信息科技类实验活动的设计与实施探究

摘要：实验教学是培养创新人才的重要途径，在开展初中信息科技类实验活动过程中，通过分析实验目的及素养需求，设计合适的验证性实验、探究性实验或创新性实验，可以帮助学生验证、理解科学原理，辅助问题的解决，进而提升学生的综合素养。

关键词：信息科技；实验教学；探究性实验；创新性实验

中图分类号：g633.67文献标识码：a文章编号：1673-8918（2025）05-0124-04

实验教学模式是培养初中学生核心创造力的重要途径。《义务教育课程方案（2022年版）》中倡导的“做中学，用中学，创中学”的教育理念，正是对实验教学的深刻诠释。《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》指明了在信息化时代背景下更好地开展实验教学的方向。

一、 探索信息科技类实验教学的意义

信息科技教学强调理论与实践的深度融合。信息科技领域存在各种复杂的问题，实验教学能够让学生在面对真实性的问题时，通过开展合作，进行数据、观察、分析数据，提出解决方案，提升学生的逻辑思维能力，系统思考和解决的问题。同时只有带领学生在实验中发现问题、动手实践、探索问题，亲历问题解决的全过程，才能透过现象看清本质，理解其中蕴含的科学原理，真正做到学以致用。

同时，信息科技领域是一个不断创新的领域，实验教学模式为学生提供了更多自主学习，实践探索的空间和平台，在实验过程中可培养学生对事物的细致观察力和对问题的思辨力，亦能激发其创新潜能和团队精神。由此可见，信息科技类实验教学模式的实施探究，对发挥信息科技的育人价值具有重要意义。

义务教育信息科技实验教学的基本目录中包含了验证性实验、探究性实验和创新应用性实验等多种类型的实验活动。在不同教学情境下，结合实验类型本身的特点，选择性开展实验教学，可以满足学生在学习中的多样化需求。然而，如何有效地开展实验教学，设计合适的实验以针对性解决问题，增强学生的创造性学习能力，给信息科技教师带来了新的挑战。

二、 以信息科技平台为基，图像分类应用为引，助力验证性实验

验证性实验是日常教学中最为常见的实验类型，它是基于学生对研究的对象有一定的了解，形成一定的认识基础上，提出某种假设，然后为了验证这种认知或假设的准确性而开展的一种实验模式。验证性的实验强调演示和证明科学内容的活动，科学知识与科学过程分离。

图像分类是指计算机在接收到输入的图像，分析、输出对图像内容分类的描述。图像的分类依据是包括图像的特征，包括颜色、纹理和形状等。在八年级下册第9课《人工智能中的机器学习》教学中，带领学生通过图像分类应用的实验，理解机器学习的过程至关重要，中小学信息科技学科平台中的人工智能实验为中心为本课学习提供了支架。

实验准备：中小学信息科技学科平台的人工智能实验中心。

实验目的：验证机器学习的过程。

实验过程：体验人工智能实验中心的图像分类器，通过采集图像，对图像进行特征提取和分类器训练，测试图像识别分类的全过程。

数据观察与记录：标签数据采集的数量，测试组图像分类的相似度值，计算测试数据识别的准确率。

机器学习是通过对大量的数据和经验进行学习，以获得、改善或逼近问题求解模型。在验证图像分类应用的实验过程中，首先，我们需要采集各类带标签的图像，接着，通过对所采集图像的颜色、纹理、形状轮廓等多方面特征的提取来训练分类器的模型，最后，我们可以通过大量的图像数据进行测试，验证图像分类器的识别准确率。记录数据并进行思考，是什么影响了图像分类器的识别准确率，应该从哪几方面优化实验的过程。带领学生经历实验中的数据收集→特征提取→训练模型→得出结论的全过程。

实验发现：采集的带标签数据数量越多，所分类器训练的模型更优，在识别图像时的分类相似度值会更高，分类识别结果更准确。同时，采集同一标签数据的多角度图像，更利于识别相似度值的提升。识别结果的准确率会受图片拍摄质量，测试数据总量等方面的影响，因此建议进行多次重复测试，减少外界干扰。

三、 以教学目标为基，搜索算法为引，开展探究性实验

探究性实验则更注重学生主动发现问题并进行知识探索的过程，是实验者在不知道实验结果的前提下，通过自己组建实验，收集数据，观察、探索、分析、研究，从而得出结论的过程。探究性实验是形成科学概念的一种认知活动，开展该类实验有利于提升学生的探究能力和问题解决能力。

