基于大單元的人工智能教學對高中生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)研究摘

要：大單元設計強調知識的整體性、情景的真實性及評估的系統(tǒng)性，與人工智能課程教學的契合度較高，有助于促進學生創(chuàng)造性思維的培育與發(fā)展。鑒于此，構建了基于大單元的人工智能教學模式并選取某省高中的高二年級開展教學應用。研究結果表明：基于大單元的高中人工智能教學模式效果優(yōu)于傳統(tǒng)教學模式，且基于大單元的高中人工智能教學模式與傳統(tǒng)教學在提升學生的創(chuàng)造性思維方面存在顯著差異。研究結果為學生創(chuàng)造性思維培養(yǎng)及高中人工智能教學革新提供了理論指導和實踐參考。關鍵詞：大單元；人工智能教學；創(chuàng)造性思維一、問題的提出創(chuàng)新能力是21世紀人才的關鍵特征[1]，培養(yǎng)創(chuàng)新人才的先導和核心是創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)。在中小學階段普及人工智能相關課程，是我國提升科技創(chuàng)新核心競爭力的基本前提[2]。自2018年起，北京、上海、南京等多地開始逐步在中小學開設人工智能課程。高中人工智能課程的重要目標之一是培養(yǎng)創(chuàng)造性思維，強化學習者的問題意識，但實際上在創(chuàng)造性思維培養(yǎng)方面還存在較大的提升空間。大單元教學是一種面向整體的使課程內(nèi)容結構化的教學方法，強調學生開展自主學習和合作學習，旨在培養(yǎng)學生的深度學習和創(chuàng)造性思維[3]?；诖耍狙芯恳源髥卧虒W為切入點，探索高中人工智能教學模式并在實踐中檢驗其效果，以期助力高中生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)。二、研究基礎（一）大單元教學與人工智能課程的契合大單元并不是教材既有單元的簡單劃分，而是基于學科核心素養(yǎng)的培育目標歸并教材內(nèi)容，其核心在于問題情境的設置，最終指向學科核心素養(yǎng)的全面發(fā)展。大單元教學與人工智能課程的契合度較高，可為人工智能教學革新提供新路向。具體表現(xiàn)在：（1）均以核心素養(yǎng)為導向。大單元教學以促進學生核心素養(yǎng)的全面發(fā)展為價值導向；人工智能課程的目標是提升學生的創(chuàng)新創(chuàng)造能力、問題解決能力等。（2）均注重知識融合。大單元教學使課程內(nèi)容結構化，讓學生在有限的課時內(nèi)掌握核心知識，從而促進知識融合；人工智能課程涉及的知識領域廣泛，注重課程內(nèi)容的整體性和系統(tǒng)性，需要將零散的知識點重新組合，形成具有內(nèi)在聯(lián)系的知識體系。（3）均強調情境化教學。大單元教學超越了傳統(tǒng)意義上的知識被動接受方式，聚焦于通過構建具體情境問題來驅動學生的實踐性學習[4]；人工智能課程深度融合人工智能技術，精心構建所需的教學情境，讓學生親身體驗并深刻理解人工智能的原理、技術及應用場景。綜上所述，基于大單元的教學能夠幫助人工智能課程教學，將大單元教學用于指導高中人工智能教學模式的構建具有一定的可行性。（二）面向創(chuàng)造性思維培養(yǎng)的高中人工智能教學創(chuàng)造性思維由發(fā)散思維和聚合思維組成，鼓勵個體超越既有思維定式，嘗試采用新穎的策略與視角來解決問題，進而生成獨到且富有成效的見解與解決方案[5]。人工智能教學的核心在于依托人工智能技術，深入探索其原理、方法和應用領域，并以此為基礎構建課程與教學內(nèi)容[6]。