以體驗為導向的小學人工智能課程設計探究

劉曉燁

從信息時代出發，在小學開設人工智能相關課程勢在必行，而北京市東城區在2019年已經出版了一本小學人工智能輔助教材，我校是第一批人工智能實驗校。我作為一名東城區小學信息技術教師，在小學開展了人工智能教學方面的研究。

皮亞杰的認知發展理論指出，小學階段的學生可以將感知動作內化，并能在具體內容的支持下進行簡單的抽象邏輯思維。2018年7月，中國青少年科技輔導員協會通過對18個省市地區的25所中小學的1158位中小學生進行問卷調查，以及對相關教師和專家進行深度訪談后，他們給出的建議是：中小學的人工智能教學要以活動——體驗——提煉——思考——實踐為教學模式。可見活動、體驗是多么重要。只有通過活動進行體驗，學生才能理解，才能對所學的知識進行提煉和思考，最終進行實踐和創新。

蘇聯教育家蘇霍姆林斯基說過：“使學生親身感受到知識獲取的過程，其樂趣是知識本身無法給予的”。因此，我設計的“圖像識別”一課中，最大的特點就是讓學生在活動中充分地體驗，將體驗貫穿課堂始終。

體驗式情境引入，幫助學生提煉重點

在情境引入環節，我以“我是小保安”的活動引入，旨在讓學生通過模擬人工智能領域的“人臉識別系統”，親身感受自己當保安，判斷門外的人能不能進門的過程，從而提煉出人識別人臉的過程。首先給出6個不認識的人的人臉正面照片，給學生一分鐘時間進行記憶。之后我出示兩張人臉的照片（逐一出示），告訴學生，他們已經來到學校門口，請你拿出手中的答題器判斷是否能進。后出示的兩張人臉照片都是在6個人臉照片中的，只不過做了一些修飾。第一張是在原有人臉基礎上戴了近視眼鏡，第二張是在原有基礎上戴了墨鏡和口罩。每次用互動反饋系統的答題器做完判斷，及時出示判斷結果，并讓學生說一說判斷能進與否的理由。這里使用互動反饋系統的目的是讓每位學生充分參與到體驗活動中，在激發學生學習興趣的同時，更重要的是感受“人識別”的過程，為“提煉人識別過程”這一重要任務做準備。通過親身體驗，并對自己所做的判斷進行分析，學生最終能夠總結出“人識別”的過程，那就是“看（特征）——去除干擾——特征比對——做出判斷”，從而達到教學目的。假設是教師直接告訴學生這個過程，那么學生可能不理解且忘得也快，對后續的學習會造成很多困難。

同時，這個環節也是滲透信息安全的好機會。教師只需要問一句：為什么不能讓戴墨鏡和口罩的人進去？學生就會想到萬一不是6個人中的一個，那我們的校園就不安全了。要想安全，又不會判斷錯誤，那就應該怎么樣？學生們會說摘掉口罩和墨鏡再做判斷，這個過程就是去除干擾的過程。

體驗完之后，教師問學生如果是成千上萬的人，我們還能記得住嗎？記不住該怎么辦？視野開闊的學生就會想到機器中的“人臉識別”，其實人臉識別就是圖像識別的一種。

體驗手寫數字識別，感受機器識別過程

在上一環節，學生通過活動體驗，感受到“人識別”的過程，而在這一環節，重點就是要感受機器識別的過程。機器識別的過程以“手寫數字識別”最為簡單，可以讓學生進行體驗。教師提問：對于人進進出出的安全性來說，人臉識別可以更安全、更便捷，那么對于車來說呢？學生會說車牌識別。而車牌號的組成便可引出數字識別。

這個體驗活動以組為單位進行，在iPad上從組長開始輪流體驗。每位學生手寫0～9這10個數字中的任意一個，看機器能否識別正確。這個體驗環節要帶著問題去體驗：機器識別的過程是什么？

學生充分體驗完后，請學生將體驗的過程投放到大屏幕中，當學生手寫完數字點擊識別時，請學生觀察剛寫的數字有什么變化？學生會發現變成了像素的樣子。教師引導學生得出機器能認識的是二進制“0”和“1”，分別代表黑與白，所以就是像素格的樣子。這個環節就是要讓學生明白，其實機器識別的過程和人的識別過程很相似，但是說法不同，在“人識別”中叫“看”，而機器識別就是“提取像素”。

