基于問題導(dǎo)向的初中人工智能課堂教學(xué)實(shí)踐

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“課標(biāo)”）設(shè)置了“人工智能與智慧社會”課程模塊[1，并倡導(dǎo)真實(shí)性學(xué)習(xí)，旨在以真實(shí)問題或項(xiàng)目驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷原理運(yùn)用過程、計(jì)算思維過程和數(shù)字化工具應(yīng)用過程，建構(gòu)知識，提升問題解決能力。在該模塊的教學(xué)中，原理性知識因其復(fù)雜性和抽象性對教學(xué)處理構(gòu)成挑戰(zhàn)，而初中生更傾向于通過實(shí)踐活動和真實(shí)體驗(yàn)來探究知識，通過觀察和模擬來理解抽象的概念。為此，筆者針對初中學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)引人問題導(dǎo)向式教學(xué)方法，以解決傳統(tǒng)教學(xué)中“原理抽象難懂、實(shí)踐與理論割裂”的教學(xué)痛點(diǎn)。問題導(dǎo)向式教學(xué)法強(qiáng)調(diào)在真實(shí)的學(xué)習(xí)情境中，圍繞具有挑戰(zhàn)性的問題進(jìn)行探索，使學(xué)生體驗(yàn)成功[2。采用問題導(dǎo)向式教學(xué)，讓學(xué)生在問題鏈與數(shù)字化工具鏈組合的學(xué)習(xí)活動中解決問題，可以有效激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，并讓他們在解決問題的過程中主動探索與思考，形成“體驗(yàn)一認(rèn)知一分析”的認(rèn)知閉環(huán)，有助于培養(yǎng)他們解決問題的能力和創(chuàng)新思維能力。下面，以“揭秘人臉識別”為例，介紹依據(jù)該教學(xué)方法設(shè)計(jì)與實(shí)施教學(xué)的要點(diǎn)。

一、教學(xué)分析與設(shè)計(jì)

“揭秘人臉識別”一課選自廣州市七年級人工智能教材，主要內(nèi)容為介紹人工智能領(lǐng)域中的人臉識別，讓學(xué)生認(rèn)識和感受人工智能的魅力。七年級學(xué)生對人工智能技術(shù)的應(yīng)用興趣濃厚，也有通過人臉識別登錄線上學(xué)習(xí)平臺、用指紋解鎖手機(jī)或者平板電腦等經(jīng)歷。但他們對人工智能的認(rèn)識還停留在表面，教師需借助學(xué)習(xí)單和數(shù)字化平臺，引導(dǎo)他們探究人臉識別原理與實(shí)現(xiàn)過程。

按照信息科技學(xué)科對于核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求，在理解教材和分析學(xué)情的基礎(chǔ)上，筆者確定了如下教學(xué)目標(biāo)：（1）體驗(yàn)人臉識別技術(shù)，進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)習(xí)人工智能核心技術(shù)的動機(jī)，初步形成利用人臉識別技術(shù)解決實(shí)際問題的能力（信息意識）；（2）比較人類識別人臉和機(jī)器識別人臉的過程，培養(yǎng)分析推理能力，并能夠?qū)?fù)雜問題分解為若干個簡單問題（計(jì)算思維）；（3）能夠使用數(shù)字化工具進(jìn)行實(shí)踐，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力（數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新）；（4）正確認(rèn)識人臉識別技術(shù)的應(yīng)用范圍，理解其倫理問題，培養(yǎng)信息社會責(zé)任意識（信息社會責(zé)任）。

為達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，筆者先依據(jù)人工智能素養(yǎng)框架的三維架構(gòu)[3（如圖1）重新設(shè)計(jì)了教學(xué)內(nèi)容，再基于問題導(dǎo)向式教學(xué)設(shè)計(jì)了“該作品為什么能識別人臉進(jìn)行支付，背后的原理是什么”的驅(qū)動性問題，并將驅(qū)動性問題細(xì)化為三個子問題（即問題鏈）：人如何識別人臉、機(jī)器如何識別人臉、機(jī)器在訓(xùn)練過程中如何提取特征。

