基于App Inventor的初中人工智能校本課程設計與實踐

彭蓉霞

國務院《新一代人工智能發展規劃》發布以來，我國中小學人工智能教育蓬勃發展。《普通高中信息技術課程標準（2017年版）》正式將人工智能納入教學內容，《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“信息科技課標”）將人工智能作為課程邏輯主線之一。但由于缺少統一、完善的人工智能課程標準和教材，人工智能教育目前仍處于從0到1的探索階段。由于人工智能熱，一些STEAM、創客、開源硬件、機器人、編程等內容被打包到了人工智能課程中，致使學生無法建構正確的人工智能知識圖譜。App Inventor是一款用于開發安卓應用的圖形化在線編程平臺，可利用其開發人工智能App。筆者將App Inventor引入人工智能課程中，遴選人工智能原理與實踐并重的課程內容，設計了基于App Inventor的初中人工智能校本課程，并進行了實踐。

一、App Inventor在初中人工智能教學中的優勢

（一）圖形化編程降低了學生的編程門檻

App Inventor使用積木式、拼圖式編程界面，程序設計開發采用與Scratch類似的拖曳方式完成，包括組件設計和邏輯設計兩部分。組件設計用于設計App的界面，邏輯設計用于實現App的各項功能。其模塊豐富，內置照相機組件、攝像機組件、Web客戶端組件、語音識別器組件、文本語音轉換器組件、Yandex語言翻譯器等，也可導入拓展插件或調用AI開放平臺提供的API，還可以把在AI模型訓練平臺訓練好的模型部署其中，學生無需編寫復雜的代碼便可開發具備人工智能特色的App。

（二）無需硬件支撐，實現不插電教學

目前，人工智能教育存在偏“硬”的問題，即在人工智能課堂教學中過度依賴硬件設備，致使教學環境和硬件條件偏弱的學校無法有效地實施人工智能教育。App Inventor平臺不僅免費，還可以與安裝在安卓設備上的“AI伴侶”App配套使用。用戶編好程序后可以使用“AI伴侶”App掃描App Inventor生成的二維碼進行調試，也可以在計算機上安裝模擬器進行調試，摒棄其他的硬件，實現不插電教學，減輕學校設備投入壓力，同時也提高了課堂教學的實際可行性。

（三）順應信息科技課標教學理念

在使用App Inventor進行人工智能教學時，學生經歷了“人工智能技術原理的理解—人工智能模型的訓練—人工智能App開發”的過程，順應了信息科技課標所提倡的“科”與“技”并重、“做中學”“用中學”“創中學”的教學理念。學生利用AI學習平臺訓練模型及利用App Inventor開發App，計算思維、數字化學習與創新等核心素養得到了有效提升。

二、基于App Inventor的初中人工智能校本課程設計

基于App Inventor的特點及其在人工智能教學中的優勢，筆者開發了基于App Inventor的初中人工智能校本課程。筆者從目標設定、內容設計、教學模式、評價方式等方面探討課程建設方案。

（一）課程目標設定

依據《中小學人工智能課程開發標準（試行）》《中小學人工智能技術與工程素養框架》（以下簡稱“素養框架”）、信息科技課標，結合App Inventor的教學特色，筆者設定了校本課程的總目標與分目標。

總目標為幫助學生掌握適應智能社會所需的必備品格和關鍵能力。分目標為：1.學生在學習和實踐的過程中接觸并逐漸了解人工智能技術的應用場景，提升人工智能意識；2.學生在實驗探究中理解、掌握人工智能的原理和方法；3.學生具備利用App Inventor設計、開發人工智能App來解決實際問題的能力，激發人工智能技術的實踐創新思維；4.學生能樹立正確的智能社會發展意識，履行個人在智能社會中的責任和義務。

