面向工程思维培养的初中人工智能拓展课教学设计与实践

作     者：宋玉洁 

作者单位：华东师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：薛耀锋

授予年度：2022年

学科分类：04[教育学] 

主      题：工程思维 人工智能教育 初中 教学模型 

摘      要：发展人工智能教育、培养人工智能人才已经成为世界趋势,2021年我国发布了《中小学人工智能课程标准》,将中小学人工智能课程定位为具有综合性、实践性和发展性的课程,强调以解决实际问题的方式开展人工智能教育,培养学生对智能技术的使用能力、反思能力以及创新设计能力。工程思维是一种帮助学生解决实际问题的高阶思维,培养工程思维有助于提高学生思维的逻辑性、系统性以及创新性等特质。本研究从我国工程教育和人工智能教育现实需求出发,将工程思维的培养与人工智能教学相结合,在基于现实问题的工程活动中带领学生学习人工智能知识,培养工程思维习惯。本研究从以下几个方面展开:首先,梳理了我国中小学工程思维培养现状以及人工智能教育教学现状,总结了教学研究的主要需求,分析了工程思维和人工智能教育结合的重要性与契合点。接着,本研究参考国外中小学工程思维培养教学模型,结合人工智能工作流程,构建了面向工程思维培养的初中人工智能拓展课教学模型。该教学模型分为活动前、活动中和活动后三个阶段,教学活动从构建现实问题背景出发,以工程筹划、工程设计、工程实施、工程评价以及迭代与再创造五个环节为核心开展工程活动,在工程活动后组织学生讨论自己的作品在实际应用中将如何解决问题,总结知识技能和经验,并引导学生将课堂中的学习内容迁移应用到现实生活,反思和理解技术对社会的多种影响。依据该教学模型,本研究参考现有人工智能试点课程,设计了由浅入深包含计算机视觉、自然语言处理、机器学习算法三个分支领域的初中人工智能拓展课教学案例。为探究教学模型有效性,本研究在上海市S学校开展为期一学期的人工智能拓展课,实施教学案例。最后,通过对实验组和对照组学习活动、工程活动作品的记录和分析,得到了教学模型的实施对学生工程思维水平、工程效能感、学习效果以及综合能力等方面的影响。经实验验证,本研究发现面向工程思维培养的初中人工智能拓展课的教学模型:1)能够在一定程度上提高学生的工程思维能力,同时可以促进学生反思能力和创新设计能力的发展;2)有助于提高学生的工程效能感;3)有助于提高学生的学习效果和合作交流能力。