人工智能教育的一個重要目標便是培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維[7]，但目前仍存在以下幾方面問題：（1）缺乏有效的教學指導策略。人工智能課程內(nèi)容難度較大，適宜采用深度情境化，以問題為導向，案例為支撐的教學模式[8]。（2）學科知識簡單堆砌。部分教師難以厘清人工智能教學中涉及的跨學科概念間的內(nèi)在聯(lián)系，進而難以構建一個系統(tǒng)的知識框架[9]。本研究團隊多年來和一線高中開展深度合作，發(fā)現(xiàn)部分高中的人工智能教學過多注重知識傳授和操作技能培養(yǎng)，對人工智能教學模式革新仍缺乏高度聚焦，對人工智能教學培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維的效果仍缺乏科學驗證。因此，本研究擬通過構建基于大單元的高中人工智能教學模式，并在實踐中檢驗其效果，以期助力國家創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

三、基于大單元的人工智能教學模式構建與應用（一）基于大單元的人工智能教學模式構建基于當前高中人工智能教學面臨的問題，本研究設計了基于大單元的人工智能教學模式框架（如圖1所示）。該模式以大單元為核心指導，在提供真實情境和學習支架的前提下，由教學環(huán)節(jié)層、關鍵要素層和重要旨歸層組成。教學環(huán)節(jié)層處于外層，是整個教學過程的具體環(huán)節(jié)；關鍵要素層處于中層，是教學設計的具體途徑；重要旨歸層處于內(nèi)層，主要闡述最終目標指向。

1.教學環(huán)節(jié)層本研究依據(jù)大單元教學的思路，設計了以下教學流程：①創(chuàng)設情境，明確問題。在教學起始階段，教師首先需要創(chuàng)設與學習內(nèi)容相關的情境，引導學生迅速進入學習狀態(tài)。隨后，明確提出待解決的問題，確保學生清楚學習目標。②理解探究，頭腦風暴。在明確問題后，學生需要圍繞問題展開自由討論，大膽提出想法和假設。教師應營造開放包容的學習氛圍，鼓勵學生產(chǎn)生更多想法。③協(xié)作學習，操作實踐。在此階段，學生被分為若干小組，協(xié)同進行實踐操作，將創(chuàng)意想法轉化為實際作品。教師巡視全班，根據(jù)學生所面臨的困惑，采用多種方法加以引導，幫助其找到解決問題的最佳方案。④作品呈現(xiàn)，交流互鑒。在此階段，學生上臺陳述自己的創(chuàng)意想法，展示小組作品，通過小組間的交流互鑒，從不同的視角中獲得啟發(fā)和靈感。⑤優(yōu)化作品，評價總結。在此階段，教師應及時給予學生反饋與指導，引導學生對作品進行優(yōu)化，最后組織學生進行評價總結。2.關鍵要素層（1）教學目標本研究從發(fā)散性和聚合性兩個維度評估基于大單元的人工智能教學對高中生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)效果。一方面，發(fā)散性思維具有流暢性、變通性和獨創(chuàng)性的特點：流暢性體現(xiàn)在較短時間內(nèi)產(chǎn)生不同觀念數(shù)量的多少；變通性體現(xiàn)在面對問題時不墨守成規(guī)，從不同的角度尋找答案；獨創(chuàng)性體現(xiàn)在面對問題時有不尋常的見解，產(chǎn)生意想不到的答案。另一方面，聚合性思維更加聚焦邏輯性和概括性：邏輯性確保思維步驟有序嚴謹，為解決問題提供清晰的路徑；概括性在于整合問題信息，識別信息間的聯(lián)系與共性，由此得出結果。（2）教學內(nèi)容本研究的人工智能教學以大單元為載體，圍繞一個大單元主題組織教學內(nèi)容，將知識之間建立起聯(lián)系，從而實現(xiàn)深度學習。