（二）課程內容設計

筆者在課程內容的設計上遵循信息科技課標理念，遴選人工智能技術原理和實踐應用并重的課程內容。以人工智能的核心技術為主線，結合生活情景，筆者設計了6個課程項目（見表1），每個項目安排3課時。項目按照由簡單到復雜的順序進行設計，難度層層遞進。課程內容緊密聯系學生的生活經驗，讓學生能在實際生活中認識人工智能的應用。教師通過設置基于項目的學習任務，引導學生自主探究、動手操作和解決問題，培養學生技術應用能力、實踐創新思維。課程的內容模塊包含：體驗人工智能應用、人工智能技術原理、模型訓練/人工智能技術實現實驗、人工智能App開發、人工智能技術的應用前景與倫理。

（三）課程教學模式

素養框架指出，人工智能素養應包括人工智能與人類、人工智能與社會、人工智能技術、人工智能系統設計與開發^[1]。信息科技課標提出，信息科技課程要培養的核心素養主要包括信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任，同時倡導真實性學習，創新教學方式，以真實問題或項目驅動，引導學生經歷原理運用過程、計算思維過程和數字化工具應用過程，構建知識，提升問題解決能力。在以上兩個頂層文件精神的指導下，筆者構建了基于App Inventor的人工智能教學模式（如圖1）。教學流程分為四個階段。

1.感知智能階段

在感知智能階段，教師要引導學生感知身邊的人工智能技術，列舉其在生活中的應用。由于學生的視野有限，教師可通過圖片或視頻向學生展示人工智能技術在其他領域的應用場景，了解人工智能的巨大潛力。創新建立在體驗的基礎之上，所以教師還應為學生提供人工智能體驗平臺，如百度AI開放平臺小程序等，鼓勵和引導學生在玩中學，深入感知與體驗智能情境，提升人工智能應用的敏感度和理解力。

2.揭示智能階段

此階段教師主要讓學生理解相應的人工智能技術原理。由于原理較抽象與復雜，教師要充分利用人工智能實驗平臺（如Machine Learning for Kids、 Personal Image Classifier、Personal Audio Classifier）設計一些原理性探究實驗，讓學生在主動探究的過程中揭示人工智能技術原理，增強學生的學習興趣和學習代入感，避免單向灌輸。

3.創新智能階段

人工智能作為一門實踐性課程，學生僅僅理解其技術原理是遠遠不夠的。在創新智能階段，教師采用項目式教學法，創設問題情境，引導學生利用人工智能技術設計問題解決方案，利用App Inventor開發App實現項目方案，對App的功能進行測試與優化，小組之間分享成果，對成果進行評價與總結。學生設計、開發和測試App，以實現問題解決的最優化，這對提升學生計算思維和系統思維有很大的幫助。考慮到課時的限制，教師可為學生提供半成品或“挖空”后的程序，讓學生在已有程序的基礎上，通過參數修改、填寫核心代碼等方式形成自己的程序。

4.思辨智能階段

此階段旨在幫助學生樹立正確的智能社會發展觀。教師可通過案例分析、上網查找資料、辯論賽等方式讓學生了解人工智能對社會的正負面影響、可能帶來的新風險與新挑戰，形成正確的技術安全和責任意識。

在這四個階段中，學生的身份發生了轉變，依次為：技術的體驗者→技術的理解者→技術的創新者→技術的思辨者。整個教學模式的實施目的是：發展每位學生的核心素養，讓學生在創造過程中成長。

（四）課程評價方式

評價的主要目的在于激發學生學習和應用人工智能技術的興趣，促進學生人工智能素養的發展。筆者采用過程性評價和總結性評價相結合的方式開展評價，促進人工智能課程中的教與學。過程性評價主要通過學生在完成項目過程中的表現來評價，從理解人工智能技術原理、開發人工智能App、溝通與協作三個維度進行評價。教師在課前將評價量表（見表2）發放給學生，作為項目式學習過程中的自我監督工具和學習支架。總結性評價采用機試的方式，考試工具為AI微認證人工智能測評系統。

