基于真實(shí)問題驅(qū)動的初中人工智能教學(xué)實(shí)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—0031—04

從國家到地方，從學(xué)校到社會，人工智能正以前所未有的熱度催化教育的變革，人工智能因其包羅萬象的廣度及神秘莫測的深度讓信息科技課程受到了劇烈震動。本期解碼，我們將從一線的教學(xué)實(shí)踐出發(fā)，從不同視角去觀察基于問題導(dǎo)向的人工智能教育如何與不同地區(qū)學(xué)生的學(xué)習(xí)適配。

《中小學(xué)人工智能通識教育指南（2025年版）》（以下簡稱《指南》）明確初中階段人工智能教育承載了理解技術(shù)邏輯與辨析倫理風(fēng)險(xiǎn)的雙重使命。然而，現(xiàn)實(shí)教學(xué)依然存在顯著落差，當(dāng)前，初中人工智能教學(xué)的核心矛盾聚焦于兩個(gè)維度：其一，原理認(rèn)知的抽象性與學(xué)生具象思維之間的鴻溝。初中生雖具備一定的圖形化編程基礎(chǔ)，能夠通過具象的方式解決某些特定的問題，但對如機(jī)器學(xué)習(xí)中的“特征提取一模型訓(xùn)練—預(yù)測輸出”的閉環(huán)流程缺乏直觀感知，也難以從問題中對流程進(jìn)行抽象概括。其二，信息倫理教育與實(shí)踐（技術(shù)應(yīng)用）的脫節(jié)?！吨改稀芬蟪踔猩氨嫖鎏摷傩畔L(fēng)險(xiǎn)”，但傳統(tǒng)教學(xué)中的信息倫理討論常脫離技術(shù)操作場景，局限于單一、說教式的課堂形式，缺乏切身體驗(yàn)和直觀感受。學(xué)生未經(jīng)歷過相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)便被告知“人臉數(shù)據(jù)可能被盜用”，其信息社會責(zé)任意識僅停留在抽象認(rèn)知或口號層面，難以轉(zhuǎn)化為實(shí)際的辨別能力和防范行為。因此，本研究旨在通過真實(shí)問題情境驅(qū)動技術(shù)實(shí)踐，將原理認(rèn)知嵌入實(shí)踐操作，讓學(xué)生親身體驗(yàn)技術(shù)漏洞進(jìn)而自發(fā)地進(jìn)行倫理思辨。

0 “智護(hù)小管家”項(xiàng)目設(shè)計(jì)核心

在教學(xué)中，筆者以“智護(hù)小管家”校園安防項(xiàng)目為載體，采用真實(shí)問題驅(qū)動，構(gòu)建“技術(shù)實(shí)踐一倫理思辨”雙軌融合路徑，以期為破解素養(yǎng)培育的深層矛盾提供可行方案。

1.技術(shù)實(shí)踐：采用問題導(dǎo)向、階梯遞進(jìn)的任務(wù)序列

基礎(chǔ)閉環(huán)任務(wù)：“防護(hù)口罩識別”（解決生物實(shí)驗(yàn)器材柜安全準(zhǔn)入問題）。

進(jìn)階任務(wù)：“多狀態(tài)識別”（應(yīng)對實(shí)驗(yàn)室防護(hù)規(guī)范檢查需求）。

高階任務(wù)：“人臉認(rèn)證”（滿足體育器材室身份精準(zhǔn)核驗(yàn)需求）。

所有任務(wù)均源于真實(shí)校園場景，如在“多狀態(tài)識別”環(huán)節(jié)，學(xué)生通過調(diào)整Mind+中的“重復(fù)執(zhí)行”積木的參數(shù)，親身感受數(shù)據(jù)采集量對模型識別精度的影響，將抽象的“理解數(shù)據(jù)特征與算法選擇間的關(guān)系”轉(zhuǎn)化為具象的操作體驗(yàn)。

2.倫理思辨：嵌入真實(shí)技術(shù)應(yīng)用情境以滲透風(fēng)險(xiǎn)感知

當(dāng)學(xué)生完成人臉認(rèn)證系統(tǒng)搭建后，教師引導(dǎo)學(xué)生開展小組互測實(shí)驗(yàn)：嘗試通過照片或動態(tài)視頻回放等方式欺騙識別系統(tǒng)。

