“三段五步”人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的應(yīng)用與實(shí)踐

摘要：隨著科技的飛速發(fā)展，在教育領(lǐng)域，人工智能的應(yīng)用也日益廣泛，為中小學(xué)生帶來了全新的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。然而，如何將人工智能與中小學(xué)教育相結(jié)合，創(chuàng)新教學(xué)模式，成為亟待解決的問題。本文將探討實(shí)驗(yàn)教學(xué)如何助力中小學(xué)人工智能教育模式創(chuàng)新，為學(xué)生提供更加豐富、有趣的學(xué)習(xí)途徑。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)教學(xué)；信息科技；人工智能教育

中圖分類號(hào)：G434" 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" 論文編號(hào)：1674-2117（2025）06-0032-04

中小學(xué)人工智能教育在現(xiàn)今及未來教育體系中的重要性日益凸顯。《中國教育現(xiàn)代化2035》等政策的實(shí)施，更是賦予了中小學(xué)人工智能教育推動(dòng)教育變革創(chuàng)新的重大使命。因此，構(gòu)建高效的教學(xué)模式與策略以適應(yīng)人工智能教育的特性成為亟待解決的核心議題。在信息科技學(xué)科教育中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)既保留了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的共性，又獨(dú)具特色，其獨(dú)特之處在于對信息技術(shù)實(shí)際操作與實(shí)踐應(yīng)用的強(qiáng)調(diào)。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)助力人工智能教育創(chuàng)新模式的建立

相較于傳統(tǒng)中小學(xué)人工智能教育，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法有效融入教育體系，不僅提升了學(xué)生的實(shí)踐操作能力，更激發(fā)了他們對人工智能領(lǐng)域的濃厚興趣與熱情。因此，筆者基于豐富的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)建了“三段五步”的教學(xué)模式（如圖1），旨在深度融合實(shí)驗(yàn)教學(xué)與人工智能教育。

在圖1的創(chuàng)新模式中，教師以課前、課中和課后三大學(xué)習(xí)階段為時(shí)間脈絡(luò)，引導(dǎo)學(xué)生通過編程控制機(jī)器人等實(shí)踐活動(dòng)，親身體驗(yàn)人工智能的無限魅力。學(xué)生在不斷測試與優(yōu)化中，不僅掌握了知識(shí)，更學(xué)會(huì)了如何總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、內(nèi)化所學(xué)，從而有效達(dá)成素養(yǎng)培養(yǎng)的目標(biāo)。

“三段五步”教學(xué)模式的關(guān)鍵實(shí)施要素

1.真實(shí)情境構(gòu)建，強(qiáng)化問題導(dǎo)向思維

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師應(yīng)緊貼學(xué)生實(shí)際需求與興趣，設(shè)計(jì)貼近學(xué)生生活的真實(shí)情境，以此激發(fā)學(xué)生興趣，觸發(fā)深度思考。例如，通過模擬一個(gè)真實(shí)的商業(yè)挑戰(zhàn)，讓學(xué)生在解決實(shí)際問題的過程中學(xué)習(xí)人工智能的應(yīng)用。

2.精準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)，明確角色定位

在中小學(xué)人工智能的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式中，明確師生角色定位至關(guān)重要。教師應(yīng)從傳統(tǒng)講授者的角色中抽離，轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)者、協(xié)助者及問題解決過程中的合作伙伴。教師需設(shè)計(jì)富有吸引力的問題情境，提供充足的實(shí)驗(yàn)資源，并在學(xué)生探究學(xué)習(xí)過程中給予及時(shí)的幫助與反饋。例如，教師可扮演“技術(shù)顧問”的角色，為學(xué)生提供關(guān)于人工智能技術(shù)的最新信息和實(shí)踐指導(dǎo)。而學(xué)生則由被動(dòng)接受者轉(zhuǎn)變?yōu)榉e極探索者，通過動(dòng)手操作、團(tuán)隊(duì)合作與創(chuàng)造性思考，主動(dòng)尋求問題解決之道。

3.以實(shí)踐操作為核心，深化實(shí)驗(yàn)探究

教師以課程設(shè)計(jì)者的身份，將學(xué)習(xí)過程精心規(guī)劃為一系列通過動(dòng)手實(shí)驗(yàn)與實(shí)際操作解決問題的活動(dòng)。學(xué)生則以實(shí)踐者的角色深入其中，從實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)到編程實(shí)施再到結(jié)果分析，全程主動(dòng)探索人工智能的工作原理與應(yīng)用。他們充分利用各種工具與平臺(tái)如機(jī)器人、傳感器及編程軟件等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。例如，學(xué)生可以設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的機(jī)器人程序，通過編程讓機(jī)器人完成特定任務(wù)，從而理解編程邏輯與機(jī)器人的交互方式。這種以實(shí)踐為核心的學(xué)習(xí)方式強(qiáng)調(diào)試錯(cuò)、反思與迭代的過程價(jià)值，使學(xué)生能夠深刻理解人工智能概念并培養(yǎng)創(chuàng)新思維與解決復(fù)雜問題的能力。

