中小学人工智能课程SCCS 教学模式构建及应用研究*

曹燕华 谢忠新

上海市浦东教育发展研究院 上海 200135

随着大数据和云计算技术的快速发展，人工智能已成为新一轮工业革命的关键技术突破口。在国家政策和课程标准的驱动下［1］，各地中小学纷纷开始人工智能教育的实践探索。目前，上海市中小学已经开始开展人工智能课程教学实践，为不同年级的学生开设合适的课程，并采购人工智能教育套件用于教学支持。然而，人工智能作为一门综合性的学科，其教学实践中仍然缺乏创新的教学方法和匹配教学内容的教学方式。为促进人工智能教育在中小学的高质量实施，本研究创新性地构建了中小学人工智能课程SCCS教学模式，并应用于实际教学中。此模式旨在解决当前人工智能教学面临的困境，丰富教育教学方式，促进学生创新思维的培养与迁移能力的提升，从而为人工智能教育教学实践提供有益的参考。

一、当前人工智能教学存在的问题与挑战

（一）学科基础知识和核心概念缺乏明确性

作为一个新生领域，人工智能教育正处于迅速发展的阶段。然而，在起步阶段，教育者们迫切希望在课程标准、课程体系、教学内容和课程设置等方面得到指导。当前，小学和初中的人工智能课程标准尚未确立，课程内容体系也尚未完善，这使得对人工智能的基础知识、核心概念、关键技术等的明确定义变得困难。此外，在区域和学校实践中，选择合适的教材也是一个难题，通常需要自行定制教材以满足实际教学的需求。

（二）采取传统方式教学，教学模式固化

教师在人工智能学科教学中往往采用以讲授为主的教学方法，主要对技术原理进行讲解。然而，深度学习算法等人工智能的关键技术较为晦涩难懂，仅凭讲授难以激发学生的学习兴趣和探究能力［2］。而部分教师过于注重实践体验，忽略了相关方法、原理的讲解。虽然这样的教学方式使得课堂氛围活跃开放，学生表现出一定的学习积极性，但由于缺乏对人工智能思想的深入理解，学生无法有效地培养自身发现问题、解决问题的能力，这样一来也制约了学生计算思维的发展。

（三）过度关注知识技能，忽视迁移能力培养

在人工智能教学中，一部分教师过度注重人工智能理论和技术知识的传授，对于学生迁移能力的培养却缺乏足够的关注。比如，在进行小学生Scratch 图形编程和中学生Python 编程教学时，教师过于关注编程技巧的传授，采用编程工具进行编程语言教育，却忽视了系统教学过程和问题解决环节对学生迁移能力的培养。这样，学生一旦离开了具体的编程任务和工具环境，就很难将所学的编程技能迁移到新的情境中，用来解决新的问题。

（四）缺乏有针对性的、多元化的教学评价

由于人工智能课程的教学内容比较复杂和抽象，很多教师难以设计出有针对性的评价方案。他们往往采用传统的考试和作业评分方法，无法全面评估学生的能力。同时，由于学生的学习方式和能力存在差异，单一的评估方式无法充分满足学生的需求，更无法激发他们的学习兴趣。为了确保评价结果的真实性和准确性，教师需要细心思索和探讨，精心设计和规划，不停地实践、反思和修正教学评价，才能为学生提供有效的反馈和指导。

二、教学模式构建

我们从问题分析中可以看出，随着中小学人工智能教育的普及和深入开展，寻求合适的教学模式显得尤为重要。然而，许多创新的教育模式虽然具有独特性，却未能充分吸纳传统教学模式的优点。在互联网与教育深度融合的背景下，美国玛丽·桑塔格（Marie Sontag）博士提出了社会认知双联通教学模式（Social and Cognitive-Connectedness Schemata，以下简称“SCCS 教学模式”）。该模式融合多种教学模式的优势，借鉴SOI 教学模式、4C/ID 教学模式、重视理解的课程设计模式和游戏教学模式的特点［3］，能够提高教师的教学效果和学生的学习体验。

（一）SCCS 教学模式的适用性

SCCS 教学模式以联通主义［4］的学习原理为指导，强调学生利用技术辅助学习活动，通过选择、组织和整理信息来理解并掌握知识，进而实现知识的构建。在认知联通和社会联通的双重作用下，该模式推动学生的迁移能力和信息科技运用能力的提升。SCCS 教学模式在中小学人工智能教学中的适用性体现在以下几个方面。

1.符合网络时代学习者特征和学科内容特点

在信息化时代，学习者的学习环境及学习模式也应时而变。由于人工智能课堂的灵活性和开放性，学生的求知欲和好奇心得到了更大的激发。在教学过程中，学生不再仅仅满足于接受教师传授的知识，而是寻求利用互联网进行自我发现和学习。此外，由于中小学人工智能课程缺乏完整的内容体系要求，学生在学习活动中经常需要主动探索并发现自己所需的信息知识，以更好地完成知识构建和促进有意义的学习发生。

