人工智能是当下新科技革命的典型代表，在社会中的角色也早已超出技术本身，上升到国际战略层面。了解、走近，进而拥抱人工智能是时代发展的需要，普及人工智能知识，开展人工智能教育，是落实以创新驱动高质量发展国家战略的有力抓手
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新技术的发展给社会生产力带来了很大的提升，但其背后也存在许多问题。如何让技术朝人们希望的方向正确发展，是一个重要的议题。与此同时，在人工智能课程中，也常存在将教学内容局限在算法编程的技术层面的问题，难以让学生真正触及人工智能技术的核心。这就要求广大教师在人工智能的课堂教学中，为学生建构有意义的学习，引发学生共鸣，促进人工智能核心素养的形成。
1 设计思维与人工智能课程的融合
设计思维（Design Thinking）也称设计思考，最早由西蒙（Simon）在1969年出版的《人工科学》一书中提出，起初应用于设计制造领域。随着时代的发展，设计思维逐渐广泛地应用在多个学科领域，慢慢地从一种设计方法演变为一种解决问题的思维模式，一整套对待复杂问题的解决方案。设计思维模型主要包括共情、定义、构思、原型、测试5个环节，每个环节包括多种方法和策略，环节之间也并不都是线性单向的。
《普通高中信息技术课程标准（2017年版2020年修订）》中的教学提示指出：“可以采用小组合作、项目学习等方式组织教学，充分利用丰富的开源硬件和人工智能应用框架等资源，搭建面向生活实际的应用场景，发挥学生的自主学习与探究学习能力，鼓励学生积极探究、大胆实践，激发学生的创新思维。”
开源硬件技术的迅速发展为普通中小学开展人工智能教育提供了便利条件。在教学实践中，学生因为过于依赖教学资源的指导、刻板模仿教师的范例，所以创作的作品千篇一律、形式单一，课堂中重“造”而轻“创”；教师的教学设计以结果为导向，限制了学生挖掘自己的创意并发挥自己的想象，教学过程模式固定；在教学评价中，过分关注技术的酷炫，而忽略了技术的人文价值。人工智能的课堂为学生提供了开阔视野、动手实践的机会，但与培养学生创造能力和创新思维的教育目标还存在一定的差距。
在人工智能课程的教学中，需要为学习者提供脚手架，支持其提升思维能力，从而更好地解决劣构问题，反之学习者因为缺乏经验会无从着手，最终沦为“照搬照抄”。因此，在教学中参考设计思维的理念，对以学生创新设想、动手实践为主的人工智能课程教学设计非常有借鉴意义；能帮助学生掌握创造性解决问题的模式与方法，有助于教师更好地实现培养学生创新思维和学科核心素养的教学目标。
2 融入设计思维的人工智能课程教学模式设计
在分析高中人工智能课程实施现状和存在问题的基础上，结合设计思维的基本概念、具体内涵和应用价值，立足于校情生情实际，构建了以发现问题、定义问题、构思方案、制作原型、评价测试5个阶段为中心的“基于设计思维的高中人工智能课程教学模式”，如
图1所示。
该模式首先剖析了教学目标、教学环境、教学活动、师生角色等教学元素，定位于通过高中人工智能课程的教学，切实提高学生的创新素养水平和动手实践能力。以设计思维的共情、定义、构想、原型、测试5个环节为主线，将教学活动要素逐级转化，联系在一起形成结构体系，划分为5个课堂教学的步骤，并具体阐释各环节教师与学生的活动，清晰完整地表明了基于设计思维的课堂教学内容框架。有助于教师进行项目式的人工智能课程教学设计，为学习者提供一套支持设计创新的方法，帮助“设计师”们完成人工智能作品的创作。该模式是将设计思维应用于人工智能课程教学领域的有益尝试，是对已有设计思维内涵和应用的延伸。
3 基于设计思维的人工智能课程教学实践
笔者以“智能台灯”项目为例，阐述了基于设计思维的高中人工智能课程教学模式在教学实践中的应用。该案例是学校人工智能课程开展中的第一个主题项目活动，是第一次尝试使用开源硬件传感器技术，解决实际情境中的问题。其中涉及编程中一个典型的逻辑：“若……则……”，对于首次接触可编程硬件解决相关问题的学生具有重要意义，也适合于培养基于设计思维的问题解决能力。
学生在前面的学习中，已经掌握了结构外形的基本拼搭方法、元器件的连接方式与注意事项，对使用设备解决问题跃跃欲试。该项目预期在教师创设的情境下，从培养学生信息技术学科核心素养的角度出发，激发学生的思维动力，自觉学习新知识，养成使用信息技术手段解决实际问题的意识。在完成作品外形搭建，理解“若……则……”的逻辑，并编写程序实现功能的同时，辨析“若……则……”与“重复……直到……”的区别，感受程序优化的意义。项目的实施过程从以下5个方面展开。
（1） 发现问题。
课程从教师讲述亲身经历入手，拉近学生和课程内容的距离，激发学生的学习兴趣：“老师的对门住着一位邻居王爷爷，有次我们一起下楼，王爷爷向我讲起了他生活中的苦恼。王爷爷时常在半夜醒来时，觉得口渴想喝水，但屋子里却黑漆漆的，找不到灯的开关在哪里，甚至还会因为看不清楚而碰倒其他家具，很不方便。同学们，如果我们想帮助王爷爷解决这个苦恼，有什么好的办法呢？”
