基于“雙師課堂”的人工智能跨學科項目化教學模式構建及應用

許月媚

（廣州市南武中學，廣東 廣州 510220）

引言

近年來，隨著國家政策的積極推動，人工智能教育已經上升為國家戰略，要求在中小學階段設置人工智能課程[1]。自2018 年以來，多地教育主管部門相繼發文要求在中小學設置人工智能課程。從國務院和各地教育主管部門文件的相繼發布可以看出，在中小學開展人工智能課程已勢在必行。然而，人工智能課程涉及多學科知識，沒有成熟的教學模型可供借鑒，多學科乃至跨學科的教學內容呈現增加了教學難度，學生對新知識的理解需要長時間的思考和消化，教學內容需要教師多次講解，這給開展人工智能課程教學帶來了諸多難題?；诖?，本研究引入人類教師和虛擬數字人教師協同授課的“雙師課堂”教學模式進行實驗，構建了包括真實項目活動設計、學生自主參與知識建構、“雙師課堂”協同教學、學生跨學科能力培養、跨學科學習效果評價的教學模式，并將該模式在中學人工智能教學中進行應用探索，把多學科知識進行整合，以學生為中心、以“雙師”為主導開展項目式學習教學實踐，進而培養學生的項目設計能力、計算思維能力、跨學科學習能力和數字化應用能力。

一、基于“雙師課堂”的人工智能跨學科項目化學習理論基礎

（一）人工智能課程

人工智能教學是指以人工智能技術為支撐，對其原理、方法和應用進行研究的課程教學。目前人工智能在中小學均已上升為國家課程，教育部發布的《普通高中信息技術課程標準（2017 年版2020 年修訂）》（以下簡稱“普高版”）必修模塊1“數據與計算”內容包括人工智能及其應用等相關內容[2]；選擇性必修模塊4“人工智能初步”覆蓋了人工智能概念、特征、發展歷程、核心算法、開發工具、典型應用、倫理與安全等內容，著重描述學習層次，設計與實現簡單智能系統。2022 年4 月，教育部發布的《義務教育信息科技課程標準（2022 年版）》（以下簡稱“義教版”）模塊9“人工智能與智慧社會”[3]，將人工智能作為課程的獨立模塊，并設計了跨學科主題。同時，無論是“普高版”還是“義教版”，都把項目化學習放在了突出位置。

（二）“雙師課堂”

針對“雙師課堂”，多位學者研究的視角不同，其內涵也各不相同。目前“雙師課堂”的提法有多種：黃甫全等人[4]所研究的“雙師課堂”是指人工智能教師與真人教師聯袂執教，并開展了雙師課堂人機交互、課堂課程開發、深度學習和科目學習知識研究。付艷芳等人[5]所指的“雙師課堂”是智能教育機器人和人類教師在課堂教學中，由機器人主講，教師主導兼助教，實現雙師協作。王同聚[6]提出了“三師課堂”教學模型，即指人類教師、虛擬數字人教師和智能機器人教師協同開展課堂教學，三類教師有共同的目標，協同完成教學任務。本研究所采用的“雙師課堂”是指虛擬數字人教師和人類教師二元一體，協同完成授課任務。在授課的過程中，虛擬數字人教師負責視頻授課，人類教師負責項目規劃指導、線下答疑解惑、動手實操指導、學生心理疏導等。

（三）跨學科學習

張華[7]認為，跨學科學習是基于跨學科意識，運用兩種及以上不同學科的觀念來解決真實問題的課程和學習方式?！傲x教版”在不同章節多次強調跨學科主題學習,倡導“做中學”“用中學”“創中學”，要求跨學科實踐活動不少于本學科總課時的10%。李克東等人[8]認為，跨學科學習是對復雜問題進行不同的認識以及更深層次的內化與理解的過程。筆者在歸納各位學者針對跨學科學習的論述，結合人工智能課程的特點對跨學科學習進行梳理后認為，在人工智能課程教學中，跨學科學習是基于學科核心素養，整合多學科知識，以特殊的方式組織課程、創設多學科學習環境、搭建跨學科課程學習平臺、實現多學科內容整合的學習方式?？鐚W科學習過程通過跨學科整合、跨學科思考、跨學科實踐、跨學科評價，在探索中進行創新，將跨學科知識進行融合、內化和吸收，從而培養學生的跨學科融合能力、創新能力和解決問題能力等。