教師可結合學生實際情況，選擇與學生生活相關的主題，整合教材相關知識點，將大單元充分融入教學，引導學生就主題相關的概念、原理、技術等進行深入探究，逐步拓展學生的思維，促進學生核心素養(yǎng)的培育。（3）教學活動在設計基于大單元的高中人工智能教學活動時，首先，需創(chuàng)設貼近現(xiàn)實生活的問題情境，并將教學內(nèi)容融入情境，通過引入真實案例、提出具體問題，引導學生通過小組合作剖析問題，展開探究性學習。在此基礎上，鼓勵學生開展頭腦風暴，共同形成小組作品的創(chuàng)意構想。其次，學生將理論付諸實踐，協(xié)同完成小組作品，并在課堂上進行展示交流，通過小組間相互學習完善作品。（4）教學評價本研究采用教師評價、小組互評以及小組自評等多元評價方式全面評估各小組作品。評價維度包括作品創(chuàng)新性、程序結構完整性、團隊合作協(xié)調性等。最后，根據(jù)各個維度的得分，按相應比例綜合計算出小組總得分。3.重要旨歸層本研究將“促進核心素養(yǎng)培育”和“實現(xiàn)教學內(nèi)容結構化”作為重要旨歸。將大單元引入人工智能教學中，通過整體設計和結構化教學，為學生創(chuàng)設適當?shù)膶W習情境，提供充分的學習機會和探究空間，有助于學生從整體上把握知識，形成系統(tǒng)的知識框架和思維方式。（二）基于大單元的教學設計與實施1.學習者特征分析該研究在某省高中的高二年級開展，該年級學生特點如下：①學生在前期學習中已經(jīng)了解物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等概念，具備利用傳感器采集數(shù)據(jù)的相關知識。②學生對新技術、新事物的興趣濃厚。③學生具備較強的動手能力和探索精神。2.教學內(nèi)容分析“智能物聯(lián)家居”這一教學單元深度整合了普通高中教科書《信息技術》(必修1)及《信息技術》（選擇性必修

4）中的相關知識點?！镀胀ǜ咧行畔⒓夹g課程標準（2017版2020年修訂）》對這部分內(nèi)容的要求是學生應充分利用豐富的開源硬件資源，搭建面向生活實際的應用場景，通過親身參與設計并實現(xiàn)簡單智能系統(tǒng)，掌握其基本原理與實現(xiàn)方法，發(fā)揮學生的自主學習與探究學習能力，激發(fā)學生的創(chuàng)造性思維。3.教學設計與實施（1）創(chuàng)設情境，明確問題在此環(huán)節(jié)，教師明確大單元教學主題和可測量的學習目標，通過一段生動的視頻，將學生帶入一個充滿科技感的智能家居場景。在視頻中，家里的安防、燈光、窗簾、冰箱等設備根據(jù)居住者的需求自動進行設定，充分展現(xiàn)智能家居的便利。隨后，教師拋出一個問題：“上述視頻中的智能家居是如何實現(xiàn)的？我們能否設計一個小型智能家居，使其解決我們生活中的某個具體問題呢？”學生在此階段需要明確學習目標，跟隨教師進入情境，感受人工智能的實際應用。（2）理解探究，頭腦風暴在此環(huán)節(jié)，教師引導學生選擇視頻中某個具體場景，探討該場景功能的實現(xiàn)過程，分析其背后的原理。之后，教師講授視頻中所用傳感器的工作原理，引導各小組圍繞選定場景進行頭腦風暴，明確作品創(chuàng)作方向，設計專屬小型智能家居的外觀和功能。學生則需要理解視頻中各部分功能實現(xiàn)的原理，回答教師提出的問題，認真聆聽知識點講解，然后進行頭腦風暴，畫出作品設計圖及相應的功能流程圖。（3）協(xié)作學習，操作實踐在此環(huán)節(jié)，教師組織小組成員分工合作。為使學生更好地參與到小組學習中，教師一方面要鼓勵小組調整成員角色，以幫助成員找到適合自己的定位；另一方面要為各小組提供傳感器、主板、連接線等硬件支持和AS-Block軟件編程環(huán)境，并在實踐過程中為有困難的小組提供幫助。學生需熟悉AS-Block編程環(huán)境，按設計選用傳感器并連接，同時編寫控制程序，進行測試和調試，以實現(xiàn)功能。