OBE视域下的高中人工智能教学活动框架及应用_中教服国培（北京）教育科技院

OBE视域下的高中人工智能教学活动框架及应用

发布时间：2025-01-25

摘要：OBE是一种以学生为本的教育理念，有助于学习者高质量参与教学活动。文章在OBE视域下构建了高中人工智能教学框架，并选取我国G省X高中开展两轮迭代教学应用，利用准实验研究法探究了OBE视域下的高中人工智能教学活动框架的应用效果。研究结果表明，OBE视域下的高中人工智能教学与传统教学相比，学生的学习兴趣、动机、信心、知识水平、核心素养、问题解决能力得到了显著提升。

关键词：高中人工智能教学；OBE；教学活动框架

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一、问题的提出

人工智能（Artificial Intelligence，简称AI）作为引领未来的战略性技术，正推动人类社会向智能时代迈进，有助于培养掌握颠覆性技术的创新型人才，为现代化强国建设赢得人才先机^[1]。当前，人工智能教学主要包含在其他课程中使用人工智能技术进行教学和在专门的课程中以人工智能为内容进行教学两层含义^[2]。我国部分高中已在信息技术课程中以人工智能相关知识技能为内容开展教学，但未达到贴近学生、贴近生活、由易到难的标准^[3]；部分学校硬件设备总体情况较好，但仍存在相应教学软件及资源较为稀缺^[4]、教学活动设计较随意、重理论轻实践、缺乏可借鉴的典型教学案例等问题。成果导向教育（Outcome-based Education，简称OBE）理念强调发挥学习者的主动性，重视教学活动与真实生活需求和经验的联结等相关内涵^[5]，对提高高中人工智能教学活动效果具有一定的启示。本研究将尝试在OBE视域下构建高中人工智能教学活动框架，并在课堂中开展应用实践和效果检验，从而为高中人工智能教学革新提供理论支持及实践参考，以期助力“数字中国”战略的推进。

二、研究基础

为促进人工智能教学活动的开展，研究者从整体上提出了包含课程目标、课程内容、教师培养、教育服务的中小学人工智能教学实施框架^[6]，依托项目式教学模式、STEM教学模式等构建了“人工智能+X”跨学科融合教学活动框架^[7]，以及“知识建构、STEM、创客”三位一体教学活动模型等^[8]。项目式教学模式能发挥学生主动性和合作精神，STEM教学模式适用于实操教学，人工智能教学同时包含实操教学和理论教学。项目式教学和STEM教学虽然值得人工智能教学借鉴，但两者与人工智能教学并不能等同。此外，将人工智能与STEM教学整合是否会导致学生认知负荷过载尚不明确。虽然已有研究对人工智能教学活动框架的设计具有很好的借鉴作用，但仍存在缺少对学生学习成果的关注、缺乏实践支撑、可操作性不强等问题，未能较好地促进我国高中人工智能教学。

21世纪以来，OBE理念已在国外教育领域、国内工程教育领域中得到广泛应用。OBE作为一种人才培养的理论框架，具有成果明确、关注学生、能够充分发挥学生的主观能动性、促进教学不断改进等优点，能帮助增强学生的内在驱动力，为解决我国高中人工智能教学困境提供了思路和方法。因此，本研究将结合高中信息技术学科中人才培养的新目标，在OBE视域下构建适合我国高中阶段人工智能教学的活动框架，以期为推动高中人工智能教学革新提供参考和借鉴。

三、OBE视域下高中人工智能教学活动框架设计

（一）设计原则

1.以学生为主体，制定能力和素质提升目标

OBE理念强调以学生为中心，最大限度地激发学习者的动机，在对学生学习需求反思与分析的基础上进行教学设计^[9]。OBE视域下的高中人工智能教学活动框架应以学生为中心，依据学生最终应具备的能力和素质来制定教学目标；以预期成果作为出发点，设计贴近学生生活的活动任务；在有限的课时内，最大限度地激发学生的动机与潜能，引导学生在成果实现过程中解决问题，促进学生的学科核心素养与问题解决能力的提升。

