基于真實問題驅動的初中人工智能教學實踐研究

中圖分類號：G434文獻標識碼：A 論文編號：1674—2117（2025）13—0031—04

從國家到地方，從學校到社會，人工智能正以前所未有的熱度催化教育的變革，人工智能因其包羅萬象的廣度及神秘莫測的深度讓信息科技課程受到了劇烈震動。本期解碼，我們將從一線的教學實踐出發，從不同視角去觀察基于問題導向的人工智能教育如何與不同地區學生的學習適配。

《中小學人工智能通識教育指南（2025年版）》（以下簡稱《指南》）明確初中階段人工智能教育承載了理解技術邏輯與辨析倫理風險的雙重使命。然而，現實教學依然存在顯著落差，當前，初中人工智能教學的核心矛盾聚焦于兩個維度：其一，原理認知的抽象性與學生具象思維之間的鴻溝。初中生雖具備一定的圖形化編程基礎，能夠通過具象的方式解決某些特定的問題，但對如機器學習中的“特征提取一模型訓練—預測輸出”的閉環流程缺乏直觀感知，也難以從問題中對流程進行抽象概括。其二，信息倫理教育與實踐（技術應用）的脫節。《指南》要求初中生“辨析虛假信息風險”，但傳統教學中的信息倫理討論常脫離技術操作場景，局限于單一、說教式的課堂形式，缺乏切身體驗和直觀感受。學生未經歷過相關風險便被告知“人臉數據可能被盜用”，其信息社會責任意識僅停留在抽象認知或口號層面，難以轉化為實際的辨別能力和防范行為。因此，本研究旨在通過真實問題情境驅動技術實踐，將原理認知嵌入實踐操作，讓學生親身體驗技術漏洞進而自發地進行倫理思辨。

0 “智護小管家”項目設計核心

在教學中，筆者以“智護小管家”校園安防項目為載體，采用真實問題驅動，構建“技術實踐一倫理思辨”雙軌融合路徑，以期為破解素養培育的深層矛盾提供可行方案。

1.技術實踐：采用問題導向、階梯遞進的任務序列

基礎閉環任務：“防護口罩識別”（解決生物實驗器材柜安全準入問題）。

進階任務：“多狀態識別”（應對實驗室防護規范檢查需求）。

高階任務：“人臉認證”（滿足體育器材室身份精準核驗需求）。

所有任務均源于真實校園場景，如在“多狀態識別”環節，學生通過調整Mind+中的“重復執行”積木的參數，親身感受數據采集量對模型識別精度的影響，將抽象的“理解數據特征與算法選擇間的關系”轉化為具象的操作體驗。

2.倫理思辨：嵌入真實技術應用情境以滲透風險感知

當學生完成人臉認證系統搭建后，教師引導學生開展小組互測實驗：嘗試通過照片或動態視頻回放等方式欺騙識別系統。

這一設計將“虛假信息攻擊風險”直接轉化為學生可動手操作的對抗性實驗。在后續的課堂辯論中，學生基于系統被欺騙的成功率分析潛在的個人隱私泄露等后果，自然形成了對技術“雙刃劍”屬性的深刻辯證認知。

項目核心點在于真實問題驅動與倫理風險具象體驗的雙維深度融合： ① 以真實校園問題激發探究動機。技術學習目標明確源于解決身邊的實際問題。 ② 將信息風險轉化為可操作的“照片欺騙實驗”。學生通過親身實踐直接感知技術漏洞，將抽象的“技術責任”具象化為對漏洞的理解與反思，有效提升了責任意識和風險防控能力。

“智護小管家”項目教學流程 （如圖1）

為教學切入點。教師首先聚焦三大現實困境，即生物實驗器材柜誤開導致的標本污染和安全隱患、實驗室防護用具遺漏引發的安全事故，以及圖書館占座造成的資源浪費。當學生提出如“應用人臉識別技術管理柜門鎖閉”或“利用攝像頭自動檢查護具穿戴”等初步構想時，教師順勢賦予學生“校園人工智能工程師”的角色，并發布“智護小管家”開發挑戰任務。這一設計不僅旨在激發學生學習興趣，更核心的目標在于建立“真實問題情境”與“技術解決方案”之間的深刻聯結。通過師生互動問答與沉浸式的角色扮演，教師將抽象的技術知識學習轉化為由解決校園安全隱患的使命感所驅動的實踐過程，充分呼應了問題驅動式學習中“做中學”的本質。

環節二：原理具象化建構

環節一：真實問題導入本環節以“校園安全痛點”作

為化解學生對機器學習原理的認知障礙，教師設計了兩階遞進的認知支架。第一階段，通過運行校園人臉識別門禁程序，讓學生親身體驗無接觸通行，自然引發疑問：“計算機是如何識別我的？”第二階段，在初步討論得出“攝像頭捕捉人臉 $$ 系統比對數據庫”的直觀流程后，教師引導學生將生活化操作步驟與專業概念建立映射關系，即證件照采集對應“數據采集”，人臉錄入系統對應“模型訓練”，閘機放行對應“預測輸出”。當學生能夠用“計算機像人一樣通過學習認臉”來類比描述該過程時，教師及時提煉并明確機器學習的核心定義：“機器學習是計算機系統從大量數據中自主發現規律，并基于這些規律進行預測或決策的過程。”這種教學設計實現了從具象操作到抽象原理的升華，契合初中學生“認知發展需具象經驗支撐”的特點，有效降低了概念理解門檻，也為后續開展更深入的機器學習實踐活動奠定了堅實的思維基礎。