對于有能力的小組，可加入語音模塊，以提升作品創(chuàng)作的智能性。（4）作品呈現(xiàn)，交流互鑒在此環(huán)節(jié)，教師提供展示交流平臺，組織學生上臺匯報展示小組作品。小組成員則選派代表上臺展示作品并分享在作品實踐過程中的困難與心得，通過系統(tǒng)闡述創(chuàng)作構思的歷程，促進創(chuàng)造性思維的深化與拓展[10]。（5）優(yōu)化作品，評價總結教師在展示交流結束后，對各小組作品進行精練點評，并引導其他小組同學參與評價，共同提出建設性的意見。隨后，教師引導學生進行作品優(yōu)化，并總結反思在教學中的優(yōu)點與不足，不斷完善自己的教學。學生則根據(jù)教師的建議優(yōu)化作品，針對自己的課堂表現(xiàn)撰寫總結報告，反思學習過程中的收獲與不足。四、基于大單元的人工智能教學實證研究（一）研究目標為驗證基于大單元的高中人工智能教學模式對學生創(chuàng)造性思維的影響，本研究將在真實教學情境下進行該模式的實際應用，以期為促進高中人工智能教學改革及高中生創(chuàng)造性思維培養(yǎng)提供參考。（二）研究對象本研究在某省高中的高二年級中隨機選取W教師執(zhí)教的兩個班級學生為研究對象，以“智能物聯(lián)家居”為實驗內(nèi)容，于2024年5月進行為期兩周的教學實驗。兩個班被隨機指定為實驗班和對照班，其中，實驗班有學生36人，采用基于大單元的人工智能教學模式；對照班有學生37人，采用傳統(tǒng)教學模式。（三）研究假設本研究結合研究目標和文獻梳理，提出以下兩個假設：H1：基于大單元的高中人工智能教學模式效果優(yōu)于傳統(tǒng)教學模式。H2：基于大單元的高中人工智能教學模式與傳統(tǒng)教學在提升學生的創(chuàng)造性思維方面存在顯著差異。（四）研究工具1.創(chuàng)造性思維測評問卷本研究從流暢性、變通性、獨創(chuàng)性、邏輯性和概括性5個維度系統(tǒng)評估學生的創(chuàng)造性思維。其中，流暢性、變通性、獨創(chuàng)性維度的題項參考創(chuàng)造性思維測試[11],及南加利福尼亞大學測驗，同時結合我國中學生實際情況進行改編而成，包含言語測試和圖畫測試。邏輯性和概括性維度的題項參考沃建中等[12]編制的遠程聯(lián)想測驗題和事件排序題。2.師生訪談提綱為進一步了解實驗班師生對基于大單元的高中人工智能教學模式是否提升了創(chuàng)造性思維的看法，本研究由研究助理自編師生訪談提綱，從課程評價、學習收獲等方面來進行訪談提綱的設計。（五）研究過程實驗前，本研究利用創(chuàng)造性思維前測問卷對兩個班進行測試，結果顯示：兩個班學生均未接觸過實驗涉及的教學內(nèi)容，可作為平行班級參與本次準實驗研究。隨后，研究助理對無關變量進行嚴格控制，以確保教學實驗順利進行。教學開始后，W教師圍繞教學目標開展教學，實驗班采用基于大單元的人工智能教學模式，對照班則采用傳統(tǒng)的教學模式。教學結束后，發(fā)放創(chuàng)造性思維后測問卷給學生作答，實驗班和對照班分別回收有效問卷35份，回收有效率分別達到97.2%和94.6%。最后，研究助理對授課教師和隨機選擇的7名實驗班學生進行訪談。（六）研究結果1.教學效果與創(chuàng)造性思維分析（1）教學效果本研究運用SPSS26.0對實驗班和對照班學生的實驗數(shù)據(jù)進行獨立樣本t檢驗，結果見表1。在實施基于大單元的人工智能教學模式后，實驗班學生的創(chuàng)造性思維得分均值均高于對照班均值：在流暢性維度上，實驗班的得分均值比對照班高2.09，在變通性維度上，實驗班的得分均值比對照班高0.92；在獨創(chuàng)性維度上，實驗班的得分均值比對照班高0.91；在邏輯性維度上，實驗班的得分均值比對照班高0.53；在概括性維度上，實驗班的得分均值比對照班高0.89。由此可見，基于大單元的高中人工智能教學效果優(yōu)于傳統(tǒng)教學模式，假設H1成立。

