融入人工智能技术的跨学科实践活动的进阶式设计与实践_姜莉杰.pdf

472023.07课程建设与教学改革研究 融入人工智能技术的跨学科实践活动的进阶式设计与实践 姜莉杰 摘 要：在开展跨学科实践活动的基础上，总结了基于中学物理电学知识融入人工智能技术的跨学科实践活动的方法策略，包括替换激趣，单学科知识升级，跨入智能学习领域；场景探究，解决真实问题，越过物联网应用门槛；问题拓展，激发探究欲望，推动跨学科知识主动学习。关键词：中学物理；跨学科实践；人工智能技术中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1672-1438(2023)14-0047-03作者简介：姜莉杰，硕士，高级教师。北京市东方德才学校，100020基金项目：北京市教育科学“十三五”规划课题基于核心素养的科学教学问题梳理与解决方案研究(编号：CDDB18158)。当今社会，科技迅猛发展，知识、技术更迭速度越来越快，周期越来越短，特别是近期GPT-4的发布，标志着人工智能技术又迈上了新台阶。这些都给注重传承的教育带来巨大挑战。为了应对这些挑战，2022年教育部颁布的义务教育各学科课程标准(简称课标)中都增加了跨学科实践活动的内容。2023年2月21日，习近平总书记在中共中央政治局第三次集体学习时强调：要在教育“双减”中做好科学教育加法，激发青少年好奇心、想象力、探求欲，培育具备科学家潜质、愿意献身科学研究事业的青少年群体。而落实习近平总书记讲话精神和课标要求的重要环节就是选择适当的内容承载跨学科实践活动，选择多种方式组织跨学科实践学习。笔者的基本思路是基于物理学科，选择前沿的人工智能语音识别技术，将其融入电学知识的学习中。具体来说，利用“升级替换”思路，将简单的电路开关功能键“升级替换”为智能语音开关，跨入人工智能知识的学习领域，形成跨学科主题学习内容。通过设计制作，激发学生好奇心、求知欲；通过进阶式、多维度创新作品应用于生产、生活，解决真实问题，伴随生成的更多跨学科知识学习需要，激发学生学习和探究相关知识的热情，将学科知识融合起来。本文从“替换激趣场景探究问题拓展”三个层次进阶地介绍跨学科实践学习的课程内容设置以及教与学方式的选择。一、替换激趣 单学科知识升级 跨入智能学习领域在分析初中物理学科简单电路教学内容中“开关在电路中的作用”的基础上，将机械开关升级为智能语音开关，实现从单学科走向跨学科实践学习。在简单电路的教学实验中，第一步，安排学生实操单刀单掷机械开关控制的电路，体会开关对电路通断的控制作用；第二步，安排学生使用声控、光控等传感器开关控制电路，体会传感器开关的控制作用；第三步，安排学生替换使用智能语音控制的继电器开关控制电路，实现语音对话、语音指令控制信号输出，控制继电器通断、电路通断，让学生体验语音指令的电路控制功能，认识由语音识别模块与继电器构成的智能语音开关(见图1)。图1 机械开关升级为智能语音开关DOI:10.13492/ki.cmee.2023.14.019482023.07课程建设与教学改革研究 将机械开关逐步替换为植入了“对话词条”的智能语音开关来控制电路通断，操作简单，突破了学生的知识障碍，把学生带入了智能化时代的知识领域。紧随时代前沿发展步伐的新知识学习，能激发学生的探究学习兴趣，为学生开辟想象、拓展的广阔空间。二、场景探究 解决真实问题 越过物联网应用门槛建构主义学习观认为，学习者能在一定情境即社会文化背景下，借助他人帮助，通过意义建构的方式形成对知识的理解。因此，引导学生跨入智能学习领域后，要适时组织学生带着课题走进真实场景，如家庭、学校、商场、工厂等，经历课题研究的全部环节，包括问题发现、猜想假设、方案制订、数据采集、逻辑推理与论证、结论传播等。在场景中，通过观察相关场景的电器电路控制装置，调研出在实际场景中使用的真实问题和智能化升级需要。然后组织学生论证相应场景升级智能化开关的必要性，合作设计升级电路图和改造方案，与用户研讨并修改完善，合格后将方案转交用户方，安排升级施工，小组学生负责技术指导工作，收集此过程中的全部资料，实践结束后在全班做研究过程与成果的展示交流。这样的跨学科实践活动，都是基于真实的社会文化情境，发现真实问题；在教师与小组学生的协同合作、互相帮助下，解决实际问题。