搜索是人工智能解决问题的基本算法之一，通常分为盲目搜索和启发式搜索。盲目搜索会穷举解决问题的所有方法和途径，而启发式搜索则是在搜索过程中加入了与问题有关的启发式信息，通过对比信息朝着最优目标方向前进。在八年级下册第8课《人工智能中的算法》的学习中，在理解搜索算法方面，以学生熟悉的八数码游戏或华容道游戏为切入，以小组合作的形式启发搜索的探究过程。

实验准备：八数码游戏或华容道游戏。

实验目的：探索搜索算法的过程。

实验过程：在九宫格棋盘中放置1～8号的8颗棋子，剩下1个空格，通过向空格移动棋子改变棋盘布局，使得九宫格的布局由初始棋盘“283，1 4，765”转为图1中箭头所指的目标棋局“123，8 4，765”。

数据观察与记录：移动的过程，移动的步数，未在正位上的个数，寻找最优路径。

通过小组分工合作，尝试使用盲目搜索的方法，对每一种可能进行尝试，并记录每一步的数据，并在前一步尝试的基础上，继续进行下一步所有可能的尝试，穷举所有可以达到与目标布局相符的走步序列。从第2层开始分为4个小组，逐一推理下一层中可能出现的所有情况，并填写在九宫格中，形成如图1所示步骤图。

启发式搜索会对初始布局与目标布局进行比对，发现3、4、5、6、7号棋在初始布局与目标布局中一致，且移动8号棋后的布局比移动1号棋更接近目标布局，所以选择移动8号棋，从而在第二层中就出现了更优棋局为“2 3，184，765”。其中，“估价值”的计算对启发式搜索的进行起到了重要作用。例如，我们可以将已经走过的步数加上还未在正位上的个数相加成为估价的依据，在启发式搜索中，可遵照估价值最小的路径推进，比对初始布局与目标布局，分小组移动棋子并记录过程，直至与目标布局完全匹配，则搜索结束，并给出最合理的走步序列，即是启发式搜索中的最优解，“283，1 4，765”→“2 3，184，765”→“23，184，765”→“123，84，765”→“123，8 4，765”。利用启发式搜索，只需要移动4步就能达到预期目标，大大节约了计算成本。

实验发现：启发式搜索在效率和针对性上表现突出，但存在启发信息和最优解的问题；盲目搜索简单可靠，能保证一定质量的解，但效率较低。所以在不同的问题场景和需求下，两种搜索方式各有优势。同时，我们还发现，如果我们每次选择估价值最小的方向，也不一定可以更快地实现目标状态，估价值最小是最有希望并不等于绝对正确。

四、 以文化传承为基，人工智能技术为引，推进创新性实验

创新应用性实验着重于塑造学生的创新思维与能力，旨在引导学生将信息科技课堂学习到的知识创造性地应用到实际问题的解决中。这种实验模式不仅鼓励学生将所学付诸实践，更激励他们在真实环境中积极探寻新的解决方案。以下实验围绕中国茶文化，尝试运用人工智能手段，创造性地呈现茶文化的科技体验感。

实验情境：随着科技的发展，人工智能技术在茶文化传承领域展现出巨大潜力。本实验探索将人工智能融入茶文化传承中，设计并实现一款具备能听会说、能看会认、能理解会思考的智能系统，以提升传统茶文化的现代体验感。

实验准备：未来派Ⅱ软硬件设备，小组合作访问浙江非遗网站，搜集茶文化的相关信息。

实验目的：利用人工智能技术，创新茶文化传承。

（一）寻找制茶人，体验人脸识别技术

组建学习小组，学生通过访问浙江省非遗网站了解并搜集浙江制茶人相关信息。要完成的任务是通过随机挑选卡片，能识别人脸卡片信息，将相应信息显示在屏幕上并进行播报。

实验过程：在识别人脸之前，我们要将从网络中搜索到的所有浙江制茶人相关人脸信息进行图片拍照录入。对此，可以通过摄像头拍摄录入多位人脸信息，并将其保存到系统数据库中。接着，编写程序，设置触发人脸搜索的条件。触发人脸识别原理是利用超声波传感器，设置当检测到的人脸卡片距离小于某值时，触发人脸搜索功能，从而在原先注册的人脸信息库中数据搜索比对人脸特征相一致的图片，完成准确识别人脸信息并进行语音播报。

八年级下册第7课《图像识别技术》的学习内容，为本实验的开展提供了相应的知识与技能基础。通过寻找制茶人环节中人脸识别过程的体验，促使学生明确了图像识别过程中的图像数字化→特征提取→分类识别→得出结论的全过程。学生在实验过程中开展合作与分工，进行制茶人信息收集。在数据测试与记录中，迭代实验方案。最终利用人工智能技术完成相关制茶人的人脸识别实验，展现出极大的成就感。

