信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)下的初中人工智能教學(xué)實(shí)踐探究

劉全

【摘 要】為解決在初中階段開展人工智能教學(xué)遇到的問題，本文根據(jù)《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》的要求，以“識(shí)別口罩”一課為例探究初中人工智能教學(xué)的方法與途徑，闡述了初中人工智能教學(xué)的內(nèi)容及建議，借助Mind+進(jìn)行編程，以分層任務(wù)的方式引導(dǎo)學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)、合作探究、展示與質(zhì)疑等環(huán)節(jié)開展學(xué)習(xí)。

【關(guān)鍵詞】人工智能；教學(xué)；分層任務(wù)；課程標(biāo)準(zhǔn)

【中圖分類號(hào)】G434? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2023）08-057-03

2022年4月，教育部頒布了《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》，新的課程標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)時(shí)代發(fā)展需要增加了人工智能教育的相關(guān)內(nèi)容。初中階段人工智能教學(xué)的重點(diǎn)是深化人工智能原理認(rèn)識(shí)，探索利用人工智能相關(guān)技術(shù)解決問題。

初中教師在開展人工智能教學(xué)中遇到的問題主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。首先，人工智能是新生事物，給教師教學(xué)帶來了不少挑戰(zhàn)。面對(duì)人工智能浪潮的襲來，教師們不得不學(xué)習(xí)人工智能相關(guān)知識(shí)。其次，缺乏理論或經(jīng)驗(yàn)的指導(dǎo)，教師在開展人工智能教學(xué)時(shí)只能摸著石頭過河，難免走彎路。再次，教師在開展人工智能教學(xué)時(shí)缺乏配套資源，包括硬件資源與軟件資源。開設(shè)人工智能課程需要購(gòu)買硬件設(shè)備或者技術(shù)服務(wù)，對(duì)于經(jīng)濟(jì)落后地區(qū)的學(xué)校來說困難重重。最后，缺乏合適的人工智能教材，教師只能花費(fèi)大量時(shí)間去開發(fā)系統(tǒng)且適合初中生的人工智能教材[1]。

為解決人工智能教學(xué)遇到的問題，并根據(jù)《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》對(duì)于人工智能教學(xué)的建議，本文以“識(shí)別口罩”一課為例，探索初中階段人工智能教學(xué)的途徑。

初中人工智能課程的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)建議

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》關(guān)于初中人工智能教育的要求是了解及體驗(yàn)人工智能的應(yīng)用，并能選用合適的人工智能技術(shù)解決生活中遇到的問題。初中學(xué)生的知識(shí)水平有限，因此初中人工智能課程的內(nèi)容不宜過難。筆者在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，圖形化編程及開源硬件比較適合應(yīng)用在初中階段的人工智能教學(xué)中。教學(xué)的內(nèi)容主要有人臉識(shí)別、物體識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別，并且以體驗(yàn)為主。

在初中人工智能教學(xué)中，筆者建議采用基于圖形化的Mind+進(jìn)行程序編寫。Mind+是一款集成度高、上手快、開發(fā)成本低的優(yōu)秀國(guó)產(chǎn)青少年編程軟件，支持人工智能及物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)，非常適合應(yīng)用在初中人工智能教學(xué)中。在初中人工智能教學(xué)硬件選擇方面，為便于教學(xué)，硬件只需一臺(tái)帶攝像設(shè)備的電腦和一副可錄音的耳機(jī)。如果要進(jìn)一步研究人工智能技術(shù)，或制作人工智能作品參加比賽，則可以選擇Arduino開發(fā)板、樹莓派、語(yǔ)音合成模塊、Maixduino及二哈識(shí)圖等。這些硬件涵蓋了機(jī)器學(xué)習(xí)、模型訓(xùn)練、圖像識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別等人工智能技術(shù)。

人工智能教學(xué)案例展示

1.教學(xué)內(nèi)容概述

本教學(xué)案例的課題是識(shí)別口罩，是基于Mind+集成的機(jī)器學(xué)習(xí)模塊KNN分類器設(shè)計(jì)的校本課程。具體內(nèi)容包括開啟攝像頭、初始KNN分類器、學(xué)習(xí)戴口罩與不戴口罩的畫面，最后再根據(jù)訓(xùn)練結(jié)果識(shí)別是否戴口罩。為更好地讓學(xué)生理解識(shí)別口罩的過程，教師先要讓學(xué)生理解什么是機(jī)器學(xué)習(xí)。因此，本課還涉及機(jī)器學(xué)習(xí)原理的知識(shí)。本課的重點(diǎn)是掌握使用Mind+軟件編寫識(shí)別是否戴口罩的程序。