（四）項目化學習

劉景福等人[9]提出，項目學習是指以學科的概念和原理為中心，在真實世界和一定時間內借助多種資源開展探究活動?！捌崭甙妗薄傲x教版”均強調項目學習的重要性，要求以項目學習為主線，讓學生開展項目主題探究活動，經過知識建構、知識遷移、問題解決和創造價值的過程，體會探究新知的樂趣。在開展人工智能課程教學時，采用項目式學習，設計教學項目，選擇“項目范例”，讓學生通過“情境導入→選擇主題→項目規劃→項目探究→項目實施→成果展示→教學評價”等環節開展項目學習活動。

綜上，人工智能課程教學是依據“普高版”“義教版”，在知識建構理念指導下，通過將跨學科知識與項目式教學相結合，教師進行精心設計和指導，以人工智能項目問題為中心，引導學生在真實情境中探究、設計和實踐，從而培養學生的解決問題能力。本研究引入虛擬數字人教師，優化教學環境，開發教育數字化教學資源，采用“雙師課堂”教學模式，能為學生提供跨學科學習、項目學習實踐指導，從而培養學生的創新能力和綜合技能，拓展人工智能數字化教育資源，提升課堂教學質量?；凇半p師課堂”的人工智能跨學科項目化教學能推動人工智能教學創新，為人工智能教學資源的開發提供借鑒。

二、構建基于“雙師課堂”的人工智能跨學科項目化教學模式

構建基于“雙師課堂”的人工智能跨學科項目化教學模式，其核心是將“知識建構、雙師課堂、教學評價”進行三位一體的有機融合，基于“普高版”和“義教版”、知識建構理論、跨學科學習理論，運用項目化學習方法，開展人工智能課程教學研究，培養學生的計算思維、設計思維和創新思維能力。模式的具體內容包含五部分：設計真實的項目活動、“雙師課堂”協同教學、運用指向學生跨學科能力培養的設計、主動參與自主建構、制定學生跨學科學習的評價方式等教學策略?；凇半p師課堂”的人工智能跨學科項目化教學模式如圖1 所示。

圖1 基于“雙師課堂”的人工智能跨學科項目化教學模式

（一）真實項目活動設計

該模式在人工智能項目教學中引入了設計思維，幫助學生解決實際問題，設計真實的項目情境。所選擇的項目主題應與學生的生活息息相關，以提高學生學習的動機，為學生提供共情的可能性。設計適切的項目活動有利于學生主動學習，提出解決問題的方法，篩選出最優解決方案，建立模型并創造出實物作品，最后對創作的作品進行測試和評價，進一步完善項目活動設計。融入設計思維的人工智能項目教學架構分為“發現問題—定義問題—方案設計—原型制作—測試改進—分享評價”六個階段。在發現問題階段，開展學情分析，了解學生的認知水平，以此為依據提出項目的主題，創建合適的問題情境，布置調查研究任務；在定義問題階段，提倡用共情的方式，引導學生聚焦問題的本質，確定需求，剖析問題產生的原因；在方案設計階段，提倡各小組成員根據不同的認知提出豐富的設計方案，由小組成員梳理想法，并對想法進行目標評估及可行性分析，學習新知，確定擬使用的解決方案；在原型制作階段和測試改進階段，小組成員利用軟硬件設備，將設計方案可視化，學生在這個過程中需要通過搭建、測試和修正完善模型，逐步生成更佳的解決方案；在分享評價階段，小組成員展示各自的創意設計，收集同伴的反饋意見，依此改進、完善解決方案。所以，方案設計、原型制作、測試改進是一個循環迭代過程。融入設計思維的人工智能項目教學架構如圖2 所示（見下頁）。