2.以成果为导向，明确活动设计

OBE理念提倡为学而教，强调教学活动服务于教学目标，增强学生在教学过程中获得的主体体验。OBE视域下的高中人工智能教学活动框架应以学习成果为导向，设计明确且系统的活动，促进高中生在人工智能学习活动中获得更多的主体体验，进行实际操作训练，提升学生的核心素养，成功实现预期教学目标。

3.以反馈为途径，改进沟通交流效果

持续改进是OBE理念的核心思想之一，强调指导和促进学生提升独立思考、交流合作、问题探究和实践应用等能力，关注每位学生的学习反馈，并对学生的学习成果更为包容。OBE视域下的高中人工智能教学活动框架应强调反馈与改进，以反馈为引导，加强师生、生生之间的交流，使学生不断地将自己的学习情况与活动情境中的目标成果相对照，持续改进课堂产出，促进学生能够达到最佳的学习效果。

（二）框架内涵

针对当前高中人工智能教学存在的问题和不足，本研究基于OBE构建高中人工智能教学活动框架（见图1），具体包括以下环节：（1）明确成果。教师设计课前测试题，对学生进行课前测试，根据前测的结果、课程标准及教学重难点等，与学生共同明确预期教学成果。（2）实现成果。首先，依据评估结果对学生精准分组；接着，创设贴近学生生活的活动情境，带领学生融入情境，引出新课，讲解知识点，阐明任务；随后，引导学生拆解任务，依次进行个人体验学习、分组协作学习，利用编程工具创作作品，完成学习任务单。（3）评价成果。学生展示、汇报成果，师生评价交流，总结反思。（4）学生填写问卷，师生共同找出不足与问题，并进行改进，完善教学实践活动，强化学生所学的知识内容，不断迭代教学效果。

（三）活动设计

1.教师活动

教师在OBE视域下的高中人工智能教学活动中起引导作用，是教学的主导者，需要完成以下活动：（1）为学生设计课前测试，引导学生完成自测，明确总体教学目标；（2）组织学生划分小组，按小组就坐，为小组活动做准备；（3）创设教学活动情境引入新课，引导学生补充学习任务单中的目标成果，利用学习任务单布置活动任务；（4）带领学生分解任务、选择活动进行体验，并在不同阶段讲解知识点，引导学生进行小组作品创作；（5）回收学习任务单，组织学生展示学习成果，进行评价交流；（6）分析成果，带领学生总结所学内容，并发放教学情况问卷，结合数据进行反思，迭代提高。

2.学生活动

学生是OBE视域下的高中人工智能教学活动的主体，需要完成以下活动：（1）登录课堂管理系统，使用人工智能测试题进行自测，明确总体教学成果；（2）加入分组，确定组号；（3）在教师的引导下进入教学活动情境，并补充学习任务单中的具体目标成果，了解学习任务；（4）选择任务并体验AI应用，在教师的讲解下深入了解知识点，小组协作制作作品，并解决制作过程中的问题；（5）展示汇报小组制作的AI应用，提交学习任务单；（6）自我反思，完善作品，总结所学内容，并填写评价问卷。

四、OBE视域下高中人工智能教学活动框架的迭代应用

（一）研究目标

为验证OBE视域下的高中人工智能教学活动框架的合理性，本研究将在真实教学情境中进行框架的实践应用，并基于应用效果对框架进行修正，获得正确的结论与启示。

（二）研究对象

本研究选取我国G省X高中高一年级4个班的学生为研究对象。前期调查发现，该校目前人工智能教学活动较繁杂且偏理论，体验、实践、协作活动较缺乏，学生对人工智能的兴趣不足，问题解决能力较差。为进一步了解研究对象，本研究使用与该校多名高中信息技术授课教师共同编制的“人工智能基础知识测试题”，对研究对象进行了前测，具体情况如表1所示。第一轮随机指定的实验组A班与控制组B班，学生的人工智能基础知识水平无显著性差异（p=0.83，p>0.05）。第二轮随机指定的实验组C班与控制组D班，学生的人工智能基础知识水平无显著性差异（p=0.50，p>0.05）。进一步分析发现，超过60%的学生对人工智能的相关知识与应用了解程度较低。同时，该年级学生有Python语言学习经验但整体基础较薄弱，故本课的活动成果设定以学生实际知识水平为基础。