2.創(chuàng)設(shè)問題情境

2019年末，新冠肺炎疫情襲來，嚴(yán)重影響了人們的工作與生活，疫情期間進(jìn)入公共場(chǎng)所要求規(guī)范佩戴口罩。然而總是有一些人在公共場(chǎng)所沒有佩戴口罩，給公共場(chǎng)所管理人員帶來了不少壓力。如何解決疫情期間公共場(chǎng)所有人不戴口罩的問題？人工智能能否解決這個(gè)問題？怎樣實(shí)現(xiàn)？

教師創(chuàng)設(shè)以上問題情境，激發(fā)學(xué)生用人工智能技術(shù)解決問題的興趣。

3.構(gòu)建分層任務(wù)

創(chuàng)設(shè)問題情境后，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)及學(xué)生的實(shí)際情況，教師為學(xué)生設(shè)計(jì)分層任務(wù)。

（1）入門任務(wù)

“識(shí)別口罩”一課面向的是全體學(xué)生，考慮到學(xué)生的差異性，本任務(wù)要設(shè)計(jì)得簡(jiǎn)單一些。學(xué)生根據(jù)教師提供的微課視頻、圖文教程，或者通過模仿范例程序可以很快完成任務(wù)。具體內(nèi)容有理解機(jī)器學(xué)習(xí)的含義和開啟攝像頭及初始KNN分類器。

在實(shí)際教學(xué)中，教師先提出問題：什么是機(jī)器學(xué)習(xí)？然后通過教學(xué)網(wǎng)站向?qū)W生提供關(guān)于機(jī)器學(xué)習(xí)的文字、圖片及視頻資料，以自主學(xué)習(xí)的方式，讓學(xué)生通過對(duì)比人與機(jī)器學(xué)習(xí)的異同來理解機(jī)器學(xué)習(xí)[2]。為檢測(cè)學(xué)生理解機(jī)器學(xué)習(xí)的程度，教師還讓學(xué)生談一談他們對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的認(rèn)識(shí)。如果學(xué)生對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的概念比較模糊，教師再進(jìn)一步講解。學(xué)生在Mind+軟件里拖動(dòng)關(guān)鍵的積木模塊就可以實(shí)現(xiàn)開啟攝像頭與初始KNN分類器。因?yàn)樵撊蝿?wù)簡(jiǎn)單，學(xué)生很快就完成了具體操作。這增強(qiáng)了學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)人工智能技術(shù)的自信心。要實(shí)現(xiàn)識(shí)別人是否戴口罩，必須先學(xué)會(huì)開啟攝像頭及導(dǎo)入KNN分類器模塊，這也是完成后續(xù)任務(wù)的前提。

（2）進(jìn)階任務(wù)

學(xué)生以小組為單位共同完成以下兩項(xiàng)任務(wù)。一是調(diào)用Mind+中的KNN分類模塊對(duì)攝像頭中戴口罩與不戴口罩的畫面進(jìn)行分類。為提高識(shí)別的準(zhǔn)確率，學(xué)生需要多次且不同角度從攝像頭傳輸圖像。二是在完成KNN分類模塊機(jī)器學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，用Mind+編寫程序?qū)z像頭中的畫面進(jìn)行識(shí)別，也就是識(shí)別人有沒有戴口罩（圖1）。因?yàn)槿蝿?wù)有一定難度，所以教師要引導(dǎo)學(xué)生小組合作探究完成任務(wù)。

（3）挑戰(zhàn)任務(wù)

完成進(jìn)階任務(wù)后，學(xué)生已經(jīng)能夠利用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)識(shí)別口罩的功能。然而他們的程序依然有很多不完善的地方，如識(shí)別率低、程序設(shè)計(jì)邏輯混亂等，具體表現(xiàn)如下。