圖1人工智能素養(yǎng)框架

考慮到學(xué)生在信息獲取與處理能力方面，已能利用網(wǎng)絡(luò)搜索相關(guān)資源和信息，并運(yùn)用電子設(shè)備、軟件工具進(jìn)行學(xué)習(xí)和探究，筆者根據(jù)問題鏈又設(shè)計(jì)了三個主要學(xué)習(xí)活動：“人臉識別”活動體驗(yàn)、“人臉驗(yàn)證”活動模擬、“人臉特征提取”活動深人。具體而言，學(xué)生在體驗(yàn)人識別人臉的步驟后，需要借助人工智能訓(xùn)練平臺（實(shí)踐操作）、生成式人工智能大模型（理論解析）、面部追蹤和分析平臺（特征可視化分析）的工具鏈組合，體驗(yàn)機(jī)器識別人臉的過程，更加直觀地頻感悟和技術(shù)反思環(huán)節(jié)，學(xué)生探討使用人臉識別技術(shù)時應(yīng)注意的問題。最后，學(xué)生歸納總結(jié)所學(xué)知識，并通過任務(wù)單和思維導(dǎo)圖進(jìn)行表現(xiàn)性評價。

（一）作品演示 問題激趣

上課前，學(xué)生通過實(shí)踐調(diào)查發(fā)現(xiàn)，超市購物結(jié)賬存在排隊(duì)過長且體驗(yàn)不佳的問題。基于此，教師制作了教具“AI智薦果坊”，讓學(xué)生在課堂上體驗(yàn)其人臉支付功能，并提出驅(qū)動性問題：該作品為什么能識別人臉進(jìn)行支付，背后的原理是什么？

理解機(jī)器識別人臉的工作原理，形成“體驗(yàn)一認(rèn)知一分析”的認(rèn)知閉環(huán)，解決傳統(tǒng)教學(xué)中“原理抽象難懂、實(shí)踐與理論割裂”的教學(xué)痛點(diǎn)。

二、教學(xué)實(shí)施

基于問題導(dǎo)向式教學(xué)方法，本課共設(shè)計(jì)了五個教學(xué)環(huán)節(jié)，教學(xué)流程結(jié)構(gòu)如圖2所示。教師先通過作品演示和問題激趣，引導(dǎo)學(xué)生思考人臉識別技術(shù)的原理。接著，學(xué)生體驗(yàn)教具“AI智薦果坊”，并參與“人臉識別”和“人臉驗(yàn)證”活動，比較人識別人臉和機(jī)器識別人臉的一般過程。在特征展示和深研解析環(huán)節(jié)，學(xué)生通過體驗(yàn)平臺檢測特征，理解機(jī)器在訓(xùn)練過程中是如何生成模型的。在視

圖2教學(xué)流程

設(shè)計(jì)意圖：教師利用教具讓學(xué)生近距離感受人臉識別的支付場景，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，從而引出人臉識別的學(xué)習(xí)主題。

（二）探究體驗(yàn) 技術(shù)感知

活動一：“人臉識別”活動體驗(yàn)

教師展示班上5位學(xué)生的照片，提問：你能找出小明同學(xué)嗎？你是怎么認(rèn)出來的？即子問題一“人如何識別人臉”。教師引導(dǎo)學(xué)生思考并回答識別同學(xué)的步驟，并在學(xué)習(xí)任務(wù)單上對這些步驟進(jìn)行排序。完成后，教師邀請學(xué)生上臺，板書人識別人臉的步驟： ① 看人臉； ② 辨別外貌特征；③ 判斷人臉； ④ 確認(rèn)人臉。最后，教師類比人識別人臉的過程，引導(dǎo)學(xué)生猜想機(jī)器識別人臉的過程并進(jìn)行匯報分享。

設(shè)計(jì)意圖：這一環(huán)節(jié)，教師通過展示班上學(xué)生照片并測試學(xué)生能否找出特定同學(xué)的方式，迅速吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)他們的興趣，使他們能夠積極地參與后面的教學(xué)活動。教師引導(dǎo)學(xué)生理解人臉識別過程，既加深了學(xué)生對人臉識別基本步驟的理解，又為后續(xù)對機(jī)器識別人臉的討論奠定了基礎(chǔ)。

