基于人工智能课程教学提升初中生数字化学习与创新素养

【摘要】人工智能的发展，有利于数字化学习工具的教育应用。以培养数字化学习与创新素养为目标进行人工智能课程设计与教学，凸显了人工智能时代学习工具的特色。本文结合教学实践，以“AI天工造物”一课为例，尝试构建项目式教学模式，提升学生的数字化学习与创新素养，探讨数字化学习工具评价在学校教学中的应用策略。【关键词】人工智能；项目式学习；数字化学习与创新；数字化学习工具人工智能技术的发展呈现出数据规模增加、计算能力增强和行业应用能力提升等显著特征[1]。人工智能技术支撑下的教育生态，学生的学习迈向个性化，教师开展精准化教学，学校实现智能化管理。教师利用数字化工具更好地推动初中生的数字化学习，让学生在体验中理解人工智能原理[2]；根据学生特点开展有趣味的人工智能项目式教学课程，以赛促学，设计创新性数字化作品，在解决问题的过程中培养学生人工智能学科素养。学生通过本学科学习之后，逐步形成人工智能关键能力、必备品格与价值观念，并将人工智能技术迁移到生活中以解决实际问题。人工智能课程教学思路人工智能课程教学概念通常界定为以人工智能作为学习内容，体验技术，并对技术应用蕴含的原理、创新方法进行学习，借助课程配套的实验装备，验证测试原理并进行创新性的应用，通过机器自动对信息采集、分析、处理、执行的一系列过程模拟真实场景问题的实践性课程。在初中阶段开设人工智能课程，借助人工智能、大数据技术，打造一个智能化教育生态，通过线上和线下相结合的方式，能够实现人工智能时代的教育教学创新。1.基于项目的课程教学何谓初中生数字化学习与创新素养？在初中阶段，学生通过选用合适的数字设备、平台和资源，有效地管理学习过程和学习资源，开展基于项目式的探究性学习，创造性解决真实问题，从而培养分析问题和解决问题的能力（图1）。学生在学习过程中积极参与创新实践活动，理解和内化知识技能，体验创新的艰辛和成功的乐趣，注重的是项目完成过程，而不是最终的结果。图1

项目式教学思维导图根据教学需求，笔者选择AI编程，设计思路如图2所示。从课标到教材，从内容到方法，这样的设计能让学生拥有更为广阔的探究空间。图2

“AI天工造物”课设计思路2．注重学生数字化学习真实体验人工智能课程教学为学生数字化学习提供了新视角，根据学生体验的深度从下而上分为本能层、行为层、反思层三个层次（图3）。感官体验激发学生的学习兴趣，数字化学习资源助力学生体验资源的交互、生成等智能化功能，提高学生的数字化学习素养。符合学生从浅层次外在感知逐步走向深层次情感认同的认知规律，培养学生从个性化发展到情感价值观塑造。图3

智能时代数字化学习资源的学生体验模型3.提倡多元评价教师利用问卷星、腾讯文档在线收集、UMU互动、Storyline等搭建多维度、多主体参与的多元评价方式[3]，鼓励学生将项目活动中编写好的程序截图或拍摄视频后提交；指导学生录制作品视频时选择容易操作的录频软件，如全能录屏助手、迅捷屏幕录像等软件，确保视频画面稳定，用通俗易懂的语言介绍作品功能，展示亮点。多元评价采取几种评价相结合的方式。（1）自评。侧重分析小组成员的评价策略，如何对项目头脑风暴，发现问题，对主题活动目标进行数字化学习与创新，如何分工，如何解决问题等，量化对比找差距。（2）互评。要求团队成员按照组长分工，查看和点评他组作业至少6份。从信息意识、计算思维、小组协作、数字化创新等方面进行多维度评价。学生通过数字化学习平台查看其他小组上传的数字化作品，充分发挥自主及合作能力，关注作品设计亮点，提升运用数字化资源与工具解决生活中实际问题的综合能力。（3）师评。教师评价既要从学生信息意识和计算思维课程设计进行评价，还要从学生数字化作品的创作和整合能力等方面进行综合评价，分析存在的不足及需继续完善的方向。人工智能赋能课堂精准化教学如何借助数字化学习创造性地解决问题？通过人工智能课程的教学实践，笔者选择适合项目式学习的环境、创意、活动、交流的教学模式，学生能够积极主动地运用数字化学习平台进行学习与创新活动。在活动过程中，学生专注知识创新和实际应用，实现教学目标，提升数字化学习与创新素养。教学环节以人工智能项目式教学“AI天工造物之食品分类”为例来说明。1.创真实情境教师视频导入：冬奥会冰雪之旅，“冰雪精灵”赛车在赛场上按照比赛路线依次抵达检录区，录入人脸信息；抵达休息区，识别食品；抵达比赛区，比赛计时，完成颁奖；最终抵达终点，完成冰雪旅程。学生看完视频后，教师设问：如何帮助“冰雪精灵”赛车在2分钟内按照既定路线完成各个赛区的任务呢？如果你能提前完成，每提前1秒加1分。本项目以学生帮助冰雪精灵赛车完成比赛作为驱动，开展真实情境的学习活动，培养学生的团队协作精神和创新意识，进而解决实际问题。2.分析问题，设计方案教师引导学生使用人工智能实验教具——FuturisticAI小车的基本应用，对AI小车形成感性认识，根据赛区完成的任务需求，建模并设计“冰雪精灵赛车”的创意雏形（图4）。本阶段是AI知识、技巧掌握的关键环节。在设计过程中，学生分析问题特征，教师帮助学生在数字化学习平台上合理地甄别学习资源，拓宽视野，引导学生有效地解决问题，实现数字化学习。图4