第一，需要按下鍵盤中不同的按鍵來觸發(fā)程序的運(yùn)行。如按下A鍵程序開始學(xué)習(xí)戴口罩的畫面、按下B鍵程序開始學(xué)習(xí)不戴口罩的畫面、按下空格鍵程序開始識(shí)別是否戴口罩。以上設(shè)計(jì)在學(xué)生剛接觸人工智能時(shí)，可以幫助他們理解機(jī)器學(xué)習(xí)的過程，但是在后期，如果他們已經(jīng)知道識(shí)別口罩的整個(gè)流程，以上程序又會(huì)變得煩瑣且容易出錯(cuò)。第二，部分學(xué)生是通過軟件窗口以文字的形式將識(shí)別結(jié)果顯示出來，在公共場(chǎng)所不能引起人們的注意，提醒作用不明顯。第三，機(jī)器學(xué)習(xí)過程不夠人性化。有些學(xué)生設(shè)計(jì)的程序，鼠標(biāo)點(diǎn)擊運(yùn)行按鍵后，按下鍵盤A鍵或B鍵開始學(xué)習(xí)戴口罩或不戴口罩的畫面，程序運(yùn)行過程中沒有任何提示，學(xué)生很難分辨出當(dāng)前程序是在學(xué)習(xí)戴口罩畫面還是學(xué)習(xí)不戴口罩畫面，也不知道是否學(xué)習(xí)結(jié)束。

為了讓識(shí)別口罩的功能變得完善且更加人性化，學(xué)生可以根據(jù)意愿去修改程序。部分學(xué)生會(huì)根據(jù)教師提出的問題或者自己發(fā)現(xiàn)的問題嘗試去改進(jìn)程序，但也有些學(xué)生還停留在上一個(gè)任務(wù)的探究中，這些情況都是本節(jié)課所允許的。

4.展示與質(zhì)疑

學(xué)生完成任務(wù)后，為促進(jìn)小組間的交流，教師引導(dǎo)各小組展示他們的探究成果。展示過程中其他學(xué)生聆聽，如有質(zhì)疑則及時(shí)提出，讓學(xué)生之間的思維發(fā)生碰撞。然而，該環(huán)節(jié)如果學(xué)生之間的互動(dòng)過于頻繁，質(zhì)疑過多，會(huì)出現(xiàn)話題偏離主題，甚至?xí)?dǎo)致課堂脫離教師的管控。如果有某個(gè)小組展示時(shí)用時(shí)過長(zhǎng)，很可能會(huì)導(dǎo)致整節(jié)課延時(shí)。因此，在展示環(huán)節(jié)，教師提前規(guī)定好學(xué)生展示的時(shí)間。為防止部分小組展示時(shí)有拖沓的現(xiàn)象，教師還規(guī)定展示的步驟，必要時(shí)教師及時(shí)干預(yù)，提醒學(xué)生不要超時(shí)。

展示與質(zhì)疑是整節(jié)課最精彩的部分，也是生成性知識(shí)產(chǎn)生的主陣地。在實(shí)際教學(xué)中，教師要營(yíng)造民主和諧的氛圍，讓學(xué)生敢于表達(dá)自己的見解。

5.構(gòu)建多維評(píng)價(jià)體系

為激勵(lì)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，本節(jié)課教師構(gòu)建了多維的評(píng)價(jià)體系，評(píng)價(jià)內(nèi)容貫穿學(xué)生整個(gè)學(xué)習(xí)過程，評(píng)價(jià)要點(diǎn)包括回答問題、展示與質(zhì)疑、提交作業(yè)、小組自評(píng)、教師評(píng)價(jià)等。各小組的表現(xiàn)將通過量化分?jǐn)?shù)的形式向全班展示。以上評(píng)價(jià)方式不僅關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果，而且注重對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程表現(xiàn)的評(píng)價(jià)，同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)其他小組的作品進(jìn)行質(zhì)疑，培養(yǎng)學(xué)生的批判精神。

人工智能教學(xué)的總結(jié)與反思

1.創(chuàng)設(shè)問題情境

為解決疫情期間公共場(chǎng)所人員不佩戴口罩的問題，教師引出可以利用人工智能技術(shù)緩解管理公共場(chǎng)所壓力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生利用技術(shù)手段解決實(shí)際問題的意識(shí)，讓學(xué)生在做中學(xué)、用中學(xué)。

2.設(shè)置分層任務(wù)，科學(xué)分組

“識(shí)別口罩”設(shè)計(jì)了入門任務(wù)、進(jìn)階任務(wù)及挑戰(zhàn)任務(wù)，層層遞進(jìn)，滿足不同層次學(xué)生需求。教師依托自主開發(fā)的教學(xué)網(wǎng)站，在開展自主學(xué)習(xí)、合作探究環(huán)節(jié)，為學(xué)生提供學(xué)習(xí)資源，促進(jìn)學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)，提高學(xué)生數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力。

