基于Mind+的初中人工智能體驗式教學單元設計與實施研究
——以“川劇變臉”為例

戴培清 浙江省杭州市錢塘區金沙湖實驗學校

● 問題提出

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）第四學段（7～9年級）把人工智能納入單獨課程模塊。通過本模塊的學習，學生能認識和感受到人工智能的魅力，了解人工智能的基本概念和常見應用，以及人工智能的實現方式等。但目前初中信息科技教師在開展人工智能教學時遇到了以下問題：①缺乏人工智能的設施設備，需要花大量的資金去購買設施設備；②人工智能教材內容偏少，缺乏和人工智能相關的配套教材內容；③教師缺少人工智能教學實踐，缺乏系統的人工智能單元設計。

哈佛大學教授David Kolb提出的體驗式教學理論模型，包括具體體驗、觀察與反思、抽象概念的形成以及在新情境中檢驗概念的意義等元素。體驗式學習是指學習者親歷實踐活動，通過自身觀察反思得到新的知識、技能和態度，并且能夠在新的情境中遷移應用。

Mind+是一款集成度高、入門快、成本低的圖形化編程軟件，它包括人工智能中的文字翻譯、人臉識別、姿態追蹤等人工智能擴展模塊，教師可根據人工智能原理擴展模塊內容，并結合原信息科技教材進行人工智能單元設計。Mind+只需要安裝免費軟件，硬件有攝像頭和耳麥就可以開展人工智能的教學實踐工作。如果學生還想要繼續深入地學習，它還可以和Arduino等掌控板進行結合，開發出更加優秀的人工智能作品。所以，Mind+非常適合初中階段開展的人工智能體驗式教學單元設計和實施活動。因此，筆者基于Mind+初中人工智能體驗式教學進行單元設計以及教學過程設計，并以“川劇變臉”為例開展教學實施，以期為廣大教師提供借鑒。

● 基于Mind+的初中人工智能體驗式教學單元設計

1.學習內容重構

在新課標中，人工智能模塊包括“人工智能的基本概念和常見應用”“人工智能的實現方式”“智慧社會下人工智能的倫理、安全與發展”。對照2023浙教版信息科技教材，人工智能被安排在九年級第二單元，主要內容為智慧社會，以及人工智能倫理、安全、發展，而對人工智能基本概念和原理、實現方式并沒有設置較為詳細的教學內容。筆者借助Mind+平臺，對初中人工智能體驗式教學單元內容進行重構，增加人工智能概念和原理、實現方式內容，融合人工智能常見應用以及人工智能倫理、安全與發展內容。以《Mind+人工智能》校本課程第一單元為例，教學單元框架如圖1所示。

2.學習目標設計

人工智能體驗式教學目標設計要對標新課標人工智能模塊內容和內容要求，同時要指向核心素養。以《Mind+人工智能》校本課程第一單元為例，單元目標為：通過作品體驗、自主學習探究，熟悉人工智能的概念和原理；通過體驗人工智能的應用情境，體驗人工智能的應用給學習、生活、工作帶來的變化；通過自主探究、作品創作、交流展示，體驗人工智能作品的實現方式。單元核心素養指向：熟悉人工智能原理和功能，感受人工智能給人類的學習、工作、生活帶來的變化（信息意識）；熟悉視頻偵測、百度翻譯、人臉追蹤技術的原理和功能（信息意識、計算思維）；能夠自主探究視頻偵測、百度翻譯、人臉追蹤技術程序關鍵指令，并進行作品創作（計算思維、數學化學習與創新）；體驗人工智能技術解決學習、生活、工作中的問題，感受人工智能給人類帶來的深刻影響（信息社會責任）；通過同伴之間作品展示、作品欣賞，獲得成就感，激發學生利用信息技術來解決問題的興趣和動機。

3.教學評價設計

初中人工智能體驗式教學評價以核心素養為指引、教學目標為導向。評價主體是教師、學生、同伴；評價以過程性評價和終結性評價相結合的方式進行；借助評價量表從知識技能、學習過程、學習效果、語言表達等維度根據學生表現情況進行量化打分，并算出最終得分。

● 基于Mind+的初中人工智能體驗式教學過程設計

人工智能體驗式教學過程設計是指教師根據人工智能單元中某一課的教學內容，確定教學目標，開展教學實踐活動，具體設計流程如圖2所示。

圖2

第一，情境體驗階段。教師利用視頻、圖片、圖形圖表、表演等形式創設情境，提出問題，讓學生感受人工智能的魅力，激發學生探究人工智能原理和技術的欲望。

第二，探究新知階段。教師引導學生將大問題拆解成子問題，用問題的形式引發學生對人工智能原理的思考，并提供微課、圖文程序、模仿案例等一系列的資源包，學生在教師的組織下，自主學習資源包、自主探究人工智能原理及硬件和軟件技術。在此階段，要以學生為主體，教師是組織者、幫助者、指導者。

第三，創作體驗階段。教師通過問題引領、任務驅動來組織學生開展教學實踐活動，當學生遇到問題時，適當給予指導。學生在教師的指導下，完成小任務、小作品，從創作者的角度來體驗人工智能的魅力。

第四，體驗改進階段。教師組織學生欣賞他人的作品，并解答學生遇到的共性問題。學生根據同伴的建議和教師的共性解答，完善并優化自己的作品，進行作品迭代。

第五，展示評價階段。教師組織學生展示自己的作品，并對當前的作品做出積極的、正面的、建設性的評價。學生展示交流，并進行自評、互評，在評價中提升自己的綜合能力。此階段，能夠讓學生體驗成就感和獲得感，促進學生自我反思，對知識與技能進行整理，養成良好的思維習慣。

