信息科技课程标准下的初中人工智能教学实践探究

刘全

【摘 要】为解决在初中阶段开展人工智能教学遇到的问题，本文根据《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》的要求，以“识别口罩”一课为例探究初中人工智能教学的方法与途径，阐述了初中人工智能教学的内容及建议，借助Mind+进行编程，以分层任务的方式引导学生通过自主学习、合作探究、展示与质疑等环节开展学习。

【关键词】人工智能；教学；分层任务；课程标准

【中图分类号】G434   【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2023）08-057-03

2022年4月，教育部颁布了《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》，新的课程标准根据时代发展需要增加了人工智能教育的相关内容。初中阶段人工智能教学的重点是深化人工智能原理认识，探索利用人工智能相关技术解决问题。

初中教师在开展人工智能教学中遇到的问题主要体现在以下几个方面。首先，人工智能是新生事物，给教师教学带来了不少挑战。面对人工智能浪潮的袭来，教师们不得不学习人工智能相关知识。其次，缺乏理论或经验的指导，教师在开展人工智能教学时只能摸着石头过河，难免走弯路。再次，教师在开展人工智能教学时缺乏配套资源，包括硬件资源与软件资源。开设人工智能课程需要购买硬件设备或者技术服务，对于经济落后地区的学校来说困难重重。最后，缺乏合适的人工智能教材，教师只能花费大量时间去开发系统且适合初中生的人工智能教材[1]。

为解决人工智能教学遇到的问题，并根据《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》对于人工智能教学的建议，本文以“识别口罩”一课为例，探索初中阶段人工智能教学的途径。

初中人工智能课程的教学内容与教学建议

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》关于初中人工智能教育的要求是了解及体验人工智能的应用，并能选用合适的人工智能技术解决生活中遇到的问题。初中学生的知识水平有限，因此初中人工智能课程的内容不宜过难。笔者在实践中发现，图形化编程及开源硬件比较适合应用在初中阶段的人工智能教学中。教学的内容主要有人脸识别、物体识别、语音识别，并且以体验为主。

在初中人工智能教学中，笔者建议采用基于图形化的Mind+进行程序编写。Mind+是一款集成度高、上手快、开发成本低的优秀国产青少年编程软件，支持人工智能及物联网开发，非常适合应用在初中人工智能教学中。在初中人工智能教学硬件选择方面，为便于教学，硬件只需一台带摄像设备的电脑和一副可录音的耳机。如果要进一步研究人工智能技術，或制作人工智能作品参加比赛，则可以选择Arduino开发板、树莓派、语音合成模块、Maixduino及二哈识图等。这些硬件涵盖了机器学习、模型训练、图像识别、语音识别等人工智能技术。

人工智能教学案例展示

1.教学内容概述

本教学案例的课题是识别口罩，是基于Mind+集成的机器学习模块KNN分类器设计的校本课程。具体内容包括开启摄像头、初始KNN分类器、学习戴口罩与不戴口罩的画面，最后再根据训练结果识别是否戴口罩。为更好地让学生理解识别口罩的过程，教师先要让学生理解什么是机器学习。因此，本课还涉及机器学习原理的知识。本课的重点是掌握使用Mind+软件编写识别是否戴口罩的程序。

2.创设问题情境

2019年末，新冠肺炎疫情袭来，严重影响了人们的工作与生活，疫情期间进入公共场所要求规范佩戴口罩。然而总是有一些人在公共场所没有佩戴口罩，给公共场所管理人员带来了不少压力。如何解决疫情期间公共场所有人不戴口罩的问题？人工智能能否解决这个问题？怎样实现？

教师创设以上问题情境，激发学生用人工智能技术解决问题的兴趣。

3.构建分层任务

创设问题情境后，根据教学目标及学生的实际情况，教师为学生设计分层任务。

（1）入门任务

“识别口罩”一课面向的是全体学生，考虑到学生的差异性，本任务要设计得简单一些。学生根据教师提供的微课视频、图文教程，或者通过模仿范例程序可以很快完成任务。具体内容有理解机器学习的含义和开启摄像头及初始KNN分类器。