圖2 融入設計思維的人工智能項目教學架構

（二）學生自主參與知識建構

人工智能課程教學注重學生主動參與知識建構、積極探究提出問題，通過與他人的合作交流，不斷建構、重構和優化自己的知識體系，從而幫助學生更好地理解知識的本質和核心，培養學生的高階思維能力。在人工智能課程教學中，需要將學習任務情境化，讓學生在學習過程中，通過自主探究學習和小組協作學習，動手創作項目作品，最終完成具有創新性的作品。因此，知識建構理論可以幫助學生更加深入地理解人工智能知識，在實踐中促進學生的知識應用和創新思維的形成。

（三）“雙師課堂”協同教學

“雙師課堂”是由人類教師、虛擬數字人教師協同開展的課堂教學，其教學模型如圖3 所示（見下頁）?！半p師課堂”中的兩類教師通過不同的方式進行授課，學生通過聆聽虛擬數字人教師的講解，獲取人工智能課程的新知識、接受項目任務，學習硬件組裝設計方案和軟件編程思路。在原型制作階段，學生根據虛擬數字人教師講授的內容，用微型計算機、各種傳感器、攝像頭等硬件進行組裝，程序設計則采用Python 語言編程。在測試改進階段，學生如果遇到知識性問題就向虛擬數字人教師求助，遇到動手實操技能性疑難問題則向人類教師求助，通過自主探究、小組協商、共同創作，完成項目的制作。最后，學生將完成的作品進行分組展示、交流分享和相互評價。

圖3 “雙師課堂”教學模型

1.虛擬數字人教師：負責視頻授課

虛擬數字人技術是語音識別、語音合成、自然語言理解、動畫生成等多種技術的融合。

制作虛擬數字人是將授課內容的文字導入制作平臺，由AI 驅動生成授課視頻。課前，學生觀看虛擬數字人教師的授課視頻進行預習；課中，虛擬數字人教師進行授課內容的教學，學生跟著虛擬數字人教師學習時，可以把虛擬數字人教師的講解視頻反復播放，直至把所有講解內容全部學會；課后，如果需要鞏固所學內容，學生還可以隨時復習觀看?？梢?，虛擬數字人教師能夠代替人類教師授課，讓人類教師回歸到育人的教育本質上。

2.人類教師：負責項目規劃和課堂活動輔導

在虛擬數字人教師的幫助下，人類教師可以把主要精力放在解決學生在項目規劃設計、硬件設計制作、軟件程序編寫、作品聯合調試過程中臨時出現的疑難問題，指導學生設計方案，幫助學生找到實現創意的有效途徑，設計出高質量的作品，并關注學生的個體需求，給予即時的輔導。

（四）學生跨學科能力培養

人工智能是一門綜合性學科，融合了生物學、數學、腦科學、信息科學等知識，同時與物聯網、云計算、大數據等技術緊密聯系，在教學中既可以作為學習內容，又可以作為學習工具。由此可以看出，人工智能具有跨學科的特性，基于設計思維的人工智能教育在選擇教學內容時，需要整合多學科知識，實現學科的跨界互補、“協同”解決問題，從而培養學生的工程思維能力、設計思維能力、計算思維能力，發展核心素養。

（五）學習效果評價

學習效果評價可以幫助教師了解教學效果，從而有針對性地調整引導、支持策略；提供教學反饋，讓學生了解自己的學習效果，從而有針對地進行改進，促進自身的發展。進行學習效果評價時，要設置有效的評價量規，使評價可以基于不同視角和不同維度展開，最終獲得比較公平客觀的評價結果[10]。在基于設計思維的人工智能課程教學中，強調多元化評價與智能化評價貫穿在整個教學活動中。采用多元化評價，能夠從多維度進行考量，關注學生各種能力的培養。學生的創新設計并非能一次性形成，需要在與同伴的合作交流中不斷改進完善。多元化的評價增加了師生、生生之間的互動交流，可以幫助老師和學生從多個視角看待項目設計的過程，從而幫助學生形成成果。采用智能化評價，則可以實現多場景高效率的協同評價。學習效果評價方式如圖4 所示。

