面向高階思維能力培養的初中人工智能教學

【摘 要】本文以“人臉識別”教學為例，詳細闡述如何對教學內容、教學目標、教學路徑、評價方式等進行有效設計，并將問題的分析、評價及提出解決方案等活動貫穿始終，進而培養學生的高階思維能力。

【關鍵詞】高階思維能力;人臉識別;案例分析;方案評價;創造實踐

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2022）010-061-03

2022年4月頒布的《義務教育信息科技課程標準》中指出：要以真實問題或項目驅動，引導學生經歷原理運用、計算思維和數字化工具應用過程，構建知識，提升問題解決能力，引導學生在使用信息科技解決問題的過程中遵循道德規范和科學倫理，培育學生正確的世界觀、人生觀、價值觀。2021年10月發布的《中小學人工智能課程開發標準》中提到，要引導學生發現生活中應用人工智能的需求，鼓勵學生嘗試提出新的問題和新的解決方法，從而培養問題發現、深度思考與應用創新能力，以適應智能社會的發展。這兩個標準中均提到了要培養學生問題解決的能力，并要求學生能夠遵循道德規范合理使用技術。這就需要學生對技術有著更加全面的認識，能夠對技術的應用進行分析、評價，同時能夠利用技術創造性地解決問題，而這些均屬于高階思維能力的范疇。

人工智能課程作為一門知識、技術、倫理相結合的技術類課程，在培養學生記憶、理解和應用能力的基礎上，教師通過合理地構建教學內容、設計教學目標和教學路徑，讓學生的分析、評價和創造能力，即高階思維能力得到有效的培養與提升。而教學內容構建、教學目標設定、教學路徑實施等需要合理設定與有效完成。本文以人工智能領域非常重要的技術之一——人臉識別為例，談一談如何在初中階段人工智能教學的過程中培養與提升學生的高階思維能力。

教學內容的構建

為了培養學生的高階思維能力，教師需要對教學內容進行有效構建。人臉識別作為人工智能的重要技術之一，廣泛應用于人們的生活之中。機場安檢、手機解鎖、人臉支付、小區門禁、刷臉簽到、自拍美顏等多種應用已經成為大多數人的日常行為。讓學生了解人臉識別技術在生活中的應用并掌握其使用方法是本節課的基礎內容，若是只停留在理解和應用的層面，則屬于低階思維活動。因此，在了解人工智能應用的基礎上，課程還需要加入原理探究、案例分析、方案評價、創造實踐等內容，以培養學生的分析、評價與創造能力。于是，課程的教學內容可設定為：人臉識別技術在生活中的應用、人臉識別的實現過程與簡單原理、人臉識別作品的創作和人臉識別與倫理道德。

學習目標的確定

學科核心素養與高階思維能力的培養是人工智能課程教學的總目標，以此為前提，教師根據教學內容與學生情況，確定課程的具體學習目標為：了解人臉識別的應用，感受其價值;初步理解人臉識別的實現過程及原理;能夠編寫應用人臉識別技術的程序來解決問題;認識技術的兩面性，合理使用人臉識別技術。教師可通過具體目標的達成間接實現培養與提升學科核心素養和高階思維能力的總目標。

教學路徑的設計

教師確定教學內容和學習目標后，需要通過有效的教學環節、適當的教學方法與活動來實施教學，使目標有效達成。筆者認為，人工智能的學習應以學生實踐為主，讓學生在實踐的過程中進行探究式學習，這更有利于學生的思考。自主探究的過程需要從基礎的簡單應用到理解遷移，再到分析評價，最后上升到設計創造，層層遞進。同時在創造后，學生還能夠對自身和同伴的創造成果進行合理的分析與評價。本課程教師以感知體驗、原理探究、創新實踐為路徑來實施教學，并且在各環節中加入了分析與評價的活動。

