目前，小學(xué)階段的人工智能（AI）教育通常聚焦于基礎(chǔ)知識(shí)，如發(fā)展歷史和基礎(chǔ)機(jī)器學(xué)習(xí)原理，學(xué)生難以將這些理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題解決。為了滿足未來(lái)社會(huì)的需求，教師需要變革傳統(tǒng)教學(xué)模式，將實(shí)驗(yàn)教學(xué)融入課程設(shè)計(jì)，通過(guò)實(shí)際操作豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和增強(qiáng)其實(shí)踐能力。

成果導(dǎo)向教育（OBE）強(qiáng)調(diào)以學(xué)習(xí)成果為核心，通過(guò)逆向設(shè)計(jì)課程體系，將理論與實(shí)踐相結(jié)合，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。然而，現(xiàn)有研究對(duì)OBE理念在小學(xué)人工智能教育中的具體應(yīng)用探討較少。本研究旨在填補(bǔ)這一空白，探索基于OBE理念的小學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

一、小學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）中明確指出，“人工智能”是義務(wù)教育階段信息科技學(xué)科的邏輯主線之一，這一定位凸顯了人工智能在課程中的核心地位。然而，如何將人工智能教育有效地落實(shí)到課堂上，是一線教師面臨的重大挑戰(zhàn)。以下是當(dāng)前人工智能教學(xué)中主要存在的問(wèn)題：

（一）課程目標(biāo)設(shè)計(jì)不完善

在人工智能教學(xué)中，課程目標(biāo)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。由于缺乏相應(yīng)的AI學(xué)習(xí)工具，課程目標(biāo)往往與實(shí)際問(wèn)題脫節(jié)，缺乏明確性和針對(duì)性。此外，人工智能領(lǐng)域的快速發(fā)展使課程目標(biāo)難以及時(shí)更新，無(wú)法反映最新的技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)需求。這導(dǎo)致學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目時(shí)，難以獲得與現(xiàn)實(shí)世界相關(guān)聯(lián)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

（二）實(shí)踐項(xiàng)目開(kāi)發(fā)有待優(yōu)化

小學(xué)生由于認(rèn)知水平有限，難以理解AI的底層數(shù)學(xué)原理層面。因此，當(dāng)前的人工智能教學(xué)方式往往僅停留在介紹AI發(fā)展史、專(zhuān)家系統(tǒng)、知識(shí)圖譜和部分機(jī)器學(xué)習(xí)原理層面，這種單純依賴講授的方式導(dǎo)致學(xué)生只是“知道”人工智能的理論，而不知道如何應(yīng)用這些知識(shí)。缺乏實(shí)驗(yàn)教學(xué)限制了學(xué)生在人工智能領(lǐng)域的創(chuàng)新和探索能力。

（三）評(píng)價(jià)機(jī)制不健全

評(píng)價(jià)機(jī)制在人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)中至關(guān)重要，不僅影響學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，還關(guān)系到教學(xué)質(zhì)量。然而，現(xiàn)行的評(píng)價(jià)機(jī)制過(guò)度側(cè)重于理論知識(shí)的考核，忽視了實(shí)驗(yàn)探究和創(chuàng)新思維的評(píng)估。

二、基于OBE理念的人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型

OBE理念強(qiáng)調(diào)以學(xué)習(xí)成果為核心，設(shè)計(jì)所有學(xué)習(xí)活動(dòng)。其目標(biāo)是確保教學(xué)過(guò)程不僅要傳授知識(shí)，還要以學(xué)生為中心，將理論與實(shí)踐、課堂與現(xiàn)實(shí)、技術(shù)技能與創(chuàng)新思維緊密結(jié)合?；贠BE理念的教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)目標(biāo)、過(guò)程與成果的統(tǒng)一。在教學(xué)設(shè)計(jì)之初，明確教學(xué)目標(biāo)；教學(xué)過(guò)程中，按照這些目標(biāo)實(shí)施；教學(xué)結(jié)束后，通過(guò)成果來(lái)客觀反映和評(píng)價(jià)目標(biāo)的達(dá)成度。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是核心，以目標(biāo)成果為導(dǎo)向的教學(xué)模型可以分為四個(gè)部分：預(yù)期學(xué)習(xí)目標(biāo)、學(xué)習(xí)過(guò)程、實(shí)驗(yàn)考評(píng)和學(xué)習(xí)成果，如圖1。

預(yù)期教學(xué)目標(biāo)以解決真實(shí)問(wèn)題為導(dǎo)向，明確預(yù)期學(xué)習(xí)成果，包括如何取得學(xué)習(xí)成果、如何保障取得學(xué)習(xí)成果、獲得什么樣的成果等。學(xué)習(xí)過(guò)程在理論講解和實(shí)驗(yàn)視頻教學(xué)的基礎(chǔ)上，引入AI實(shí)驗(yàn)工具，通過(guò)完成AI實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)從數(shù)據(jù)收集到訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)模型的全過(guò)程。實(shí)驗(yàn)考評(píng)通過(guò)系統(tǒng)化的評(píng)估方式，評(píng)價(jià)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的表現(xiàn)和掌握情況，以確保教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。最后，通過(guò)完成項(xiàng)目檢驗(yàn)學(xué)習(xí)成果，確保學(xué)生不僅掌握人工智能的基礎(chǔ)知識(shí)，還能應(yīng)用這些知識(shí)靈活解決實(shí)際問(wèn)題。

