人工智能課程創(chuàng)新教學(xué)模式與實(shí)踐

【摘要】本文主要闡述筆者在開(kāi)發(fā)“智能移動(dòng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)”校本課程的過(guò)程中，如何將人工智能與AppInventor融合創(chuàng)新，設(shè)計(jì)課程內(nèi)容，構(gòu)建教學(xué)模式并進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐，從而探索出一條人工智能課程教學(xué)的有效途徑?！娟P(guān)鍵詞】人工智能；課程教學(xué)模式；融合創(chuàng)新《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》提出：“實(shí)施全民人工智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育”；《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》將人工智能納入課程模塊。廣大一線教師面臨有新課標(biāo)、沒(méi)有新教材的難題。目前，已經(jīng)發(fā)布的一些人工智能教材中，有的教材內(nèi)容有些重理論輕實(shí)踐，制約了學(xué)生創(chuàng)造力，不利于提升學(xué)生解決問(wèn)題的能力以及創(chuàng)新思維等高階思維能力；有的教材雖然有實(shí)踐模塊，但是需要硬件支撐，這給資金不足的學(xué)校帶來(lái)了困難。AppInventor是一款手機(jī)在線圖形化編程軟件，內(nèi)含人工智能組件，支持API的調(diào)用和導(dǎo)入從其他人工智能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)訓(xùn)練好的模型，以及實(shí)時(shí)的測(cè)試。該軟件是一款非常適合開(kāi)發(fā)人工智能課程的軟件。筆者結(jié)合本?！翱茖W(xué)教育創(chuàng)新求真”的辦學(xué)追求，將人工智能與AppInventor進(jìn)行融合創(chuàng)新，開(kāi)發(fā)了“智能移動(dòng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)”校本課程，課程內(nèi)容理論與實(shí)踐并重，并且不需要昂貴的硬件設(shè)備支撐。創(chuàng)新課程內(nèi)容在《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》《中小學(xué)人工智能技術(shù)與工程素養(yǎng)框架》和《中小學(xué)人工智能課程開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)（試行）》的指導(dǎo)下，筆者設(shè)計(jì)了校本課程。課程目標(biāo)是進(jìn)行人工智能與AppInventor的融合教育，讓學(xué)生掌握人工智能技術(shù)的基本原理、具備開(kāi)發(fā)人工智能App的基本技能和樹(shù)立適應(yīng)智能社會(huì)發(fā)展的責(zé)任意識(shí)。課程內(nèi)容以“移動(dòng)智能”為主題，融合人工智能技術(shù)，以“聽(tīng)單詞App”“背單詞App”“智能翻譯App”“拍圖識(shí)花App”“人臉檢測(cè)App”“文字識(shí)別App”為項(xiàng)目設(shè)計(jì)了六章內(nèi)容。每章內(nèi)容由人工智能產(chǎn)品體驗(yàn)、人工智能技術(shù)原理、人工智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)、人工智能App設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)、人工智能技術(shù)應(yīng)用前景與倫理等部分組成。創(chuàng)新課程教學(xué)模式筆者結(jié)合《中小學(xué)人工智能技術(shù)與工程素養(yǎng)框架》中的人工智能核心素養(yǎng)框架四個(gè)領(lǐng)域的內(nèi)容和項(xiàng)目式教學(xué)的實(shí)施步驟，設(shè)計(jì)了課程教學(xué)模式。該教學(xué)模式分四大環(huán)節(jié)。一是感知智能。體驗(yàn)是基礎(chǔ)教育階段最重要的學(xué)習(xí)方式，也是創(chuàng)新的基礎(chǔ)和前提。在感知智能環(huán)節(jié)教師設(shè)計(jì)體驗(yàn)活動(dòng)，讓學(xué)生體驗(yàn)人工智能技術(shù)，感知人工智能技術(shù)在生活中的應(yīng)用。二是揭示智能。人工智能技術(shù)原理較為抽象，教師可以通過(guò)類比人類活動(dòng)或者利用人工智能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，從而揭示與驗(yàn)證基本原理。三是創(chuàng)新智能。教師創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目情境，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用學(xué)過(guò)的人工智能技術(shù)設(shè)計(jì)項(xiàng)目方案，利用AppInventor開(kāi)發(fā)人工智能App，對(duì)App進(jìn)行測(cè)試與優(yōu)化，小組間進(jìn)行成果展示與評(píng)價(jià)總結(jié)。此環(huán)節(jié)是教學(xué)過(guò)程中最為重要的環(huán)節(jié)，旨在讓學(xué)生在動(dòng)手、動(dòng)腦的實(shí)踐過(guò)程中，加深對(duì)所學(xué)知識(shí)技能的理解和掌握，學(xué)以致用，融會(huì)貫通。此環(huán)節(jié)著力培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新精神、計(jì)算思維能力，提升學(xué)生的數(shù)字素養(yǎng)。四是思辨智能。人工智能技術(shù)雖然能服務(wù)于人類和社會(huì)，但也帶來(lái)了一些負(fù)面影響。教師通過(guò)案例引導(dǎo)學(xué)生在日常學(xué)習(xí)與生活中合理、規(guī)范地使用人工智能技術(shù)和評(píng)估人工智能技術(shù)帶來(lái)的法律風(fēng)險(xiǎn)。創(chuàng)新課程實(shí)施案例筆者在七年級(jí)15個(gè)班進(jìn)行了大班教學(xué)，本文以“拍圖識(shí)花App”一課為例闡述課程的實(shí)施過(guò)程。1.感知智能：體驗(yàn)計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)學(xué)生三人一組，每組發(fā)放一臺(tái)平板電腦，各組打開(kāi)“曠視AI體驗(yàn)中心”小程序，體驗(yàn)其中的功能。