“三段五步”教學(xué)模式的應(yīng)用案例

下面，筆者以人工智能教育中的《認(rèn)識(shí)機(jī)器學(xué)習(xí)》一課為例，從課前、課中和課后三個(gè)時(shí)段，及課中五個(gè)步驟，規(guī)劃詳細(xì)的教學(xué)設(shè)計(jì)，以實(shí)驗(yàn)教學(xué)助力人工智能教育模式創(chuàng)新。

1.課前準(zhǔn)備

（1）目標(biāo)設(shè)計(jì)

本課程重在培養(yǎng)學(xué)生的興趣與實(shí)踐能力，通過實(shí)際操作讓學(xué)生深刻體會(huì)機(jī)器學(xué)習(xí)的獨(dú)特魅力，進(jìn)而激發(fā)他們對人工智能領(lǐng)域的濃厚興趣與熱愛。同時(shí)，教師要高度關(guān)注學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展需求，鼓勵(lì)他們在學(xué)習(xí)過程中積極展現(xiàn)個(gè)人特長與興趣點(diǎn)。具體而言，學(xué)生需通過本課的學(xué)習(xí)，對機(jī)器學(xué)習(xí)的基本概念與原理形成清晰而深刻的理解，并能夠靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，有效分析與解決實(shí)際問題。

（2）教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

在教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)上，教師挑選了貼近學(xué)生認(rèn)知水平與興趣愛好的案例，注重以實(shí)踐探究為主導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究或?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證的方式深入學(xué)習(xí)。以“探究智能稱重機(jī)器的工作原理”為例，該案例不僅貼近學(xué)生日常生活，容易引發(fā)學(xué)生的共鳴，還巧妙融合了物理、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的知識(shí)，有助于拓寬學(xué)生的知識(shí)視野。此外，為了進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的參與度，教師還在教學(xué)內(nèi)容中融入了趣味性的元素，如“水果猜猜看”等游戲環(huán)節(jié)，從而營造輕松愉快的學(xué)習(xí)氛圍，促進(jìn)學(xué)生對知識(shí)的吸收與掌握。

2.課程實(shí)施及影響

針對前期的準(zhǔn)備，在課程實(shí)施過程中充分考慮如何為達(dá)成教學(xué)目標(biāo)來設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動(dòng)，結(jié)合“探究智能稱重機(jī)器的工作原理”這一實(shí)驗(yàn)探究案例，按照如下策略展開“五步”實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

（1）“五步”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施過程

在課程學(xué)習(xí)中，教師首先將學(xué)生分成若干小組，每個(gè)小組由三到四名學(xué)生組成，運(yùn)用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)方法，引導(dǎo)學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力與團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。然后，向?qū)W生介紹智能稱重機(jī)器的基本結(jié)構(gòu)和工作流程，讓學(xué)生對實(shí)驗(yàn)任務(wù)有一個(gè)初步的了解。接下來，教師引導(dǎo)學(xué)生制訂實(shí)驗(yàn)方案，其中包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)器材等。具體的課程實(shí)施環(huán)節(jié)如下。

如圖2所示，在課堂實(shí)施過程中，以“探究智能稱重機(jī)器的工作原理”為問題的起點(diǎn)，以“制作一個(gè)智能識(shí)別物品的機(jī)器”為項(xiàng)目任務(wù)，分五個(gè)環(huán)節(jié)開展實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)。以蘋果和橘子為例，分小組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用不同數(shù)量的水果圖片進(jìn)行訓(xùn)練，測試識(shí)別結(jié)果。用不同種類的水果去測試機(jī)器學(xué)習(xí)的訓(xùn)練模型，記錄結(jié)果。探究出機(jī)器學(xué)習(xí)的關(guān)鍵因素，得出結(jié)論，再將結(jié)論應(yīng)用到項(xiàng)目任務(wù)中，完成項(xiàng)目任務(wù)。在這個(gè)過程中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生深入思考實(shí)驗(yàn)中的各種現(xiàn)象和結(jié)果。例如，當(dāng)學(xué)生們用不同數(shù)量的水果圖片進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，教師可以讓學(xué)生分析訓(xùn)練數(shù)據(jù)量對模型準(zhǔn)確性的影響。同時(shí)，教師還可以引導(dǎo)學(xué)生思考如何選擇合適的特征來提高模型的性能。通過這些深入的思考和討論，學(xué)生可以更好地理解機(jī)器學(xué)習(xí)的原理和方法，提高自己的分析問題和解決問題能力。

