ICS教學(xué)模式在中小學(xué)人工智能教學(xué)中的應(yīng)用

楊海娟

【摘 要】本文以“圖像識(shí)別：AI助力垃圾分類(lèi)”為例介紹在中小學(xué)人工智能教學(xué)中應(yīng)用ICS教學(xué)模式的可行性。ICS教學(xué)模式通過(guò)創(chuàng)設(shè)情境、自主學(xué)習(xí)、合作探究和分享交流四個(gè)環(huán)節(jié)，提升學(xué)生的問(wèn)題解決能力，培養(yǎng)學(xué)生的合作意識(shí)與合作能力，幫助學(xué)生樹(shù)立終身學(xué)習(xí)的理念。

【關(guān)鍵詞】ICS教學(xué)模式；人工智能；信息科技；教學(xué)策略

【中圖分類(lèi)號(hào)】G434? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2023）08-054-03

人工智能是研究和開(kāi)發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門(mén)新的技術(shù)學(xué)科[1]，作為引領(lǐng)未來(lái)社會(huì)發(fā)展的顛覆性技術(shù)，人工智能的重要性日益凸顯[2]。在中小學(xué)信息科技教學(xué)中實(shí)施人工智能教學(xué)已勢(shì)在必行，但目前仍處于人工智能課程進(jìn)入中小學(xué)課堂的初始階段，如何有效地進(jìn)行人工智能教學(xué)，是一線(xiàn)教師急需探討的問(wèn)題。ICS教學(xué)模式是筆者在長(zhǎng)期的教學(xué)實(shí)踐中探索出的適合中小學(xué)人工智能教學(xué)的一種模式。

ICS教學(xué)模式概述

ICS教學(xué)模式倡導(dǎo)學(xué)生在特定的教學(xué)情境中自主學(xué)習(xí)（Independent learning）、合作探究（Cooperation inquiry）和分享交流（Sharing interchange），要求課堂教學(xué)從傳統(tǒng)的以教師、教材為中心轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生、學(xué)習(xí)為中心，以活動(dòng)、實(shí)踐為中心；倡導(dǎo)自主學(xué)習(xí)與合作探究，培養(yǎng)學(xué)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣和良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，使學(xué)生能積極主動(dòng)地分享交流學(xué)習(xí)成果；解決學(xué)生積極性不高，解決問(wèn)題能力不足，學(xué)習(xí)氛圍不濃，學(xué)習(xí)習(xí)慣不佳等問(wèn)題。ICS教學(xué)模式真正實(shí)現(xiàn)了“學(xué)生中心”“先學(xué)后教”“以學(xué)定教”的美好愿景，能達(dá)到增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)學(xué)生信息科技核心素養(yǎng)的目的，力爭(zhēng)使每一位學(xué)生都能成為信息時(shí)代的合格數(shù)字公民。

ICS教學(xué)模式特征

ICS教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)創(chuàng)設(shè)主線(xiàn)式情境，它是以某一具體人物、某一話(huà)題、一段故事或真實(shí)問(wèn)題作為主線(xiàn)，貫穿整節(jié)課的教學(xué)，通過(guò)“一條主線(xiàn)”，設(shè)置一系列具有內(nèi)在聯(lián)系的任務(wù)探究鏈，引導(dǎo)學(xué)生合作探究獲得新知，進(jìn)而提升學(xué)生的信息素養(yǎng)。自主學(xué)習(xí)是讓學(xué)生在每節(jié)課的前10分鐘左右自主學(xué)習(xí)，掌握基礎(chǔ)知識(shí)和基本內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)存在的難點(diǎn)。在自主學(xué)習(xí)中鍛煉學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，提升認(rèn)知水平，為終身學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。合作探究是以小組為單位，教師作為課堂的組織者，利用各種動(dòng)態(tài)因素，促進(jìn)學(xué)生合作探究，解決課程的重點(diǎn)和學(xué)生存在的難點(diǎn)，以集體作為評(píng)價(jià)出發(fā)點(diǎn)，從而達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。分享交流是讓學(xué)生展示學(xué)習(xí)成果，“學(xué)習(xí)金字塔”告訴我們，學(xué)習(xí)效果最好的方式，就是把知識(shí)傳授給他人或者馬上應(yīng)用。

