依托智能平臺開展信息科技人機(jī)互動教學(xué)的實踐研究

中圖分類號：G434文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A論文編號：1674—2117（2025）13—0084-04

引言

隨著《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）的頒布，中小學(xué)信息科技教育被賦予了培養(yǎng)數(shù)字素養(yǎng)、計算思維與創(chuàng)新能力的核心使命，并強(qiáng)調(diào)以真實問題為導(dǎo)向的實踐性學(xué)習(xí)，要求教學(xué)從工具操作轉(zhuǎn)向思維發(fā)展，從知識灌輸轉(zhuǎn)向能力建構(gòu)。然而，當(dāng)前的中小學(xué)信息科技課程仍普遍面臨“知行割裂”的困境：傳統(tǒng)課堂以教師為中心的單向知識傳遞模式難以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)主動性，實踐環(huán)節(jié)受限于硬件設(shè)施、師資水平及標(biāo)準(zhǔn)化評價體系，導(dǎo)致學(xué)生難以將抽象概念轉(zhuǎn)化為問題解決能力。2

人機(jī)互動（Human-ComputerInteraction，HCI）技術(shù)為破解上述難題提供了新路徑。研究表明，人機(jī)交互可通過即時反饋、情境模擬與自適應(yīng)學(xué)習(xí)增強(qiáng)學(xué)生的參與深度。β因此，本研究以區(qū)域青少年人工智能教育平臺（以下簡稱“平臺\"）為實踐載體，通過整合人工智能算法引擎、云計算資源與跨校協(xié)同工具，構(gòu)建涵蓋編程開發(fā)、數(shù)據(jù)建模、智能硬件控制等多元場景的互動教學(xué)體系，以期揭示人機(jī)互動教學(xué)對信息科技核心素養(yǎng)培養(yǎng)的作用機(jī)制，也為教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型背景下區(qū)域性教學(xué)改革提供實證參考。

人機(jī)互動的理論框架與設(shè)計模型

1.人機(jī)互動在信息科技教育中的特點① 即時反饋：人機(jī)互動中的即時反饋機(jī)制通過實時數(shù)據(jù)捕捉與分析、錯誤提示和可視化，為學(xué)生提供了精準(zhǔn)的學(xué)習(xí)診斷與干預(yù)，能幫助學(xué)生快速修正認(rèn)知偏差。

② 情境沉浸：通過虛擬仿真與生成式人工智能技術(shù)，構(gòu)建了高度情境化的實踐場域，有效彌合了信息科技課程中理論知識與現(xiàn)實應(yīng)用的鴻溝。

③ 協(xié)作增強(qiáng)：智能平臺支持的協(xié)作增強(qiáng)機(jī)制重構(gòu)了信息科技課堂中的互動關(guān)系，推動師生、生生及人機(jī)三方協(xié)同的知識建構(gòu)。

2.人機(jī)互動在信息科技教育中的三層次模型

方海光等提出了人機(jī)協(xié)同教育的運作流程，即先要明確彼此狀態(tài)，再是設(shè)定共同目標(biāo)，然后是執(zhí)行各自任務(wù)。在此過程中，數(shù)據(jù)流通過控制、傳輸、交互和行動等環(huán)節(jié)形成良性循環(huán)。在該理論的基礎(chǔ)上，筆者從實踐案例中提煉了人機(jī)互動設(shè)計的“三層次模型”。

① 基礎(chǔ)層（操作交互）：本層聚焦人機(jī)狀態(tài)校準(zhǔn)與低階任務(wù)協(xié)同，通過直觀的圖形化界面，如拖拽編程、語音指令等構(gòu)建操作閉環(huán)。在此階段，機(jī)器承擔(dān)控制層引導(dǎo)者角色，提供實時反饋與容錯提示，而學(xué)生通過重復(fù)性交互熟悉數(shù)字工具的基礎(chǔ)規(guī)則，完成數(shù)據(jù)輸入/輸出、硬件模塊連接等操作。該層的目標(biāo)在于初步建立人機(jī)協(xié)作，同時，在基本操作中培養(yǎng)學(xué)生的信息意識與社會責(zé)任?；A(chǔ)層為高階互動積累原始行為數(shù)據(jù)，奠定技能遷移的認(rèn)知基座。

