基于Mind+的初中人工智能体验式教学单元设计与实施研究

摘要：本文对Mind+初中人工智能体验式教学进行单元设计以及教学过程设计，并基于Mind+平台软硬件开展情境体验、探究新知、创作体验、体验改进、展示评价等，通过体验式教学实施，最终在问题情境体验、层次任务设计、核心素养指向、“科”与“技”并重等方面取得一定成效。

关键词：人工智能；体验式教学；Mind+；单元设计

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2024）05-0050-04

问题提出

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）第四学段（7～9年级）把人工智能纳入单独课程模块。通过本模块的学习，学生能认识和感受到人工智能的魅力，了解人工智能的基本概念和常见应用，以及人工智能的实现方式等。但目前初中信息科技教师在开展人工智能教学时遇到了以下问题：①缺乏人工智能的设施设备，需要花大量的资金去购买设施设备；②人工智能教材内容偏少，缺乏和人工智能相关的配套教材内容；③教师缺少人工智能教学实践，缺乏系统的人工智能单元设计。

哈佛大学教授David Kolb提出的体验式教学理论模型，包括具体体验、观察与反思、抽象概念的形成以及在新情境中检验概念的意义等元素。体验式学习是指学习者亲历实践活动，通过自身观察反思得到新的知识、技能和态度，并且能够在新的情境中迁移应用。

Mind+是一款集成度高、入门快、成本低的图形化编程软件，它包括人工智能中的文字翻译、人脸识别、姿态追踪等人工智能扩展模块，教师可根据人工智能原理扩展模块内容，并结合原信息科技教材进行人工智能单元设计。Mind+只需要安装免费软件，硬件有摄像头和耳麦就可以开展人工智能的教学实践工作。如果学生还想要继续深入地学习，它还可以和Arduino等掌控板进行结合，开发出更加优秀的人工智能作品。所以，Mind+非常适合初中阶段开展的人工智能体验式教学单元设计和实施活动。因此，笔者基于Mind+初中人工智能体验式教学进行单元设计以及教学过程设计，并以“川剧变脸”为例开展教学实施，以期为广大教师提供借鉴。

基于Mind+的初中人工智能体验式教学单元设计

1.学习内容重构

在新课标中，人工智能模块包括“人工智能的基本概念和常见应用”“人工智能的实现方式”“智慧社会下人工智能的伦理、安全与发展”。对照2023浙教版信息科技教材，人工智能被安排在九年级第二单元，主要内容为智慧社会，以及人工智能伦理、安全、发展，而对人工智能基本概念和原理、实现方式并没有设置较为详细的教学内容。笔者借助Mind+平台，对初中人工智能体验式教学单元内容进行重构，增加人工智能概念和原理、实现方式内容，融合人工智能常见应用以及人工智能伦理、安全与发展内容。以《Mind+人工智能》校本课程第一单元为例，教学单元框架如图1所示。

2.学习目标设计

人工智能体验式教学目标设计要对标新课标人工智能模块内容和内容要求，同时要指向核心素养。以《Mind+人工智能》校本课程第一单元为例，单元目标为：通过作品体验、自主学习探究，熟悉人工智能的概念和原理；通过体验人工智能的应用情境，体验人工智能的应用给学习、生活、工作带来的变化；通过自主探究、作品创作、交流展示，体验人工智能作品的实现方式。单元核心素养指向：熟悉人工智能原理和功能，感受人工智能给人类的学习、工作、生活带来的变化（信息意识）；熟悉视频侦测、百度翻译、人脸追踪技术的原理和功能（信息意识、计算思维）；能够自主探究视频侦测、百度翻译、人脸追踪技术程序关键指令，并进行作品创作（计算思维、数学化学习与创新）；体验人工智能技术解决学习、生活、工作中的问题，感受人工智能给人类带来的深刻影响（信息社会责任）；通过同伴之间作品展示、作品欣赏，获得成就感，激发学生利用信息技术来解决问题的兴趣和动机。

3.教学评价设计

初中人工智能体验式教学评价以核心素养为指引、教学目标为导向。评价主体是教师、学生、同伴；评价以过程性评价和终结性评价相结合的方式进行；借助评价量表从知识技能、学习过程、学习效果、语言表达等维度根据学生表现情况进行量化打分，并算出最终得分。

基于Mind+的初中人工智能体验式教学过程设计

人工智能体验式教学过程设计是指教师根据人工智能单元中某一课的教学内容，确定教学目标，开展教学实践活动，具体设计流程如图2所示。

第一，情境体验阶段。教师利用视频、图片、图形图表、表演等形式创设情境，提出问题，让学生感受人工智能的魅力，激发学生探究人工智能原理和技术的欲望。

第二，探究新知阶段。教师引导学生将大问题拆解成子问题，用问题的形式引发学生对人工智能原理的思考，并提供微课、图文程序、模仿案例等一系列的资源包，学生在教师的组织下，自主学习资源包、自主探究人工智能原理及硬件和软件技术。在此阶段，要以学生为主体，教师是组织者、帮助者、指导者。

第三，创作体验阶段。教师通过问题引领、任务驱动来组织学生开展教学实践活动，当学生遇到问题时，适当给予指导。学生在教师的指导下，完成小任务、小作品，从创作者的角度来体验人工智能的魅力。