為了確保小組合作的高效性，教師根據(jù)學(xué)生不同的基礎(chǔ)情況，把學(xué)習(xí)劃分成不同的層次：A層學(xué)生信息科技水平最高，實(shí)踐能力強(qiáng)，他們當(dāng)中大部分人已經(jīng)用過Mind+這款軟件，且具有較強(qiáng)的圖形化編程能力，甚至已經(jīng)用過KNN分類器；B層學(xué)生是曾經(jīng)了解過圖形化編程，但是他們并沒有使用過Mind+軟件，對(duì)機(jī)器學(xué)習(xí)的概念也很模糊；C層學(xué)生缺乏基本的信息科技素養(yǎng)，部分學(xué)生甚至連打字或復(fù)制粘貼操作都存在困難[3]。要讓合作得以真正發(fā)生，組內(nèi)成員要明確自己的角色，知道自己的任務(wù)。每個(gè)小組共4人，組員的角色分工有：小組長(zhǎng)、操作員、發(fā)言代表與演示員。

3.成本低，可操作性強(qiáng)

“識(shí)別口罩”一課的授課地點(diǎn)為電腦室，只需在每臺(tái)電腦上安裝Mind+軟件和配置攝像頭就可以實(shí)現(xiàn)人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)功能，不需要購(gòu)買其他昂貴的人工智能硬件，在落后的地區(qū)也可以開展。本課采用了功能強(qiáng)大的Mind+作為編程工具，因?yàn)槠浠趫D形化的編程方式，對(duì)于教師和學(xué)生而言，學(xué)習(xí)難度不高，可操作性強(qiáng)。

4.創(chuàng)設(shè)數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境

為讓教學(xué)更好開展，教師依托自主開發(fā)的教學(xué)網(wǎng)站布置教學(xué)任務(wù)，并以學(xué)習(xí)錦囊的形式向?qū)W生提供微課教程。學(xué)生根據(jù)各自的學(xué)習(xí)進(jìn)度打開不同的學(xué)習(xí)資源，這就為不同層次學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)提供了支持。學(xué)生合作探究完成識(shí)別口罩的任務(wù)后，通過教學(xué)網(wǎng)站提交本小組的作業(yè)，并且可以向全班學(xué)生展示他們的作業(yè)，實(shí)現(xiàn)各小組之間相互交流的目的。

5.不足與改進(jìn)方向

在“識(shí)別口罩”一課的實(shí)際教學(xué)中，教師并未引導(dǎo)學(xué)生對(duì)本節(jié)課所學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)、構(gòu)建自己的知識(shí)體系，對(duì)人工智能，特別是機(jī)器學(xué)習(xí)的一般方法、原理并沒有進(jìn)行總結(jié)。這一方面不利于知識(shí)的遷移，當(dāng)用新的軟件編寫人工智能程序時(shí)會(huì)遇到困難。另一方面，小組成員在展示學(xué)習(xí)成果時(shí)有拖沓現(xiàn)象，而且語(yǔ)言不夠精簡(jiǎn)，導(dǎo)致這一環(huán)節(jié)超時(shí)。而在質(zhì)疑環(huán)節(jié)，有些學(xué)生提出的問題過于簡(jiǎn)單，未能深入探討人工智能的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。

為進(jìn)一步完善初中人工智能教學(xué)，在教學(xué)實(shí)踐中，教師要反復(fù)研讀《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》，把握好信息科技學(xué)科的育人價(jià)值，在課堂中融入學(xué)科核心素養(yǎng)，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)一般原理與方法。針對(duì)學(xué)生在展示與質(zhì)疑的過程中出現(xiàn)的問題，教師要提出具體的要求，讓學(xué)生熟悉教學(xué)模式，知道展示的方法與流程，質(zhì)疑時(shí)不離題。

注：本文系廣東省教育科學(xué)規(guī)劃2021年度中小學(xué)教師教育科研能力提升計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“‘輕人工智能課程在中小學(xué)教育的實(shí)踐研究”（課題批準(zhǔn)號(hào)：2021ZQJK059）研究成果

參考文獻(xiàn)

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編? ?輯：馮艷艷