（三）研究假设

本研究的自变量为教学模式，因变量为高中生人工智能教学效果，包括学生的学习兴趣、动机、信心、知识水平、核心素养、问题解决能力等，同时控制任课教师、课时量等无关变量。结合研究目标和文献梳理，提出以下两个假设。

H₁：OBE视域下的高中人工智能教学与传统教学相比，学生的学习兴趣、动机、信心、知识水平显著提升。

H₂：OBE视域下的高中人工智能教学与传统教学相比，学生的核心素养、问题解决能力显著提升。

（四）研究工具

为探索OBE视域下高中人工智能教学活动框架对学习效果的影响，使用“人工智能基础知识测试题”和“教学效果调查问卷”进行测试与调查。（1）测试题由研究助理与该校多名高中信息技术授课教师共同研讨编制，分为选择题、填空题和开放题，用于前后测；（2）调查问卷包括学生的学习兴趣、满意度、核心素养、问题解决能力等6个维度，其中，学习兴趣、满意度题项参考ARCS量表^[10]，核心素养题项基于信息意识、计算思维、数字化学习与创新、社会责任4个维度设置。问卷采用李克特5点式计分，信度检验的Cronbach’s α值为0.909，效度检验的KMO值为0.877，说明问卷的信、效度良好^[11]。

（五）研究过程

本研究中的教材选用普通高中教科书《信息技术》(必修1)，以及《人工智能（高中版）》。研究助理与研究对象所在学校的任课教师共同编制教学PPT、学习任务单，并借助课堂管理系统、编程猫源编辑器等教学工具，进行了为期半个月的教学，每班的教学时长均为两个课时。

1.第一轮教学实施

实验组具体教学活动如下：（1）明确成果。教师根据课前分析，与学生共同明确教学成果，阐明学习任务单上的任务内容。（2）实现成果。教师创设学习情境“人工智能之旅”，学生通过辨认动物园中的动物活动进入旅游情境，引出新课。完成第一站“知识补给站”中的人工智能介绍之后，教师引导学生拆解任务，进入第二站“智能体验站”，选择活动体验学习，汇报人工智能的作用与影响。然后，基于体验，在第三站“头脑风暴站”中辩论人工智能的弊端。接着，在第四站“实践感知站”中协作学习，制作“人脸识别”系统。（3）评价成果。小组展示“人脸识别”系统、汇报成果，师生评价交流，总结成果。最后，在此基础上进行迭代提升，在第五站“风景延伸站”进行随堂练习、学生自我评价，改进作品，完善教学实践活动。

第一轮教学结束后，与学生、授课教师访谈，并分别对实验组A班和控制组B班的学生使用“人工智能基础知识测试题”进行后测，以及用“教学效果调查问卷”进行调查，发现存在以下问题：（1）学生在分组合作时较为混乱，影响合作进度。（2）制作“人脸识别”系统时，部分学生跟不上进度，在操作上存在困难。（3）在小组中，学生的动手能力参差不齐，少数学生能力较强，但不愿意参与组内讨论。（4）教师在学生动手操作的过程中穿插知识点的讲解，会打断学生的思路，导致部分学生出现不认真听讲的抗拒现象。基于受访学生、授课教师的建议，针对OBE视域下的高中人工智能教学活动框架在运用中存在的问题作以下改进：（1）每组学生选出1名小组长，促进组内成员的协作。（2）在学生动手操作制作“人脸识别”系统时，为学生提供学习支架，例如提供教学视频。（3）教师可邀请能力较强的学生担当教学小助手，在班内巡视，帮助有问题的小组解决技术问题。（4）教师在学生进行实操前，先对相关知识点作讲解。