这使得学生真正成为教学中师生关系的中心，将自己置身于学习的主体地位，能动性得到充分发挥。教学通过将开关、传感器、智能语音开关等控制电路知识与真实生产、生活、工作环境融合，自然跨越了物联网门槛，突破了以往无法解决的难题。三、问题拓展 激发探究欲望 推动跨学科知识主动学习在真实场景解决问题的应用探究中，学生能发现更多的真实问题，他们也会自然而然地被带入一个跨学科理论学习的领域。为了创作一个实用的“产品”，学生会不断地融合新学科，深化学科知识的学习，使学科知识真正成为学生学习的需要，知识有了用武之地，学生的学习热情就会被激活，主动性也能更好地彰显出来。1.基础拓展 构建作品完整体系几乎所有学生在设计具体场景的智能语音开关时，都遇到了设计外观的问题，学生由此自然地进入了跨学科知识领域，需要学习有关工业设计的知识，或者美术、通用技术相关课程的知识和技能。作品说明书的撰写、媒体信息的传播，也都需要与语文学科的说明文写作相结合，或用英语、法语、德语等来完善作品介绍稿、视频宣传脚本、展板展示文字等，这一过程能提升学生对语言学科知识学习的动力(见图2)。图2 小组同学组装套件和设计外观大部分小组学生遇到了智能语音开关的“对话词条”不适合实际场景需求的问题，需要调整智能语音模块里的语音对话“问答对”(问题和答案对)来适配场景的需要，这便需要用到人工智能软件和编程相关知识，需要将设计好的“问答对”通过软件编译、下载(烧录)到智能语音芯片中，学生会由此产生信息技术知识学习的需求。2.深度钻研 攻克作品关键技术部分学生还会生成按场景设计自创电路的需求，开启学习相关电路设计软件、设计电路连接板之路。这些学生不仅需要学习新的电路设计软件，还要熟悉所设计的电路原理，掌握更多的电路基本连接规范。在此基础上，还需要焊接配套元器件，并进行实测，实测通不过的电路，分析后重新设计、焊接、实测，直到成功、满意。有的学生甚至不满足于电路连接板的制作，希望能直接从芯片开始设计自己的电路板，这就要求设计者更加熟悉复杂的电路原理，熟悉所要使用的芯片及相关电子元器件的参数与特性，从而展开对集成电路、芯片设计等相关知识的深度学习，教师则可在这一过程中用“中国芯”培育学生的中国心(见图3)。492023.07课程建设与教学改革研究 图3 学生自创电路设计3D图少数学生还会为智能语言识别控制原理知识所吸引，开展算法课题研究，真正触碰到人工智能技术的核心。仅以人工智能领域当前流行的深度学习中的卷积神经网络技术为例，其算法知识涉及数学学科的不少内容，难度虽然不小，但学生经过一体化加工和研究性学习，还是可以埋下一些算法的“思想”种子，突破知识难题。通过研学，学生可以了解到卷积神经网络技术所涉及的卷积、池化、激活、全链接等环节，了解识别中信息特征化及放大、缩小思路，建立特征方程思想等；了解到“卷积”算法中的“卷积核”与乘法、加法数值运算；了解到“池化”算法中的求均值或求最大值运算；触碰到“全链接”算法中的方程组思想，以及基于线性方程组Y=CX求解中的训练和识别过程(已知X与Y，求C，被称为机器学习之训练；已知C和X，求Y，被称为机器学习之识别)。这些算法均基于数学，属于从小学到大学一体化的数学知识。如手写数字09的识别问题，应用卷积神经网络算法就能得到正确识别率超过98%的结果；微软发布的ChatGPT，GPT-3拥有1 750亿个参数，指的就是上述公式中的C的数量，这也是一个超大的数学回归建模案例。四、结语以“替换激趣场景探究问题拓展”进阶式跨学科实践活动进行教学设计，体现了对人工智能大概念下的跨学科学习内容的整合。从物理学科的简单知识点开始，向外辐射的空间深度和宽度都很大，适合不同潜能的学生拓展延伸。此外，利用简单的“替换激趣”教学和“应用探索”课题研究，只需一名物理学科教师即可组织跨学科实践活动。当学生走进实践场所，遇到真实问题时，便进入了“问题拓展”学习环节，他们会自动或经教师指点后启动相关学科知识的学习，向相关学科教师寻求帮助，进而走向学科间的融合。参考文献1 教育部.义务教育物理课程标准(2022 年版)S.北京:北京师范大学出版社,2022.2 陈连丰,赵觅.解读建构主义学习理论四要素:“情境”“协作”“会话”“意义建构”J.科技创新导报,2012(24):179.3 尚学堂java学院.卷积神经网络(CNN)介绍与实践EB/OL.https:/