基于項目式教學的初中人工智能教學探究

摘 要：自2017年國務院發布《新一代人工智能發展規劃》以來，我國中小學人工智能教育進入快速發展的階段，多省市的信息技術教材引入了人工智能的相關內容。筆者基于人工智能教學的特點，選擇項目式教學模式，設計項目并進行教學實踐，總結教學經驗并進行反思，以期為初中人工智能教學的開展提供一定參考。

關鍵詞：人工智能;初中信息技術;項目式教學

作者簡介：張靜（1982—），女，江蘇省南京市第二十九中學柳洲東路分校。

人工智能技術是在數據積聚、理論算法革新及計算能力發展的基礎上所形成的一類電子信息技術類型，自20世紀50年代以來已經在多個應用領域中取得了重要的突破性進展，并對現代社會的學習、生活、生產方式產生深刻且持續性的影響，也為信息技術教育的發展提供了機遇。

當前，人工智能的發展受到了世界各國的關注，各國均采取了積極統籌布局和頂層設計措施，以期在未來的國際競爭中占據發展優勢。我國人工智能發展戰略目標明確，2017年發布的《新一代人工智能發展規劃》中提出，要在2030年人工智能理論、技術與應用總體達到世界領先水平，成為世界主要人工智能創新中心，智能經濟、智能社會取得明顯成效，為躋身創新型國家前列和經濟強國奠定重要基礎。此外，該文件還提到，要實施全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育，鼓勵社會力量參與寓教于樂的編程教學軟件與游戲的開發和推廣。

《新一代人工智能發展規劃》發布以來，我國中小學人工智能教育進入快速發展階段。《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》增加了人工智能、物聯網、開源硬件、算法等相關內容。多省份義務教育階段的教材也增加了人工智能的相關內容，如浙江省初中信息技術教材（2020版）、山東省小學信息技術教材（2018版）。江蘇省初中信息技術教材雖未增加人工智能內容，但已將與人工智能相關的編程語言Python引入教材。結合上述背景，筆者在信息技術社團中開展了人工智能項目式教學，對基于項目式教學的初中人工智能教學模式進行探究，以期為相關課程的開展提供可行的教學參考。

一、基礎教育階段的人工智能教育現狀

人工智能（Artificial Intelligence），簡稱“AI”。《人工智能標準化白皮書（2018版）》認為，人工智能是利用數字計算機或者數字計算機控制的機器模擬、延伸和擴展人的智能，感知環境、獲取知識并使用知識獲得最佳結果的理論、方法、技術及應用系統。

人工智能引領了未來智能社會的發展。一方面，國家鼓勵高校在原有基礎上拓展人工智能專業教育內容，培養復合型人才。中學生在進入大學階段后，其各個學科的學習都將或多或少涉及人工智能的相關知識。另一方面，人工智能會滲透未來社會的各個領域，未來的人們將處于與人工智能應用與產品共存的環境中，面臨智能社會的巨大挑戰。因此中小學生必須為智能社會的學習、生活與工作環境做好準備[1]。

2021年11月，中央電化教育館發布的《中小學人工智能技術與工程素養框架》涉及人工智能與人類、人工智能與社會、人工智能技術、人工智能系統設計與開發4個領域的內容，明確了各學段的素養培養要求，并分別從理論與實踐兩個方面對小學、初中、高中三個學段學生應掌握的內容做了詳細的規劃，為中小學階段的人工智能教育提供了課程標準制訂、教材編寫和課程開設的參考和依據。

同時，各省市也在積極改革信息技術教材，紛紛加入了人工智能的相關內容，如浙江省初中信息技術教材（2020版）八年級下冊加入了“人工智能基礎”，山東省小學信息技術教材（2017版）引入了人工智能和Python編程。2018年5月，深圳樂智機器人與百度云智學院、北京大學、北京師范大學、華東師范大學共同推出百度中小學人工智能課程。2019年，科大訊飛與西北師范大學、北師大出版社共同發布了初中版人工智能教材。

另外，在對全國25個省市的學生和全國19個省市的中小學校長、教師開展問卷調查后，《2022年人工智能教育藍皮書》有所發現：目前受訪學校的信息化硬件設備總體情況較好，但相關的軟件系統還較為欠缺;超半數的受訪學校已開設或正在籌備人工智能教育教學活動，但人工智能教育課程體系的完善程度不高，還有較大的發展空間;隨著“雙減”政策落地，人工智能教育正成為多地教育主管部門和學校豐富“課后三點半”服務的重要組成。