活動二：“人臉驗(yàn)證”活動模擬

教師提出子問題二“機(jī)器如何識別人臉”。帶著問題，師生通過數(shù)字化工具開展探究實(shí)踐。

1.平臺實(shí)操：從數(shù)據(jù)采集到模型應(yīng)用的全流程體驗(yàn)

（1）任務(wù)示范，講演結(jié)合。以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)，師生共同在英荔人工智能訓(xùn)練平臺上完成“人臉識別”任務(wù)。教師在平臺上創(chuàng)建分類任務(wù)，拍攝自己與示范學(xué)生的正面照，標(biāo)注標(biāo)簽后導(dǎo)人平臺數(shù)據(jù)集。學(xué)生通過平臺可視化界面，觀察“數(shù)據(jù)預(yù)處理 $$ 特征提取 $$ 模型訓(xùn)練”的進(jìn)度條與輸出的變化，直觀理解機(jī)器從圖像中學(xué)習(xí)特征并識別人臉的過程。教師提問：“當(dāng)輸出值為 90% 時，說明模型識別準(zhǔn)確率如何，若增加20張側(cè)面照，可能對結(jié)果產(chǎn)生什么影響？”培養(yǎng)學(xué)生關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)多樣性與模型泛化的能力。

（2）同伴合作，實(shí)踐操練。教師布置升級任務(wù)：各組拍攝3名成員的多角度照片（正面、側(cè)面、戴眼鏡／不戴眼鏡），每組至少采集20張圖像，擴(kuò)充數(shù)據(jù)集。

設(shè)計(jì)意圖：該平臺內(nèi)置人臉識別API接口，支持實(shí)時圖像采集、模型訓(xùn)練及推理結(jié)果可視化，降低了技術(shù)門檻，讓學(xué)生聚焦核心原理，而非代碼編寫，解決了傳統(tǒng)教學(xué)中“模型訓(xùn)練”環(huán)節(jié)常因技術(shù)復(fù)雜被忽視、學(xué)生缺乏參與感的教學(xué)痛點(diǎn)。學(xué)生在該平臺完成“人臉識別驗(yàn)證”的任務(wù)，可以直觀地感受機(jī)器拍攝照片、進(jìn)行分類、開展模型訓(xùn)練以及進(jìn)行人臉識別與驗(yàn)證的完整過程。

2.與生成式人工智能互動：從操作體驗(yàn)到理 論建模的認(rèn)知躍遷

（1）工具賦能，理論轉(zhuǎn)化。學(xué)生通過與訊飛星火大模型對話，進(jìn)一步明晰人臉識別的原理。在此過程中，教師向?qū)W生提供提示語示例（如圖3）。學(xué)生根據(jù)需要調(diào)整提示語，在與訊飛星火天模型的互動中，加深對人臉識別原理的理解。

提示語示例：假設(shè)你是一位人工智能專家，我是一位想了解人臉識別原理的初一學(xué)生，我對原理的了解較少，請你闡述“人臉識別的原理是什么”，話語要通俗易懂、易于理解，字?jǐn)?shù)限制在100以內(nèi)。

設(shè)計(jì)意圖：平臺的體驗(yàn)雖然讓學(xué)生有了感性認(rèn)識，但學(xué)生易停留在“知其然不知其所以然”的層面。訊飛星火大語言模型能將復(fù)雜的技術(shù)原理拆解為符合中學(xué)生認(rèn)知水平的類比解釋，彌補(bǔ)傳統(tǒng)講授中“術(shù)語抽象、學(xué)生理解困難”的缺陷，引導(dǎo)學(xué)生將碎片化體驗(yàn)整合為系統(tǒng)化知識。

（2）回顧活動，凝練原理。教師提出問題：通過剛才的活動體驗(yàn)，同學(xué)們知道機(jī)器是怎樣進(jìn)行人臉識別的嗎？教師歸納學(xué)生的回答并板書，以過程論的角度定義人臉識別的原理。人臉識別過程主要包括三個關(guān)鍵步驟：數(shù)據(jù)采集、模型訓(xùn)練和模型推理。首先，向機(jī)器提供人臉照片以完成數(shù)據(jù)采集；其次，機(jī)器對數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練建構(gòu)模型；最后，機(jī)器根據(jù)生成的模型，通過分析面部特征來判別人臉的相似度。