ICS教學(xué)模式有四個(gè)基本特征：情境性、自主性、合作性和分享性。應(yīng)用ICS教學(xué)模式實(shí)施人工智能教學(xué)（圖1），可以提升學(xué)生的問(wèn)題解決能力，培養(yǎng)學(xué)生的合作意識(shí)與合作能力，幫助學(xué)生樹(shù)立終身學(xué)習(xí)的理念。

ICS教學(xué)模式在中小學(xué)人工智能教學(xué)中的應(yīng)用背景

2022年4月，教育部頒布了《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》，明確了九年級(jí)的教學(xué)內(nèi)容為“人工智能與智慧社會(huì)”模塊。新課標(biāo)強(qiáng)調(diào)信息科技課程的教學(xué)要以落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)為導(dǎo)向，以培養(yǎng)學(xué)生數(shù)字素養(yǎng)與技能為目標(biāo)，以學(xué)生已有的知識(shí)、技能和經(jīng)驗(yàn)為起點(diǎn)，遵循學(xué)生學(xué)習(xí)規(guī)律，系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動(dòng)，突出用信息科技解決學(xué)習(xí)、生活中的問(wèn)題，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)自主、合作、探究的學(xué)習(xí)情境和知、情、意、行融合發(fā)展的成長(zhǎng)環(huán)境。

ICS教學(xué)模式實(shí)踐

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》要求通過(guò)分析典型案例，對(duì)比計(jì)算機(jī)傳統(tǒng)方法和人工智能方法處理同類(lèi)問(wèn)題的效果?！皥D像識(shí)別：AI助力垃圾分類(lèi)”一課將人類(lèi)垃圾分類(lèi)的過(guò)程和機(jī)器垃圾分類(lèi)的過(guò)程進(jìn)行類(lèi)比，揭示人工智能圖像識(shí)別技術(shù)的基本原理。

1.創(chuàng)設(shè)情境，提出實(shí)際問(wèn)題

教師創(chuàng)設(shè)情境：口罩、飲料瓶、水果皮…… 屬于什么垃圾？每人每天產(chǎn)生約1千克垃圾，算一算，我們所在的城市每天共產(chǎn)生多少?lài)嵣罾?？如此巨大的垃圾量需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力進(jìn)行分類(lèi)，有時(shí)還不一定準(zhǔn)確，如何利用人工智能的圖像識(shí)別技術(shù)提升垃圾分類(lèi)的效率和準(zhǔn)確性呢？

近年來(lái)隨著人工智能、計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，圖像識(shí)別作為深度學(xué)習(xí)技術(shù)的重要應(yīng)用之一，受到越來(lái)越多的關(guān)注[3]。在北歐、美國(guó)、日本等地，關(guān)于垃圾分類(lèi)的知識(shí)普及和行為養(yǎng)成從中小學(xué)階段就開(kāi)始進(jìn)行。我國(guó)城市垃圾強(qiáng)制分類(lèi)在2019年才開(kāi)始正式推行，垃圾分類(lèi)的相關(guān)知識(shí)還在普及階段[4]。本課引入現(xiàn)實(shí)生活中的垃圾分類(lèi)問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生的興趣，引導(dǎo)學(xué)生思考如何運(yùn)用人工智能技術(shù)解決實(shí)際問(wèn)題，同時(shí)強(qiáng)調(diào)環(huán)境保護(hù)和資源回收的重要性。