環節三：真實問題導向的技術實踐

活動1：防護口罩識別的閉環驗證

學生基于生物實驗器材柜安全場景，用Mind+搭建基礎識別系統。教師通過具象化操作流程引導學生學習；學生從積木庫中依次拖拽“圖像分類”“模型訓練”“結果輸出”模塊，按機器學習流程進行搭建。在調整“閾值參數”使程序能準確區分戴防護口罩與無遮擋狀態的過程中，學生發現：模型需充足的正負樣本（如各準備約20張戴防護口罩與未戴防護口罩的圖片）才能穩定工作。這一過程成功將抽象的“掌握機器學習流程”知識，轉化為學生可感知的具體操作經驗。

活動2：多狀態識別的數據深化

在進階的實驗室場景中，識別任務擴展為區分三種狀態（規范佩戴、部分佩戴、未佩戴護目鏡）。學生實踐發現：若僅簡單增加標簽類別，模型識別易出現混亂。教師引導學生回顧活動一的經驗，并重點對比分析了新增的“重復執行”模塊——該模塊的循環次數參數直接決定了樣本數據的采集量。學生通過分別采集同一實驗對象在三種狀態下（規范佩戴、部分佩戴、未佩戴）的10張、20張、30張圖像進行模型訓練，記錄了準確率變化曲線，直觀驗證“數據量決定AI性能”這一核心原理。此環節有效突破了“遷移應用”的教學難點，強化了學生在工程實踐中對“數據驅動”理念的理解和參數調優的意識。

活動3：人臉認證的算法迭代

在模擬體育器材室身份核驗的真實應用場景中，學生發現前期使用的KNN分類積木在區分面容相似個體時存在明顯的局限性。教師適時引人FaceAPI積木（如圖2），將其形象地比喻為“賦予計算機深度視覺能力，可精準測量眼距、鼻梁角度等生物特征”。通過這一系統升級實踐，學生親身體驗了人工智能算法的演進路徑：從基于簡單特征匹配的基礎分類器（KNN），躍遷至基于深度神經網絡的特征提取與比對（FaceAPI）。隨后，教師組織學生開展對抗性測試：以小組互測形式，嘗試使用手機屏幕顯示的靜態照片進行系統欺騙實驗。當某小組成功演示“利用自拍照繞過門禁驗證”時，技術應用中的可靠性風險與潛在漏洞直觀呈現，自然引發了學生對生物識別技術安全性的深度思考和熱烈討論，為后續技術倫理的思辨環節奠定了實踐基礎。

環節四：技術倫理的思辨升維

緊承對抗性測試環節暴露的系統脆弱性，教師引導學生轉換身份，以“技術開發者”的視角進行深度反思：“如果黑客盜取人臉數據庫，將會引發什么樣的連鎖風險？”各小組經過討論，列舉出潛在危害：隱私侵犯與濫用風險（如利用照片進行虛擬身份詐騙、偽造視頻）、算法偏見與歧視風險（如因膚色、年齡等因素導致的驗證失敗或誤判）、數據失控與商業濫用風險（如未經授權的用戶畫像構建、精準營銷）等。在討論中，學生質疑數據收集的合法性：“學校是否有權收集人臉數據？”教師適時引入《中華人民共和國個人信息保護法》的核心條款（特別是“最小必要原則”），明確界定合法合規收集處理生物識別信息的邊界。最終，師生共同擬定并簽署“科技向善開發者責任宣言”，學生承諾在其設計的系統中主動嵌入數據加密模塊，并規范張貼清晰明了的“生物識別信息收集與使用告知書”。這一由技術漏洞反思到法律認知構建，再到責任行為承諾的完整過程，將抽象的信息安全價值觀內化為具體的信息社會責任，有效促成了學生從單純的技術使用者向具備社會責任感的數字公民和開發者角色的實質性轉變.

結束語

“智護小管家”項目的核心價值不僅在于實證了真實問題情境對抽象原理內化的顯著促進作用，更在于探索了一條可操作的信息科技核心素養培育實踐路徑：在問題情境層面，校園安防的真實需求為技術實踐提供了持續內驅力，將抽象的人工智能原理學習具象化為解決實際問題的方案設計與迭代過程；

在倫理內化層面，通過“漏洞攻防實驗”等具體體驗，將技術倫理的抽象風險轉化為可感知、可驗證的系統缺陷，使“責任擔當”這一素養目標根植于技術實踐王壤；在素養整合層面，項目驅動的學習過程自然形成了“認知深化（原理）—能力進階 （實踐）—責任覺醒（倫理）\"的螺旋上升結構，高度契合核心素養培育的漸進性與整合性規律。展望未來，可進一步拓寬真實應用場景的深度與廣度，如在校園食堂管理中引入剩食識別模型以倡導節約，或在教室智能節能系統中集成人體感應算法以踐行環保，深度推進科學（S）技術（T）工程（E）倫理（E）的跨學科融合創新（STEM+E）。只有讓學生既理解算法如何運行，又深知技術為何向善，人工智能教育方能抵達育人的本質。

參考文獻：

[1中華人民共和國教育部.中小學人工智能通識教育指南（2025年版）[Z].2025[2]劉亞平.基于核心素養的人工智能教學探索——以“設計蘋果采摘器”項目為例[J].中國信息技術教育，2025（1）：42-44.