在实际教学中，教师先提出问题：什么是机器学习？然后通过教学网站向学生提供关于机器学习的文字、图片及视频资料，以自主学习的方式，让学生通过对比人与机器学习的异同来理解机器学习[2]。为检测学生理解机器学习的程度，教师还让学生谈一谈他们对机器学习的认识。如果学生对机器学习的概念比较模糊，教师再进一步讲解。学生在Mind+软件里拖动关键的积木模块就可以实现开启摄像头与初始KNN分类器。因为该任务简单，学生很快就完成了具体操作。这增强了学生进一步学习人工智能技术的自信心。要实现识别人是否戴口罩，必须先学会开启摄像头及导入KNN分类器模块，这也是完成后续任务的前提。

（2）进阶任务

学生以小组为单位共同完成以下两项任务。一是调用Mind+中的KNN分类模块对摄像头中戴口罩与不戴口罩的画面进行分类。为提高识别的准确率，学生需要多次且不同角度从摄像头传输图像。二是在完成KNN分类模块机器学习的基础上，用Mind+编写程序对摄像头中的画面进行识别，也就是识别人有没有戴口罩（图1）。因为任务有一定难度，所以教师要引导学生小组合作探究完成任务。

（3）挑战任务

完成进阶任务后，学生已经能够利用人工智能技术实现识别口罩的功能。然而他们的程序依然有很多不完善的地方，如识别率低、程序设计逻辑混乱等，具体表现如下。

第一，需要按下键盘中不同的按键来触发程序的运行。如按下A键程序开始学习戴口罩的画面、按下B键程序开始学习不戴口罩的画面、按下空格键程序开始识别是否戴口罩。以上设计在学生刚接触人工智能时，可以帮助他们理解机器学习的过程，但是在后期，如果他们已经知道识别口罩的整个流程，以上程序又会变得烦琐且容易出错。第二，部分学生是通过软件窗口以文字的形式将识别结果显示出来，在公共场所不能引起人们的注意，提醒作用不明显。第三，机器学习过程不够人性化。有些学生设计的程序，鼠标点击运行按键后，按下键盘A键或B键开始学习戴口罩或不戴口罩的画面，程序运行过程中没有任何提示，学生很难分辨出当前程序是在学习戴口罩画面还是学习不戴口罩画面，也不知道是否学习结束。

为了让识别口罩的功能变得完善且更加人性化，学生可以根据意愿去修改程序。部分学生会根据教师提出的问题或者自己发现的问题尝试去改进程序，但也有些学生还停留在上一个任务的探究中，这些情况都是本节课所允许的。

4.展示與质疑

学生完成任务后，为促进小组间的交流，教师引导各小组展示他们的探究成果。展示过程中其他学生聆听，如有质疑则及时提出，让学生之间的思维发生碰撞。然而，该环节如果学生之间的互动过于频繁，质疑过多，会出现话题偏离主题，甚至会导致课堂脱离教师的管控。如果有某个小组展示时用时过长，很可能会导致整节课延时。因此，在展示环节，教师提前规定好学生展示的时间。为防止部分小组展示时有拖沓的现象，教师还规定展示的步骤，必要时教师及时干预，提醒学生不要超时。

展示与质疑是整节课最精彩的部分，也是生成性知识产生的主阵地。在实际教学中，教师要营造民主和谐的氛围，让学生敢于表达自己的见解。

5.构建多维评价体系

为激励学生学习的积极性，本节课教师构建了多维的评价体系，评价内容贯穿学生整个学习过程，评价要点包括回答问题、展示与质疑、提交作业、小组自评、教师评价等。各小组的表现将通过量化分数的形式向全班展示。以上评价方式不仅关注学生的学习结果，而且注重对学生学习过程表现的评价，同时鼓励学生对其他小组的作品进行质疑，培养学生的批判精神。