2.第二轮教学实施

第二轮教学针对实验组C班和控制组D班的学生展开。在教学中，授课教师按照第一轮教学的改进策略，作了明确小组长、提供学习支架等方面的改进，提高了学生完成学习任务的效率。教学实验结束后，研究助理对学生、授课教师进行了访谈，并分别对两班学生使用“人工智能基础知识测试题”进行后测，以及用“教学效果调查问卷”进行调查。接着，针对访谈资料和调查数据进行分析，探究OBE视域下的高中人工智能教学活动框架在教学实践中的实际应用效果。

基于OBE视域下的高中人工智能教学活动框架在应用过程中出现的问题与改进策略，本研究对初构的框架进行了修正。针对“实现成果”环节的教师活动作出以下修改（见图2）：（1）在教师“设置任务”之后，增加“知识点讲解”；（2）在“任务分解”之后，增加“提供学习支架”。

（六）研究结果

1.学生的学习兴趣、动机、信心、知识水平显著提升

运用SPSS软件对实验组和控制组学生的学习兴趣、动机、信心、知识水平进行独立样本t检验，结果如表2所示。实验组的平均值均高于控制组，且p<0.01，存在显著差异。同时，受访师生表示实验组的学生注意力更集中、学习兴趣更浓、师生互动增加，课堂氛围变得轻松愉悦。此外，为进一步了解教学前后学生的变化情况，运用SPSS进行配对样本t检验，发现实验组学生的学习兴趣、学习动机、学习信心均显著提升，存在显著差异（p<0.01），而控制组学生的学习兴趣、学习动机、信心在教学前后不存在显著差异（p值均大于0.05）。综上所述，OBE视域下的高中人工智能教学与传统教学相比，学生的学习兴趣、动机、信心、相关知识水平得到了显著提升，假设H₁成立。

2.学生的核心素养、问题解决能力显著提升

对实验组和控制组学生的核心素养进行独立样本t检验，结果如表3所示。实验组的信息意识、计算思维、数字化学习与创新、社会责任4个维度的平均值均高于控制组，且p<0.01，这表明4个维度均存在显著差异。其中，在计算思维上表现最为优异，平均值为4.64（满分5.00）。本研究对计算思维实践各要素前后测的均值进行了比较，发现实验组学生的信息意识、计算思维、数字化学习与创新、社会责任的前后测结果呈现出显著差异（p<0.01），而控制组学生的核心素养在教学前后不存在显著差异（p均大于0.05）。可见，通过OBE视域下高中人工智能教学活动框架下的教学，学生的核心素养得到了显著提升，在计算思维、社会责任两个要素上的表现尤为明显。

由表4可知，实验组学生的问题解决能力、学习满意度均高于控制组，且具有显著差异（p<0.01），与传统教学模式相比，学生更愿意接受OBE视域下高中人工智能教学活动框架下的教学，学生、授课教师均对此教学活动框架持肯定态度。此外，对同一组学生教学前后的问题解决能力、学习满意度进行比较发现，实验组学生的问题解决能力的前后测结果呈现出显著差异。由此可见，OBE视域下高中人工智能教学活动框架下的教学，显著提升了学生的核心素养与问题解决能力，故假设H₂成立。