這一設(shè)計(jì)將“虛假信息攻擊風(fēng)險(xiǎn)”直接轉(zhuǎn)化為學(xué)生可動手操作的對抗性實(shí)驗(yàn)。在后續(xù)的課堂辯論中，學(xué)生基于系統(tǒng)被欺騙的成功率分析潛在的個(gè)人隱私泄露等后果，自然形成了對技術(shù)“雙刃劍”屬性的深刻辯證認(rèn)知。

項(xiàng)目核心點(diǎn)在于真實(shí)問題驅(qū)動與倫理風(fēng)險(xiǎn)具象體驗(yàn)的雙維深度融合： ① 以真實(shí)校園問題激發(fā)探究動機(jī)。技術(shù)學(xué)習(xí)目標(biāo)明確源于解決身邊的實(shí)際問題。 ② 將信息風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)化為可操作的“照片欺騙實(shí)驗(yàn)”。學(xué)生通過親身實(shí)踐直接感知技術(shù)漏洞，將抽象的“技術(shù)責(zé)任”具象化為對漏洞的理解與反思，有效提升了責(zé)任意識和風(fēng)險(xiǎn)防控能力。

“智護(hù)小管家”項(xiàng)目教學(xué)流程 （如圖1）

為教學(xué)切入點(diǎn)。教師首先聚焦三大現(xiàn)實(shí)困境，即生物實(shí)驗(yàn)器材柜誤開導(dǎo)致的標(biāo)本污染和安全隱患、實(shí)驗(yàn)室防護(hù)用具遺漏引發(fā)的安全事故，以及圖書館占座造成的資源浪費(fèi)。當(dāng)學(xué)生提出如“應(yīng)用人臉識別技術(shù)管理柜門鎖閉”或“利用攝像頭自動檢查護(hù)具穿戴”等初步構(gòu)想時(shí)，教師順勢賦予學(xué)生“校園人工智能工程師”的角色，并發(fā)布“智護(hù)小管家”開發(fā)挑戰(zhàn)任務(wù)。這一設(shè)計(jì)不僅旨在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，更核心的目標(biāo)在于建立“真實(shí)問題情境”與“技術(shù)解決方案”之間的深刻聯(lián)結(jié)。通過師生互動問答與沉浸式的角色扮演，教師將抽象的技術(shù)知識學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為由解決校園安全隱患的使命感所驅(qū)動的實(shí)踐過程，充分呼應(yīng)了問題驅(qū)動式學(xué)習(xí)中“做中學(xué)”的本質(zhì)。

環(huán)節(jié)二：原理具象化建構(gòu)

環(huán)節(jié)一：真實(shí)問題導(dǎo)入本環(huán)節(jié)以“校園安全痛點(diǎn)”作

為化解學(xué)生對機(jī)器學(xué)習(xí)原理的認(rèn)知障礙，教師設(shè)計(jì)了兩階遞進(jìn)的認(rèn)知支架。第一階段，通過運(yùn)行校園人臉識別門禁程序，讓學(xué)生親身體驗(yàn)無接觸通行，自然引發(fā)疑問：“計(jì)算機(jī)是如何識別我的？”第二階段，在初步討論得出“攝像頭捕捉人臉 $$ 系統(tǒng)比對數(shù)據(jù)庫”的直觀流程后，教師引導(dǎo)學(xué)生將生活化操作步驟與專業(yè)概念建立映射關(guān)系，即證件照采集對應(yīng)“數(shù)據(jù)采集”，人臉錄入系統(tǒng)對應(yīng)“模型訓(xùn)練”，閘機(jī)放行對應(yīng)“預(yù)測輸出”。當(dāng)學(xué)生能夠用“計(jì)算機(jī)像人一樣通過學(xué)習(xí)認(rèn)臉”來類比描述該過程時(shí)，教師及時(shí)提煉并明確機(jī)器學(xué)習(xí)的核心定義：“機(jī)器學(xué)習(xí)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)從大量數(shù)據(jù)中自主發(fā)現(xiàn)規(guī)律，并基于這些規(guī)律進(jìn)行預(yù)測或決策的過程?！边@種教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了從具象操作到抽象原理的升華，契合初中學(xué)生“認(rèn)知發(fā)展需具象經(jīng)驗(yàn)支撐”的特點(diǎn)，有效降低了概念理解門檻，也為后續(xù)開展更深入的機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)踐活動奠定了堅(jiān)實(shí)的思維基礎(chǔ)。