體驗(yàn)完后，教師引導(dǎo)學(xué)生思考：計(jì)算機(jī)猶如我們?nèi)祟惖氖裁聪到y(tǒng)呢？它之所以能夠獲取和識(shí)別外部世界信息是依賴于什么技術(shù)呢？進(jìn)而引出計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的概念。教師繼續(xù)提問(wèn)：在日常生活和學(xué)習(xí)中還有哪些產(chǎn)品應(yīng)用了計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)呢？提升學(xué)生對(duì)計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的敏感度與理解力。最后教師播放“計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景”的視頻，使學(xué)生了解計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的巨大潛力，擴(kuò)寬學(xué)生的見(jiàn)識(shí)。本案例通過(guò)人工智能體驗(yàn)小程序，讓學(xué)生親身感受計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的魅力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)新技術(shù)的興趣，并引發(fā)學(xué)生思考，進(jìn)而引出計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)。2.揭示智能：理解計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)原理教師引導(dǎo)學(xué)生思考小孩是怎么認(rèn)識(shí)狗的，然后讓學(xué)生類比小孩認(rèn)識(shí)狗的過(guò)程，探究計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的基本原理，提供學(xué)生計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的工作流程圖。在此過(guò)程中學(xué)生深度學(xué)習(xí)，自主構(gòu)建知識(shí)，得出計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的工作流程由圖像采集、特征提取、模型訓(xùn)練、模型輸出四個(gè)基本環(huán)節(jié)構(gòu)成。接下來(lái)，教師指導(dǎo)學(xué)生利用PersonalImageClassifier人工智能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)訓(xùn)練雞蛋花與龍船花的特征模型并進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)此任務(wù)驗(yàn)證學(xué)過(guò)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)原理。3.創(chuàng)新智能：開(kāi)發(fā)“拍圖識(shí)花App”教師創(chuàng)設(shè)真實(shí)的生活情境：小馨跟媽媽爬山時(shí)看到山上開(kāi)滿了各種花，可是很多花名小馨都不知道，如何幫助她快速地認(rèn)識(shí)這些花呢？進(jìn)而引出項(xiàng)目任務(wù)：開(kāi)發(fā)一款拍圖識(shí)花App。AppInventor并沒(méi)有自帶花的特征模型，學(xué)生需要將PersonalImageClassifier人工智能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)生成的模型導(dǎo)入AppInventor里。教師提供將模型導(dǎo)入AppInventor的操作方法、邏輯設(shè)計(jì)程序流程圖和挖空的半成品代碼作為腳手架，引導(dǎo)學(xué)生小組合作，根據(jù)真實(shí)需求設(shè)計(jì)利用計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)解決問(wèn)題的方案，并利用AppInventor編程實(shí)現(xiàn)應(yīng)用方案，對(duì)功能進(jìn)行測(cè)試與優(yōu)化，最后在小組間進(jìn)行展示交流，聽(tīng)取其他組的意見(jiàn)再優(yōu)化App。學(xué)生在界定問(wèn)題—分析問(wèn)題—制定方案—實(shí)現(xiàn)方案—反思優(yōu)化的過(guò)程中提升了解決問(wèn)題的能力，發(fā)展了計(jì)算思維。學(xué)生利用人工智能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與AppInventor開(kāi)展協(xié)同創(chuàng)新，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)具有應(yīng)用價(jià)值的App，在此過(guò)程中提高了數(shù)字化合作與探究能力。4.思辨智能：分析計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的利弊教師引導(dǎo)學(xué)生上網(wǎng)查閱相關(guān)資料，通過(guò)正反兩面的案例，分組思考、討論計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的利弊，并分享討論成果，引導(dǎo)學(xué)生樹(shù)立正確的智能社會(huì)發(fā)展意識(shí)。創(chuàng)新課程教學(xué)實(shí)踐效果筆者應(yīng)用AI微認(rèn)證人工智能素養(yǎng)測(cè)評(píng)系統(tǒng)分別在校本課程實(shí)施前和實(shí)施后對(duì)全校七年級(jí)15個(gè)班共計(jì)612名學(xué)生進(jìn)行了人工智能素養(yǎng)測(cè)評(píng)。該測(cè)評(píng)從推理能力、編程能力、分析能力、運(yùn)算能力、知識(shí)儲(chǔ)備（人工智能基礎(chǔ)知識(shí)和原理）等五個(gè)維度對(duì)學(xué)生的人工智能素養(yǎng)進(jìn)行量化評(píng)估。為了反映相同樣本在課程實(shí)施前后的變化程度，筆者用SPSS22軟件對(duì)測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行“配對(duì)樣本t檢驗(yàn)”[1]。結(jié)果顯示：通過(guò)校本課程的實(shí)施，學(xué)生的總平均成績(jī)有所提高；在校本