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生回顧活動過程，并提煉人臉識別的原理，幫助學(xué)生將實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為理論知識，形成系統(tǒng)化的理解，從而落實(shí)本課的重點(diǎn)內(nèi)容。

（三）特征展示 深研解析

活動三：“人臉特征提取”活動深入

教師提出子問題三“機(jī)器在訓(xùn)練過程中如何提取特征”。帶著問題，學(xué)生體驗(yàn)VisageTechnologies面部追蹤和分析平臺（如圖4）。教師通過示范講解指出每個人面部特征的差異，使學(xué)生能夠直觀地理解機(jī)器是如何通過分析面部特征（如眼晴、鼻子和嘴巴等）來提取關(guān)鍵信息的。接著，教師組織學(xué)生完成任務(wù)單，要求學(xué)生在哪吒和花木蘭的圖像上標(biāo)記眼晴、鼻子、嘴巴等部位的特征點(diǎn)。這些特征點(diǎn)是機(jī)器提取特征信息的關(guān)鍵要素，機(jī)器正是通過檢測特征點(diǎn)之間的距離和角度，提取人臉的關(guān)鍵特征。

圖4體驗(yàn)面部追蹤和分析平臺

設(shè)計(jì)意圖：該環(huán)節(jié)通過面部追蹤和分析平臺提供的對面部特征點(diǎn)的實(shí)時標(biāo)注功能，自動識別圖像中的眼角、鼻尖等各個關(guān)鍵點(diǎn)，并用線條連接形成“面部幾何圖”，將抽象的“特征”轉(zhuǎn)化為可見的幾何參數(shù)（如兩眼間距、鼻尖角度），直觀展示機(jī)器如何量化面部差異，實(shí)現(xiàn)“原理可視化”的效果。這解決了傳統(tǒng)教學(xué)中“特征提取”常被視為“黑箱”、學(xué)生難以理解“機(jī)器究競在分析什么”的教學(xué)問題。

（四）視頻感悟 技術(shù)反思

教師提出問題：人臉識別技術(shù)為生活帶來了諸多便利，但在使用過程中應(yīng)如何保護(hù)信息安全？學(xué)生帶著問題觀著一段犯罪分子利用人臉識別技術(shù)作案的視頻，并思考解決方案。觀看視頻后，教師強(qiáng)調(diào)，在采集人臉數(shù)據(jù)時，必須獲取當(dāng)事人的同意，確保數(shù)據(jù)的合法使用與隱私保護(hù)。

（五）歸納總結(jié) 表現(xiàn)評價

學(xué)生根據(jù)自身表現(xiàn)，利用評價量表[4進(jìn)行自評和互評（見表1）。

表1評價量表

最后，教師邀請學(xué)生分享本節(jié)課的收獲，可借助流程圖或思維導(dǎo)圖梳理總結(jié)本課的知識要點(diǎn)。

三、教學(xué)反思

經(jīng)過教學(xué)實(shí)踐，本課教學(xué)主要有三個方面的亮點(diǎn)。第一，基于教材，突破教材。在遵循教學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，設(shè)置了更具針對性的學(xué)習(xí)主題。通過“人臉識別”活動體驗(yàn)、“人臉驗(yàn)證”活動模擬、“人臉特征提取”活動深人三個主要教學(xué)活動，幫助學(xué)生構(gòu)建清晰的學(xué)習(xí)路線，充分掌握人臉識別的原理，提升學(xué)習(xí)效率。第二，以生為本，互動探究。本案例以問題為導(dǎo)向，從“人臉識別”的感知體驗(yàn)入手，有效結(jié)合教材、學(xué)習(xí)任務(wù)單、過程性評價和總結(jié)性評價展開教學(xué)，有效提升了學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能的主動性。由于人臉識別原理較為復(fù)雜且抽象，所以本案例在設(shè)計(jì)時注重課堂教學(xué)的趣味性和互動性，涵蓋師生互動、生生互動、學(xué)生與技術(shù)的互動以及教師與技術(shù)的互動，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。第三，技術(shù)賦能，突破重難點(diǎn)。本課教學(xué)充分發(fā)揮了多平臺間的協(xié)同優(yōu)勢，人工智能訓(xùn)練平臺解決“怎么做”的實(shí)踐操作問題，生成式人工智能解決“是什么”的理論解析問題，面部追蹤和分析平臺解決“特征可視化分析\"問題，三者形成“體驗(yàn)一認(rèn)知一分析”的完整學(xué)習(xí)路徑，突破了傳統(tǒng)單一平臺的功能局限。