② 進(jìn)階層（邏輯交互）：本層側(cè)重動態(tài)協(xié)商與邏輯流協(xié)同優(yōu)化。在該層中，學(xué)生需解析問題本質(zhì)，將抽象目標(biāo)拆解為條件判斷、循環(huán)結(jié)構(gòu)等可編程單元，機(jī)器則通過調(diào)試環(huán)境可視化，如變量熱力圖、錯誤追蹤樹等輔助邏輯驗證，形成“假設(shè)一驗證一迭代”的認(rèn)知強(qiáng)化回路在這一階段，人機(jī)分工更趨向于互補，人主導(dǎo)框架設(shè)計，機(jī)器優(yōu)化執(zhí)行路徑。培育核心在于計算思維，即通過邏輯建模將復(fù)雜問題轉(zhuǎn)化為可擴(kuò)展的技術(shù)解決方案，為創(chuàng)新層提供結(jié)構(gòu)化思維范式。

③ 創(chuàng)新層（創(chuàng)意交互）：本層實現(xiàn)任務(wù)自主共生與價值共創(chuàng)，通過智能的“行動一反饋”機(jī)制實現(xiàn)自組織循環(huán)。學(xué)生突破工具預(yù)設(shè)邊界，運用生成式人工智能、跨媒體技術(shù)重構(gòu)問題空間，機(jī)器基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)動態(tài)適配創(chuàng)意需求，從簡單的“任務(wù)執(zhí)行者”演變?yōu)閺?fù)雜的“創(chuàng)意協(xié)作者”。育人焦點轉(zhuǎn)向數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力，尤其是元創(chuàng)新力培養(yǎng)，包括技術(shù)批判意識、跨域知識遷移及開放式問題解決策略。該層也標(biāo)志著人機(jī)關(guān)系從“主從控制”邁向“雙向賦能”，驅(qū)動教育范式向創(chuàng)造性認(rèn)知生態(tài)進(jìn)化。

人機(jī)互動提升教學(xué)效率的孩心機(jī)制

1.認(rèn)知負(fù)荷優(yōu)化

在信息科技課程中，人機(jī)互動通過分層任務(wù)設(shè)計與多模態(tài)支持，能有效降低學(xué)生在編程、算法等復(fù)雜領(lǐng)域的學(xué)習(xí)門檻。針對青少年認(rèn)知發(fā)展特點，平臺將抽象的技術(shù)概念拆解為循序漸進(jìn)的子任務(wù)，通過圖形化編程界面和動態(tài)流程圖演示，將邏輯思維過程具象化。

2.學(xué)習(xí)動機(jī)激發(fā)

基于青少年心理特征，平臺將編程訓(xùn)練、數(shù)據(jù)處理等任務(wù)轉(zhuǎn)化為闖關(guān)挑戰(zhàn)或項目式探索，通過積分累計、成就徽章解鎖等激勵機(jī)制，將技術(shù)學(xué)習(xí)與目標(biāo)達(dá)成緊密關(guān)聯(lián)。在學(xué)生完成可視化任務(wù)后，平臺能即時生成交互式圖表并分享至班級社區(qū)，讓學(xué)生獲得同伴認(rèn)可與教師評價，形成正向強(qiáng)化循環(huán)。通過實時進(jìn)度追蹤與個性化目標(biāo)設(shè)定功能，諸如每日任務(wù)打卡、階段性技能圖譜更新，可以進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的自主管理意識，逐步培養(yǎng)其面對技術(shù)問題的持續(xù)探究意愿。

3.創(chuàng)新能力孵化

通過集成生成式工具與低代碼開發(fā)環(huán)境，學(xué)生可跨越技術(shù)壁壘，直接參與人工智能模型訓(xùn)練、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備控制等前沿領(lǐng)域?qū)嵺`。在課堂中，學(xué)生利用生成式人工智能的風(fēng)格遷移工具將藝術(shù)創(chuàng)作與圖像處理技術(shù)結(jié)合，或通過自然語言交互設(shè)計簡易聊天機(jī)器人，并在此過程中理解算法原理，發(fā)展跨學(xué)科創(chuàng)新能力。

