楊海娟

【摘 要】本文以“圖像識別：AI助力垃圾分類”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)模式通過創(chuàng)設(shè)情境、自主學(xué)習(xí)、合作探究和分享交流四個環(huán)節(jié)，提升學(xué)生的問題解決能力，培養(yǎng)學(xué)生的合作意識與合作能力，幫助學(xué)生樹立終身學(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

【中圖分類號】G434? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【論文編號】1671-7384（2023）08-054-03

人工智能是研究和開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)學(xué)科[1]，作為引領(lǐng)未來社會發(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)中實施人工智能教學(xué)已勢在必行，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)，是一線教師急需探討的問題。ICS教學(xué)模式是筆者在長期的教學(xué)實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、實踐為中心；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)生能積極主動地分享交流學(xué)習(xí)成果；解決學(xué)生積極性不高，解決問題能力不足，學(xué)習(xí)氛圍不濃，學(xué)習(xí)習(xí)慣不佳等問題。ICS教學(xué)模式真正實現(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，力爭使每一位學(xué)生都能成為信息時代的合格數(shù)字公民。

ICS教學(xué)模式特征

ICS教學(xué)模式強調(diào)創(chuàng)設(shè)主線式情境，它是以某一具體人物、某一話題、一段故事或真實問題作為主線，貫穿整節(jié)課的教學(xué)，通過“一條主線”，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)知識和基本內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)存在的難點。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)打下堅實的基礎(chǔ)。合作探究是以小組為單位，教師作為課堂的組織者，利用各種動態(tài)因素，促進(jìn)學(xué)生合作探究，解決課程的重點和學(xué)生存在的難點，以集體作為評價出發(fā)點，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，就是把知識傳授給他人或者馬上應(yīng)用。

ICS教學(xué)模式有四個基本特征：情境性、自主性、合作性和分享性。應(yīng)用ICS教學(xué)模式實施人工智能教學(xué)（圖1），可以提升學(xué)生的問題解決能力，培養(yǎng)學(xué)生的合作意識與合作能力，幫助學(xué)生樹立終身學(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）》，明確了九年級的教學(xué)內(nèi)容為“人工智能與智慧社會”模塊。新課標(biāo)強調(diào)信息科技課程的教學(xué)要以落實立德樹人根本任務(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、技能和經(jīng)驗為起點，遵循學(xué)生學(xué)習(xí)規(guī)律，系統(tǒng)設(shè)計學(xué)習(xí)活動，突出用信息科技解決學(xué)習(xí)、生活中的問題，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)展的成長環(huán)境。

ICS教學(xué)模式實踐

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》要求通過分析典型案例，對比計算機傳統(tǒng)方法和人工智能方法處理同類問題的效果?！皥D像識別：AI助力垃圾分類”一課將人類垃圾分類的過程和機器垃圾分類的過程進(jìn)行類比，揭示人工智能圖像識別技術(shù)的基本原理。

1.創(chuàng)設(shè)情境，提出實際問題

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)生多少噸生活垃圾？如此巨大的垃圾量需要耗費大量的時間和精力進(jìn)行分類，有時還不一定準(zhǔn)確，如何利用人工智能的圖像識別技術(shù)提升垃圾分類的效率和準(zhǔn)確性呢？

近年來隨著人工智能、計算機視覺技術(shù)的迅猛發(fā)展，圖像識別作為深度學(xué)習(xí)技術(shù)的重要應(yīng)用之一，受到越來越多的關(guān)注[3]。在北歐、美國、日本等地，關(guān)于垃圾分類的知識普及和行為養(yǎng)成從中小學(xué)階段就開始進(jìn)行。我國城市垃圾強制分類在2019年才開始正式推行，垃圾分類的相關(guān)知識還在普及階段[4]。本課引入現(xiàn)實生活中的垃圾分類問題，激發(fā)學(xué)生的興趣，引導(dǎo)學(xué)生思考如何運用人工智能技術(shù)解決實際問題，同時強調(diào)環(huán)境保護和資源回收的重要性。