五、研究讨论与小结

（一）研究讨论

1.OBE视域下的高中人工智能教学活动框架应用效果

本研究设计了OBE视域下的高中人工智能教学活动框架，并开展两轮迭代应用。准实验研究结果表明，OBE视域下的高中人工智能教学与传统教学相比，不仅学生的学习兴趣、动机、信心、知识水平显著提升，核心素养、问题解决能力、学习满意度也显著提升。本研究中的预期教学成果由师生共同制定，学生可自主选择体验活动和确定具体的预期成果，以此提升学生的学习动机与信心。本研究的教学活动既包含教师的理论讲解，也包含学生的实际应用操作训练，学生既能“学懂”，也能“做出”，在动手完成学习任务的过程中，将独立的知识节点进行联结，形成相应的认知网络。除了关注学生知识水平的提升，本研究还关注学生学科核心素养的培养，在活动设计中更加注重培养学生的迁移能力，使学生在参与实操性、逻辑性的教学活动过程中，不断对目标成果进行系统思考、设计、编程实现。

2.OBE对高中人工智能教学的支持作用

本研究充分发挥了OBE教育理念的关注学生、成果导向等内涵对高中人工智能教学的重要支持作用。（1）以学生为主体，以成果为导向。本研究设计的教学活动框架凸显了OBE理念对学生的关注，结合学生情况与生活实际，打造以学生为中心、师生高质量参与的课堂。本研究以学生自身的学习、生活经验为基础创设教学活动情境，做到教学活动以学生为主体；同时，运用教材之外的人工智能应用资源及编程工具，帮助学生形成以成果为导向的学习意识。（2）发挥学生自主性，高效实现成果。在实现成果的过程中，OBE理念关注实践性与自主性，在个人活动时，让学生自主选择体验活动，在体验中理解、归纳人工智能的相关作用与影响；在小组活动时，让学生互助完成学习成果，效率较高。此外，本研究设计的活动框架让学生无课前负担，仅需在课中高效地完成学习任务单并提交。（3）以反馈促提升，沟通交流迭代成长。在评价方式上，通过师生反馈来保证教学活动不偏离目标，同时能激发学生的表达欲望。在评价内容上，除了对学生的核心素养较关注，还关注学生的问题解决能力。在评价工具上，本研究中的评价活动无须特殊评价的工具，仅使用问卷星工具及课堂管理系统。

3.OBE视域下的高中人工智能教学活动建议

结合教学活动实践，本研究提出以下几点建议：（1）制定明确且有引导性的学习目标。高中人工智能传统教学容易使学生对学习目的感到迷茫，而运用OBE视域下的高中人工智能教学活动框架进行教学时，师生共同制定明确、具体的学习目标，在具体活动中为实现学习成果共同努力。（2）设计以学生为中心的趣味性活动。教师在设计高中人工智能教学活动时，可参考本研究提出的教学活动框架及应用案例，以学生的知识水平与经验为基础，设计系统性和趣味性的教学活动，营造轻松愉悦的教学氛围，点燃学生对人工智能的学习热情。（3）给予学生实操机会和及时反馈。教师使用OBE视域下的高中人工智能教学活动框架进行教学，应给学生更多的动手实践机会，使学生在体验中加深对相关内容的理解，在实际操作中形成知识网络，并提升自身解决问题的能力。此外，教师要在教学中给予学生及时的评价反馈，使学生在沟通交流中成长，帮助学生在反馈中不断改进学习策略，促进学习目标的实现。

（二）研究小结

本研究构建了OBE视域下的高中人工智能教学活动框架，并进行了框架应用效果的检验，为高中人工智能的一线教学提供了参考和借鉴，但仍存在一定的局限性。第一，本研究只对某省的一所高中进行了实践，样本量较小，具有较强的个案特征。今后将逐渐扩大样本量，增加对活动框架的实际运用，使研究成果的普适性得到提高。第二，在教学中只是让学生体验了部分人工智能的相关技术应用，今后将继续进行探索与优化，致力于探寻可操作性强、更具系统性和趣味性的人工智能教学活动，以期更好地帮助提升高中人工智能教学效果，为一线教师教学提供可参考和借鉴的案例，助力我国高中人工智能教学发展，为国家培养更多的数字化人才，推进“数字中国”战略的实施。

来源：数字教育