基于人工智能的中學生物學跨學科實踐活動

摘 要： 本文以“能識別植物分生細胞的人工智能”為例，探討利用人工智能技術(shù)開展中學生物學跨學科實踐活動的可行性。教師通過將人工智能技術(shù)與生物學知識相結(jié)合，引導學生探索生物學的奧秘，旨在培養(yǎng)學生對生物學的興趣和綜合素質(zhì)，提升創(chuàng)新思維和實踐能力。

關(guān)鍵詞：人工智能；跨學科；實踐活動

文章編號：1003-7586（2024）07-0071-03 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

隨著教育理念的不斷更新，跨學科實踐已成為培養(yǎng)學生綜合素質(zhì)的重要途徑。《義務教育生物學課程標準 （2022年版）》增設了“生物學與社會·跨學科實踐”的課程內(nèi)容，其中對于跨學科實踐的內(nèi)容要求是：真實情境中的問題解決，通常需要綜合運用科學、 技術(shù)、工程學和數(shù)學等學科的概念、方法和思想，設計方案并付諸實踐，以尋求科學問題的答案或制造相關(guān)產(chǎn)品。

1 基于人工智能的中學生物學跨學科實踐活動背景

對于人教版義務教育教科書《生物學·七年級·上冊》第三單元第二章第二節(jié)的“觀察根尖結(jié)構(gòu)”實驗，學生普遍在尋找根尖細胞操作時遇到困難。根尖是指從根的頂端到生有根毛的區(qū)域，是幼苗生長最迅速的部分，這部分細胞排列緊密、分裂活躍。由于不同區(qū)域和時期的細胞大小不同、形態(tài)各異，學生需要準確識別、區(qū)分。因此，本實驗不僅要求學生能夠掌握并識別細胞在不同分裂階段的形態(tài)結(jié)構(gòu)，還要求學生能夠熟練使用光學顯微鏡。尤其是對分生區(qū)細胞的觀察，對研究植物的生長和分裂至關(guān)重要。學生學會觀察分生區(qū)細胞有助于深入理解植物生長分裂的相關(guān)知識。

為解決實驗中學生遇到的困難，本文根據(jù)跨學科實踐教學的要求和培養(yǎng)創(chuàng)新人才的需求，設定跨學科實踐活動“能識別植物分生細胞的人工智能”。

2 基于人工智能的中學生物學跨學科實踐活動設計

2.1 教學目標

（1）深入了解植物根尖細胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)，理解其在植物生長中的重要功能；學習并掌握識別植物分生區(qū)細胞的方法；熟練使用數(shù)碼互動顯微鏡觀察，快速準確地辨認植物分生區(qū)細胞。

（2）掌握人工智能圖像識別技術(shù)的基本原理和應用，掌握使用人工智能技術(shù)進行圖像識別和分析的技能；掌握利用人工智能技術(shù)輔助識別植物分生區(qū)細胞的方法和技巧。

（3）培養(yǎng)跨學科思考的習慣，激發(fā)對生物學學科和人工智能的興趣，培養(yǎng)探索和創(chuàng)新精神以及科學實驗設計、操作和數(shù)據(jù)分析的能力，認識科學技術(shù)對社會和生活的積極影響，形成科技應用的意識，為今后在相關(guān)領(lǐng)域的學習和研究奠定基礎。

2.2 活動資源與技術(shù)支持

2.2.1 工具與設備

本次實踐活動以數(shù)碼互動顯微鏡實驗室作為活動場地。該實驗室配備了先進的數(shù)碼顯微鏡，能夠清晰地采集植物細胞的圖像，且每臺顯微鏡配有一臺電腦，用于學生圖像采集、編程和數(shù)據(jù)處理等。同時，實驗室還配備充足的實驗器材和分析軟件，滿足學生實驗操作和數(shù)據(jù)分析等需求，為學生提供深入探索和學習的專業(yè)環(huán)境。

筆者了解到部分的學生已初步接觸過人工智能的相關(guān)知識，但并未將人工智能運用于實踐操作。因此，本文選擇了簡單易懂的人工智能工具Lobe作為本次實踐活動的軟件工具，以確保學生能夠順利開展實踐活動，學習并掌握相關(guān)知識。

2.2.2 培訓與指導

本次實踐活動中，學生被分成不同的研究性學習小組，在生物學學科和人工智能課程教師的指導下，深入開展研學實踐活動。通過參與真實項目，學生受驅(qū)動自發(fā)探究并深度學習，激發(fā)對生物學學科和人工智能的興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和實踐能力。

2.3 活動準備與實施

2.3.1 強化理論學習，賦能學生探索跨學科實踐

首先，教師引導學生通過小組內(nèi)部的討論和交流，從不同的角度理解人工智能，培養(yǎng)學生的協(xié)作精神。其次，教師指導學生查閱相關(guān)的專業(yè)書籍和其他資料，幫助其建立扎實的人工智能基礎知識體系，加深學生對人工智能領(lǐng)域的認知，激發(fā)學生對新技術(shù)的好奇心和求知欲。此外，邀請人工智能課程教師進行專題講座和相關(guān)專業(yè)培訓，為學生提供專業(yè)的指導。通過一系列的學習和培訓，學生不僅能夠深入了解人工智能技術(shù)的原理和應用，還能夠熟練地將其運用到實踐活動中。