● 基于Mind+的初中人工智能體驗式教學實施

“川劇變臉”是《Mind+人工智能》校本課程的第四課，在學習本課之前，學生已經學習了視頻偵測、文字翻譯、機器學習中的KNN分類相關的人工智能的知識與技能，對Mind+人工智能的編程環境已經比較熟悉，對攝像頭和耳麥硬件設備已經有所了解。本課利用Mind+編程環境中機器學習的FaceAPI人臉識別追蹤人工智能模塊，通過“創設情境，作品體驗”“提供資源，探究新知”等環節開展人工智能體驗式教學實踐活動。

1.創設情境，作品體驗

教師展示央視春晚中川劇變臉的視頻，引出“人工智能也能夠實現變臉”，教師展示用Mind+創作出來的作品范例，邀請學生體驗“川劇變臉”的作品，并提問：“我們應該如何用Mind+實現川劇變臉？”

2.提供資源，探究新知

本環節設計了活動一，其中包括兩個問題：“什么是人臉追蹤技術？”“請在Mind+編程環境中自主探究人臉追蹤技術的主要程序指令是什么，并用流程圖來描述人臉追蹤技術的算法原理。”教師提供了與人臉追蹤技術相關的微課、圖文等資料，讓學生進行自主探究。最后讓學生體驗人臉追蹤程序指令模塊（如圖3），展示學生繪制的人臉追蹤技術算法流程圖（如圖4）。

圖3

圖4

3.問題引領，創作體驗

本環節設計了活動二，其中包括兩個任務：進階任務——如何實現讓計算機識別到我們的臉？提高任務——如何實現川劇大變臉？學生根據這兩個任務，進行作品創作。最后，教師邀請兩位不同任務層次的學生上臺展示自己的作品。在學生創作過程中，教師給予指導：①點擊小綠旗，初始化人臉追蹤，計算機識別我們的臉；②川劇變臉可以通過鍵盤鍵來控制，如果識別到人臉，就將臉譜顯示在鼻子的位置，如果臉被手遮住了再拿開手，就變換臉譜。代碼中變臉時等待1秒，能夠減緩程序運行卡頓的情況。

4.相互欣賞，體驗改進

在學生實踐體驗結束后，教師留出5分鐘時間讓學生之間相互體驗對方作品，說出對方作品的閃光點和不足之處，并提出自己改進的想法。學生之間經過欣賞、交流，給出了中肯的恰當的建議。例如，一個學生給同伴提出的建議是：加上背景音樂，程序指令用不同的模塊去控制，對程序的理解會更加清晰等。同伴之間根據對方的建議，再次改進優化自己的作品。

5.交流分享，展示評價

教師組織學生開展師生交流分享、作品展示評價活動，要求學生從自主探究人工智能原理情況、人工智能技術掌握和應用情況、遇到問題及其解決問題策略、學習成果等方面進行自評、互評，最后教師做出總結性評價，如下頁表所示。學生在交流分享中體驗成就感和獲得感，在展示評價中不斷優化自己的作品，復盤自己的探究、學習、匯報過程，共同進步、共同成長。

● 基于Mind+的初中人工智能體驗式教學單元設計與實施成效

1.創設問題情境體驗

人工智能體驗式教學選擇了貼近學生生活的情境，激活了學生的生活經驗，吸引了學生的課堂注意力，拉近了師生之間的關系。學生通過作品體驗，調動了學習的積極性，激發了學習的欲望，并以問題為導向，調出了以往的人工智能的知識經驗，引發思考，為后續學習做好鋪墊。

2.設計不同層次任務

設計不同層次的任務，并以不同的問題為驅動，引導學生開展自主探究學習，以滿足不同學生的學習需求。用不同層次的任務為學習支架，循序漸進地引導學生理解并掌握人工智能的原理和技術，最終達到本課的教學目標。

3.多元評價指向素養

在交流分享、展示評價環節中，運用自主評價、同伴評價、教師評價等多元評價方式，不同的評價指標指向不同的核心素養。以“人臉追蹤技術原理理解情況”為評價指標指向信息意識，以“人臉追蹤技術掌握和應用情況”為評價指標指向信息意識、計算思維、數字化學習與創新，以“遇到問題及其解決情況”為評價指標指向信息意識，數學化學習與創新，以“川劇變臉作品完成情況”為評價指標指向數學化學習與創新、計算思維。

4.體現“科”與“技”并重

images/BZ_55_969_331_2291_414.png人臉追蹤技術原理理解情況人臉追蹤技術掌握和應用情況遇到問題及其解決情況川劇變臉作品完成情況語言表達溝通流暢備注：優秀3 良好2 合格1 不合格0

信息科技中的“科”是指基本概念和基本原理，“技”是指利用數字設備和數字技術進行實踐應用。新課標不僅要求要懂技術，用技術來解決問題，還要求要懂技術背后的原理。人工智能體驗式教學模式圍繞原理理解、技術探究、作品創作開展教學，在探究體驗環節學生理解了人臉追蹤技術的原理，在實踐體驗和體驗改進環節，學生能夠應用攝像頭和耳麥等數字設備和Mind+編程軟件進行自主探究、自主創作，體現了“科”與“技”并重。

● 結束語

在基于Mind+的初中人工智能體驗式教學中，筆者將人工智能教學內容進行了重構，對單元目標、教學評價重新進行設計，并通過問題情境體驗、探究新知體驗、作品創作改進體驗、展示評價體驗，讓學生在體驗中觀察思考，進行知識遷移、創作應用，在交流分享中體驗成就感和獲得感，提升了核心素養。