ICS教學模式在中小學人工智能教學中的應用

楊海娟

【摘 要】本文以“圖像識別：AI助力垃圾分類”為例介紹在中小學人工智能教學中應用ICS教學模式的可行性。ICS教學模式通過創設情境、自主學習、合作探究和分享交流四個環節，提升學生的問題解決能力，培養學生的合作意識與合作能力，幫助學生樹立終身學習的理念。

【關鍵詞】ICS教學模式；人工智能；信息科技；教學策略

【中圖分類號】G434? ?【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2023）08-054-03

人工智能是研究和開發用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統的一門新的技術學科[1]，作為引領未來社會發展的顛覆性技術，人工智能的重要性日益凸顯[2]。在中小學信息科技教學中實施人工智能教學已勢在必行，但目前仍處于人工智能課程進入中小學課堂的初始階段，如何有效地進行人工智能教學，是一線教師急需探討的問題。ICS教學模式是筆者在長期的教學實踐中探索出的適合中小學人工智能教學的一種模式。

ICS教學模式概述

ICS教學模式倡導學生在特定的教學情境中自主學習（Independent learning）、合作探究（Cooperation inquiry）和分享交流（Sharing interchange），要求課堂教學從傳統的以教師、教材為中心轉變為以學生、學習為中心，以活動、實踐為中心；倡導自主學習與合作探究，培養學生濃厚的學習興趣和良好的學習習慣，使學生能積極主動地分享交流學習成果；解決學生積極性不高，解決問題能力不足，學習氛圍不濃，學習習慣不佳等問題。ICS教學模式真正實現了“學生中心”“先學后教”“以學定教”的美好愿景，能達到增強學生學習興趣，提升學生學習能力，培養學生信息科技核心素養的目的，力爭使每一位學生都能成為信息時代的合格數字公民。

ICS教學模式特征

ICS教學模式強調創設主線式情境，它是以某一具體人物、某一話題、一段故事或真實問題作為主線，貫穿整節課的教學，通過“一條主線”，設置一系列具有內在聯系的任務探究鏈，引導學生合作探究獲得新知，進而提升學生的信息素養。自主學習是讓學生在每節課的前10分鐘左右自主學習，掌握基礎知識和基本內容，發現存在的難點。在自主學習中鍛煉學生自主學習能力，提升認知水平，為終身學習打下堅實的基礎。合作探究是以小組為單位，教師作為課堂的組織者，利用各種動態因素，促進學生合作探究，解決課程的重點和學生存在的難點，以集體作為評價出發點，從而達到預期目標。分享交流是讓學生展示學習成果，“學習金字塔”告訴我們，學習效果最好的方式，就是把知識傳授給他人或者馬上應用。

ICS教學模式有四個基本特征：情境性、自主性、合作性和分享性。應用ICS教學模式實施人工智能教學（圖1），可以提升學生的問題解決能力，培養學生的合作意識與合作能力，幫助學生樹立終身學習的理念。

ICS教學模式在中小學人工智能教學中的應用背景

2022年4月，教育部頒布了《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》，明確了九年級的教學內容為“人工智能與智慧社會”模塊。新課標強調信息科技課程的教學要以落實立德樹人根本任務為導向，以培養學生數字素養與技能為目標，以學生已有的知識、技能和經驗為起點，遵循學生學習規律，系統設計學習活動，突出用信息科技解決學習、生活中的問題，為學生創設自主、合作、探究的學習情境和知、情、意、行融合發展的成長環境。

ICS教學模式實踐

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》要求通過分析典型案例，對比計算機傳統方法和人工智能方法處理同類問題的效果。“圖像識別：AI助力垃圾分類”一課將人類垃圾分類的過程和機器垃圾分類的過程進行類比，揭示人工智能圖像識別技術的基本原理。

1.創設情境，提出實際問題

教師創設情境：口罩、飲料瓶、水果皮…… 屬于什么垃圾？每人每天產生約1千克垃圾，算一算，我們所在的城市每天共產生多少噸生活垃圾？如此巨大的垃圾量需要耗費大量的時間和精力進行分類，有時還不一定準確，如何利用人工智能的圖像識別技術提升垃圾分類的效率和準確性呢？

近年來隨著人工智能、計算機視覺技術的迅猛發展，圖像識別作為深度學習技術的重要應用之一，受到越來越多的關注[3]。在北歐、美國、日本等地，關于垃圾分類的知識普及和行為養成從中小學階段就開始進行。我國城市垃圾強制分類在2019年才開始正式推行，垃圾分類的相關知識還在普及階段[4]。本課引入現實生活中的垃圾分類問題，激發學生的興趣，引導學生思考如何運用人工智能技術解決實際問題，同時強調環境保護和資源回收的重要性。

2.自主學習，初識圖像識別

教師分別展示紅蘋果、青蘋果、切開的蘋果和已經腐爛的蘋果，指出人能夠輕而易舉地判斷出這些都是蘋果，但機器面對不一樣的蘋果照片，它是如何進行判斷的呢？人工智能機器也和人一樣，需要學習才能擁有智能。人能夠認識各種垃圾并進行合理的分類，是因為人在長期的生活中，認識這些垃圾，并且知道它是屬于什么類型的垃圾。同樣，機器想要識別垃圾的類型，也必須要進行學習，積累了一定的學習數據后才能用特定的方法識別哪些是可回收物、哪些是廚余垃圾、哪些是有害垃圾、哪些是其他垃圾。

