信息科技類實驗活動的設計與實施探究

摘要：實驗教學是培養創新人才的重要途徑，在開展初中信息科技類實驗活動過程中，通過分析實驗目的及素養需求，設計合適的驗證性實驗、探究性實驗或創新性實驗，可以幫助學生驗證、理解科學原理，輔助問題的解決，進而提升學生的綜合素養。

關鍵詞：信息科技；實驗教學；探究性實驗；創新性實驗

中圖分類號：g633.67文獻標識碼：a文章編號：1673-8918（2025）05-0124-04

實驗教學模式是培養初中學生核心創造力的重要途徑?！读x務教育課程方案（2022年版）》中倡導的“做中學，用中學，創中學”的教育理念，正是對實驗教學的深刻詮釋?！读x務教育信息科技課程標準（2022年版）》指明了在信息化時代背景下更好地開展實驗教學的方向。

一、 探索信息科技類實驗教學的意義

信息科技教學強調理論與實踐的深度融合。信息科技領域存在各種復雜的問題，實驗教學能夠讓學生在面對真實性的問題時，通過開展合作，進行數據、觀察、分析數據，提出解決方案，提升學生的邏輯思維能力，系統思考和解決的問題。同時只有帶領學生在實驗中發現問題、動手實踐、探索問題，親歷問題解決的全過程，才能透過現象看清本質，理解其中蘊含的科學原理，真正做到學以致用。

同時，信息科技領域是一個不斷創新的領域，實驗教學模式為學生提供了更多自主學習，實踐探索的空間和平臺，在實驗過程中可培養學生對事物的細致觀察力和對問題的思辨力，亦能激發其創新潛能和團隊精神。由此可見，信息科技類實驗教學模式的實施探究，對發揮信息科技的育人價值具有重要意義。

義務教育信息科技實驗教學的基本目錄中包含了驗證性實驗、探究性實驗和創新應用性實驗等多種類型的實驗活動。在不同教學情境下，結合實驗類型本身的特點，選擇性開展實驗教學，可以滿足學生在學習中的多樣化需求。然而，如何有效地開展實驗教學，設計合適的實驗以針對性解決問題，增強學生的創造性學習能力，給信息科技教師帶來了新的挑戰。

二、 以信息科技平臺為基，圖像分類應用為引，助力驗證性實驗

驗證性實驗是日常教學中最為常見的實驗類型，它是基于學生對研究的對象有一定的了解，形成一定的認識基礎上，提出某種假設，然后為了驗證這種認知或假設的準確性而開展的一種實驗模式。驗證性的實驗強調演示和證明科學內容的活動，科學知識與科學過程分離。

圖像分類是指計算機在接收到輸入的圖像，分析、輸出對圖像內容分類的描述。圖像的分類依據是包括圖像的特征，包括顏色、紋理和形狀等。在八年級下冊第9課《人工智能中的機器學習》教學中，帶領學生通過圖像分類應用的實驗，理解機器學習的過程至關重要，中小學信息科技學科平臺中的人工智能實驗為中心為本課學習提供了支架。

實驗準備：中小學信息科技學科平臺的人工智能實驗中心。

實驗目的：驗證機器學習的過程。

實驗過程：體驗人工智能實驗中心的圖像分類器，通過采集圖像，對圖像進行特征提取和分類器訓練，測試圖像識別分類的全過程。

數據觀察與記錄：標簽數據采集的數量，測試組圖像分類的相似度值，計算測試數據識別的準確率。

機器學習是通過對大量的數據和經驗進行學習，以獲得、改善或逼近問題求解模型。在驗證圖像分類應用的實驗過程中，首先，我們需要采集各類帶標簽的圖像，接著，通過對所采集圖像的顏色、紋理、形狀輪廓等多方面特征的提取來訓練分類器的模型，最后，我們可以通過大量的圖像數據進行測試，驗證圖像分類器的識別準確率。記錄數據并進行思考，是什么影響了圖像分類器的識別準確率，應該從哪幾方面優化實驗的過程。帶領學生經歷實驗中的數據收集→特征提取→訓練模型→得出結論的全過程。

實驗發現：采集的帶標簽數據數量越多，所分類器訓練的模型更優，在識別圖像時的分類相似度值會更高，分類識別結果更準確。同時，采集同一標簽數據的多角度圖像，更利于識別相似度值的提升。識別結果的準確率會受圖片拍攝質量，測試數據總量等方面的影響，因此建議進行多次重復測試，減少外界干擾。

三、 以教學目標為基，搜索算法為引，開展探究性實驗

探究性實驗則更注重學生主動發現問題并進行知識探索的過程，是實驗者在不知道實驗結果的前提下，通過自己組建實驗，收集數據，觀察、探索、分析、研究，從而得出結論的過程。探究性實驗是形成科學概念的一種認知活動，開展該類實驗有利于提升學生的探究能力和問題解決能力。

