人工智能課程創(chuàng)新教學(xué)模式與實踐

【摘要】本文主要闡述筆者在開發(fā)“智能移動應(yīng)用開發(fā)”校本課程的過程中，如何將人工智能與AppInventor融合創(chuàng)新，設(shè)計課程內(nèi)容，構(gòu)建教學(xué)模式并進行教學(xué)實踐，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：“實施全民人工智能教育項目，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準（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、沒有新教材的難題。目前，已經(jīng)發(fā)布的一些人工智能教材中，有的教材內(nèi)容有些重理論輕實踐，制約了學(xué)生創(chuàng)造力，不利于提升學(xué)生解決問題的能力以及創(chuàng)新思維等高階思維能力；有的教材雖然有實踐模塊，但是需要硬件支撐，這給資金不足的學(xué)校帶來了困難。AppInventor是一款手機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驗平臺訓(xùn)練好的模型，以及實時的測試。該軟件是一款非常適合開發(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進行融合創(chuàng)新，開發(fā)了“智能移動應(yīng)用開發(fā)”校本課程，課程內(nèi)容理論與實踐并重，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準（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)人工智能課程開發(fā)標準（試行）》的指導(dǎo)下，筆者設(shè)計了校本課程。課程目標是進行人工智能與AppInventor的融合教育，讓學(xué)生掌握人工智能技術(shù)的基本原理、具備開發(fā)人工智能App的基本技能和樹立適應(yīng)智能社會發(fā)展的責(zé)任意識。課程內(nèi)容以“移動智能”為主題，融合人工智能技術(shù)，以“聽單詞App”“背單詞App”“智能翻譯App”“拍圖識花App”“人臉檢測App”“文字識別App”為項目設(shè)計了六章內(nèi)容。每章內(nèi)容由人工智能產(chǎn)品體驗、人工智能技術(shù)原理、人工智能技術(shù)實驗、人工智能App設(shè)計與開發(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)框架四個領(lǐng)域的內(nèi)容和項目式教學(xué)的實施步驟，設(shè)計了課程教學(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)計體驗活動，讓學(xué)生體驗人工智能技術(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，教師可以通過類比人類活動或者利用人工智能實驗平臺進行實驗探究，從而揭示與驗證基本原理。三是創(chuàng)新智能。教師創(chuàng)設(shè)項目情境，引導(dǎo)學(xué)生運用學(xué)過的人工智能技術(shù)設(shè)計項目方案，利用AppInventor開發(fā)人工智能App，對App進行測試與優(yōu)化，小組間進行成果展示與評價總結(jié)。此環(huán)節(jié)是教學(xué)過程中最為重要的環(huán)節(jié)，旨在讓學(xué)生在動手、動腦的實踐過程中，加深對所學(xué)知識技能的理解和掌握，學(xué)以致用，融會貫通。此環(huán)節(jié)著力培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新精神、計算思維能力，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，但也帶來了一些負面影響。教師通過案例引導(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)和評估人工智能技術(shù)帶來的法律風(fēng)險。創(chuàng)新課程實施案例筆者在七年級15個班進行了大班教學(xué)，本文以“拍圖識花App”一課為例闡述課程的實施過程。1.感知智能：體驗計算機視覺技術(shù)學(xué)生三人一組，每組發(fā)放一臺平板電腦，各組打開“曠視AI體驗中心”小程序，體驗其中的功能。體驗完后，教師引導(dǎo)學(xué)生思考：計算機猶如我們?nèi)祟惖氖裁聪到y(tǒng)呢？它之所以能夠獲取和識別外部世界信息是依賴于什么技術(shù)呢？進而引出計算機視覺技術(shù)的概念。教師繼續(xù)提問：在日常生活和學(xué)習(xí)中還有哪些產(chǎn)品應(yīng)用了計算機視覺技術(shù)呢？提升學(xué)生對計算機視覺技術(shù)的敏感度與理解力。最后教師播放“計算機視覺技術(shù)應(yīng)用場景”的視頻，使學(xué)生了解計算機視覺技術(shù)的巨大潛力，擴寬學(xué)生的見識。本案例通過人工智能體驗小程序，讓學(xué)生親身感受計算機視覺技術(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，進而引出計算機視覺技術(shù)。2.揭示智能：理解計算機視覺技術(shù)原理教師引導(dǎo)學(xué)生思考小孩是怎么認識狗的，然后讓學(xué)生類比小孩認識狗的過程，探究計算機視覺技術(shù)的基本原理，提供學(xué)生計算機視覺技術(shù)的工作流程圖。在此過程中學(xué)生深度學(xué)習(xí)，自主構(gòu)建知識，得出計算機視覺技術(shù)的工作流程由圖像采集、特征提取、模型訓(xùn)練、模型輸出四個基本環(huán)節(jié)構(gòu)成。接下來，教師指導(dǎo)學(xué)生利用PersonalImageClassifier人工智能實驗平臺訓(xùn)練雞蛋花與龍船花的特征模型并進行測試，通過此任務(wù)驗證學(xué)過的計算機視覺技術(shù)原理。3.創(chuàng)新智能：開發(fā)“拍圖識花App”教師創(chuàng)設(shè)真實的生活情境：小馨跟媽媽爬山時看到山上開滿了各種花，可是很多花名小馨都不知道，如何幫助她快速地認識這些花呢？進而引出項目任務(wù)：開發(fā)一款拍圖識花App。AppInventor并沒有自帶花的特征模型，學(xué)生需要將PersonalImageClassifier人工智能實驗平臺生成的模型導(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)真實需求設(shè)計利用計算機視覺技術(shù)解決問題的方案，并利用AppInventor編程實現(xiàn)應(yīng)用方案，對功能進行測試與優(yōu)化，最后在小組間進行展示交流，聽取其他組的意見再優(yōu)化App。學(xué)生在界定問題—分析問題—制定方案—實現(xiàn)方案—反思優(yōu)化的過程中提升了解決問題的能力，發(fā)展了計算思維。學(xué)生利用人工智能實驗平臺與AppInventor開展協(xié)同創(chuàng)新，設(shè)計和開發(fā)具有應(yīng)用價值的App，在此過程中提高了數(shù)字化合作與探究能力。4.思辨智能：分析計算機視覺技術(shù)的利弊教師引導(dǎo)學(xué)生上網(wǎng)查閱相關(guān)資料，通過正反兩面的案例，分組思考、討論計算機視覺技術(shù)的利弊，并分享討論成果，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的智能社會發(fā)展意識。創(chuàng)新課程教學(xué)實踐效果筆者應(yīng)用AI微認證人工智能素養(yǎng)測評系統(tǒng)分別在校本課程實施前和實施后對全校七年級15個班共計612名學(xué)生進行了人工智能素養(yǎng)測評。該測評從推理能力、編程能力、分析能力、運算能力、知識儲備（人工智能基礎(chǔ)知識和原理）等五個維度對學(xué)生的人工智能素養(yǎng)進行量化評估。為了反映相同樣本在課程實施前后的變化程度，筆者用SPSS22軟件對測試的數(shù)據(jù)進行“配對樣本t檢驗”[1]。結(jié)果顯示：通過校本課程的實施，學(xué)生的總平均成績有所提高；在校本