2.3.2 提升顯微技術(shù)應用水平，構(gòu)建植物分生細胞圖像數(shù)據(jù)集

圖像識別是人工智能領(lǐng)域的至關(guān)重要的組成部分，它利用計算機對圖像進行處理、解析和識別，進而準確地辨識出各種不同模式的目標和對象。由于其極具實用性和適用性，圖像識別技術(shù)在眾多領(lǐng)域中得到了廣泛應用。為了訓練和測試人工智能模型，教師需要準備100～200張形態(tài)不同、生長階段的植物分生區(qū)細胞圖像數(shù)據(jù)集，并根據(jù)相應的細胞特征和類別進行標注和分類。

學生在教師的指導下，學習制作植物根尖細胞臨時裝片的方法，完成細胞臨時裝片的制作，并利用顯微鏡進行細致的觀察和記錄；同時，采集顯微鏡下的圖像資料，為后續(xù)的實踐和研究提供寶貴的資料。學生通過仔細觀察制作的植物根尖細胞臨時裝片，學習如何快速篩選目標細胞。經(jīng)過多次反復的研究和練習，學生可以迅速從視野下分辨出分生區(qū)細胞，提取圖像進行分類收集。學生在收集目標細胞的過程中，既加深了對相關(guān)生物學知識的理解，也提升了對生物學知識學習的興趣，激發(fā)了對自然世界探索的熱情。

2.3.3 掌握工具應用，完成分生細胞圖像分類模型訓練

明確活動目標的基礎后，教師引導學生通過小組實踐活動完成植物分生區(qū)細胞圖像分類模型的構(gòu)建。

教師引導學生思考計算機如何完成圖像分類，組織學生進行交流，指導學生針對存在的疑問查閱資料，了解圖像識別及過程；最后，通過人工智能開發(fā)工具Lobe完成植物分生區(qū)細胞圖像分類的一般流程，制作簡易的植物分生區(qū)細胞圖像分類系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)集和模型的選擇是訓練圖像分類模型的關(guān)鍵。提取特征后，學生選擇適合的學習模型進行模型訓練，這一步直接影響最終圖像識別的效果。教師引導學生進行模型評估，并記錄訓練次數(shù)、準確率等指標，根據(jù)模型指標不斷調(diào)整和優(yōu)化模型參數(shù)，有效提高模型的準確率和穩(wěn)定性，從而得到最佳的圖像識別效果。

2.3.4 檢驗訓練效果，評估分生細胞圖像分類模型性能

學生在完成植物分生細胞圖像分類模型的訓練后，需要對模型進行詳細的性能評估，以確保其能應用于實踐中。學生選取200張具有代表性的圖像樣本，其中涵蓋了各種不同的細胞形態(tài)和特征，以便全面評估模型在處理不同類型圖像時的分類性能。學生經(jīng)過對分生細胞圖像分類模型的性能評估，發(fā)現(xiàn)模型在面對各種不同細胞形態(tài)和特征的圖像時，均能表現(xiàn)出較高的準確性和穩(wěn)定性，為后續(xù)進一步優(yōu)化和應用模型提供了重要的依據(jù)。

3 基于人工智能的中學生物學跨學科實踐活動的思考

基于人工智能的中學生物學跨學科實踐活動將先進科學技術(shù)與傳統(tǒng)生物學知識相結(jié)合，為學生提供了全新的學習體驗，為教師提供了一種生物學跨學科實踐活動的新方法。［1］［2］

3.1 增強學生動手實踐和團隊合作能力

在“能識別植物分生細胞的人工智能”實踐活動中，學生不僅需要深入學習、掌握生物學與人工智能相關(guān)理論知識，還需要通過動手操作顯微鏡、制作植物根尖臨時裝片，以及利用人工智能建立模型、訓練和數(shù)據(jù)分析等實踐操作，進一步深化對知識的理解，將知識轉(zhuǎn)化為實際解決問題的能力。

在實踐活動中，面對復雜的生物學和人工智能問題，學生需要互相合作，通過團隊的有效分享和討論，共同解決難題。合作解決問題的過程中，學生不僅能夠提升學科實踐能力，還能夠培養(yǎng)良好的團隊合作精神和領(lǐng)導能力。

3.2 培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維和問題解決能力

學生既是知識的接受者，也是知識的探索者和創(chuàng)造者。在“能識別植物分生細胞的人工智能”實踐過程中，學生需要思考如何利用人工智能來識別植物的分生細胞，其中涉及了對生物學知識的掌握、對人工智能的應用和創(chuàng)新。遇到問題和挑戰(zhàn)時，學生需要逐步分析、判斷和解決，從而培養(yǎng)和提升問題解決能力，并將在未來的學習和職業(yè)生涯中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

3.3 提升學生的科技素養(yǎng)和未來發(fā)展?jié)摿?/p>

在“能識別植物分生細胞的人工智能”實踐活動中，數(shù)碼互動顯微鏡為學生深入探索細胞奧秘提供了一個創(chuàng)新的平臺。它不僅為學生提供了更直觀的實驗觀察效果，有利于學生了解細胞的結(jié)構(gòu)和特征，還可以使學生通過共享結(jié)果進行討論，促進學生彼此之間的合作與交流，使科學實驗更具互動性和探索性。

人工智能是當今科技領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，學生可以在實踐活動中接觸和掌握人工智能技術(shù)，發(fā)展創(chuàng)新思維和問題解決能力，提升獨立思考和終身學習能力，幫助學生更好地適應未來的科技發(fā)展需求，為其未來發(fā)展和個人成長奠定堅實的基礎。

參考文獻

［1］趙一涵.人工智能：信息化時代的“快車道”［J］.中國自動識別技術(shù)，2023（3）：75-78．

［2］陳艷茹.素養(yǎng)培育視角下跨學科主題學習設計案例研究［D］.上海：華東師范大學，2022．