人工智能课程创新教学模式与实践

【摘要】本文主要阐述笔者在开发“智能移动应用开发”校本课程的过程中，如何将人工智能与AppInventor融合创新，设计课程内容，构建教学模式并进行教学实践，从而探索出一条人工智能课程教学的有效途径。【关键词】人工智能；课程教学模式；融合创新《新一代人工智能发展规划》提出：“实施全民人工智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育”；《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》将人工智能纳入课程模块。广大一线教师面临有新课标、没有新教材的难题。目前，已经发布的一些人工智能教材中，有的教材内容有些重理论轻实践，制约了学生创造力，不利于提升学生解决问题的能力以及创新思维等高阶思维能力；有的教材虽然有实践模块，但是需要硬件支撑，这给资金不足的学校带来了困难。AppInventor是一款手机在线图形化编程软件，内含人工智能组件，支持API的调用和导入从其他人工智能实验平台训练好的模型，以及实时的测试。该软件是一款非常适合开发人工智能课程的软件。笔者结合本校“科学教育创新求真”的办学追求，将人工智能与AppInventor进行融合创新，开发了“智能移动应用开发”校本课程，课程内容理论与实践并重，并且不需要昂贵的硬件设备支撑。创新课程内容在《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》《中小学人工智能技术与工程素养框架》和《中小学人工智能课程开发标准（试行）》的指导下，笔者设计了校本课程。课程目标是进行人工智能与AppInventor的融合教育，让学生掌握人工智能技术的基本原理、具备开发人工智能App的基本技能和树立适应智能社会发展的责任意识。课程内容以“移动智能”为主题，融合人工智能技术，以“听单词App”“背单词App”“智能翻译App”“拍图识花App”“人脸检测App”“文字识别App”为项目设计了六章内容。每章内容由人工智能产品体验、人工智能技术原理、人工智能技术实验、人工智能App设计与开发、人工智能技术应用前景与伦理等部分组成。创新课程教学模式笔者结合《中小学人工智能技术与工程素养框架》中的人工智能核心素养框架四个领域的内容和项目式教学的实施步骤，设计了课程教学模式。该教学模式分四大环节。一是感知智能。体验是基础教育阶段最重要的学习方式，也是创新的基础和前提。在感知智能环节教师设计体验活动，让学生体验人工智能技术，感知人工智能技术在生活中的应用。二是揭示智能。人工智能技术原理较为抽象，教师可以通过类比人类活动或者利用人工智能实验平台进行实验探究，从而揭示与验证基本原理。三是创新智能。教师创设项目情境，引导学生运用学过的人工智能技术设计项目方案，利用AppInventor开发人工智能App，对App进行测试与优化，小组间进行成果展示与评价总结。此环节是教学过程中最为重要的环节，旨在让学生在动手、动脑的实践过程中，加深对所学知识技能的理解和掌握，学以致用，融会贯通。此环节着力培养学生的实践创新精神、计算思维能力，提升学生的数字素养。四是思辨智能。人工智能技术虽然能服务于人类和社会，但也带来了一些负面影响。教师通过案例引导学生在日常学习与生活中合理、规范地使用人工智能技术和评估人工智能技术带来的法律风险。创新课程实施案例笔者在七年级15个班进行了大班教学，本文以“拍图识花App”一课为例阐述课程的实施过程。1.感知智能：体验计算机视觉技术学生三人一组，每组发放一台平板电脑，各组打开“旷视AI体验中心”小程序，体验其中的功能。体验完后，教师引导学生思考：计算机犹如我们人类的什么系统呢？它之所以能够获取和识别外部世界信息是依赖于什么技术呢？进而引出计算机视觉技术的概念。教师继续提问：在日常生活和学习中还有哪些产品应用了计算机视觉技术呢？提升学生对计算机视觉技术的敏感度与理解力。最后教师播放“计算机视觉技术应用场景”的视频，使学生了解计算机视觉技术的巨大潜力，扩宽学生的见识。本案例通过人工智能体验小程序，让学生亲身感受计算机视觉技术的魅力，激发学生学习新技术的兴趣，并引发学生思考，进而引出计算机视觉技术。2.揭示智能：理解计算机视觉技术原理教师引导学生思考小孩是怎么认识狗的，然后让学生类比小孩认识狗的过程，探究计算机视觉技术的基本原理，提供学生计算机视觉技术的工作流程图。在此过程中学生深度学习，自主构建知识，得出计算機视觉技术的工作流程由图像采集、特征提取、模型训练、模型输出四个基本环节构成。接下来，教师指导学生利用PersonalImageClassifier人工智能实验平台训练鸡蛋花与龙船花的特征模型并进行测试，通过此任务验证学过的计算机视觉技术原理。3.创新智能：开发“拍图识花App”教师创设真实的生活情境：小馨跟妈妈爬山时看到山上开满了各种花，可是很多花名小馨都不知道，如何帮助她快速地认识这些花呢？进而引出项目任务：开发一款拍图识花App。AppInventor并没有自带花的特征模型，学生需要将PersonalImageClassifier人工智能实验平台生成的模型导入AppInventor里。教师提供将模型导入AppInventor的操作方法、逻辑设计程序流程图和挖空的半成品代码作为脚手架，引导学生小组合作，根据真实需求设计利用计算机视觉技术解决问题的方案，并利用AppInventor编程实现应用方案，对功能进行测试与优化，最后在小组间进行展示交流，听取其他组的意见再优化App。学生在界定问题—分析问题—制定方案—实现方案—反思优化的过程中提升了解决问题的能力，发展了计算思维。学生利用人工智能实验平台与AppInventor开展协同创新，设计和开发具有应用价值的App，在此过程中提高了数字化合作与探究能力。4.思辨智能：分析计算机视觉技术的利弊教师引导学生上网查阅相关资料，通过正反两面的案例，分组思考、讨论计算机视觉技术的利弊，并分享讨论成果，引导学生树立正确的智能社会发展意识。创新课程教学实践效果笔者应用AI微认证人工智能素养测评系统分别在校本课程实施前和实施后对全校七年级15个班共计612名学生进行了人工智能素养测评。该测评从推理能力、编程能力、分析能力、运算能力、知识储备（人工智能基础知识和原理）等五个维度对学生的人工智能素养进行量化评估。为了反映相同样本在课程实施前后的变化程度，笔者用SPSS22软件对测试的数据进行“配对样本t检验”[1]。结果显示：通过校本课程的实施，学生的总平均成绩有所提高；在校本