中小學人工智能課程SCCS 教學模式構建及應用研究*

曹燕華 謝忠新

上海市浦東教育發展研究院 上海 200135

隨著大數據和云計算技術的快速發展，人工智能已成為新一輪工業革命的關鍵技術突破口。在國家政策和課程標準的驅動下［1］，各地中小學紛紛開始人工智能教育的實踐探索。目前，上海市中小學已經開始開展人工智能課程教學實踐，為不同年級的學生開設合適的課程，并采購人工智能教育套件用于教學支持。然而，人工智能作為一門綜合性的學科，其教學實踐中仍然缺乏創新的教學方法和匹配教學內容的教學方式。為促進人工智能教育在中小學的高質量實施，本研究創新性地構建了中小學人工智能課程SCCS教學模式，并應用于實際教學中。此模式旨在解決當前人工智能教學面臨的困境，豐富教育教學方式，促進學生創新思維的培養與遷移能力的提升，從而為人工智能教育教學實踐提供有益的參考。

一、當前人工智能教學存在的問題與挑戰

（一）學科基礎知識和核心概念缺乏明確性

作為一個新生領域，人工智能教育正處于迅速發展的階段。然而，在起步階段，教育者們迫切希望在課程標準、課程體系、教學內容和課程設置等方面得到指導。當前，小學和初中的人工智能課程標準尚未確立，課程內容體系也尚未完善，這使得對人工智能的基礎知識、核心概念、關鍵技術等的明確定義變得困難。此外，在區域和學校實踐中，選擇合適的教材也是一個難題，通常需要自行定制教材以滿足實際教學的需求。

（二）采取傳統方式教學，教學模式固化

教師在人工智能學科教學中往往采用以講授為主的教學方法，主要對技術原理進行講解。然而，深度學習算法等人工智能的關鍵技術較為晦澀難懂，僅憑講授難以激發學生的學習興趣和探究能力［2］。而部分教師過于注重實踐體驗，忽略了相關方法、原理的講解。雖然這樣的教學方式使得課堂氛圍活躍開放，學生表現出一定的學習積極性，但由于缺乏對人工智能思想的深入理解，學生無法有效地培養自身發現問題、解決問題的能力，這樣一來也制約了學生計算思維的發展。

（三）過度關注知識技能，忽視遷移能力培養

在人工智能教學中，一部分教師過度注重人工智能理論和技術知識的傳授，對于學生遷移能力的培養卻缺乏足夠的關注。比如，在進行小學生Scratch 圖形編程和中學生Python 編程教學時，教師過于關注編程技巧的傳授，采用編程工具進行編程語言教育，卻忽視了系統教學過程和問題解決環節對學生遷移能力的培養。這樣，學生一旦離開了具體的編程任務和工具環境，就很難將所學的編程技能遷移到新的情境中，用來解決新的問題。

（四）缺乏有針對性的、多元化的教學評價

由于人工智能課程的教學內容比較復雜和抽象，很多教師難以設計出有針對性的評價方案。他們往往采用傳統的考試和作業評分方法，無法全面評估學生的能力。同時，由于學生的學習方式和能力存在差異，單一的評估方式無法充分滿足學生的需求，更無法激發他們的學習興趣。為了確保評價結果的真實性和準確性，教師需要細心思索和探討，精心設計和規劃，不停地實踐、反思和修正教學評價，才能為學生提供有效的反饋和指導。

二、教學模式構建

我們從問題分析中可以看出，隨著中小學人工智能教育的普及和深入開展，尋求合適的教學模式顯得尤為重要。然而，許多創新的教育模式雖然具有獨特性，卻未能充分吸納傳統教學模式的優點。在互聯網與教育深度融合的背景下，美國瑪麗·桑塔格（Marie Sontag）博士提出了社會認知雙聯通教學模式（Social and Cognitive-Connectedness Schemata，以下簡稱“SCCS 教學模式”）。該模式融合多種教學模式的優勢，借鑒SOI 教學模式、4C/ID 教學模式、重視理解的課程設計模式和游戲教學模式的特點［3］，能夠提高教師的教學效果和學生的學習體驗。

（一）SCCS 教學模式的適用性

SCCS 教學模式以聯通主義［4］的學習原理為指導，強調學生利用技術輔助學習活動，通過選擇、組織和整理信息來理解并掌握知識，進而實現知識的構建。在認知聯通和社會聯通的雙重作用下，該模式推動學生的遷移能力和信息科技運用能力的提升。SCCS 教學模式在中小學人工智能教學中的適用性體現在以下幾個方面。

1.符合網絡時代學習者特征和學科內容特點

在信息化時代，學習者的學習環境及學習模式也應時而變。由于人工智能課堂的靈活性和開放性，學生的求知欲和好奇心得到了更大的激發。在教學過程中，學生不再僅僅滿足于接受教師傳授的知識，而是尋求利用互聯網進行自我發現和學習。此外，由于中小學人工智能課程缺乏完整的內容體系要求，學生在學習活動中經常需要主動探索并發現自己所需的信息知識，以更好地完成知識構建和促進有意義的學習發生。