體驗機器識別過程，理解機器識別背后的原理

在這個活動中，教師旨在讓學生理解機器識別手寫數字背后的原理。這也是本課的難點。學生要在像素格上邊的方框中手寫一個數字，之后再將數字提取像素到像素格中。然后利用教師所給的數字模板和提取的像素的數字，根據板書中機器識別的過程，在小組內自己對機器識別的過程進行模擬。小組內模擬演示完，找學生到前邊進行教具演示。這里重點是按照機器識別的過程一一進行模擬。最重要的是特征比對這個環節，要引導學生做出逐一與數字模板進行比對的過程。最終得出匹配度最高的那個數字，得出結果。

體驗多種圖像識別App，感受人工智能在生活中的應用

這個環節旨在讓學生更多地體驗圖像識別App。學生分為6組，其中兩個組體驗人臉識別，兩個組體驗植物識別，另外兩個組體驗果蔬識別。教師提前準備好一些樣子相似的植物和果蔬，讓學生以組為單位進行拍照識別，每組輪流進行。帶著問題去體驗：識別準確性如何？如何改進？可以應用到生活的哪些方面？學生們在組內充分體驗完之后，以組為單位到前邊進行展示，3個組上臺展示，平行組可以做適當補充。

這個體驗環節，學生們興致高漲，體驗完之后，也是意猶未盡，滔滔不絕地說出了自己的想法。更有些思維活躍的學生，說出了讓所有師生都意想不到的想法，如體驗人臉識別的學生說：“可以將它放在鏡子上，加上情緒指數顯示，這樣當你在照鏡子的時候，就可以知道自己的情緒如何，然后提醒你做出適當調整。”還有的學生體驗完果蔬識別后說：“可以應用于菜市場，可以測果蔬的新鮮度和真假，不僅讓我們更健康， 還可以防止欺騙。”

課后反思

在小學階段，人工智能課程以學生體驗為主，讓學生感受人工智能在生活中的應用，以及感受人工智能正在改變著我們的生活。這種體驗式的教學方式，學生能較好地理解課程內容，課堂中生成的都是從學生口中獲得的;使授課教師感受到身心愉悅，學生能帶給教師很多驚喜，同時需要教師有更多的知識儲備和應變能力;師生互動平等、順暢、愉快，學生在情感上有良好的體驗。因此對以體驗為導向的小學人工智能教學，我有以下幾點體會。

（1）體驗式學習更加注重學生的主體地位。它更加關注學生親身經歷作用的發揮，教師與學生平等交流，使學生獲取更為良好的情感體驗，還可以充分發揮學生的差異性與個性化特點。

（2）幫助學生深刻理解知識。體驗式學習方式可以讓學生更深刻地理解知識內容，促進后續的學習與記憶效果優化，會讓學生感受到人工智能并不復雜，其新鮮有趣的特點十分符合學生的心理期待，因此學生的自信心與成就感容易建立起來。當教師順著學生的興趣點提示更具深度的人工智能知識與相關問題時，學生的畏難情緒將極大降低，取而代之的是探索與思考的熱情，體驗式學習使得課堂教學效果達到優化。

（3）幫助學生應用知識。在知識理解之后，學生還可以借助體驗式學習，讓知識與實踐應用發生更緊密的聯系，進一步促進學生創新能力的提升。從這個意義上講，教師給予學生的體驗式學習機會，還會在知識應用方面起到幫助，學生由此觀察并感知生活中的人工智能，并將理論學習與實踐應用相聯系，讓人工智能學習上升到一個全新的層次。

我們的目的是通過人工智能課程的學習，培養學生的科學素養，包括理性思維、批判思維、勇于探究的科學思維、邏輯思維和信息素養。并能用這樣的思維去觀察身邊的一切，去發現問題，并用這樣的思維去解決問題。在人工智能已經到來的時代，我們要讓學生具備相應的素養，在倫理道德的約束下，能夠與人工智能友好相處，創造更多的可能。

參考文獻

[1]高燕. 認知發展階段理論對教育實踐的啟示[J]. 中小學心理健康教育，2018（11）： 15-17.