（二）探寻茗茶信息，体验语音识别与合成技术

学生通过人机对话的形式，提问未来派实验套件，关于茶叶特征、茶叶产地、茶乡风景的特定问题，利用机器的识别语音进行特定问题识别，并用不同语言（语音合成）进行回答，同时将回答的结果显示在机器屏幕上。

实验过程：在本实验过程中最关键的是需要理解代码中的选择结构的设置，准确设置判断条件。研究将听到的语音内容转写成为文字，并转写为结果的判断条件，最后根据判断结果进行播报显示。首先要将听到的普通话转写为文字，判断文字中是否包含特定的判断性文字“西湖龙井”与“产地”。若此判断条件识别后成立，那么机器会将信息翻译成英文，并将中、英文结果都显示在屏幕上。同时，会利用语音合成技术，用中英文两种语言进行播报，学生可以体验语音识别与合成的全过程。

八年级下册第5课《语音识别技术》与第6课《语音合成技术》学习内容为本实验的开展提供了基本的知识与技能条件。语音识别的过程是将声音转化为文字的过程，经历了声音数字化→特征提取→模式匹配→语言处理。而语音合成的过程则是将文字转化为声音的过程，经历了语言处理→韵律处理→单元拼接→语音输出。通过探寻茗茶信息这一活动，将语音识别与合成的过程完美结合，也使学生在问题解决的过程中加深对茶文化的了解，提升其对人工智能技术的创新运用能力。

（三）探究茶的种植，综合体验人工智能技术

创意任务的设置学生们选择围绕“茶的种植”展开，通过资料搜索了解茶种植的环境，利用人工智能技术，突显观察生活和创新生活，强化人机交互功能的实现。在制作过程中，涉及智能语音、计算机视觉、自然语言处理等人工智能技术，创新茶文化传承的新思路。注重引导学生在创作中对技术应用的合理性、实用性和创新性，充分使用文本分类模型训练、语音测评、人机对话、表情识别、图表显示、语义理解等技术。

实验过程：经过团队多方面资源收集与研究，对茶树的种植条件进行全方位的分析。模拟现实环境，设计了一款“智能播种”机器人，它的功能包括智能温湿度播报、智能光照、松土、播种、洒水和虫害识别等。首先，用语音触发智能播报温湿度的值并进行判断种植条件是否合适。接着，通过硬件搭建，我们的机器能进行耕地松土，并通过舵机角度的调整在土壤中定点松土、打洞、播种及定量洒水（图2）。同时，拓展功能还包括用语音触发光照条件的判断，当所测得的环境中的光照强度低于所设置的阈值时，机器将会开启灯带自动补光。最后，我们还利用图像识别技术对监控中出现的虫害进行拍照识别与播报。

以茶文化传承为创新主题，带领学生探索人工智能技术的运用，在对茶文化进行深入了解的同时，更激发学生的创新思维，提升了团队的创新应用能力与问题解决能力，将学与用紧密结合。

五、 实验教学活动中的思考与反馈

此外，我们还需关注信息科技实验活动开展过程中的互动与反馈。在实验过程中构建积极的互动环境，鼓励学生在组间和组内开展合作与交流，及时、准确地对实验数据、现象与结果进行反馈，引导学生调整实验研究方向。再次，通过多维度的评价让学生更好地认识自己的优势与不足，从而优化学习效果。

在实验活动中，我们还应注重培养学生的批判性思维，鼓励学生勇于发现问题，提出质疑，再通过实验探索来进行验证。这样不仅能提升学生的科学素养，还能培养他们在面对未知问题时勇于探索、敢于创新的精神。

随着数字科技的不断发展，我们可以尝试使用虚拟现实技术来模拟实验场景，让学生体验在虚拟环境中进行实验操作，这样既降低了实验的成本，又能提高学生的参与性。同时，浙江省中小学信息科技学习平台中的“人工智能实验中心”，为信息科技教学中相应的感知实验与验证实验的开展提供有效的学习支架，“物联数据中台”则为学生开展物联网、传感器的验证性、探究性实验提供了技术支持。

六、 结论

综上所述，学生在参与实验的过程中，亲历观察、分析并建立测试实验，辅助问题的解决的全过程。这样的信息化实验教学模式，有效地结合了科学原理探究和技能培养的需求，能使学生在掌握知识的同时提升综合素养，真正展现信息科技教学中“科”与“技”双线并重的课程特色。

参考文献：

［1］刘战辉.新课标视域下小学信息科技大单元教学策略探索［j］.学苑教育，2024（24）：70-72.

［2］李安.从验证性实验到探究性实验——初中物理实验教学方法思考［j］.长春教育学院学报，2013，29（9）：154，159.

［3］李灵凤.面向学科核心素养的初中信息科技pbl教学设计与实践［d］.成都：四川师范大学，2024.