2.自主學(xué)習(xí)，初識(shí)圖像識(shí)別

教師分別展示紅蘋(píng)果、青蘋(píng)果、切開(kāi)的蘋(píng)果和已經(jīng)腐爛的蘋(píng)果，指出人能夠輕而易舉地判斷出這些都是蘋(píng)果，但機(jī)器面對(duì)不一樣的蘋(píng)果照片，它是如何進(jìn)行判斷的呢？人工智能機(jī)器也和人一樣，需要學(xué)習(xí)才能擁有智能。人能夠認(rèn)識(shí)各種垃圾并進(jìn)行合理的分類(lèi)，是因?yàn)槿嗽陂L(zhǎng)期的生活中，認(rèn)識(shí)這些垃圾，并且知道它是屬于什么類(lèi)型的垃圾。同樣，機(jī)器想要識(shí)別垃圾的類(lèi)型，也必須要進(jìn)行學(xué)習(xí)，積累了一定的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)后才能用特定的方法識(shí)別哪些是可回收物、哪些是廚余垃圾、哪些是有害垃圾、哪些是其他垃圾。

學(xué)生從生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，自主學(xué)習(xí)總結(jié)人類(lèi)垃圾分類(lèi)的過(guò)程，把人類(lèi)識(shí)別垃圾的過(guò)程與機(jī)器垃圾分類(lèi)的過(guò)程進(jìn)行類(lèi)比。人對(duì)垃圾分類(lèi)的過(guò)程是：看到垃圾→利用經(jīng)驗(yàn)知識(shí)思考判斷垃圾類(lèi)型→投到對(duì)應(yīng)的垃圾桶中。機(jī)器對(duì)垃圾分類(lèi)的過(guò)程是：攝像頭拍攝→利用圖像識(shí)別技術(shù)判斷垃圾類(lèi)型→放進(jìn)對(duì)應(yīng)的垃圾箱。

3.合作探究，完善識(shí)別程序

學(xué)生以小組為單位完善“圖像識(shí)別：AI助力垃圾分類(lèi)”的程序。學(xué)生結(jié)合自己的理解和已學(xué)知識(shí)，討論并共同設(shè)計(jì)圖像采集、特征提取、數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)和圖像分類(lèi)等步驟。

第一步：圖像采集。學(xué)生使用攝像頭、掃描儀或是讀取圖像文件實(shí)現(xiàn)圖像采集。第二步：預(yù)處理，特征提取。預(yù)處理可以消除圖像中的噪聲、增強(qiáng)圖像的質(zhì)量以及凸顯圖像中的重要特征。特征提取是從圖像中提取出具有代表性的特征，以描述圖像的內(nèi)容和特性。常見(jiàn)的特征包括顏色、紋理、形狀、邊緣等。第三步：特征匹配與數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)。學(xué)生將提取到的特征與預(yù)先構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，找到與待識(shí)別圖像最相似的圖像或類(lèi)別。第四步：根據(jù)特征匹配的結(jié)果，對(duì)待識(shí)別圖像進(jìn)行分類(lèi)。學(xué)生利用小程序判斷出可回收物、廚余垃圾、有害垃圾和其他垃圾，把結(jié)果通過(guò)圖像界面、文本輸出或其他形式呈現(xiàn)出來(lái)。

通過(guò)小組合作的方式，學(xué)生在合作中相互學(xué)習(xí)、交流與合作，共同完善“圖像識(shí)別：AI助力垃圾分類(lèi)”程序，團(tuán)隊(duì)合作能力和問(wèn)題解決能力得到培養(yǎng)。小組成員之間相互討論，分享自己的建議，以期獲得最佳的垃圾分類(lèi)程序方案。教師提供必要的指導(dǎo)和引導(dǎo)，確保學(xué)生的合作探究過(guò)程能夠有條不紊地進(jìn)行。

4.分享交流，展示設(shè)計(jì)成果

每個(gè)小組向全班展示他們?cè)O(shè)計(jì)的“圖像識(shí)別：AI助力垃圾分類(lèi)”程序，分享他們的設(shè)計(jì)思路、算法流程和實(shí)際效果，并進(jìn)行比較和討論。在交流展示環(huán)節(jié)中，學(xué)生評(píng)估、質(zhì)疑和點(diǎn)評(píng)其他小組的設(shè)計(jì)，從中獲得新的觀點(diǎn)和啟發(fā)，開(kāi)闊視野。