綜上，人工智能教育在初中階段的普及已是大勢所趨。

二、將項目式教學模式應用于人工智能教學的優勢

項目式教學是以小組合作為基礎、以項目實現為教學過程、以產品形式呈現結果的新型教學模式，其能促使學生在參與項目的過程中逐漸建構知識體系，掌握必備的技能，實現綜合發展。與傳統教學相比，項目式教學具有以下優勢：學生參與度高，學習主動性強;有助于提升學生的自主學習能力，鍛煉學生的高階思維，培養學生的團隊協作和溝通能力。項目式教學與人工智能教學是十分契合的[2]。

（一）項目式教學與人工智能都強調多學科的融合

人工智能是一門綜合性較強的學科，涉及認知科學、計算機科學、數學和工程學等多元學科知識，這些學科為人工智能的研究和發展提供了知識基礎和豐富的研究方法。項目式教學中的問題通常是復雜且真實的，需要學生依托某一學科的理論，并基于多學科知識融合背景，持續開展探究活動。二者都強調多學科的融合。

（二）項目式教學與人工智能都注重理論實踐相結合

項目式教學重視理論與實踐的結合，即教師在教學中引導學生將理論知識靈活應用于項目實踐中，并在項目完成過程中依據各階段碰到的問題，完成相關理論知識的自主探究、補充與拓展，在實踐過程中不斷深入理解知識，提升實踐能力。在學習人工智能技術時，學生也要先了解人工智能技術的基本理論，并利用人工智能實驗平臺完成原理性實驗和人工智能技術實踐，最終完成人工智能產品的開發。二者都強調對基礎理論知識的學習，學生要在實踐中深刻理解理論知識，最終完成一個產品的設計，在這個過程中，理論和實踐缺一不可。

（三）項目式教學與人工智能都注重評價與反思

項目式教學比較重視多元化的評價，學生可以闡述探究過程及成果，自我評價，也可以在小組內互評，評價內容包括對過程的評價和對結論的總結性評價，學生從評價中反思失誤，有所收獲，進而提升學習能力。在學習人工智能技術時，學生需要分成小組，分工協作完成驗證性實驗和探究性實驗，在完成任務后，還要交流與討論所學的人工智能技術，思考其正面影響和負面影響。

三、基于項目式教學的初中人工智能教學策略分析

筆者所在的學校開設了機器人社團和編程社團，社團學生有較好的信息素養和工程素養，對人工智能課程很感興趣。因此筆者以校本課程為依托，以真實情境項目為載體，以培養計算思維能力為目標，以建構主義理論為基礎，在每周的社團課上開展人工智能項目式教學實踐研究，總結了人工智能項目式教學的一些經驗。

（一）以體驗人工智能產品為先，了解人工智能的基本概念

學生認知事物是通過接觸外部世界，形成對事物的認識的過程，初中生對事物的認識，是從具體的形象思維向抽象思維過渡的過程。人工智能的基本概念較為抽象，因此在學習人工智能前，學生需要先體驗具體的人工智能產品，這樣能在基于產品使用經驗的基礎上理解人工智能技術的基本概念和原理。

以開發識圖熊貓項目為例，玩具熊貓能夠根據學生出示的動物圖片，在顯示屏上顯示動物的名稱。該項目涉及人工智能中的機器學習知識。機器學習的概念晦澀難懂，初中生較難理解。此時，教師可先引導學生體驗在平板電腦上設置指紋解鎖并成功解鎖的過程，學生在這一體驗過程中經歷了設置指紋和使用指紋兩個階段。接著，教師解釋計算機使用生物特征密碼，也要經歷兩個階段，其中，設置階段是讓計算機學會認識指紋或人臉等人類生物特征的階段，也就是學習階段，其通過反復獲取人的指紋或臉部特征信息，建立特征模型。計算機通過指紋感應器或攝像頭解鎖密碼時，實際上是利用學習階段建立的特征模型，把存儲在計算機中的指紋或人臉特征與新采集到的指紋或人臉特征進行對比判斷，確定二者是否具備同樣的特征，這是驗證階段。