在SCCS 教學模式中，學習者主動運用網絡來尋找和識別自身所需的知識信息，并將其與課堂學習緊密結合。這種教學模式既符合網絡時代學習者的需求特征，又解決了人工智能學科中基礎知識和核心概念難以明確界定的問題。

2.解決學生遷移應用難的問題

學生對知識的理解深度和掌握程度是影響他們有效運用所學知識的關鍵因素。然而，由于人工智能課程內容難度較大，而每個學生的認知能力、學習風格和先前經驗都不同，使得他們在理解和掌握課程內容方面存在較大差異，遷移應用困難。

SCCS 教學模式以任務為導向，將任務劃分為不同的難易層級，幫助學生逐層理解并掌握知識。在該模式下，教師組織探究學習，利用多元化的評估手段提供及時反饋，幫助學生找出并彌補學習的空白。通過整個教學活動，學生逐漸深入掌握知識，發現并解決問題，根據自己的學習情況強化知識點的理解，提升應用和遷移能力。

綜上，SCCS 教學模式在知識的獲取方法、課堂行為、評估手段和教學策略等方面與傳統的教學模式存在顯著的差異。SCCS 教學模式和傳統教學模式的對比如表1 所示。SCCS 教學模式充分應用現代教育技術，使得課堂教學更具效率，從而達到更好的教學效果。

表1 SCCS 教學模式和傳統教學模式的對比

（二）中小學人工智能課程SCCS 教學模式構建

本研究將SCCS 教學模式與中小學人工智能課程教學相結合，初步構建了中小學人工智能課程SCCS 教學模式（圖1）。它通過網絡資源搜索、小組合作、師生交互等方式促進學生社會聯通能力的發展，并通過教學活動來深化學生對知識的理解和應用，發展其認知聯通能力。同時，它參考UbD 模式的“逆向設計”和“理解為先”教學理念［5］，每堂課初始明確教學目標和預期學習成果，促進學生對知識的理解，為其在真實情境中運用和遷移知識奠定基礎；參考SOI 教學模式，強調學習過程的重要性，促進學習者對學習資源的個體認知加工，實現意義構建；參考4C/ID 教學模式，以真實且逐層遞進的教學任務為核心，讓學生在實際情境中掌握并運用相關知識技能，并為學生提供及時有效的支持和指導，助力問題解決和任務達成［6］；參考游戲教學模式，將教學內容以更為趣味化、游戲化的形式呈現，用寓教于樂的教學活動吸引學生，激發他們的學習積極性，使其在實踐中運用知識，完成遷移。

圖1 中小學人工智能課程SCCS 教學模式

中小學人工智能課程SCCS 教學模式將教學活動劃分為六個階段，分別為準備階段、導入階段、合作探究階段、教師指導階段、強化階段和反思總結階段。

一是準備階段。教師呈現教學目標，并制定適當的評估標準，以便讓學生在課程開始之前就清楚地了解自己所需達到的目標和需要掌握的技能。

二是導入階段。教師根據教學內容和教學目標，創設問題情境、信息情境、生活情境等，使課堂教學更接近現實生活，并利用學生已有的經驗體驗，激起他們的求知欲，吸引他們主動參與學習活動。

三是合作探究階段。教師按照知識的邏輯順序將教學內容呈現給學生，讓他們初步了解并在此基礎上搜索、篩選和匯聚相關學習資源，以建立新舊知識的連接。這樣通過幾輪的反復鍛煉，不斷強化學生對知識的理解，為實現知識遷移做好準備。

四是教師指導階段。教師根據學生合作完成任務的情況，有針對性地講授重難點知識，協助學生深入理解和掌握知識。在此基礎上，通過鞏固復習，教師完成前期教學任務，持續深化學生對知識的理解，推動知識的建構與轉化。

五是強化階段。通過強化練習，學生在練習中進一步彌補知識的不足，完善知識結構，實現知識的建構和轉化，進而提高遷移能力。

六是反思總結階段。學生通過成果分享、問題和經驗交流，鞏固本堂課所學內容，并培養溝通能力和合作意識。教師則反思教學過程，為后續的教學改進提供參考。

三、實踐探索

本研究將SCCS 教學模式應用到中小學人工智能教學活動中，設計了具體的教學案例。本文將以初中人工智能課程“抽象表現-如何用模型認識世界”這一課為例，闡述該教學模式在中小學人工智能教學中的具體應用。

（一）教學概述

“抽象表現-如何用模型認識世界”這一課是學生在體驗了貓兔識別實驗項目后，對“機器學習”復雜抽象理論的進一步學習。本課的教學目標包括：一是通過已知知識解釋新概念，完成“手勢識別”智能程序的創建和識別檢驗，進一步感受機器學習的應用效果；二是探究“圖像集的內容對機器學習效果的影響”，了解機器學習的基本原理；三是理解模型的概念，知道用模型解決現實問題，能從具體場景中抽象出具體的數學公式。本課以學生熟悉的真實情境引入教學，以任務和問題驅動教學實施。學生完成分類程序創建及識別檢驗、機器學習基本原理探究、模型概念理解三大任務，加深對機器學習相關內容的理解，提升自身問題解決能力和應用遷移能力。