基于平臺的實踐案例

1.數(shù)據(jù)編碼教學(xué)：從抽象符號到具象操作

在基礎(chǔ)教育階段，數(shù)據(jù)編碼涉及二進(jìn)制轉(zhuǎn)換、字符映射等抽象概念，傳統(tǒng)教學(xué)常因缺乏直觀操作場景導(dǎo)致學(xué)生認(rèn)知斷層。平臺通過虛擬編碼實驗室的設(shè)計，將抽象符號轉(zhuǎn)化為可交互對象，學(xué)生通過拖拽二進(jìn)制模塊完成字符編碼任務(wù)，系統(tǒng)即時反饋編碼結(jié)果占用情況。此類交互屬于操作交互和邏輯交互，遵循了最小認(rèn)知負(fù)荷原則，通過界面簡化與動態(tài)可視化降低學(xué)習(xí)門檻，使學(xué)生在“做中學(xué)”中逐步構(gòu)建編碼邏輯的底層框架。

認(rèn)知負(fù)荷優(yōu)化機(jī)制在此過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用。基于雙通道編碼理論，二進(jìn)制動畫演示、語音解釋的多模態(tài)信息呈現(xiàn)，將視覺與聽覺信息協(xié)同整合，減少外在認(rèn)知負(fù)荷。而在學(xué)習(xí)中，教師可以采用分步引導(dǎo)策略，先讓學(xué)生掌握ASCII碼基礎(chǔ)規(guī)則，再拓展至Unicode編碼，利用任務(wù)分解降低學(xué)習(xí)難度。課后測試顯示，學(xué)生對ASCII碼原理的理解準(zhǔn)確率從 58% 提升至 89% ，實踐任務(wù)完成率提高 32% ，此外，平臺內(nèi)置的即時糾錯功能通過實時反饋縮短錯誤修正周期，有效避免錯誤認(rèn)知的固化。

從信息科技的素養(yǎng)目標(biāo)來看，數(shù)據(jù)編碼的教學(xué)實踐不僅達(dá)成了技術(shù)技能習(xí)得，更培養(yǎng)了學(xué)生的信息意識與計算思維。在編碼實驗中，學(xué)生通過調(diào)試不同編碼方案理解數(shù)據(jù)壓縮原理，經(jīng)歷了“問題分解一抽象建模一算法設(shè)計”的思維循環(huán)，從具象操作到抽象思維的學(xué)習(xí)過程，也契合了信息科技課程“科”與“技”并重的學(xué)科內(nèi)涵。

2.分支結(jié)構(gòu)教學(xué)：從靜態(tài)圖示 到動態(tài)調(diào)試

分支結(jié)構(gòu)作為算法控制的核心要素，其教學(xué)難點在于如何將條件判斷的邏輯過程轉(zhuǎn)化為計算機(jī)可執(zhí)行的模型，即程序語言。在《分支結(jié)構(gòu)》和《多分支結(jié)構(gòu)》兩課中，教師可利用平臺的圖形化編程界面與實時模擬系統(tǒng)，讓學(xué)生設(shè)計算法、編寫程序、調(diào)試程序、優(yōu)化程序。例如，學(xué)生在設(shè)計“智能澆水系統(tǒng)”程序時，能動態(tài)調(diào)整土壤濕度閾值并觀察條件觸發(fā)的連鎖反應(yīng)，從而深度理解if-else結(jié)構(gòu)的執(zhí)行機(jī)制。

此類設(shè)計凸顯了邏輯交互的雙重價值。一是可視化調(diào)試工具將程序運行過程外顯化，幫助學(xué)生建立從軟件程序到硬件行為的映射關(guān)系；二是程序提示系統(tǒng)通過過程輸出排查語句錯誤，引導(dǎo)學(xué)生從結(jié)果修正轉(zhuǎn)向過程反思。在教學(xué)中筆者發(fā)現(xiàn)，學(xué)生代碼調(diào)試時間縮短40% ，復(fù)雜邏輯錯誤率下降 25%

