【摘要】人工智能課程以在實踐中解決問題促進能力發展為課程理念，如何將人工智能課程與問題解決相關聯，將問題解決模型應用于人工智能課程教學值得深究。以初中人工智能課“智能垃圾分類機器人”為例，以問題解決模型為課程主線，闡述在人工智能課程中應用問題解決模型的思考。【關鍵詞】問題解決；人工智能；課程設計2017年國務院頒布《新一代人工智能發展規劃》指出，在未來人工智能將成為國際競爭的新焦點，并呼吁實施全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程。[1]此外，《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱《新課標》）也在初中內容模塊中加入“人工智能與智慧社會”。各地中小學在國家和教育部的引領下，積極開發人工智能課程，探索人工智能教育的實施路徑。2021年中國教育學會中小學信息技術專業委員會發布的《中小學人工智能課程開發標準（試行）》中將“實踐驅動問題解決促進能力發展”作為課程理念，鼓勵學生在真實的問題情境中，綜合地運用學科知識形成切實可行的問題解決方案，體驗真正的問題處理過程，感受智能技術和社會人文之間的關系。計算思維作為信息技術學科的四大核心素養之一，也與問題解決密切相關。計算思維就是運用計算機科學的思維方式及其基礎概念進行問題解答和系統設計，包括思考問題、理解問題、解決問題等一系列思維活動。[2]計算思維的培養根植于問題解決的各環節。基于問題解決模型的教學，教師通過創設問題情境，以問題解決過程為課程主線，讓學生在具體的情境中發現問題，探究問題的解決方案，驗證測試，并進一步實現知識的遷移與應用。由此可見，問題解決模型既與人工智能課程設計理念相匹配，又較好地符合信息科學學科核心素養的培養要求。本文以《智能垃圾分類機器人》一課為例，探究基于問題解決模型的初中人工智能課程實施策略。一、基于問題解決模型的人工智能課程教學設計思路依據Bransford提出的IDEAL模型，可將問題解決分為問題識別、問題定義與表征、問題解決方案設計、方案實施與反思評價五個階段。[3]依照問題解決模型的一般流程，可將人工智能課程分解為以下幾個環節（見表1）：1.創設真實情境，引導問題聚焦問題解決強調問題的真實性。[4]人工智能技術的產生往往來源于生活中的現實問題，在具體的項目中得到實際應用，因此，教師在創設問題情境時，也需要由現實問題引出，最好具有開放性和非良構的特性。[5]這樣的現實問題可以是目前市面產品的缺點，也可以是由于社會事件突發導致的產品需求。學生在這一階段需要完成的工作，則是從問題情境中聚焦問題的核心。現實中的問題情境往往是錯綜復雜的，其成因也是多方面的，學生基于自身的人工智能知識基礎，選擇角度切入，把握真實情境中的核心問題。2.支架教學輔助，拆解核心問題在問題解決模型中，問題識別后需要對問題進行定義和表征。問題表征是按照問題情景組織領域知識，形成問題空間中所有信息的語義網絡。[6]對于人工智能課程而言，就是將現實問題抽象為人工智能技術的應用問題。要想使學生能夠實現“問題”到“技術”的過渡，教師需要提供一定的教學支架。回顧之前所學的舊知識，引導學生觸類旁通，提供一定的問題解決策略都是有效的教學輔助。其中，問題解決策略較為常用的是類推、逐步分析和整合等。[7]教師需要引導學生從一個問題發散出多個子問題，逐一突破。3.提供多元工具，創生解決方案為了促進學生問題解決方案的形成，教師可以提供多元工具，這些工具不僅能夠幫助學生頭腦風暴，共享方案，同時也能夠對學生的學習行為進行記錄，為后續的評價總結環節提供數據基礎。4.定點答疑解惑，促成方案落地在方案測試階段，學生會遇到很多問題，一部分問題來源于程序本身的邏輯錯誤，另一部分問題來源于方案不斷改進過程中迸發的新想法對原方案的沖擊。教師在此時應當對學習小組定點答疑。每個小組的方案都具有獨特性，普適性的教學在這一環節并不適用，為了更好地為學生提供幫助，教師可以逐一對各小組的問題進行解惑。5.評價反思總結，實現問題遷移人工智能創意作品的評價需要以學生能力的培養為導向，綜合創新力、批判思維、信息意識、協作能力等多方面的考量。因此，最好包含總結性評價和形成性評價。評價主體和評價方式需要多元化，小組互評、教師評價、學生自評、習題打分相結合。在學習過程中生成的過程性材料也可作為評價依據。人工智能素養中的AI能力強調學生具備跨學科能力和利用AI工具解決工作生活問題的能力。這是對學生問題遷移能力提出的要求。如何將解決一個問題拓展到一類問題，甚至是一個領域的問題，需要教師引導，做好反思與總結。二、基于問題解決模型的人工智能課程教學設計實踐“智能垃圾分類機器人”一課，屬于計算機視覺單元內容。學生在生活中或多或少接觸過文字識別、人臉識別等技術。在創設問題情境時，可以導入垃圾分類這樣的時事問題。在垃圾分類主題下有很多亟待解決的問題，通過學習單引導學生思考：利用人工智能技術是否可以解決垃圾識別的問題，督促居民正確投放垃圾，以及輔助垃圾轉運（見圖1）。在表征問題和分解問題階段，教師可以為學生提供功能與技術支架，通過開放式的問題輔助學生思考垃圾分類會使用到的人工智能技術（見圖2）。同時，學生帶著解決問題的興趣，學習與計算機視覺相關的文字識別技術、人臉識別技術、物體識別技術等原理。在生成問題解決方案階段，引導學生以小組為單位合作完成功能思維導圖，制作小組分工表。思維導圖既可以使用紙筆制作，也可以使用xmind軟件制作（見圖3）。為了使學生能夠獲得更多角度的思考，小組之間可以進行一個簡單的創意分享和評價。方案的優化與迭代伴隨著整個問題解決過程。問題拋出時的初步方案，需要在實際測試中驗證其效力。因此，教師不必在學生設計過程中過多干涉。對于垃圾分類機器人，學生不免有很多天馬行空的創意，保留這些創意可以讓學生的作品更具有獨特性。在方案驗證階段，部分功能可能由于技術問題或者思考不充分的原因被否決，學生可記錄此階段產生的變動。在評價與反思環節，教師從信息獲取與處理能力維度，對學生問題分析的結論進行評價，關注學生信息搜集、處理和歸納的過程。從創新能力角度，橫向對比各小組的作品設計方案，縱向深挖問題解決方案完成評價。對于問題解決能力的評價，則要上升到思維層面，從方案的適用面、問題解決流程的完整性等角度給出評價。展示與分享環節主要鍛煉的是學生的批判性思維和表達能力，能夠在小組中合作完成全部任務，得到小組成員的認可，對其他小組的作品給出恰當的評價，說明學生已經能夠站在更高的角度審視問題（見表2）。教師可以對學生的智能垃圾分類機器人進行綜合點評，并將問題進一步拓展。三、結語智能時代技術的革新，對學生思維和素養水平的要求逐漸提升。而隱藏在計算思維、智能素養背后的，其實是學生用智能技術解決問題的能力。學生需要具備的不僅僅是把問題拆解、細化的能力，同時也需要能夠將人工智能技術與實際問題相匹配