（二）教學環節

1.評價導向，引導學習

在準備階段，教師將“抽象表現-如何用模型認識世界”這一課的教學目標和各環節任務、成果、評價標準公布于人工智能學習平臺，方便學生隨時查看。課前，學生明確學習目標，復習相關內容，為實現手勢識別做好準備。課中，學生根據學習目標，先進行合作探究，再跟隨教師的講授，鞏固學習手勢識別和模型的相關內容。課后，學生進行拓展練習，對照教學目標和評價標準，完成相應的鞏固練習。

在教學活動中，教師創建了本課的主題學習自評表（表1），引導學生進行自我評估和學習經驗的總結，并通過自我反思查漏補缺。此外，通過觀察學生的知識應用和遷移情況、問題分析和問題解決情況，以及動手實踐情況，教師設計了主題學習的教師評估表（表2），對學生進行過程性評價。

表1 “抽象表現-如何用模型認識世界”主題學習自評表

表2 “抽象表現-如何用模型認識世界”主題學習教師評估表

2.創設情境，激發興趣

在導入階段，教師通過“石頭剪刀布”這一學生生活中常見的游戲情境，將“手勢識別”的課程內容引入，使問題和學習目標緊密相連，進而激發學生的學習熱情。課堂上，教師提出問題：“你玩過石頭剪刀布的游戲嗎？”引發師生互動。隨后，教師再次提問：“如何讓計算機實現手勢識別？”幫助學生回憶貓兔識別機的實現過程，激活原有知識，從而為其在人工智能實驗平臺完成“手勢識別”智能程序做好鋪墊。

3.自主探究，交流合作

在合作探究階段，學生登錄人工智能實驗平臺，學習教師預設的“手勢識別”智能程序創建的相關知識，嘗試通過加載圖像集、特征提取、訓練分類程序、測試新圖像四個步驟實現機器對三種手勢的區分，并使用攝像頭獲取手勢的照片，進行識別檢驗。接著，為探究“圖像集的內容對機器學習效果的影響”，學生調整“手勢識別”數據集的圖片，進行實驗驗證，將幾張無關的手勢圖像放入“石頭、剪刀、布”的圖像集中，探究三種手勢識別率的變化。

對于探究過程中發現的問題，學生既可以開展合作交流，又可以通過搜索人工智能學習平臺中預設的學習內容開展自主學習。教師則發揮主導作用，對學生進行啟發式教學，提供“支架式”支持［7］，確保探究活動的順利展開。

4.答疑解惑，指導學習

在教師指導階段，結合學生“手勢識別”智能程序合作探究的完成情況，教師講授重難點，引導學生進一步體會機器學習的本質，并引出模型的概念與作用。隨后，教師開展個別化指導，以小組為單位，滿足群體的個性化需求，幫助學生鞏固知識、深化理解，促進知識的建構與轉化。在教師的指導下，學生不斷修正自己的知識不足，完善自身的知識體系，并完成學習任務。

5.強化練習，完成遷移

在強化階段，教師布置分層任務，要求學生利用已學的知識，完成“訓練機器學會區分指定的多個種類”的任務。學生在“頭腦風暴”后，依據個人興趣進行創意實踐，搜索相關圖像集，并在人工智能實驗平臺上創建相應的智能程序，完成分類程序訓練和測試。在此過程中，教師通過引導學生將新知識不斷內化吸收，啟發他們利用所學知識解決具有關聯性的新問題，從而促進新知識的遷移和運用。

6.總結評價，鞏固知識

在反思總結階段，學生分小組分享“訓練機器學會區分指定的多個種類”實踐成果，交流編程過程中遇到的問題和解決方案。教師組織學生共同討論，并對整個教學活動和學生的學習效果進行評價。通過成果分享、問題和經驗交流，學生鞏固了本堂課所學內容，提升了溝通能力和合作意識。

四、總結與反思

在教育信息化背景下，將SCCS 教學模式與中小學的人工智能教學實踐相結合是一種全新的嘗試。從實踐效果來看，SCCS 教學模式在引導學生主動探究、培養創新思維與遷移能力方面具有一定的優勢。首先，SCCS教學模式關注學生的認知聯通和社會聯通能力，通過資源搜索、問題鏈引導、合作學習等方式，培養學生的創新思維和解決問題的能力。其次，SCCS 教學模式強調逆向設計，從教學目標出發，促進知識的深度理解和應用，提高學生的遷移能力。最后，SCCS 教學模式的分層次任務設計更有助于教師達成教學目標，它能夠滿足不同學生的學習需求，適應其能力水平，使每個學生都能夠在探究過程中有所收獲。

盡管如此，SCCS 教學模式并不適用于所有年級的學生以及所有的人工智能課程內容。該教學模式的應用，對于學生搜集信息的能力、自主學習的能力有一定的要求。因此，教師應根據教學內容和學生學情等因素理性地作出選擇，做到因“課”制宜，因“生”制宜。同時，考慮到SCCS 教學模式的具體執行步驟，教師需要避免僵化地按步執行，應根據具體的教學情況進行靈活調整和變通。