1.感知體驗階段

本階段，學生會了解人臉識別技術在生活中的應用。教師需要激發學習興趣，讓學生掌握身邊的人工智能技術和工具的使用方法，解決實際問題，從而培養學生的生活技能。學生在生活中經常接觸人臉識別技術，教師可以請學生舉例說明身邊的人臉識別應用并分析其價值，培養學生觀察生活、思考分析與交流表達的能力。在此過程中，教師可以展示一些人臉識別應用案例并提出問題，讓學生討論這種技術的利弊。如有一種視頻換臉技術，能用于視頻表演與創作，你如何看待該項技術？或者教師針對該項技術是利大于弊還是弊大于利組織學生進行一場辯論賽，讓學生認識到技術的兩面性，培養其正確使用技術的意識和信息社會責任，以及分析、評價、批判與表達能力，這里面既包含對相關技術與應用的認識，也包含人工智能倫理問題，既培養了學生的學科核心素養，也培養了其高階思維能力。

學生對生活中的應用進行介紹、討論與分析后，通過動手實踐，如運用微信小程序中的人臉識別應用進一步體驗人臉識別技術，激發興趣。同時，學生掌握了常用工具的使用方法，解決生活中的問題，并探討應用這些工具時，應該注意哪些問題，增強了個人信息保護的意識。

2.原理探究階段

本階段，學生通過動手操作探究與思考人工智能技術的實現過程與原理。人臉識別技術的實現過程及原理非常復雜，探究其背后原理的最終目的除了讓學生能夠了解其實現過程外，主要還是對學生分析、思考與解決問題能力的培養。如機器是如何認識我們的？經過探究，學生會發現人臉識別需要經過人臉錄入、人臉掃描、人臉矯正、特征提取、特征比對等環節。而在實踐過程中，學生通過操作、觀察與思考，探究人臉識別過程中可能遇到的問題，如拍攝人臉時是否一定要正對攝像頭、是否每次識別準確率都能達到100%等問題，給出自己的解決方案，并根據方案嘗試解決問題。

在學生了解了實現過程與簡單原理后，教師可以利用這些原理設計一些生活中的真實問題引發學生的思考，從而培養學生分析、解決問題的能力，并對學生給出的方案進行集中討論、評價，進而培養學生的評價能力。如在學生理解“特征提取”是通過繪制關鍵點來實現的之后，教師可以提出問題：在疫情期間人們都戴著口罩，那么如何對被口罩遮住的部分進行關鍵點繪制？你有什么好的解決方法？教師可以讓學生自由討論，提出問題解決方案并討論每組學生的方案及其可行性。如果學生無法提出解決方案，教師可以借助軟件操作，讓學生將抽象的思維問題轉換為直觀的觀察問題，先操作、觀察，然后再進行思考。

在確定了技術上可以實現戴口罩的人臉識別后，教師請學生進一步思考這種技術可以用來解決哪些實際問題？哪些場景適合使用這種技術，哪些場景不適合使用？讓學生對問題有一個全面的分析與思考。當然，教師也可以設計諸如“同樣是通過人臉識別來確認身份，為什么機場、火車站等地方安檢時需要摘掉口罩，進入小區時不需要摘掉口罩？”這樣的問題，引導學生從規模、準確率、概率等角度對問題進行分析與思考。在學生理解之后進行知識遷移，教師提出需要進一步思考的問題：這種根據人數規模來選擇不同方法的思路還可以應用到哪些領域？學生可以根據自己的學習、生活經歷來回答。教師也可以提供一些案例供學生分析，如在進行問卷調查時，什么情況下采用全員調查、什么情況下采用抽樣調查的方式更合適。

對于戴口罩人臉識別問題，教師也可以讓學生自主提出解決方案，并通過操作進行驗證。如在進行人臉采集時，能否采集一張戴口罩的人臉，進而來解決該問題？請通過操作來驗證該方法是否可行。教師還可以讓學生上網查閱相關資料，找一找目前是否已經有了更好的解決方法，提升其數字化學習能力。