圖4 學習效果評價方式

三、基于“雙師課堂”的人工智能跨學科項目化模式應用實踐

本研究以“智能配送”主題為例，該主題包含智能分揀、智能運輸、智能放置3 個環節，教學采用基于“雙師課堂”的人工智能跨學科項目化模式進行，通過“發現問題—定義問題—方案設計—原型制作—測試改進—分享評價”的項目流程加以實踐。在教學過程中，人類教師擔任項目規劃和項目輔導角色，虛擬數字人教師擔任課程授課和主講角色，雙師密切配合，協同完成授課任務；學生在“智能配送”項目中完成主題設計、項目規劃、結構搭建、程序代碼編寫、測試運行、小組分享、互動評價等探究活動。

（一）“智能配送”項目主題設計與項目規劃環節

“項目立項”是項目主題設計和項目規劃的關鍵環節，決定了項目實施的方向、目標和資源配置。在此環節，明確“智能配送”項目的實施目標和范圍，包括要解決的問題、涉及的技術和方法、預期的成果等。教師可要求學生用共情的方式，站在目標用戶的角度思考問題，通過調研收集信息、剖析問題產生的原因，了解目標用戶對智能配送的需求和期望，以及社會上對該問題現有的解決方案。例如，學生考慮到“一種可用于圖書館書籍自動傳送的裝置”等。

（二）“智能配送”結構搭建與程序設計環節

根據設計方案，“智能配送”項目結構的外觀搭建、程序設計語言編寫和調試直接關系到目標實現的效果。按照功能需要，智能分揀和智能放置兩個環節需要搭配硬件結構協作完成任務，為此，課程配置了人工智能基礎套裝，包含微型計算機、各種傳感器、攝像頭、結構積木等硬件，可拼搭式組裝硬件結構，實現自由組合多種造型。程序設計采用Python 語言編程，學習平臺提供程序代碼模板和一些基本的語法和控制流程，學生通過學習平臺提供的程序代碼模板，直接運行并模仿其中的邏輯、改造現有的代碼，以理解代碼的實現原理，逐漸掌握更高級的編程技巧。在這個環節里，小組成員重點關注過程控制，及時發現和解決問題；人類教師觀察學生的課堂狀態，為學生提供個性化輔導，幫助學生解決問題，確保設計方案的落實。

（三）“智能配送”作品分享與教學評價環節

作品分享與教學評價是學習效果檢測的一個重要環節，開展教學評價要注重評價主體、方法和工具的多元化，借助智能平臺（如UMU 或問卷星），采用科學的評價手段（例如問卷、訪談、評價量表、日志報告等）對評價結果進行智能分析，開展過程性與總結性、定性與定量相結合的評價；重視自評與他評，采納學生個體、小組團體的評價意見和建議，學生根據教師提供的評價指南，對自己的學習情況或小組內其他同學的學習情況進行評價，包括對知識點的掌握情況、學習方法和策略的運用情況等。

總之，完成“智能配送”項目的主題設計需要綜合運用跨學科知識和技術，需要不斷調整和改進項目計劃和方案，以實現項目的預期目標。在項目學習過程中，要發揮學生的主體作用，培養學生的項目規劃能力、問題解決能力、團隊合作能力，以發展學生核心素養。教學案例設計如表1 所示。

表1 基于“雙師課堂”的人工智能跨學科項目化模式應用的教學案例設計

四、結語

人工智能課程涉及多學科知識，沒有成熟的教學模式可供借鑒，給開展人工智能課程教學帶來了諸多難題。本研究構建了基于“雙師課堂”的人工智能跨學科項目化教學模式，并應用該模式以“智能配送”項目主題為例，進行教學實驗。實驗結果表明：采用“雙師課堂”協同教學能夠減輕人類教師的教學負擔，能夠提高教師的教學效率；學生在學習時，接受人類教師和虛擬數字人教師的協同授課，根據遇到的不同問題分別向兩類教師求助，開展跨學科學習，采用項目式學習方法，可以有效提高自身解決問題的能力。因此，在人工智能教學中，將“雙師課堂”、跨學科學習、項目化學習三者進行有機融合，形成了一種新型教學模式，讓學生在實踐中體驗、在探索中創新，能夠培養學生的項目規劃能力、工程設計能力、計算思維能力和創新思維能力，為學生進行科技創新提供了展示平臺，有助于復合型創新人才的培養。