搜索是人工智能解決問題的基本算法之一，通常分為盲目搜索和啟發式搜索。盲目搜索會窮舉解決問題的所有方法和途徑，而啟發式搜索則是在搜索過程中加入了與問題有關的啟發式信息，通過對比信息朝著最優目標方向前進。在八年級下冊第8課《人工智能中的算法》的學習中，在理解搜索算法方面，以學生熟悉的八數碼游戲或華容道游戲為切入，以小組合作的形式啟發搜索的探究過程。

實驗準備：八數碼游戲或華容道游戲。

實驗目的：探索搜索算法的過程。

實驗過程：在九宮格棋盤中放置1～8號的8顆棋子，剩下1個空格，通過向空格移動棋子改變棋盤布局，使得九宮格的布局由初始棋盤“283，1 4，765”轉為圖1中箭頭所指的目標棋局“123，8 4，765”。

數據觀察與記錄：移動的過程，移動的步數，未在正位上的個數，尋找最優路徑。

通過小組分工合作，嘗試使用盲目搜索的方法，對每一種可能進行嘗試，并記錄每一步的數據，并在前一步嘗試的基礎上，繼續進行下一步所有可能的嘗試，窮舉所有可以達到與目標布局相符的走步序列。從第2層開始分為4個小組，逐一推理下一層中可能出現的所有情況，并填寫在九宮格中，形成如圖1所示步驟圖。

啟發式搜索會對初始布局與目標布局進行比對，發現3、4、5、6、7號棋在初始布局與目標布局中一致，且移動8號棋后的布局比移動1號棋更接近目標布局，所以選擇移動8號棋，從而在第二層中就出現了更優棋局為“2 3，184，765”。其中，“估價值”的計算對啟發式搜索的進行起到了重要作用。例如，我們可以將已經走過的步數加上還未在正位上的個數相加成為估價的依據，在啟發式搜索中，可遵照估價值最小的路徑推進，比對初始布局與目標布局，分小組移動棋子并記錄過程，直至與目標布局完全匹配，則搜索結束，并給出最合理的走步序列，即是啟發式搜索中的最優解，“283，1 4，765”→“2 3，184，765”→“23，184，765”→“123，84，765”→“123，8 4，765”。利用啟發式搜索，只需要移動4步就能達到預期目標，大大節約了計算成本。

實驗發現：啟發式搜索在效率和針對性上表現突出，但存在啟發信息和最優解的問題；盲目搜索簡單可靠，能保證一定質量的解，但效率較低。所以在不同的問題場景和需求下，兩種搜索方式各有優勢。同時，我們還發現，如果我們每次選擇估價值最小的方向，也不一定可以更快地實現目標狀態，估價值最小是最有希望并不等于絕對正確。

四、 以文化傳承為基，人工智能技術為引，推進創新性實驗

創新應用性實驗著重于塑造學生的創新思維與能力，旨在引導學生將信息科技課堂學習到的知識創造性地應用到實際問題的解決中。這種實驗模式不僅鼓勵學生將所學付諸實踐，更激勵他們在真實環境中積極探尋新的解決方案。以下實驗圍繞中國茶文化，嘗試運用人工智能手段，創造性地呈現茶文化的科技體驗感。

實驗情境：隨著科技的發展，人工智能技術在茶文化傳承領域展現出巨大潛力。本實驗探索將人工智能融入茶文化傳承中，設計并實現一款具備能聽會說、能看會認、能理解會思考的智能系統，以提升傳統茶文化的現代體驗感。

實驗準備：未來派Ⅱ軟硬件設備，小組合作訪問浙江非遺網站，搜集茶文化的相關信息。

實驗目的：利用人工智能技術，創新茶文化傳承。

（一）尋找制茶人，體驗人臉識別技術

組建學習小組，學生通過訪問浙江省非遺網站了解并搜集浙江制茶人相關信息。要完成的任務是通過隨機挑選卡片，能識別人臉卡片信息，將相應信息顯示在屏幕上并進行播報。

實驗過程：在識別人臉之前，我們要將從網絡中搜索到的所有浙江制茶人相關人臉信息進行圖片拍照錄入。對此，可以通過攝像頭拍攝錄入多位人臉信息，并將其保存到系統數據庫中。接著，編寫程序，設置觸發人臉搜索的條件。觸發人臉識別原理是利用超聲波傳感器，設置當檢測到的人臉卡片距離小于某值時，觸發人臉搜索功能，從而在原先注冊的人臉信息庫中數據搜索比對人臉特征相一致的圖片，完成準確識別人臉信息并進行語音播報。

八年級下冊第7課《圖像識別技術》的學習內容，為本實驗的開展提供了相應的知識與技能基礎。通過尋找制茶人環節中人臉識別過程的體驗，促使學生明確了圖像識別過程中的圖像數字化→特征提取→分類識別→得出結論的全過程。學生在實驗過程中開展合作與分工，進行制茶人信息收集。在數據測試與記錄中，迭代實驗方案。最終利用人工智能技術完成相關制茶人的人臉識別實驗，展現出極大的成就感。