環(huán)節(jié)三：真實(shí)問題導(dǎo)向的技術(shù)實(shí)踐

活動1：防護(hù)口罩識別的閉環(huán)驗(yàn)證

學(xué)生基于生物實(shí)驗(yàn)器材柜安全場景，用Mind+搭建基礎(chǔ)識別系統(tǒng)。教師通過具象化操作流程引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)；學(xué)生從積木庫中依次拖拽“圖像分類”“模型訓(xùn)練”“結(jié)果輸出”模塊，按機(jī)器學(xué)習(xí)流程進(jìn)行搭建。在調(diào)整“閾值參數(shù)”使程序能準(zhǔn)確區(qū)分戴防護(hù)口罩與無遮擋狀態(tài)的過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)：模型需充足的正負(fù)樣本（如各準(zhǔn)備約20張戴防護(hù)口罩與未戴防護(hù)口罩的圖片）才能穩(wěn)定工作。這一過程成功將抽象的“掌握機(jī)器學(xué)習(xí)流程”知識，轉(zhuǎn)化為學(xué)生可感知的具體操作經(jīng)驗(yàn)。

活動2：多狀態(tài)識別的數(shù)據(jù)深化

在進(jìn)階的實(shí)驗(yàn)室場景中，識別任務(wù)擴(kuò)展為區(qū)分三種狀態(tài)（規(guī)范佩戴、部分佩戴、未佩戴護(hù)目鏡）。學(xué)生實(shí)踐發(fā)現(xiàn)：若僅簡單增加標(biāo)簽類別，模型識別易出現(xiàn)混亂。教師引導(dǎo)學(xué)生回顧活動一的經(jīng)驗(yàn)，并重點(diǎn)對比分析了新增的“重復(fù)執(zhí)行”模塊——該模塊的循環(huán)次數(shù)參數(shù)直接決定了樣本數(shù)據(jù)的采集量。學(xué)生通過分別采集同一實(shí)驗(yàn)對象在三種狀態(tài)下（規(guī)范佩戴、部分佩戴、未佩戴）的10張、20張、30張圖像進(jìn)行模型訓(xùn)練，記錄了準(zhǔn)確率變化曲線，直觀驗(yàn)證“數(shù)據(jù)量決定AI性能”這一核心原理。此環(huán)節(jié)有效突破了“遷移應(yīng)用”的教學(xué)難點(diǎn)，強(qiáng)化了學(xué)生在工程實(shí)踐中對“數(shù)據(jù)驅(qū)動”理念的理解和參數(shù)調(diào)優(yōu)的意識。

活動3：人臉認(rèn)證的算法迭代

在模擬體育器材室身份核驗(yàn)的真實(shí)應(yīng)用場景中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)前期使用的KNN分類積木在區(qū)分面容相似個(gè)體時(shí)存在明顯的局限性。教師適時(shí)引人FaceAPI積木（如圖2），將其形象地比喻為“賦予計(jì)算機(jī)深度視覺能力，可精準(zhǔn)測量眼距、鼻梁角度等生物特征”。通過這一系統(tǒng)升級實(shí)踐，學(xué)生親身體驗(yàn)了人工智能算法的演進(jìn)路徑：從基于簡單特征匹配的基礎(chǔ)分類器（KNN），躍遷至基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特征提取與比對（FaceAPI）。隨后，教師組織學(xué)生開展對抗性測試：以小組互測形式，嘗試使用手機(jī)屏幕顯示的靜態(tài)照片進(jìn)行系統(tǒng)欺騙實(shí)驗(yàn)。當(dāng)某小組成功演示“利用自拍照繞過門禁驗(yàn)證”時(shí)，技術(shù)應(yīng)用中的可靠性風(fēng)險(xiǎn)與潛在漏洞直觀呈現(xiàn)，自然引發(fā)了學(xué)生對生物識別技術(shù)安全性的深度思考和熱烈討論，為后續(xù)技術(shù)倫理的思辨環(huán)節(jié)奠定了實(shí)踐基礎(chǔ)。