人機(jī)互動通過進(jìn)階層的邏輯交互推動編程教學(xué)從知識傳遞向思維訓(xùn)練轉(zhuǎn)型，其更深層的教育意義在于促進(jìn)了元認(rèn)知能力的發(fā)展。學(xué)生在調(diào)試過程中需不斷評估預(yù)設(shè)條件與實際輸出的偏差，進(jìn)而調(diào)整算法設(shè)計策略。這種思維模式不僅適用于算法學(xué)習(xí)，更為解決復(fù)雜現(xiàn)實問題提供了方法論基礎(chǔ)。

3.在線協(xié)同教學(xué)：從單向傳遞到多維協(xié)作

《在線協(xié)同》一課的教學(xué)特點在于突破時空限制，構(gòu)建了“人一機(jī)一人”三元互動網(wǎng)絡(luò)。教師以“校園義賣策劃”項目引入，借助平臺的云端協(xié)同編輯功能，使學(xué)生能夠同步編輯文檔、實時查看他人修改痕跡，并通過沖突標(biāo)記系統(tǒng)協(xié)商解決方案。此類教學(xué)屬于進(jìn)階層與創(chuàng)新層的交叉，其中的多維協(xié)作模式可以提升學(xué)生學(xué)習(xí)效率，也能培養(yǎng)他們作為數(shù)字公民的協(xié)作能力。

同時，協(xié)作增強(qiáng)機(jī)制重構(gòu)了信息科技課堂的社會化學(xué)習(xí)生態(tài)，當(dāng)學(xué)生在文檔中因商品定價策略問題而產(chǎn)生分歧時，平臺提供的版本對比與評論批注功能，促使他們通過數(shù)據(jù)或推演達(dá)成共識。在課堂觀察中筆者發(fā)現(xiàn)，學(xué)生利用交互平臺進(jìn)行學(xué)習(xí)，協(xié)作任務(wù)平均耗時減少35% ，學(xué)生沖突解決策略掌握率提升至 82‰ 此外，平臺記錄的貢獻(xiàn)度分布、互動頻率等協(xié)作行為數(shù)據(jù)，也為評估團(tuán)隊協(xié)作效能提供了量化評估依據(jù)，為課程的教學(xué)評價提供了過程性追蹤。

4.智能創(chuàng)意教學(xué)：從被動模仿到主動創(chuàng)造

平臺中的生成式人工智能工具使學(xué)生無需精通底層算法也可參與高階創(chuàng)意實踐。以《智能創(chuàng)意》一課為例，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中可以使用圖像風(fēng)格遷移，通過調(diào)整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重參數(shù)，將日常照片轉(zhuǎn)化為具有藝術(shù)風(fēng)格的作品。在此過程中，生成式人工智能工具承擔(dān)了腳手架功能，使學(xué)生能專注于構(gòu)圖、色彩搭配等美學(xué)決策，實現(xiàn)了技術(shù)能力與人文素養(yǎng)的協(xié)同發(fā)展。

在“三層次模型”中，創(chuàng)意交互定義了技術(shù)教育的創(chuàng)造力培養(yǎng)范式，其核心價值在于實現(xiàn)技術(shù)與創(chuàng)意的良性循環(huán)。例如，在開放式的交互環(huán)境中，學(xué)生可通過反復(fù)優(yōu)化提示詞探索語言模型的表現(xiàn)邊界，這種不斷試錯、反復(fù)迭代的學(xué)習(xí)機(jī)制符合信息科技教育教學(xué)的核心理念，將創(chuàng)新過程轉(zhuǎn)化為螺旋上升的探索路徑。

同時，學(xué)生在學(xué)習(xí)智能創(chuàng)意的過程中，也能夠認(rèn)識到技術(shù)倫理問題。例如，需要批判性反思人工智能創(chuàng)作的權(quán)利歸屬、風(fēng)格抄襲等問題。在課堂中，當(dāng)學(xué)生討論“AI畫作是否具有藝術(shù)價值”的問題時，平臺提供的版權(quán)信息追溯功能，引導(dǎo)學(xué)生更加辯證地看待智能技術(shù)。