面对生活中的这个实际问题，解决的办法有很多，同学们踊跃举手，回答出不少的办法，例如把杯子放在一个固定的地方，点一盏长明小夜灯，或使用声音控制灯的开关等。笔者带领学生展开辨析，对比不同方案的优缺点，引出本次项目的技术内容——声音控制。
（2） 定义问题。
在动手制作作品解决问题之前，要先明确问题与目标、厘清逻辑，这样制作时才能有的放矢、条理清晰。因此，邀请一个学生，以王爷爷的口吻向同学们提出需求：当我发出声音时（如咳嗽一声），灯就能自动亮起来，持续亮一段时间后再自动熄灭。若再次咳嗽，灯还会再次亮起。然后，教师引导学生对王爷爷这句口语化的语言进行程序化的提炼，转化为计算机程序设计范式的描述，在此过程中锻炼了学生的计算思维和转化能力。
随后开展一次学生活动，将程序化语言中的关键词（如开始、结束、声音是否变大、灯亮、灯灭、等待5 s等）以写在卡纸上的形式发给学生，让学生以拼图的形式梳理出程序的执行流程。同时邀请学生上讲台摆放，说一说摆放的思路，并以这些关键词为内容复述功能需求，以帮助学生辨析程序的逻辑顺序。最后，教师添加上线条和箭头，进而形成本次程序功能的流程图，作为后续学生编写程序的重要参考工具。
（3） 构思方案。
在明确需要解决的问题和作品的效果后，笔者便继续和学生一起商讨实现的方案：“我们的作品要实现这样的效果，需要哪些电子元器件呢？”学生小组讨论，得出需要识别声音的电子元器件（声音传感器）、灯泡等关键设备，教师使用电子白板辅助作简单介绍，认识相关电子元器件。
同时，教师以流程图为依托，采取小步子原则，将整个程序拆分成3个部分：灯的亮灭、传感器的检测与设定、程序整合。采取分步完成的方法可减轻程序编写的难度。
（4） 制作原型。
项目中使用积木结构件，采用拼搭的方式，搭建台灯的外形。教师出示各式各样的台灯造型图片，介绍台灯的基本结构，启发学生思考，同时学生将电子元器件合理装配在结构件上。在充分发挥学生创造性思维的同时，也锻炼了学生的动手能力。
当设计制作结束后，学生上台展示作品以及控制效果，并与其他小组进行交流问答，让所有学生在这个交流的过程中进一步碰撞思维。学习进度较快的小组就有机会展示自己的作品，获得学习的成就感，起到榜样示范的作用，同时也让其他学生向优秀小组和优秀作品学习并提出建议。实行分层教学，让每个学生都能在课堂中有所收获和进步。
（5） 评价测试。
在展示阶段接近尾声时，提醒学生注意观察，各个小组作品在测试的过程中，有没有发现灵敏度存在区别：是他们使用的器材质量有差别吗？借此追问学生原因，引发学生进行深度思考。
挑选两组程序结构不同的学生作品上台展示，用投影仪投影出程序内容并现场测试，实时看到程序代码和作品效果的对应关系。本节课大部分同学使用的程序主结构是“若……则……”语句，是这类问题的常用代码结构，但这个语句的效果并不完美：外界的条件改变不能及时被程序感知到，造成声音变大时，灯有时会亮，有时不会亮，借此引出后续学习的循环结构：“重复……直到……”，该程序结构会在外界条件未达到时暂停程序的运行，从而达到灵敏检测声响的目的。由此让学生体会，程序的优化能带来更好的效果，学习应当精益求精。
4 总结与讨论
在“智能台灯”项目中，教师建构了基于设计思维的高中人工智能课程教学模式并进行教学实践，学生在案例中历经以下过程：如何帮助王爷爷解决困难（发现问题）→要制作什么作品？有什么功能？（定义问题）→如何设计该作品？如何实现该作品的功能？（构思方案）→制作作品（制作原型）→测试作品并迭代完善（评价测试）5个阶段。该模式的运用使人工智能课程的学习过程更加丰满，更接近于实际问题的解决，学生获得感强；实现了基于设计思维的人工智能课程教学中创意设计、换位思考、建模迭代的内涵要求，紧扣人工智能课程的本质，为课程实施提供了有效可行的路径，也丰富了人工智能课程教学方式的理论与实践。
设计思维所强调的同理心和以人为本理念，能够使教师聚焦学习者的困惑与需求，设计更加符合学习者需求的学习活动，对教学中发挥学生的主体地位有积极意义。同时也能使学习者创作的作品更能立足于实际需求，更富于人性色彩，促进学生对人工智能与人类社会相互关系的理解。人工智能课程的主要目标不在于学习某个知识或某项技能，而在于活化思维，为解决某一问题努力探索，精益求精，这正是教师要保护和培养的精神。
厦门市教育科学“十四五”规划2022年度课题“五育融合视域下人工智能课程资源开发与实践研究”(22166)
厦门市“市管区培”专项学科带头人课题“基于UbD的初中人工智能项目化学习实践研究”，编号：XMXDHC20230101+050
厦门市海沧区教育科学“十四五”规划2024年度课题“基于大单元的高中技术融合课程实践研究”(G2024260)
京公网安备11010202008535号
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