環(huán)節(jié)四：技術(shù)倫理的思辨升維

緊承對抗性測試環(huán)節(jié)暴露的系統(tǒng)脆弱性，教師引導(dǎo)學(xué)生轉(zhuǎn)換身份，以“技術(shù)開發(fā)者”的視角進(jìn)行深度反思：“如果黑客盜取人臉數(shù)據(jù)庫，將會引發(fā)什么樣的連鎖風(fēng)險(xiǎn)？”各小組經(jīng)過討論，列舉出潛在危害：隱私侵犯與濫用風(fēng)險(xiǎn)（如利用照片進(jìn)行虛擬身份詐騙、偽造視頻）、算法偏見與歧視風(fēng)險(xiǎn)（如因膚色、年齡等因素導(dǎo)致的驗(yàn)證失敗或誤判）、數(shù)據(jù)失控與商業(yè)濫用風(fēng)險(xiǎn)（如未經(jīng)授權(quán)的用戶畫像構(gòu)建、精準(zhǔn)營銷）等。在討論中，學(xué)生質(zhì)疑數(shù)據(jù)收集的合法性：“學(xué)校是否有權(quán)收集人臉數(shù)據(jù)？”教師適時(shí)引入《中華人民共和國個(gè)人信息保護(hù)法》的核心條款（特別是“最小必要原則”），明確界定合法合規(guī)收集處理生物識別信息的邊界。最終，師生共同擬定并簽署“科技向善開發(fā)者責(zé)任宣言”，學(xué)生承諾在其設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中主動嵌入數(shù)據(jù)加密模塊，并規(guī)范張貼清晰明了的“生物識別信息收集與使用告知書”。這一由技術(shù)漏洞反思到法律認(rèn)知構(gòu)建，再到責(zé)任行為承諾的完整過程，將抽象的信息安全價(jià)值觀內(nèi)化為具體的信息社會責(zé)任，有效促成了學(xué)生從單純的技術(shù)使用者向具備社會責(zé)任感的數(shù)字公民和開發(fā)者角色的實(shí)質(zhì)性轉(zhuǎn)變.

結(jié)束語

“智護(hù)小管家”項(xiàng)目的核心價(jià)值不僅在于實(shí)證了真實(shí)問題情境對抽象原理內(nèi)化的顯著促進(jìn)作用，更在于探索了一條可操作的信息科技核心素養(yǎng)培育實(shí)踐路徑：在問題情境層面，校園安防的真實(shí)需求為技術(shù)實(shí)踐提供了持續(xù)內(nèi)驅(qū)力，將抽象的人工智能原理學(xué)習(xí)具象化為解決實(shí)際問題的方案設(shè)計(jì)與迭代過程；

在倫理內(nèi)化層面，通過“漏洞攻防實(shí)驗(yàn)”等具體體驗(yàn)，將技術(shù)倫理的抽象風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)化為可感知、可驗(yàn)證的系統(tǒng)缺陷，使“責(zé)任擔(dān)當(dāng)”這一素養(yǎng)目標(biāo)根植于技術(shù)實(shí)踐王壤；在素養(yǎng)整合層面，項(xiàng)目驅(qū)動的學(xué)習(xí)過程自然形成了“認(rèn)知深化（原理）—能力進(jìn)階 （實(shí)踐）—責(zé)任覺醒（倫理）\"的螺旋上升結(jié)構(gòu)，高度契合核心素養(yǎng)培育的漸進(jìn)性與整合性規(guī)律。展望未來，可進(jìn)一步拓寬真實(shí)應(yīng)用場景的深度與廣度，如在校園食堂管理中引入剩食識別模型以倡導(dǎo)節(jié)約，或在教室智能節(jié)能系統(tǒng)中集成人體感應(yīng)算法以踐行環(huán)保，深度推進(jìn)科學(xué)（S）技術(shù)（T）工程（E）倫理（E）的跨學(xué)科融合創(chuàng)新（STEM+E）。只有讓學(xué)生既理解算法如何運(yùn)行，又深知技術(shù)為何向善，人工智能教育方能抵達(dá)育人的本質(zhì)。

參考文獻(xiàn)：

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