第四，体验改进阶段。教师组织学生欣赏他人的作品，并解答学生遇到的共性问题。学生根据同伴的建议和教师的共性解答，完善并优化自己的作品，进行作品迭代。

第五，展示评价阶段。教师组织学生展示自己的作品，并对当前的作品做出积极的、正面的、建设性的评价。学生展示交流，并进行自评、互评，在评价中提升自己的综合能力。此阶段，能够让学生体验成就感和获得感，促进学生自我反思，对知识与技能进行整理，养成良好的思维习惯。

基于Mind+的初中人工智能体验式教学实施

“川剧变脸”是《Mind+人工智能》校本课程的第四课，在学习本课之前，学生已经学习了视频侦测、文字翻译、机器学习中的KNN分类相关的人工智能的知识与技能，对Mind+人工智能的编程环境已经比较熟悉，对摄像头和耳麦硬件设备已经有所了解。本课利用Mind+编程环境中机器学习的FaceAPI人脸识别追踪人工智能模块，通过“创设情境，作品体验”“提供资源，探究新知”等环节开展人工智能体验式教学实践活动。

1.创设情境，作品体验

教师展示央视春晚中川剧变脸的视频，引出“人工智能也能够实现变脸”，教师展示用Mind+创作出来的作品范例，邀请学生体验“川剧变脸”的作品，并提问：“我们应该如何用Mind+实现川剧变脸？”

2.提供资源，探究新知

本环节设计了活动一，其中包括两个问题：“什么是人脸追踪技术？”“请在Mind+编程环境中自主探究人脸追踪技术的主要程序指令是什么，并用流程图来描述人脸追踪技术的算法原理。”教师提供了与人脸追踪技术相关的微课、图文等资料，让学生进行自主探究。最后让学生体验人脸追踪程序指令模块（如图3），展示学生绘制的人脸追踪技术算法流程图（如图4）。

3.问题引领，创作体验

本环节设计了活动二，其中包括两个任务：进阶任务——如何实现让计算机识别到我们的脸？提高任务——如何实现川剧大变脸？学生根据这两个任务，进行作品创作。最后，教师邀请两位不同任务层次的学生上台展示自己的作品。在学生创作过程中，教师给予指导：①点击小绿旗，初始化人脸追踪，计算机识别我们的脸；②川剧变脸可以通过键盘键来控制，如果识别到人脸，就将脸谱显示在鼻子的位置，如果脸被手遮住了再拿开手，就变换脸谱。代码中变脸时等待1秒，能够减缓程序运行卡顿的情况。

4.相互欣赏，体验改进

在学生实践体验结束后，教师留出5分钟时间让学生之间相互体验对方作品，说出对方作品的闪光点和不足之处，并提出自己改进的想法。学生之间经过欣赏、交流，给出了中肯的恰当的建议。例如，一个学生给同伴提出的建议是：加上背景音乐，程序指令用不同的模块去控制，对程序的理解会更加清晰等。同伴之间根据对方的建议，再次改进优化自己的作品。

5.交流分享，展示评价

教师组织学生开展师生交流分享、作品展示评价活动，要求学生从自主探究人工智能原理情况、人工智能技术掌握和应用情况、遇到问题及其解决问题策略、学习成果等方面进行自评、互评，最后教师做出总结性评价，如下页表所示。学生在交流分享中体验成就感和获得感，在展示评价中不断优化自己的作品，复盘自己的探究、学习、汇报过程，共同进步、共同成长。

基于Mind+的初中人工智能体验式教学单元设计与实施成效

1.创设问题情境体验

人工智能体验式教学选择了贴近学生生活的情境，激活了学生的生活经验，吸引了学生的课堂注意力，拉近了师生之间的关系。学生通过作品体验，调动了学习的积极性，激发了学习的欲望，并以问题为导向，调出了以往的人工智能的知识经验，引发思考，为后续学习做好铺垫。

2.设计不同层次任务

设计不同层次的任务，并以不同的问题为驱动，引导学生开展自主探究学习，以满足不同学生的学习需求。用不同层次的任务为学习支架，循序渐进地引导学生理解并掌握人工智能的原理和技术，最终达到本课的教学目标。

3.多元评价指向素养

在交流分享、展示评价环节中，运用自主评价、同伴评价、教师评价等多元评价方式，不同的评价指标指向不同的核心素养。以“人脸追踪技术原理理解情况”为评价指标指向信息意识，以“人脸追踪技术掌握和应用情况”为评价指标指向信息意识、计算思维、数字化学习与创新，以“遇到问题及其解决情况”为评价指标指向信息意识，数学化学习与创新，以“川剧变脸作品完成情况”为评价指标指向数学化学习与创新、计算思维。

4.体现“科”与“技”并重

信息科技中的“科”是指基本概念和基本原理，“技”是指利用数字设备和数字技术进行实践应用。新课标不仅要求要懂技术，用技术来解决问题，还要求要懂技术背后的原理。人工智能体验式教学模式围绕原理理解、技术探究、作品创作开展教学，在探究体验环节学生理解了人脸追踪技术的原理，在实践体验和体验改进环节，学生能够应用摄像头和耳麦等数字设备和Mind+编程软件进行自主探究、自主创作，体现了“科”与“技”并重。

结束语

在基于Mind+的初中人工智能体验式教学中，笔者将人工智能教学内容进行了重构，对单元目标、教学评价重新进行设计，并通过问题情境体验、探究新知体验、作品创作改进体验、展示评价体验，让学生在体验中观察思考，进行知识迁移、创作应用，在交流分享中体验成就感和获得感，提升了核心素养。

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