“三段五步”人工智能实验教学模式的应用与实践

摘要：随着科技的飞速发展，在教育领域，人工智能的应用也日益广泛，为中小学生带来了全新的学习体验。然而，如何将人工智能与中小学教育相结合，创新教学模式，成为亟待解决的问题。本文将探讨实验教学如何助力中小学人工智能教育模式创新，为学生提供更加丰富、有趣的学习途径。

关键词：实验教学；信息科技；人工智能教育

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2025）06-0032-04

中小学人工智能教育在现今及未来教育体系中的重要性日益凸显。《中国教育现代化2035》等政策的实施，更是赋予了中小学人工智能教育推动教育变革创新的重大使命。因此，构建高效的教学模式与策略以适应人工智能教育的特性成为亟待解决的核心议题。在信息科技学科教育中，实验教学既保留了传统实验的共性，又独具特色，其独特之处在于对信息技术实际操作与实践应用的强调。

实验教学助力人工智能教育创新模式的建立

相较于传统中小学人工智能教育，将实验教学方法有效融入教育体系，不仅提升了学生的实践操作能力，更激发了他们对人工智能领域的浓厚兴趣与热情。因此，笔者基于丰富的实验教学经验，构建了“三段五步”的教学模式（如图1），旨在深度融合实验教学与人工智能教育。

在图1的创新模式中，教师以课前、课中和课后三大学习阶段为时间脉络，引导学生通过编程控制机器人等实践活动，亲身体验人工智能的无限魅力。学生在不断测试与优化中，不仅掌握了知识，更学会了如何总结经验、内化所学，从而有效达成素养培养的目标。

“三段五步”教学模式的关键实施要素

1.真实情境构建，强化问题导向思维

在实验教学中，教师应紧贴学生实际需求与兴趣，设计贴近学生生活的真实情境，以此激发学生兴趣，触发深度思考。例如，通过模拟一个真实的商业挑战，让学生在解决实际问题的过程中学习人工智能的应用。

2.精准实验指导，明确角色定位

在中小学人工智能的实验教学模式中，明确师生角色定位至关重要。教师应从传统讲授者的角色中抽离，转变为引导者、协助者及问题解决过程中的合作伙伴。教师需设计富有吸引力的问题情境，提供充足的实验资源，并在学生探究学习过程中给予及时的帮助与反馈。例如，教师可扮演“技术顾问”的角色，为学生提供关于人工智能技术的最新信息和实践指导。而学生则由被动接受者转变为积极探索者，通过动手操作、团队合作与创造性思考，主动寻求问题解决之道。

3.以实践操作为核心，深化实验探究

教师以课程设计者的身份，将学习过程精心规划为一系列通过动手实验与实际操作解决问题的活动。学生则以实践者的角色深入其中，从实验设计到编程实施再到结果分析，全程主动探索人工智能的工作原理与应用。他们充分利用各种工具与平台如机器人、传感器及编程软件等进行实验探究。例如，学生可以设计一个简单的机器人程序，通过编程让机器人完成特定任务，从而理解编程逻辑与机器人的交互方式。这种以实践为核心的学习方式强调试错、反思与迭代的过程价值，使学生能够深刻理解人工智能概念并培养创新思维与解决复杂问题的能力。

“三段五步”教学模式的应用案例

下面，笔者以人工智能教育中的《认识机器学习》一课为例，从课前、课中和课后三个时段，及课中五个步骤，规划详细的教学设计，以实验教学助力人工智能教育模式创新。

1.课前准备

（1）目标设计

本课程重在培养学生的兴趣与实践能力，通过实际操作让学生深刻体会机器学习的独特魅力，进而激发他们对人工智能领域的浓厚兴趣与热爱。同时，教师要高度关注学生的个性化发展需求，鼓励他们在学习过程中积极展现个人特长与兴趣点。具体而言，学生需通过本课的学习，对机器学习的基本概念与原理形成清晰而深刻的理解，并能够灵活运用所学知识，有效分析与解决实际问题。

（2）教学内容设计

在教学内容的设计上，教师挑选了贴近学生认知水平与兴趣爱好的案例，注重以实践探究为主导，引导学生通过实验探究或实验验证的方式深入学习。以“探究智能称重机器的工作原理”为例，该案例不仅贴近学生日常生活，容易引发学生的共鸣，还巧妙融合了物理、数学、计算机科学等多个学科领域的知识，有助于拓宽学生的知识视野。此外，为了进一步增强学生的学习兴趣，提高学生的参与度，教师还在教学内容中融入了趣味性的元素，如“水果猜猜看”等游戏环节，从而营造轻松愉快的学习氛围，促进学生对知识的吸收与掌握。