通過親身體驗產品和教師的知識講解兩個環節，學生能夠較為深刻地理解機器學習的概念、步驟和原理。

（二）充分利用人工智能實驗平臺，加深學生對概念和原理的理解

人工智能技術的學習離不開實驗的支持。教師若想將人工智能技術的產品體驗、知識講解、實驗驗證和產品設計融為一體，就需要一個合適的人工智能平臺。

依舊以開發識圖熊貓項目為例，在計算機進行監督學習，形成熊貓的外貌特征模型前，學生需理解監督學習的概念和過程。對于這種陳述性知識，教師若以舉例解釋的方式進行講解，初中生會覺得過于抽象，易對學習產生抵觸情緒;而教師如果利用人工智能實驗平臺提供的數據和功能組織學生實驗，讓學生在實踐中學，學生的學習自主性會大大提高，學習效果也會更好。例如，為了讓學生了解監督學習的過程，筆者設計了“石頭”“剪刀”“布”三種手勢模型的訓練和驗證。學生需要啟動人工智能實驗平臺的機器學習工具，利用攝像頭采集大量“石頭”“剪刀”“布”手勢的圖片，并打開“模型訓練”模塊，生成手勢識別的模型，再使用“模型驗證”模塊，在計算機中輸入不同類型的手勢圖片進行驗證，如果計算機正確讀出，說明模型訓練成功，否則為失敗，需重新進行模型訓練。

學生通過人工智能實驗平臺進行試驗，不僅理解了監督學習的過程分為模型訓練和模型驗證兩個階段，也能理解模型訓練需要輸入大量圖片，模型的驗證并不是次次成功，驗證成功率太低還需回到模型訓練階段重新訓練。

用人工智能實驗平臺輔助項目式教學還有另一個好處，即提高學生的學習效率。初中生的知識儲備和認知能力有限，不足以支撐其理解機器監督學習的技術細節，而實驗平臺會把技術細節封裝為模塊，例如本項目使用科大訊飛開發的人工智能實驗平臺，封裝了“模型訓練”和“模型驗證”模塊，讓學生將注意力放在監督學習的模型訓練和驗證上，這樣，他們就不會因程序繁雜而感到枯燥乏味，失去學習信心。

（三）合理分工，開展交流與討論，促進學生系統思維能力的養成

以小組探究的形式開展項目式教學，能讓學生得到不同角度的解決方案，促使他們客觀考量、對比考量多種方案的優劣，養成多角度看待問題的良好思維習慣。教師若想充分發揮小組探究的優勢，調動每個學生的積極性，需要把握好科學合理地分工、交流與討論兩個環節。

人工智能涉及多個學科的知識，需要小組成員分工協作，且組內分工一定要明確，教師要根據學生個人的優勢分配任務，以充分發揮學生的主觀能動性。仍以識圖熊貓項目為例，在項目實施初始階段，筆者要求小組成員根據自身優勢，每人在識圖熊貓的外觀設計、傳感器的安裝調試與縫紉、AI程序的編寫和調試中，選擇一個主攻方向。筆者要求，在各環節，小組成員既要負責完成自己的本職工作，也要參與小組其他成員的工作，并提出建議，但各個環節的最終方案由各分工的主負責人決策。學生在體驗決策者角色的過程中，對方案的對比考量、取舍會促使其必須從小組的整體方案出發，把著眼點放在全局上，注重整體效果，不失原則地采取靈活有效的方法對待自己負責的方案，從而提高自身的系統思維能力。

項目化教學通過問題引發學生對概念的思考和探索。學生在解決問題的過程中需要多角度思考，也需要通過交流討論碰撞出思想的火花。在項目實施的過程中，教師作為教學的組織者，需科學引導學生交流和討論。以識圖熊貓項目為例，學生在體驗在平板電腦設置指紋解鎖的過程后，教師需要組織學生在小組內討論指紋、人臉、聲紋密碼在設置與使用的過程中經歷了哪兩個階段;在學生完成“石頭”“剪刀”“布”三種手勢訓練后，教師要組織學生討論人類學習過程和機器學習過程的不同之處;在各組學生展示和評價各組作品后，教師要組織學生討論機器學習在計算機視覺、智能語音和自然語言處理領域有哪些產品，并討論這些產品對生產和生活的作用是什么。

結語

人工智能教育在初中階段的普及已是大勢所趨。以培養計算思維和工程思維為目標，以建構主義為理論基礎進行的項目式教學，可以激發初中生對人工智能的學習興趣，加深學生對人工智能相關原理的理解。在項目初始階段，教師應重視學生對應用場景的體驗，引導學生以經驗為基礎對原理進行探究;在項目實施的過程中，教師應引導學生使用人工智能實驗平臺進行實驗，加深學生對概念和原理的理解;在小組探究的過程中，教師須觀察學生的特長，指導學生合理分工，精心設計交流討論環節，讓學生在交流與合作中養成多角度看待問題的思維習慣，以培養學生良好的合作與溝通的能力。

[參考文獻]

金宇.項目化學習在初中信息技術課堂中的應用探索[J].新課程，2021（25）：88-89.

秦曉蘭.信息技術項目化學習教學實踐與思考：以“‘機器人’掃地”項目為例[J]. 中國信息技術教育，2020（18）：46-48.