3.創新實踐階段

本階段，教師通過程序編寫培養學生的創新實踐能力。了解了人臉識別技術的基礎應用后，每位學生可以使用相同的技術來解決不同的問題。教師只需給出編程環境的操作說明，學生自主學習后利用相關技術解決問題即可。教師可以先給出一個明確問題讓學生來解決，以掌握編程方法，然后請學生自主提出與解決身邊的問題。

如很多公園售票時會根據年齡設置成人票、老人票與兒童票，不同年齡的人票價oH5Qy77DISfj2duRpuIV/w==不同，但很多人購票時忘記攜帶身份證，無法證明自己的年齡。如果自助購票系統能夠通過攝像頭來判斷購票人的年齡，出售對應的門票則會非常方便。請你設計并編寫一個可以根據年齡來售賣不同票價的購票系統。

這個任務鍛煉了學生的問題解決與實踐能力。在學生完成該任務后，教師提出需要進一步思考的問題：這個系統能否直接應用在生活中？為什么？學生通常會說在理論上是可行的，但目前還無法應用到實際中。因為經過測試，學生發現程序對年齡識別的準確率較低，無法精準識別出正確的年齡，而公園購票規定中對成人票、老人票和兒童票的界定有著明確的年齡要求，只有等年齡識別技術發展到非常精確后才可以應用到實際生活中。教師進而再提出問題：年齡識別技術目前還不能做到精準識別，那它是否有存在的價值呢？其實，一些具有兒童模式的智能音箱、直播軟件等產品中都具有童臉識別的功能，它們只需要識別出是兒童即可，不需要非常精確，年齡識別可以用于這些場景中。這些問題可以讓學生對程序的結構與邏輯的正確性、技術目前的發展程度、不同準確度的產品可以應用在哪些領域有所思考。

之后，教師給學生留出充足的時間，讓學生以小組的形式，利用人臉識別技術解決生活中遇到的某個問題。學生經歷問題提出、分析、確定方案、編寫程序、測試程序、編寫說明書等環節，培養和鍛煉了解決實際問題的能力。而在最后的作品展示與交流環節，教師讓學生通過自評、互評的方式發現問題并完善作品，培養其評價能力。

在這三個教學階段中，教師可以在適當的環節引入如人臉識別可能帶來哪些風險、我們應該如何正確使用人臉識別技術等倫理問題，讓學生認識到技術的兩面性，合理使用技術。學生通過對技術的辯證分析并提出解決方案，理解、應用、分析、評價、創造等能力均能得到有效培養與提升。

評價方式的選擇

在以往的信息科技課程中，教師更多的是從主題性、科學性、技術性、藝術性等多維度對作品進行結果性評價。本課程中，雖然最后讓學生完成了一個程序作品，但除作品本身外，還涉及關于人工智能技術應用介紹、技術兩面性討論、針對問題提出解決方案等多個任務，教師需要對學生在這些任務中的表現進行過程性評價，如是否積極參與等。教師還可以從學科核心素養與高階思維能力的角度進行評價。如在介紹生活中人臉識別的應用場景時涉及發現生活中的問題，并利用人工智能技術加以解決的內容，可以對學生的信息意識進行評價;在分析與評價人臉識別技術的兩面性時，思考該如何保護個人信息以及不利用相關技術危害他人，從而對學生的信息社會責任養成進行評價。

總結與展望

本課程教師并沒有特意設計某個環節來有針對性地培養高階思維，而是通過對教學內容、教學目標、教學路徑的有效設計，調動學生的積極性，抓住初中學生喜歡動手探究、分析表達、交流評價的特點，在整個教學過程中達成具體教學目標，并將培養與提升高階思維的目標蘊含其中。教師將問題的分析、評價及提出解決方案等活動貫穿課堂始終，進而培養學生的高階思維能力。

人臉識別只是人工智能中的一項典型技術，人工智能的教學可以結合日常應用、原理探究、編寫程序與智能硬件搭建等形式來開展活動，這將有助于將高階思維能力的培養與提升融入日常教學中。相信通過合理的教學設計與實施，在培養高階思維能力方面將會取得良好效果，我們也將進一步地開展探索。

作者單位：北京師范大學附屬中學