭绾卧O(shè)計更智能的垃圾桶”這一項目本身就是為學(xué)生的持續(xù)探究而設(shè)計的。經(jīng)過其他小組的評判，也經(jīng)過自己小組的反思，本來已經(jīng)“很智能”的垃圾桶如何能夠“更智能”？如何將在該項目中學(xué)到的思維應(yīng)用于其他項目，從而實現(xiàn)能力和素養(yǎng)的遷移，更是反思和評價的意義所在。

五、實踐反思

（一）低成本與常態(tài)化

首先要強調(diào)的是，低成本絕不意味著低質(zhì)和低效。低成本人工智能教學(xué)啟發(fā)我們初中人工智能課程沒有想象中那么難開展?！叭绾卧O(shè)計更智能的垃圾桶”通過人工智能的體驗、人工智能作品的創(chuàng)作涵蓋了初中人工智能教育的大部分內(nèi)容：機器感知、簡單推理、機器學(xué)習(xí)體驗、人機交互等。也正是因為有了低成本的環(huán)境搭建，使得人工智能教育得以常態(tài)化、大班化普及教學(xué)。

（二）創(chuàng)客教育與人工智能教育

有些學(xué)校如果之前有過創(chuàng)客教育的基礎(chǔ)，可以在創(chuàng)客作品創(chuàng)作的基礎(chǔ)上，加入人工智能元素，讓學(xué)生體驗人工智能，嘗試借助人工智能的應(yīng)用平臺來創(chuàng)作簡單的人工智能作品。學(xué)生具備一定創(chuàng)客作品的創(chuàng)作基礎(chǔ)，對于創(chuàng)作人工智能作品會比較容易上手。

（三）低成本開展初中人工智能教育的反思

初中人工智能教育的平臺選擇其實不應(yīng)該是一個值得討論的問題，到底是圖形化編程平臺還是Python，這都不重要。平臺和軟件只是一種工具，重要的是借助這些工具，消除學(xué)生對人工智能的神秘感，讓學(xué)生感知、體驗人工智能，未來能正確使用人工智能，學(xué)生在親歷人工智能系統(tǒng)設(shè)計的體驗中創(chuàng)新能力得到培養(yǎng)，這才是初中人工智能教育的真正目的。

[參考文獻]

張豐.重新定義學(xué)習(xí)：項目化學(xué)習(xí)15例[M].北京：教育科學(xué)出版社，2020.

盧宇.中小學(xué)人工智能教育教什么怎么教[J].云南教育（視界綜合版），2022（3）：22-23.

黃偉祥，胡永躍，陸衛(wèi)軍.創(chuàng)客創(chuàng)作[M]北京：清華大學(xué)出版社，2020.