三、基于App Inventor的初中人工智能校本課程實踐案例

校本課程開發后，筆者進行了教學實施，實施對象為七年級15個班的全體學生，以自然班級為單位，每周安排一課時。下面以“計算機視覺技術”一課為例，闡述校本課程的實施過程。本課對應的人工智能項目為“拍照識花” App，安排3課時。第一課時的主要內容為體驗計算機視覺技術、理解技術原理、訓練模型；第二課時的主要內容為將模型部署到App Inventor，開發“拍照識花” App；第三課時的主要內容為成果分享及對計算機視覺技術的思辨。以下是具體的教學環節。

（一）感知智能階段

教師在課上播放視頻合集：無人駕駛、行人檢測、CT和核磁共振、運動分析、產品組裝、自動除草、灌溉管理、無人零售、自動補貨。學生感知計算機視覺技術在運輸、衛生保健、制造業、農業、零售等行業中的應用，體會這些應用給生活帶來的便利，感受計算機視覺技術對人類社會的深刻影響。接下來，學生登錄AI體驗平臺，體驗植物識別、果蔬識別、圖像主體檢測、車輛屬性識別等應用，通過體驗具體的計算機視覺產品，了解計算機視覺技術的基本概念，激起對計算機視覺技術原理的探究熱情。

（二）揭示智能階段

僅靠講授，教師無法讓學生深入了解人工智能技術原理，最好的做法莫過于讓學生親身經歷人工智能技術的工作流程。教育部在加強和改進中小學實驗教學工作的總體要求中提出，要“拓展創新，不斷將科技前沿知識和最新技術成果融入實驗教學，豐富內容，改進方式”^[2]。筆者借助Personal Image Classifier個人圖像分類人工智能實驗平臺，讓學生完成實驗任務：訓練雞蛋花和龍船花的模型并進行測試。學生在做實驗的過程中親歷圖像采集、特征提取、模型訓練、模型輸出的過程，自主發現與建構計算機視覺技術的原理。同時，學生應用數字化工具的實踐能力也得到了提高。最后，筆者引導學生思考：假如要識別更多的花，我們還需要做什么？學生紛紛回答采集更多種類的花進行訓練。此問題讓學生深刻意識到大數據對于計算機視覺的重要意義。

（三）創新智能階段

教師創設問題情境，讓學生思考如何利用計算機視覺技術解決生活中的實際問題：當我們走在公園里或馬路上時，經常會遇到一些不知名的花，我們如何快速地知道它們的花名呢？大多數學生提出的解決方案為開發一款“拍照識花” App。接下來，教師引導學生對“拍照識花” App的功能進行描述與分解。要想實現識花功能，就要將訓練好的雞蛋花和龍船花模型部署到App Inventor中。教師向學生提供部署時所需要的擴展組件、操作步驟、相關代碼塊的作用與使用方法，小組協作完成“拍照識花” App的設計、開發、測試。圖2為某小組的運行效果圖，圖3為對應的邏輯設計代碼。當各個小組的項目全部完成后，教師組織學生進行項目成果的展示與交流，引導學生從創新性、技術性、藝術性三個維度去評價作品，課后可根據評價意見改進作品。最后學生利用表現性評價量表完成自評和組員互評。

在本環節，筆者從系統工程的角度，引導學生設計、開發和測試“拍照識花” App，以實現問題解決的最優化，這對于提升學生解決復雜問題的能力以及創新思維等高階思維能力是很有幫助的。表現性評價的實施有助于學生元認知發展及高階能力的形成。

（四）思辨智能階段

在教師的引導下，學生以小組為單位上網搜索計算機視覺技術存在的倫理與安全問題，并針對出現的問題提出防范措施，組長進行匯報。教師對各組的匯報進行總結，引導學生辯證看待計算機視覺帶來的正負面影響，討論積極應對負面影響的方法。此教學環節旨在培養學生具備在智能社會生存與發展的基本倫理道德與社會規范。