通過(guò)交流展示，學(xué)生有機(jī)會(huì)展示和分享他們的學(xué)習(xí)成果，加強(qiáng)了對(duì)圖像識(shí)別中不同垃圾分類(lèi)系統(tǒng)的理解和應(yīng)用，并從他人的展示中獲得新的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。

ICS教學(xué)模式應(yīng)用效果

1.提升學(xué)生問(wèn)題解決能力

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》要求，“創(chuàng)新教學(xué)方案，以真實(shí)問(wèn)題或項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷原理運(yùn)用過(guò)程、計(jì)算思維過(guò)程和數(shù)字化工具應(yīng)用過(guò)程，建構(gòu)知識(shí)，提升問(wèn)題解決能力。注重創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，引入多元化數(shù)字資源，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度。”ICS教學(xué)模式以某一真實(shí)情境貫穿課堂，以解決問(wèn)題為目標(biāo)，通過(guò)界定問(wèn)題，抽象問(wèn)題特征，建立結(jié)構(gòu)模型，形成利用數(shù)字化工具解決問(wèn)題的方案等過(guò)程，提升學(xué)生的問(wèn)題解決能力。

2.培養(yǎng)學(xué)生的合作意識(shí)與合作能力

人類(lèi)面臨的問(wèn)題越來(lái)越復(fù)雜，要解決這些問(wèn)題，光靠個(gè)人力量已很難實(shí)現(xiàn)。因此，教育必須重視培養(yǎng)學(xué)生的合作意識(shí)與合作能力，ICS教學(xué)模式的合作探究讓學(xué)生以小組為單位進(jìn)行合作學(xué)習(xí)，引導(dǎo)小組成員互相交流合作、互相幫助、共同進(jìn)步。小組的發(fā)展需要每一個(gè)成員的努力，因此，每一位學(xué)生都要養(yǎng)成良好的團(tuán)隊(duì)合作精神和集體協(xié)作意識(shí)。學(xué)生經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的學(xué)習(xí)實(shí)踐，合作意識(shí)和合作能力變得越來(lái)越強(qiáng)。

3.幫助學(xué)生樹(shù)立終身學(xué)習(xí)的理念

幫助學(xué)生樹(shù)立終身學(xué)習(xí)的理念是教育中的重要任務(wù)。自主學(xué)習(xí)能力是實(shí)現(xiàn)終身學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，教師應(yīng)以學(xué)生為中心，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)與合作探究的能力與動(dòng)力。ICS教學(xué)模式充分發(fā)揮學(xué)生的主體地位，培養(yǎng)學(xué)生的合作意識(shí)與能力，通過(guò)分享交流環(huán)節(jié)潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維，為學(xué)生的終身發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

ICS教學(xué)模式非常適合中小學(xué)人工智能教學(xué)，在實(shí)踐中取得了很好的效果。ICS教學(xué)模式把情境性、自主性、合作性和分享性融合在一起，形成了一套適合中小學(xué)人工智能課程的教學(xué)模式，能更好地滿(mǎn)足學(xué)生個(gè)性化的學(xué)習(xí)需求，使學(xué)生成為課堂的主體，在解決真實(shí)問(wèn)題的過(guò)程中學(xué)會(huì)解決問(wèn)題的方法，提升學(xué)生的信息科技素養(yǎng)。ICS教學(xué)模式讓學(xué)生在掌握基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能的基礎(chǔ)上，學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)的方法，為終身學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ)。

注：本文系廣東省中小學(xué)教師教育科研能力提升計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“基于ICS教學(xué)理念的中小學(xué)人工智能課程實(shí)踐研究”（課題批準(zhǔn)號(hào)：2022ZQJK062）的研究成果

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編? ?輯：馮艷艷