（2）“五步”設(shè)計(jì)對人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)的影響

“五步”實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施使得學(xué)生在探究智能稱重機(jī)器的工作原理過程中，通過親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，不僅掌握了機(jī)器學(xué)習(xí)的基本方法，還培養(yǎng)了自己的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。同時(shí)，教師也積累了豐富的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，為人工智能教育模式創(chuàng)新提供了有益的參考。例如，在實(shí)驗(yàn)過程中，有的學(xué)生發(fā)現(xiàn)可以通過改變實(shí)物的角度來提高識(shí)別的準(zhǔn)確性，有的學(xué)生則提出可以采用不同的算法來優(yōu)化數(shù)據(jù)處理過程。這些創(chuàng)新想法的產(chǎn)生，既展示了學(xué)生的創(chuàng)造力，也為人工智能教育模式的創(chuàng)新提供了新的思路。此外，實(shí)驗(yàn)教學(xué)還可以促進(jìn)學(xué)生之間的交流與合作。在小組實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生需要分工協(xié)作，共同完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。通過這種方式，學(xué)生們可以學(xué)會(huì)傾聽他人的意見，尊重他人的想法，提高自己的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

3.課后拓展

（1）作業(yè)拓展

為深化學(xué)生對機(jī)器學(xué)習(xí)概念的理解并提升其實(shí)踐技能，課后教師可鼓勵(lì)學(xué)生參與實(shí)際的機(jī)器學(xué)習(xí)項(xiàng)目，通過動(dòng)手實(shí)踐鞏固課堂所學(xué)理論知識(shí)。例如，學(xué)生可嘗試使用簡單的機(jī)器學(xué)習(xí)工具和數(shù)據(jù)集來訓(xùn)練模型，以解決實(shí)際問題。在課后拓展中，教師可以為學(xué)生提供一些簡單的機(jī)器學(xué)習(xí)工具和數(shù)據(jù)集，讓學(xué)生在課后自主進(jìn)行實(shí)踐。例如，可以推薦學(xué)生使用Openinnolab這個(gè)開源的機(jī)器學(xué)習(xí)平臺(tái)，它提供了豐富的機(jī)器學(xué)習(xí)算法和工具，可以幫助學(xué)生快速上手機(jī)器學(xué)習(xí)。同時(shí)，教師還可以為學(xué)生提供一些公開的數(shù)據(jù)集，如鳶尾花數(shù)據(jù)集、手寫數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)集等，讓學(xué)生通過這些數(shù)據(jù)集來訓(xùn)練模型，提高自己的實(shí)踐能力。

（2）定期分享

教師可引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行主題討論和創(chuàng)意思考，鼓勵(lì)他們提出自己的機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用想法，并進(jìn)行初步的設(shè)計(jì)與規(guī)劃。教師可以組織學(xué)生進(jìn)行主題討論，讓他們分享自己在學(xué)習(xí)機(jī)器學(xué)習(xí)過程中的收獲和體會(huì)。同時(shí)，教師還可以鼓勵(lì)學(xué)生提出自己的機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用想法，并進(jìn)行初步的設(shè)計(jì)和規(guī)劃。例如，有的學(xué)生會(huì)提出可以用機(jī)器學(xué)習(xí)來識(shí)別植物的種類，有的學(xué)生則會(huì)提出可以用機(jī)器學(xué)習(xí)來預(yù)測股票價(jià)格。通過這些主題討論和創(chuàng)意思考，學(xué)生們可以更好地發(fā)揮自己的創(chuàng)造力和想象力，從而提高了創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力。

結(jié)束語

“三段五步”實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為一種新型的教學(xué)模式，具有重要的參考價(jià)值。在中小學(xué)人工智能教育中，實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力、創(chuàng)新思維能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，為中小學(xué)人工智能教育模式創(chuàng)新提供強(qiáng)大動(dòng)力。因此，教師應(yīng)積極探索實(shí)驗(yàn)教學(xué)在中小學(xué)人工智能教育中的應(yīng)用，為學(xué)生提供更加豐富、有趣的學(xué)習(xí)途徑。

本文系2023年度安徽省教育信息技術(shù)研究課題“基于‘網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)’開展城鄉(xiāng)小學(xué)信息科技協(xié)同教學(xué)的路徑研究”（立項(xiàng)號(hào)為：AH2023131）的階段性研究成果。