教學(xué)過程中也存在一些不足之處。一是存在平臺依賴性。在課程中，所用到的數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺能夠賦能人工智能教學(xué)，使學(xué)生能夠直觀體驗(yàn)人臉識別的原理。然而，這些平臺在實(shí)際教學(xué)中可能會遇到若干問題，如服務(wù)器響應(yīng)延遲影響課堂節(jié)奏、網(wǎng)絡(luò)連接不穩(wěn)定導(dǎo)致平臺無法正常加載、部分實(shí)驗(yàn)因技術(shù)限制而無法順利開展等。這些問題可能會中斷教學(xué)進(jìn)程，影響學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，甚至影響教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。二是實(shí)踐與理論聯(lián)系不夠緊密。盡管本課強(qiáng)調(diào)并落實(shí)“以學(xué)生為中心”的教學(xué)理念，設(shè)計(jì)了比較豐富的實(shí)踐活動，但由于時間限制，在“回顧活動，凝練原理”環(huán)節(jié)，學(xué)生未能通過充分討論和反思將實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)有效轉(zhuǎn)化為理論知識，導(dǎo)致實(shí)踐與理論的銜接不夠順暢。

為此，筆者擬從如下兩個方面改進(jìn)教學(xué)設(shè)計(jì)。其一，維持技術(shù)與教學(xué)的平衡。在教學(xué)中，確保即使在平臺不可用的情況下，教學(xué)活動仍然能順利開展。例如，教師準(zhǔn)備離線資源，提前錄制的人臉識別演示視頻，可作為平臺不可用時的替代方案。其二，強(qiáng)化理論與實(shí)踐的結(jié)合。在實(shí)踐活動后，設(shè)計(jì)討論與反思環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生將實(shí)踐活動與理論知識進(jìn)行有效結(jié)合，從而加深對學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解與記憶。

四、結(jié)語

本課教學(xué)結(jié)合時代發(fā)展需要，緊跟科技前沿，依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的指引，并結(jié)合學(xué)生的具體學(xué)情展開教學(xué)設(shè)計(jì)與課堂實(shí)踐。在教學(xué)過程中，基于問題導(dǎo)向的教學(xué)有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。教師通過一個驅(qū)動性問題和三個子問題，不斷引導(dǎo)學(xué)生思考，使每個活動在問題鏈的引導(dǎo)下有序推進(jìn)，從人工智能訓(xùn)練平臺的動手實(shí)踐到生成式人工智能的原理認(rèn)知，再到面部追蹤和分析平臺的特征分析，既保留了技術(shù)賦能的深度，也為學(xué)生創(chuàng)造了體驗(yàn)與實(shí)踐的機(jī)會，讓學(xué)生在解決問題的過程中逐步構(gòu)建知識體系。通過“揭秘人臉識別”這一課的學(xué)習(xí)，學(xué)生不僅能夠從自己的經(jīng)驗(yàn)遷移到對機(jī)器的認(rèn)識，掌握了人臉識別的基本原理，其學(xué)科核心素養(yǎng)也得到了培養(yǎng)。另外，盡管人工智能知識已融入課堂多年，但在教學(xué)方法與學(xué)生實(shí)踐活動等方面仍有待進(jìn)一步深人挖掘。在未來的教學(xué)實(shí)踐中，教師需持續(xù)探索與創(chuàng)新，將問題導(dǎo)向式教學(xué)應(yīng)用到更廣泛的教學(xué)領(lǐng)域，以更好地適應(yīng)人工智能教育的發(fā)展需求。

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[4]林小紅，鐘柏昌.人工智能教育大模型賦能綜合素質(zhì)評價：理念、模型與展望[J].開放教育研究，2024（6）：72-78.

（作者翁燕紅系華南師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)院碩士研究生；鐘柏昌系華南師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，本文通訊作者）

責(zé)任編輯：牟艷娜