（二）探尋茗茶信息，體驗語音識別與合成技術

學生通過人機對話的形式，提問未來派實驗套件，關于茶葉特征、茶葉產地、茶鄉風景的特定問題，利用機器的識別語音進行特定問題識別，并用不同語言（語音合成）進行回答，同時將回答的結果顯示在機器屏幕上。

實驗過程：在本實驗過程中最關鍵的是需要理解代碼中的選擇結構的設置，準確設置判斷條件。研究將聽到的語音內容轉寫成為文字，并轉寫為結果的判斷條件，最后根據判斷結果進行播報顯示。首先要將聽到的普通話轉寫為文字，判斷文字中是否包含特定的判斷性文字“西湖龍井”與“產地”。若此判斷條件識別后成立，那么機器會將信息翻譯成英文，并將中、英文結果都顯示在屏幕上。同時，會利用語音合成技術，用中英文兩種語言進行播報，學生可以體驗語音識別與合成的全過程。

八年級下冊第5課《語音識別技術》與第6課《語音合成技術》學習內容為本實驗的開展提供了基本的知識與技能條件。語音識別的過程是將聲音轉化為文字的過程，經歷了聲音數字化→特征提取→模式匹配→語言處理。而語音合成的過程則是將文字轉化為聲音的過程，經歷了語言處理→韻律處理→單元拼接→語音輸出。通過探尋茗茶信息這一活動，將語音識別與合成的過程完美結合，也使學生在問題解決的過程中加深對茶文化的了解，提升其對人工智能技術的創新運用能力。

（三）探究茶的種植，綜合體驗人工智能技術

創意任務的設置學生們選擇圍繞“茶的種植”展開，通過資料搜索了解茶種植的環境，利用人工智能技術，突顯觀察生活和創新生活，強化人機交互功能的實現。在制作過程中，涉及智能語音、計算機視覺、自然語言處理等人工智能技術，創新茶文化傳承的新思路。注重引導學生在創作中對技術應用的合理性、實用性和創新性，充分使用文本分類模型訓練、語音測評、人機對話、表情識別、圖表顯示、語義理解等技術。

實驗過程：經過團隊多方面資源收集與研究，對茶樹的種植條件進行全方位的分析。模擬現實環境，設計了一款“智能播種”機器人，它的功能包括智能溫濕度播報、智能光照、松土、播種、灑水和蟲害識別等。首先，用語音觸發智能播報溫濕度的值并進行判斷種植條件是否合適。接著，通過硬件搭建，我們的機器能進行耕地松土，并通過舵機角度的調整在土壤中定點松土、打洞、播種及定量灑水（圖2）。同時，拓展功能還包括用語音觸發光照條件的判斷，當所測得的環境中的光照強度低于所設置的閾值時，機器將會開啟燈帶自動補光。最后，我們還利用圖像識別技術對監控中出現的蟲害進行拍照識別與播報。

以茶文化傳承為創新主題，帶領學生探索人工智能技術的運用，在對茶文化進行深入了解的同時，更激發學生的創新思維，提升了團隊的創新應用能力與問題解決能力，將學與用緊密結合。

五、 實驗教學活動中的思考與反饋

此外，我們還需關注信息科技實驗活動開展過程中的互動與反饋。在實驗過程中構建積極的互動環境，鼓勵學生在組間和組內開展合作與交流，及時、準確地對實驗數據、現象與結果進行反饋，引導學生調整實驗研究方向。再次，通過多維度的評價讓學生更好地認識自己的優勢與不足，從而優化學習效果。

在實驗活動中，我們還應注重培養學生的批判性思維，鼓勵學生勇于發現問題，提出質疑，再通過實驗探索來進行驗證。這樣不僅能提升學生的科學素養，還能培養他們在面對未知問題時勇于探索、敢于創新的精神。

隨著數字科技的不斷發展，我們可以嘗試使用虛擬現實技術來模擬實驗場景，讓學生體驗在虛擬環境中進行實驗操作，這樣既降低了實驗的成本，又能提高學生的參與性。同時，浙江省中小學信息科技學習平臺中的“人工智能實驗中心”，為信息科技教學中相應的感知實驗與驗證實驗的開展提供有效的學習支架，“物聯數據中臺”則為學生開展物聯網、傳感器的驗證性、探究性實驗提供了技術支持。

六、 結論

綜上所述，學生在參與實驗的過程中，親歷觀察、分析并建立測試實驗，輔助問題的解決的全過程。這樣的信息化實驗教學模式，有效地結合了科學原理探究和技能培養的需求，能使學生在掌握知識的同時提升綜合素養，真正展現信息科技教學中“科”與“技”雙線并重的課程特色。

參考文獻：

［1］劉戰輝.新課標視域下小學信息科技大單元教學策略探索［j］.學苑教育，2024（24）：70-72.

［2］李安.從驗證性實驗到探究性實驗——初中物理實驗教學方法思考［j］.長春教育學院學報，2013，29（9）：154，159.

［3］李靈鳳.面向學科核心素養的初中信息科技pbl教學設計與實踐［d］.成都：四川師范大學，2024.