2.自主學(xué)習(xí)，初識圖像識別

教師分別展示紅蘋果、青蘋果、切開的蘋果和已經(jīng)腐爛的蘋果，指出人能夠輕而易舉地判斷出這些都是蘋果，但機器面對不一樣的蘋果照片，它是如何進(jìn)行判斷的呢？人工智能機器也和人一樣，需要學(xué)習(xí)才能擁有智能。人能夠認(rèn)識各種垃圾并進(jìn)行合理的分類，是因為人在長期的生活中，認(rèn)識這些垃圾，并且知道它是屬于什么類型的垃圾。同樣，機器想要識別垃圾的類型，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)驗出發(fā)，自主學(xué)習(xí)總結(jié)人類垃圾分類的過程，把人類識別垃圾的過程與機器垃圾分類的過程進(jìn)行類比。人對垃圾分類的過程是：看到垃圾→利用經(jīng)驗知識思考判斷垃圾類型→投到對應(yīng)的垃圾桶中。機器對垃圾分類的過程是：攝像頭拍攝→利用圖像識別技術(shù)判斷垃圾類型→放進(jìn)對應(yīng)的垃圾箱。

3.合作探究，完善識別程序

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

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)庫比對。學(xué)生將提取到的特征與預(yù)先構(gòu)建的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對，找到與待識別圖像最相似的圖像或類別。第四步：根據(jù)特征匹配的結(jié)果，對待識別圖像進(jìn)行分類。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)果通過圖像界面、文本輸出或其他形式呈現(xiàn)出來。

通過小組合作的方式，學(xué)生在合作中相互學(xué)習(xí)、交流與合作，共同完善“圖像識別：AI助力垃圾分類”程序，團隊合作能力和問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)生的合作探究過程能夠有條不紊地進(jìn)行。

4.分享交流，展示設(shè)計成果

每個小組向全班展示他們設(shè)計的“圖像識別：AI助力垃圾分類”程序，分享他們的設(shè)計思路、算法流程和實際效果，并進(jìn)行比較和討論。在交流展示環(huán)節(jié)中，學(xué)生評估、質(zhì)疑和點評其他小組的設(shè)計，從中獲得新的觀點和啟發(fā)，開闊視野。

通過交流展示，學(xué)生有機會展示和分享他們的學(xué)習(xí)成果，加強了對圖像識別中不同垃圾分類系統(tǒng)的理解和應(yīng)用，并從他人的展示中獲得新的知識和經(jīng)驗。

ICS教學(xué)模式應(yīng)用效果

1.提升學(xué)生問題解決能力

《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，以真實問題或項目驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷原理運用過程、計算思維過程和數(shù)字化工具應(yīng)用過程，建構(gòu)知識，提升問題解決能力。注重創(chuàng)設(shè)真實情境，引入多元化數(shù)字資源，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度?！盜CS教學(xué)模式以某一真實情境貫穿課堂，以解決問題為目標(biāo)，通過界定問題，抽象問題特征，建立結(jié)構(gòu)模型，形成利用數(shù)字化工具解決問題的方案等過程，提升學(xué)生的問題解決能力。

2.培養(yǎng)學(xué)生的合作意識與合作能力

人類面臨的問題越來越復(fù)雜，要解決這些問題，光靠個人力量已很難實現(xiàn)。因此，教育必須重視培養(yǎng)學(xué)生的合作意識與合作能力，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)展需要每一個成員的努力，因此，每一位學(xué)生都要養(yǎng)成良好的團隊合作精神和集體協(xié)作意識。學(xué)生經(jīng)過長期的學(xué)習(xí)實踐，合作意識和合作能力變得越來越強。

3.幫助學(xué)生樹立終身學(xué)習(xí)的理念

幫助學(xué)生樹立終身學(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)生的合作意識與能力，通過分享交流環(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)展打下堅實基礎(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，能更好地滿足學(xué)生個性化的學(xué)習(xí)需求，使學(xué)生成為課堂的主體，在解決真實問題的過程中學(xué)會解決問題的方法，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)知識和基本技能的基礎(chǔ)上，學(xué)會學(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劃重點項目“基于ICS教學(xué)理念的中小學(xué)人工智能課程實踐研究”（課題批準(zhǔn)號：2022ZQJK062）的研究成果

參考文獻(xiàn)

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.

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編? ?輯：馮艷艷