（2）創(chuàng)造性思維如表1所示，在流暢性維度上，實驗班得分均值高于對照班，且p<0.001，說明在思維流暢性上兩個班學生存在顯著差異；在變通性維度上，實驗班得分均值高于對照班，且p<0.01，說明在思維變通性上兩個班學生存在顯著差異；在獨創(chuàng)性維度上，實驗班得分均值高于對照班，且p<0.05，說明在思維獨創(chuàng)性上兩個班學生存在顯著差異；在邏輯性維度上，實驗班得分均值高于對照班，且p<0.05，說明在思維邏輯性上兩個班學生存在顯著差異；在概括性維度上，實驗班得分均值高于對照班，且p<0.001，說明在思維概括性上兩個班學生存在顯著差異。綜上，基于大單元的高中人工智能教學與傳統(tǒng)教學在提升學生的創(chuàng)造性思維方面存在顯著差異，假設H2成立。運用SPSS?26.0對實驗數(shù)據(jù)進行配對樣本t檢驗，發(fā)現(xiàn)實驗班學生在教學前后的5個維度上均顯著提升，存在顯著性差異（p<0.05）；而對照班學生的5個維度在教學前后不存在顯著差異（p>0.05）。這說明基于大單元的人工智能教學模式能顯著提升學生創(chuàng)造性思維。2.訪談分析對受訪師生的訪談分析結果表明：（1）相較于傳統(tǒng)的教學模式，基于大單元的人工智能教學模式更有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)造性思維。例如，X同學表示：“這種學習模式讓我在一開始就知道需要做什么實物，然后帶著目標去學習?！盬老師表示：“在教學的一開始就告知學生最終目標，讓學生帶著目標去學習，更能夠促進知識之間的聯(lián)結，培養(yǎng)創(chuàng)造性思維?！保?）基于大單元的人工智能教學模式能夠幫助學生整合知識體系。例如，Y同學表示：“在新的教學模式下，我能從整體上去理解人工智能的核心概念，在腦海中構建起完整的知識框架，而不是零散的知識點?！盬老師表示：“基于大單元的教學有利于學生從整體上去把握知識，實現(xiàn)知識之間的有意義遷移?！笨梢姡诖髥卧娜斯ぶ悄芙虒W模式在教學實踐中展現(xiàn)出了顯著的有效性。

五、研究討論（一）大單元教學對培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維的支持作用本研究充分發(fā)揮了大單元教學的整體性思維、情境創(chuàng)設與任務設計、提供創(chuàng)新空間等方面對高中人工智能教學的支持作用，具體如下：（1）整體性思維。本研究強調教學內(nèi)容的整體性。大單元教學對教材內(nèi)容進行了有邏輯的整合和組織后，不僅有助于教師從宏觀上把控教學方向，而且有助于學生更好地把握知識之間的內(nèi)在聯(lián)系和邏輯結構，逐步構建起對人工智能知識的全面理解，實現(xiàn)從知識碎片到知識體系的轉變。（2）情境創(chuàng)設與任務設計。大單元教學注重創(chuàng)設生活中的情境，激發(fā)學生的求知欲，促使他們主動探索如何運用課堂所學去解決實際問題。（3）提供創(chuàng)新空間。大單元教學注重激發(fā)學生的創(chuàng)造力，倡導多法解題，鼓勵自主思考和團隊協(xié)作并重，從而有效激發(fā)學生的想象力，促進創(chuàng)造性思維發(fā)展。（二）基于大單元的人工智能教學模式特征本研究基于大單元構建了培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維的教學模式，其具體特征如下：（1）以大單元為引領，注重知識整體性。本研究突破傳統(tǒng)教學中知識碎片化的困境，以大單元為教學基本單位，將人工智能知