總結(jié)與反思

人機(jī)互動通過操作交互、邏輯交互與創(chuàng)意交互的三層遞進(jìn)模型，系統(tǒng)性重塑了信息科技課程的教學(xué)范式。然而，在取得顯著成效的同時，教師仍需以批判性視角審視實踐中的技術(shù)應(yīng)用困境，并探索面向教育本質(zhì)的優(yōu)化路徑。

1.面臨的挑戰(zhàn)

一是技術(shù)黑箱化與認(rèn)知斷層的矛盾。人機(jī)互動教學(xué)的核心困境源于技術(shù)復(fù)雜性與教育可解釋性之間的失衡。以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的高級算法模塊，其內(nèi)部特征提取、反向傳播等過程缺乏可視化呈現(xiàn)，導(dǎo)致學(xué)生陷入“按鈕式操作”的認(rèn)知淺層化陷阱，使得技術(shù)應(yīng)用異化為“知其然而不知其所以然”的機(jī)械流程。

二是權(quán)限壁壘與教育公平的沖突。多數(shù)平臺的用戶準(zhǔn)入機(jī)制存在顯著設(shè)計缺陷，權(quán)限架構(gòu)的VIP功能與基礎(chǔ)模塊的割裂破壞了學(xué)習(xí)連貫性，而煩瑣的流程將導(dǎo)致部分用戶在初始階段即流失。[]

三是工具依賴與主體性消解的悖論。過度強(qiáng)調(diào)人機(jī)協(xié)同的效率優(yōu)勢可能引發(fā)教育主體性的隱性流失，有教師反映學(xué)生問題探究的自主性下降，不會對機(jī)器生成的回答進(jìn)行主動思考。這一現(xiàn)象值得信息科技教師重點關(guān)注，不能讓學(xué)習(xí)活動中的知識傳遞簡化為單向存儲行為，抑制批判性思維與創(chuàng)造性張力的生長。

2.改進(jìn)路徑

① 構(gòu)建可視化認(rèn)知交互體系。破解黑箱困境需從技術(shù)可解釋性與教學(xué)適切性雙重維度切入。一方面可以借鑒局部可解釋模型的技術(shù)，開發(fā)特征熱力圖模塊，如在圖像識別教學(xué)中，可通過色塊透明度映射卷積核激活區(qū)域，使抽象特征提取具象化為可理解的視覺語言。另一方面，可以按照新課標(biāo)提出的“場景分析—原理認(rèn)知—應(yīng)用遷移”這一教學(xué)建議，以科學(xué)原理指導(dǎo)實踐應(yīng)用，關(guān)注現(xiàn)象的機(jī)理和科學(xué)原理的理解。

② 重構(gòu)普惠性服務(wù)供給模式。建議區(qū)域統(tǒng)籌構(gòu)建服務(wù)架構(gòu)，如：對接國家中小學(xué)智慧教育平臺賬號體系，實現(xiàn)單點登錄與資源共享；免費開放數(shù)據(jù)分析、編程調(diào)試等教學(xué)必需功能，實現(xiàn)跨區(qū)域的功能互通。

③ 發(fā)掘主體性增強(qiáng)的創(chuàng)新活動。以學(xué)生為主體開展學(xué)習(xí)創(chuàng)新活動，積極拓展跨學(xué)科互動場景，通過整合人工智能寫作、3D建模等工具，構(gòu)建支持STEAM項目實踐的綜合性平臺，從而促進(jìn)學(xué)科融合，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與實踐能力。

參考文獻(xiàn)：

[1中華人民共和國教育部.義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

[2]黃偉.初中信息科技教學(xué)面臨的困境及改進(jìn)策略[J].中小學(xué)電教（教學(xué)），2024（02）：16-18.

[HeczgftaleeactioefucaiJ

[4]方海光，孔新梅，洪心，等.人機(jī)協(xié)同教育的發(fā)展演變、系統(tǒng)運作和結(jié)構(gòu)類型[J].現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育研究，2024，36（04）：31-37+48.

[5]Mayer.R.E.MultimediaLearning[M].Cambridge：CambridgeUhiversityPress，2001.

[]教育部教育信息化戰(zhàn)略研究基地（華中）.中國教育信息化發(fā)展報告Z].北京：教育科學(xué)出版社，2024.