四、基于App Inventor的初中人工智能校本課程實踐效果

為評估課程實施的有效性，筆者應用AI微認證人工智能測評系統對七年級15個班的學生進行人工智能素養前后測。測評知識分為人工智能、圖像化編程、邏輯思維三大模塊（如圖4），從知識儲備、運算能力、分析能力、推理能力、編程能力五個維度進行量化評估。知識儲備是提高學生人工智能素養的基礎，也是學生在學習活動中“做”與“思考”的積淀；運算能力是學生在編程、建構等實際運用過程中展現出來的數學能力，在人工智能領域中，延伸至計算思維中的算法開發和執行能力；分析能力是指學生從問題中找出重點并進行歸納、總結、提煉出解決問題思路的能力；推理能力是學生計算思維中的規律與模式識別以及抽象思維在實踐中的具體表現；編程能力是學生在學習圖形化編程過程中能力的具體展現。

圖5、圖6為前后測的結果對比。從圖5可以看出，學生在人工智能與邏輯思維領域的知識點掌握較為牢固，圖形化編程方面知識點掌握欠佳。這也折射出學生在編程知識領域的整合運用能力有待提高，但與前測相比已經有很大的提升。從圖6可以看出，學生的各項素養能力均得到了不同程度的提升。實踐表明，基于App Inventor的人工智能校本課程在培養學生的人工智能素養方面有較好的成效。

五、結語

本研究在《中小學人工智能課程開發標準（試行）》、素養框架、信息科技課標的指導下開發出基于App Inventor的校本課程，設定了課程的總目標和分目標；以人工智能的核心技術為主線，以項目的形式組織課程內容，設計了6種貼近學生日常學習和生活的項目App；構建了以素養為導向的教學模式，設計了切實可行的表現性評價量表，是對人工智能教育的一種新嘗試。

教師在教學過程中借助人工智能實驗平臺讓學生完成實驗任務。通過數據的采集、參數的調整、模型的訓練、模型的導出，學生親歷人工智能技術的工作流程，自主發現技術原理，主動構建知識，從而達成深度學習。將訓練好的模型部署到App Inventor中，設計與開發人工智能App，這一過程培養了學生利用人工智能技術解決問題的能力，提升了學生的人工智能技術與工程素養。

課程結束后，筆者向學生發放了評價校本課程的調查問卷。大部分學生表示：非常喜歡基于App Inventor的人工智能課程并愿意繼續深入學習；對課程項目App很感興趣，課程教學內容難度合適，非常愿意以做項目的方式學習；喜歡與人分享作品，認同表現性評價的方式。部分學生在各級各類人工智能比賽中收獲了眾多獎項，成為國家新一代人工智能人才與創新思維人才的后備軍。

由于筆者非人工智能專職教師，缺少人工智能知識背景，所以在課程內容選擇、資源挖掘、教學活動設計等方面還存在一些不足。后續筆者將依據實踐效果進行反思與改進，并在跨學科融合、評價數字化等相關方面進行探索和嘗試，以期提高校本課程的質量。

注：本文系2021年福建省基礎教育課程教學研究課題“基于人工智能技術的App Inventor校本課程開發與實施”（課題編號：MJYKT2021-185）的研究成果。

參考文獻

[1] 中央電化教育館.中央電化教育館《中小學人工智能技術與工程素養框架》正式發布[EB/OL].（2021-11-30）[2023-07-01].https：//www.ncet.edu.cn/zhuzhan/xgwzxwzx/20211130/5559.html.

[2] 教育部.教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見.[EB/OL].（2019-11-22）[2023-07-19].http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A06/s3321/201911/t20191128_409958.html.

（作者系廈門雙十中學海滄附屬學校信息科技教師，一級教師，教研組長，廈門市骨干教師）

責任編輯：牟艷娜