学生设计的赛车雏形3.引导解惑，活动验证教师请学生观察赛车前进时轮子转动方向是怎样的？接着示范编写前进的程序，学生编写后退程序。教师指导学生小组协作探究小车转向的几种方式，编写程序测试不同转向方式的效果，用时最短优先选择。学生用履带、编码电机及手动遥控程序，在起点、检录区、休息区、比赛区、终点的路程中，控制机器人移动；用超声波传感器和测距程序在检录区测量机器到目标的距离，并语音合成播报和显示。教师抛出问题：食品分类识别的奥秘是什么呢？学生只需要打开摄像头并拍下方块上的文字就可以识别食物的种类。学生用摄像头、人脸识别程序、印刷数字文字识别程序，在检录区、休息区和比赛区，分别进行人脸录入、人脸身份验证、数字识别、文字识别。本活动中，学生编写分类程序，建立一个训练模型，将类似的词分别输入两个框中，然后进行“模型训练”，在大数据库，训练模型时就从数据库中找到同类的并分配。这样一来，在运行时就可以随意调用这些数据并分类。4．拓展交流，概念转化教师提问：在日常训练中也会出现识别错误的现象，那么这又是为什么呢？（纵向拓展）学生各抒己见，如摄像头拍摄方块上的食物文字，方块上的字与其他类别的食品名字相似度太高，如苹果、苹果汁，我们在模型训练时尽可能多地输入详细的词条，避免失误。学生经过思考提出优化解决方案：事先建立分类模型，再新建三个模型，在每一个模型中，首先通过输入文本，输入十个以上的文字数据，对这些数据进行人工分类；之后让计算机根据这些数据的相关特点建立模型，对于每一种模型，先根据第一个数据建立模型，再结合后面的相关数据进行矫正，最后形成一个相对准确的模型。每一类建立一个模型，然后进行模型训练，训练出准确的模型，再通过摄像机将图像识别成文字，拍摄识别文字，将录入的文字与这些模型进行对比，选择相似度最高的一个模型进行模型分类，最终确定分类结果。如输入火龙果，则输出结果为水果，这样完成食品分类。在新的情境活动中，教师引导学生对发现的新问题进行矫正，训练准确模型，进行有效的数据模型建立，从而优化方案，提升了数字化创新能力。学生在交流拓展中深化新知识和内容，在挑战中体验成就感。基于项目式的教学模式，从问题情境、兴趣引入、活动组织、活动评价、问题解决这些环节既相对独立，又紧密联系，组成了人工智能课程教学的闭环。其蕴藏着由浅入深培养学生问题探究能力的教学理念，从深刻理解原理到逐级探索创新，培养学生由概念转变到知识体系建构的人工智能数字化创新思维提升能力。人工智能课程教学反思1.项目式教学激发学生创新欲在项目式教学实践中，教师要将生活中人工智能应用的事物和现象融入课程，拓展并丰富中学阶段人工智能课程教学目标和内容向更深层次的发展。同时，教师在课程中应用相关人工智能硬件和成熟的智慧课堂系统，降低对学生人工智能知识储备要求，更有益于教师普及性教学，激发学生的探索欲望。2.巧用教具助力培养学生高阶思维教师选择适合学生的人工智能实验教具，根据问题需求，搭建集功能性和个性化于一体的模型，如学生可以通过AI图形化的方式实现程序功能，降低他们文本编程对编程能力的要求，从而将更多的注意力和精力投入到体验和实践人工智能作品创作上，力图发展学生的数字化学习能力。教师要注重从学生问题解决能力、创