在SCCS 教学模式中，学习者主动运用网络来寻找和识别自身所需的知识信息，并将其与课堂学习紧密结合。这种教学模式既符合网络时代学习者的需求特征，又解决了人工智能学科中基础知识和核心概念难以明确界定的问题。

2.解决学生迁移应用难的问题

学生对知识的理解深度和掌握程度是影响他们有效运用所学知识的关键因素。然而，由于人工智能课程内容难度较大，而每个学生的认知能力、学习风格和先前经验都不同，使得他们在理解和掌握课程内容方面存在较大差异，迁移应用困难。

SCCS 教学模式以任务为导向，将任务划分为不同的难易层级，帮助学生逐层理解并掌握知识。在该模式下，教师组织探究学习，利用多元化的评估手段提供及时反馈，帮助学生找出并弥补学习的空白。通过整个教学活动，学生逐渐深入掌握知识，发现并解决问题，根据自己的学习情况强化知识点的理解，提升应用和迁移能力。

综上，SCCS 教学模式在知识的获取方法、课堂行为、评估手段和教学策略等方面与传统的教学模式存在显著的差异。SCCS 教学模式和传统教学模式的对比如表1 所示。SCCS 教学模式充分应用现代教育技术，使得课堂教学更具效率，从而达到更好的教学效果。

表1 SCCS 教学模式和传统教学模式的对比

（二）中小学人工智能课程SCCS 教学模式构建

本研究将SCCS 教学模式与中小学人工智能课程教学相结合，初步构建了中小学人工智能课程SCCS 教学模式（图1）。它通过网络资源搜索、小组合作、师生交互等方式促进学生社会联通能力的发展，并通过教学活动来深化学生对知识的理解和应用，发展其认知联通能力。同时，它参考UbD 模式的“逆向设计”和“理解为先”教学理念［5］，每堂课初始明确教学目标和预期学习成果，促进学生对知识的理解，为其在真实情境中运用和迁移知识奠定基础；参考SOI 教学模式，强调学习过程的重要性，促进学习者对学习资源的个体认知加工，实现意义构建；参考4C/ID 教学模式，以真实且逐层递进的教学任务为核心，让学生在实际情境中掌握并运用相关知识技能，并为学生提供及时有效的支持和指导，助力问题解决和任务达成［6］；参考游戏教学模式，将教学内容以更为趣味化、游戏化的形式呈现，用寓教于乐的教学活动吸引学生，激发他们的学习积极性，使其在实践中运用知识，完成迁移。

图1 中小学人工智能课程SCCS 教学模式

中小学人工智能课程SCCS 教学模式将教学活动划分为六个阶段，分别为准备阶段、导入阶段、合作探究阶段、教师指导阶段、强化阶段和反思总结阶段。

一是准备阶段。教师呈现教学目标，并制定适当的评估标准，以便让学生在课程开始之前就清楚地了解自己所需达到的目标和需要掌握的技能。

二是导入阶段。教师根据教学内容和教学目标，创设问题情境、信息情境、生活情境等，使课堂教学更接近现实生活，并利用学生已有的经验体验，激起他们的求知欲，吸引他们主动参与学习活动。

三是合作探究阶段。教师按照知识的逻辑顺序将教学内容呈现给学生，让他们初步了解并在此基础上搜索、筛选和汇聚相关学习资源，以建立新旧知识的连接。这样通过几轮的反复锻炼，不断强化学生对知识的理解，为实现知识迁移做好准备。

四是教师指导阶段。教师根据学生合作完成任务的情况，有针对性地讲授重难点知识，协助学生深入理解和掌握知识。在此基础上，通过巩固复习，教师完成前期教学任务，持续深化学生对知识的理解，推动知识的建构与转化。

五是强化阶段。通过强化练习，学生在练习中进一步弥补知识的不足，完善知识结构，实现知识的建构和转化，进而提高迁移能力。

六是反思总结阶段。学生通过成果分享、问题和经验交流，巩固本堂课所学内容，并培养沟通能力和合作意识。教师则反思教学过程，为后续的教学改进提供参考。

三、实践探索

本研究将SCCS 教学模式应用到中小学人工智能教学活动中，设计了具体的教学案例。本文将以初中人工智能课程“抽象表现-如何用模型认识世界”这一课为例，阐述该教学模式在中小学人工智能教学中的具体应用。

（一）教学概述

“抽象表现-如何用模型认识世界”这一课是学生在体验了猫兔识别实验项目后，对“机器学习”复杂抽象理论的进一步学习。本课的教学目标包括：一是通过已知知识解释新概念，完成“手势识别”智能程序的创建和识别检验，进一步感受机器学习的应用效果；二是探究“图像集的内容对机器学习效果的影响”，了解机器学习的基本原理；三是理解模型的概念，知道用模型解决现实问题，能从具体场景中抽象出具体的数学公式。本课以学生熟悉的真实情境引入教学，以任务和问题驱动教学实施。学生完成分类程序创建及识别检验、机器学习基本原理探究、模型概念理解三大任务，加深对机器学习相关内容的理解，提升自身问题解决能力和应用迁移能力。