2.课程实施及影响

针对前期的准备，在课程实施过程中充分考虑如何为达成教学目标来设计学习活动，结合“探究智能称重机器的工作原理”这一实验探究案例，按照如下策略展开“五步”实验教学。

（1）“五步”实验教学的实施过程

在课程学习中，教师首先将学生分成若干小组，每个小组由三到四名学生组成，运用项目式学习方法，引导学生分组进行实验操作，以培养学生的动手能力与团队协作精神。然后，向学生介绍智能称重机器的基本结构和工作流程，让学生对实验任务有一个初步的了解。接下来，教师引导学生制订实验方案，其中包括实验目的、实验步骤、实验器材等。具体的课程实施环节如下。

如图2所示，在课堂实施过程中，以“探究智能称重机器的工作原理”为问题的起点，以“制作一个智能识别物品的机器”为项目任务，分五个环节开展实验探究活动。以苹果和橘子为例，分小组进行实验，用不同数量的水果图片进行训练，测试识别结果。用不同种类的水果去测试机器学习的训练模型，记录结果。探究出机器学习的关键因素，得出结论，再将结论应用到项目任务中，完成项目任务。在这个过程中，教师可以引导学生深入思考实验中的各种现象和结果。例如，当学生们用不同数量的水果图片进行训练时，教师可以让学生分析训练数据量对模型准确性的影响。同时，教师还可以引导学生思考如何选择合适的特征来提高模型的性能。通过这些深入的思考和讨论，学生可以更好地理解机器学习的原理和方法，提高自己的分析问题和解决问题能力。

（2）“五步”设计对人工智能实验教学的影响

“五步”实验教学的实施使得学生在探究智能称重机器的工作原理过程中，通过亲自动手实验，不仅掌握了机器学习的基本方法，还培养了自己的创新思维和实践能力。同时，教师也积累了丰富的实验教学经验，为人工智能教育模式创新提供了有益的参考。例如，在实验过程中，有的学生发现可以通过改变实物的角度来提高识别的准确性，有的学生则提出可以采用不同的算法来优化数据处理过程。这些创新想法的产生，既展示了学生的创造力，也为人工智能教育模式的创新提供了新的思路。此外，实验教学还可以促进学生之间的交流与合作。在小组实验中，学生需要分工协作，共同完成实验任务。通过这种方式，学生们可以学会倾听他人的意见，尊重他人的想法，提高自己的团队协作能力。

3.课后拓展

（1）作业拓展

为深化学生对机器学习概念的理解并提升其实践技能，课后教师可鼓励学生参与实际的机器学习项目，通过动手实践巩固课堂所学理论知识。例如，学生可尝试使用简单的机器学习工具和数据集来训练模型，以解决实际问题。在课后拓展中，教师可以为学生提供一些简单的机器学习工具和数据集，让学生在课后自主进行实践。例如，可以推荐学生使用Openinnolab这个开源的机器学习平台，它提供了丰富的机器学习算法和工具，可以帮助学生快速上手机器学习。同时，教师还可以为学生提供一些公开的数据集，如鸢尾花数据集、手写数字数据集等，让学生通过这些数据集来训练模型，提高自己的实践能力。

（2）定期分享

教师可引导学生进行主题讨论和创意思考，鼓励他们提出自己的机器学习应用想法，并进行初步的设计与规划。教师可以组织学生进行主题讨论，让他们分享自己在学习机器学习过程中的收获和体会。同时，教师还可以鼓励学生提出自己的机器学习应用想法，并进行初步的设计和规划。例如，有的学生会提出可以用机器学习来识别植物的种类，有的学生则会提出可以用机器学习来预测股票价格。通过这些主题讨论和创意思考，学生们可以更好地发挥自己的创造力和想象力，从而提高了创新能力和实践能力。

结束语

“三段五步”实验教学作为一种新型的教学模式，具有重要的参考价值。在中小学人工智能教育中，实验教学能够激发学生的学习兴趣，培养学生的实践能力、创新思维能力和团队协作能力，为中小学人工智能教育模式创新提供强大动力。因此，教师应积极探索实验教学在中小学人工智能教育中的应用，为学生提供更加丰富、有趣的学习途径。

本文系2023年度安徽省教育信息技术研究课题“基于‘网络平台’开展城乡小学信息科技协同教学的路径研究”（立项号为：AH2023131）的阶段性研究成果。