人工智能教学的总结与反思

1.创设问题情境

为解决疫情期间公共场所人员不佩戴口罩的问题，教师引出可以利用人工智能技术缓解管理公共场所压力，激发学生的学习兴趣，提高学生利用技术手段解决实际问题的意识，让学生在做中学、用中学。

2.设置分层任务，科学分组

“识别口罩”设计了入门任务、进阶任务及挑战任务，层层递进，满足不同层次学生需求。教师依托自主开发的教学网站，在开展自主学习、合作探究环节，为学生提供学习资源，促进学生个性化学习，提高学生数字化学习与创新能力。

为了确保小组合作的高效性，教师根据学生不同的基础情况，把学习划分成不同的层次：A层学生信息科技水平最高，实践能力强，他们当中大部分人已经用过Mind+这款软件，且具有较强的图形化编程能力，甚至已经用过KNN分类器；B层学生是曾经了解过图形化编程，但是他们并没有使用过Mind+软件，对机器学习的概念也很模糊；C层学生缺乏基本的信息科技素养，部分学生甚至连打字或复制粘贴操作都存在困难[3]。要让合作得以真正发生，组内成员要明确自己的角色，知道自己的任务。每个小组共4人，组员的角色分工有：小组长、操作员、发言代表与演示员。

3.成本低，可操作性强

“识别口罩”一课的授课地点为电脑室，只需在每台电脑上安装Mind+软件和配置摄像头就可以实现人工智能机器学习功能，不需要购买其他昂贵的人工智能硬件，在落后的地区也可以开展。本课采用了功能强大的Mind+作为编程工具，因为其基于图形化的编程方式，对于教师和学生而言，学习难度不高，可操作性强。

4.创设数字化学习环境

为让教学更好开展，教师依托自主开发的教学网站布置教学任务，并以学习锦囊的形式向学生提供微课教程。学生根据各自的学习进度打开不同的学习资源，这就为不同层次学生的个性化学习提供了支持。学生合作探究完成识别口罩的任务后，通过教学网站提交本小组的作业，并且可以向全班学生展示他们的作业，实现各小组之间相互交流的目的。

5.不足与改进方向

在“识别口罩”一课的实际教学中，教师并未引导学生对本节课所学的内容进行总结、构建自己的知识体系，对人工智能，特别是机器学习的一般方法、原理并没有进行总结。这一方面不利于知识的迁移，当用新的软件编写人工智能程序时会遇到困难。另一方面，小组成员在展示学习成果时有拖沓现象，而且语言不够精简，导致这一环节超时。而在质疑环节，有些学生提出的问题过于简单，未能深入探讨人工智能的相关知识点。

为进一步完善初中人工智能教学，在教学实践中，教师要反复研读《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》，把握好信息科技学科的育人价值，在课堂中融入学科核心素养，引导学生总结一般原理与方法。针对学生在展示与质疑的过程中出现的问题，教师要提出具体的要求，让学生熟悉教学模式，知道展示的方法与流程，质疑时不离题。

注：本文系广东省教育科学规划2021年度中小学教师教育科研能力提升计划重点项目“‘轻人工智能课程在中小学教育的实践研究”（课题批准号：2021ZQJK059）研究成果

参考文献

丁世强，马池珠，魏拥军，杜晓敏，王志乐. 中小学人工智能教育区域推进的困境与突破[J]. 现代教育技术， 2022（11）： 76-78.

李晓晓，谢忠新. 初中人工智能课程逆向教学设计与实践——以“机器学习”初始课为例[J]. 中小学信息技术教育， 2022（5）： 69-70.

余胜，谢莉，袁辉勇. 基于分层任务和项目驱动的“大数据处理技术”课程教学方法研究[J]. 智慧农业导刊，2021（2）： 89-92.

编   辑：冯艳艳