（二）教学环节

1.评价导向，引导学习

在准备阶段，教师将“抽象表现-如何用模型认识世界”这一课的教学目标和各环节任务、成果、评价标准公布于人工智能学习平台，方便学生随时查看。课前，学生明确学习目标，复习相关内容，为实现手势识别做好准备。课中，学生根据学习目标，先进行合作探究，再跟随教师的讲授，巩固学习手势识别和模型的相关内容。课后，学生进行拓展练习，对照教学目标和评价标准，完成相应的巩固练习。

在教学活动中，教师创建了本课的主题学习自评表（表1），引导学生进行自我评估和学习经验的总结，并通过自我反思查漏补缺。此外，通过观察学生的知识应用和迁移情况、问题分析和问题解决情况，以及动手实践情况，教师设计了主题学习的教师评估表（表2），对学生进行过程性评价。

表1 “抽象表现-如何用模型认识世界”主题学习自评表

表2 “抽象表现-如何用模型认识世界”主题学习教师评估表

2.创设情境，激发兴趣

在导入阶段，教师通过“石头剪刀布”这一学生生活中常见的游戏情境，将“手势识别”的课程内容引入，使问题和学习目标紧密相连，进而激发学生的学习热情。课堂上，教师提出问题：“你玩过石头剪刀布的游戏吗？”引发师生互动。随后，教师再次提问：“如何让计算机实现手势识别？”帮助学生回忆猫兔识别机的实现过程，激活原有知识，从而为其在人工智能实验平台完成“手势识别”智能程序做好铺垫。

3.自主探究，交流合作

在合作探究阶段，学生登录人工智能实验平台，学习教师预设的“手势识别”智能程序创建的相关知识，尝试通过加载图像集、特征提取、训练分类程序、测试新图像四个步骤实现机器对三种手势的区分，并使用摄像头获取手势的照片，进行识别检验。接着，为探究“图像集的内容对机器学习效果的影响”，学生调整“手势识别”数据集的图片，进行实验验证，将几张无关的手势图像放入“石头、剪刀、布”的图像集中，探究三种手势识别率的变化。

对于探究过程中发现的问题，学生既可以开展合作交流，又可以通过搜索人工智能学习平台中预设的学习内容开展自主学习。教师则发挥主导作用，对学生进行启发式教学，提供“支架式”支持［7］，确保探究活动的顺利展开。

4.答疑解惑，指导学习

在教师指导阶段，结合学生“手势识别”智能程序合作探究的完成情况，教师讲授重难点，引导学生进一步体会机器学习的本质，并引出模型的概念与作用。随后，教师开展个别化指导，以小组为单位，满足群体的个性化需求，帮助学生巩固知识、深化理解，促进知识的建构与转化。在教师的指导下，学生不断修正自己的知识不足，完善自身的知识体系，并完成学习任务。

5.强化练习，完成迁移

在强化阶段，教师布置分层任务，要求学生利用已学的知识，完成“训练机器学会区分指定的多个种类”的任务。学生在“头脑风暴”后，依据个人兴趣进行创意实践，搜索相关图像集，并在人工智能实验平台上创建相应的智能程序，完成分类程序训练和测试。在此过程中，教师通过引导学生将新知识不断内化吸收，启发他们利用所学知识解决具有关联性的新问题，从而促进新知识的迁移和运用。

6.总结评价，巩固知识

在反思总结阶段，学生分小组分享“训练机器学会区分指定的多个种类”实践成果，交流编程过程中遇到的问题和解决方案。教师组织学生共同讨论，并对整个教学活动和学生的学习效果进行评价。通过成果分享、问题和经验交流，学生巩固了本堂课所学内容，提升了沟通能力和合作意识。

四、总结与反思

在教育信息化背景下，将SCCS 教学模式与中小学的人工智能教学实践相结合是一种全新的尝试。从实践效果来看，SCCS 教学模式在引导学生主动探究、培养创新思维与迁移能力方面具有一定的优势。首先，SCCS教学模式关注学生的认知联通和社会联通能力，通过资源搜索、问题链引导、合作学习等方式，培养学生的创新思维和解决问题的能力。其次，SCCS 教学模式强调逆向设计，从教学目标出发，促进知识的深度理解和应用，提高学生的迁移能力。最后，SCCS 教学模式的分层次任务设计更有助于教师达成教学目标，它能够满足不同学生的学习需求，适应其能力水平，使每个学生都能够在探究过程中有所收获。

尽管如此，SCCS 教学模式并不适用于所有年级的学生以及所有的人工智能课程内容。该教学模式的应用，对于学生搜集信息的能力、自主学习的能力有一定的要求。因此，教师应根据教学内容和学生学情等因素理性地作出选择，做到因“课”制宜，因“生”制宜。同时，考虑到SCCS 教学模式的具体执行步骤，教师需要避免僵化地按步执行，应根据具体的教学情况进行灵活调整和变通。