學生從生活經驗出發，自主學習總結人類垃圾分類的過程，把人類識別垃圾的過程與機器垃圾分類的過程進行類比。人對垃圾分類的過程是：看到垃圾→利用經驗知識思考判斷垃圾類型→投到對應的垃圾桶中。機器對垃圾分類的過程是：攝像頭拍攝→利用圖像識別技術判斷垃圾類型→放進對應的垃圾箱。

3.合作探究，完善識別程序

學生以小組為單位完善“圖像識別：AI助力垃圾分類”的程序。學生結合自己的理解和已學知識，討論并共同設計圖像采集、特征提取、數據庫比對和圖像分類等步驟。

第一步：圖像采集。學生使用攝像頭、掃描儀或是讀取圖像文件實現圖像采集。第二步：預處理，特征提取。預處理可以消除圖像中的噪聲、增強圖像的質量以及凸顯圖像中的重要特征。特征提取是從圖像中提取出具有代表性的特征，以描述圖像的內容和特性。常見的特征包括顏色、紋理、形狀、邊緣等。第三步：特征匹配與數據庫比對。學生將提取到的特征與預先構建的數據庫進行比對，找到與待識別圖像最相似的圖像或類別。第四步：根據特征匹配的結果，對待識別圖像進行分類。學生利用小程序判斷出可回收物、廚余垃圾、有害垃圾和其他垃圾，把結果通過圖像界面、文本輸出或其他形式呈現出來。

通過小組合作的方式，學生在合作中相互學習、交流與合作，共同完善“圖像識別：AI助力垃圾分類”程序，團隊合作能力和問題解決能力得到培養。小組成員之間相互討論，分享自己的建議，以期獲得最佳的垃圾分類程序方案。教師提供必要的指導和引導，確保學生的合作探究過程能夠有條不紊地進行。

4.分享交流，展示設計成果

每個小組向全班展示他們設計的“圖像識別：AI助力垃圾分類”程序，分享他們的設計思路、算法流程和實際效果，并進行比較和討論。在交流展示環節中，學生評估、質疑和點評其他小組的設計，從中獲得新的觀點和啟發，開闊視野。

通過交流展示，學生有機會展示和分享他們的學習成果，加強了對圖像識別中不同垃圾分類系統的理解和應用，并從他人的展示中獲得新的知識和經驗。

ICS教學模式應用效果

1.提升學生問題解決能力

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》要求，“創新教學方案，以真實問題或項目驅動，引導學生經歷原理運用過程、計算思維過程和數字化工具應用過程，建構知識，提升問題解決能力。注重創設真實情境，引入多元化數字資源，提高學生的學習參與度。”ICS教學模式以某一真實情境貫穿課堂，以解決問題為目標，通過界定問題，抽象問題特征，建立結構模型，形成利用數字化工具解決問題的方案等過程，提升學生的問題解決能力。

2.培養學生的合作意識與合作能力

人類面臨的問題越來越復雜，要解決這些問題，光靠個人力量已很難實現。因此，教育必須重視培養學生的合作意識與合作能力，ICS教學模式的合作探究讓學生以小組為單位進行合作學習，引導小組成員互相交流合作、互相幫助、共同進步。小組的發展需要每一個成員的努力，因此，每一位學生都要養成良好的團隊合作精神和集體協作意識。學生經過長期的學習實踐，合作意識和合作能力變得越來越強。

3.幫助學生樹立終身學習的理念

幫助學生樹立終身學習的理念是教育中的重要任務。自主學習能力是實現終身學習的基礎，教師應以學生為中心，激發學生自主學習與合作探究的能力與動力。ICS教學模式充分發揮學生的主體地位，培養學生的合作意識與能力，通過分享交流環節潛移默化地培養學生的批判性思維，為學生的終身發展打下堅實基礎。

ICS教學模式非常適合中小學人工智能教學，在實踐中取得了很好的效果。ICS教學模式把情境性、自主性、合作性和分享性融合在一起，形成了一套適合中小學人工智能課程的教學模式，能更好地滿足學生個性化的學習需求，使學生成為課堂的主體，在解決真實問題的過程中學會解決問題的方法，提升學生的信息科技素養。ICS教學模式讓學生在掌握基礎知識和基本技能的基礎上，學會學習的方法，為終身學習打下良好的基礎。

注：本文系廣東省中小學教師教育科研能力提升計劃重點項目“基于ICS教學理念的中小學人工智能課程實踐研究”（課題批準號：2022ZQJK062）的研究成果

參考文獻

中華人民共和國教育部. 義務教育信息科技課程標準（2022年版）[S]. 北京： 北京師范大學出版社，2022.

韓煜，鄭秀峰，張影. 人工智能倫理課程建設與探索[J]. 中國信息技術教育，2023（4）：105-107.

廉小親，成開元，安颯，等. 基于深度學習和遷移學習的水果圖像分類[J]. 測控技術，2019，38（6）： 15-18.

周馮琦，張文博. 垃圾分類領域人工智能應用的特征及其優化路徑研究[J]. 新疆師范大學學報（哲學社會科學版），2020，41（4）： 135-144.

編? ?輯：馮艷艷