這種教學(xué)模式很好地解決了傳統(tǒng)人工智能教育中存在的理論和實(shí)踐分離的問(wèn)題，通過(guò)明確具體的學(xué)習(xí)目標(biāo)和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，保證了教學(xué)的系統(tǒng)性和實(shí)效性。

圖1OBE理念的人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型

三、基于OBE理念的小學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式應(yīng)用

以下以“身邊的人工智能”這一單元教學(xué)為例，展示OBE理念在人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)施流程。

（一）單元主題設(shè)計(jì)背景

隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，智能產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，從早期的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)應(yīng)用逐漸發(fā)展為如今的人臉識(shí)別、圖像識(shí)別和語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，智能產(chǎn)品的交互性顯著提高。尤其隨著機(jī)器學(xué)習(xí)和模式識(shí)別技術(shù)的進(jìn)步，多種交互方式使產(chǎn)品變得更加智能和人性化，學(xué)生可以在真實(shí)情境中體驗(yàn)和感受人工智能的作用。

結(jié)合新課標(biāo)的要求，教師設(shè)計(jì)了“農(nóng)村老年人科學(xué)服藥智能應(yīng)用”的教學(xué)單元。在這個(gè)單元中，學(xué)生通過(guò)項(xiàng)目實(shí)踐，經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、確定研究目標(biāo)、設(shè)計(jì)解決方案、實(shí)施項(xiàng)目制作、完成項(xiàng)目調(diào)試和展示作品等多個(gè)環(huán)節(jié)，不僅提升了應(yīng)用AI技術(shù)創(chuàng)新解決問(wèn)題的能力，還增強(qiáng)了利用AI改善生活、服務(wù)社會(huì)的責(zé)任感。同時(shí)，學(xué)生認(rèn)識(shí)到AI技術(shù)在改善鄉(xiāng)村生活方面的潛力。

（二）單元學(xué)習(xí)目標(biāo)

1.信息意識(shí)目標(biāo)

（1）初步理解機(jī)器學(xué)習(xí)的概念，了解數(shù)據(jù)在人工智能中的作用和價(jià)值，并列舉人工智能對(duì)社會(huì)發(fā)展和人們生活的影響。

（2）培養(yǎng)利用圖像分類(lèi)技術(shù)解決問(wèn)題的意識(shí)。

2.計(jì)算思維目標(biāo)

（1）在項(xiàng)目完成過(guò)程中，將問(wèn)題劃分為多個(gè)可解決的小問(wèn)題，通過(guò)解決各個(gè)小問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)整體問(wèn)題解決。（2）根據(jù)需求，設(shè)計(jì)算法和程序，完成項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與原型制作，并進(jìn)行測(cè)試與優(yōu)化。

3.數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新目標(biāo)

能使用人工智能開(kāi)放平臺(tái)與小組成員積極交流，開(kāi)展合作探討，有效控制項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)進(jìn)度。

4.信息社會(huì)責(zé)任目標(biāo)

正確認(rèn)識(shí)人工智能技術(shù)對(duì)社會(huì)的積極影響，培養(yǎng)利用人工智能技術(shù)提高生活質(zhì)量、服務(wù)人類(lèi)發(fā)展的責(zé)任感，能正確看待人工智能技術(shù)。

（三）逆向設(shè)計(jì)，形成專(zhuān)家知識(shí)

環(huán)節(jié)一：情境觸發(fā)，導(dǎo)入課題

（1）教師播放短視頻“國(guó)家衛(wèi)健委： 75% 以上老年人至少患有一種慢性病”，引導(dǎo)學(xué)生討論。（2）重陽(yáng)節(jié)前夕，綜合實(shí)踐老師設(shè)計(jì)一份調(diào)查問(wèn)卷，讓學(xué)生調(diào)查周邊老年人的健康狀況及服藥情況，并在課上匯報(bào)調(diào)查結(jié)果。（3）總結(jié)結(jié)論：許多農(nóng)村空巢老人因視力和記憶力衰退，難以準(zhǔn)確服藥。（4）提問(wèn)學(xué)生：為了幫助老年人科學(xué)服藥，有什么解決方法？

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)視頻和調(diào)查，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注身邊農(nóng)村老年人健康狀況，并結(jié)合實(shí)際情況，將教學(xué)回歸到真實(shí)生活情境中，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為下一環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)探索奠定基礎(chǔ)。

環(huán)節(jié)二：頭腦風(fēng)暴，分析問(wèn)題

（1）教師展示結(jié)合圖像識(shí)別和語(yǔ)音輸出設(shè)計(jì)的“老年人科學(xué)服藥智能應(yīng)用”案例（通過(guò)一個(gè)普通的攝像頭和音箱就能實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別和提醒）。

（2）進(jìn)行小組討論，分析實(shí)現(xiàn)這些功能所需的步驟，理清并完成“老年人科學(xué)服藥智能應(yīng)用”的流程圖。

設(shè)計(jì)意圖：引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)頭腦風(fēng)暴，理解智能識(shí)別過(guò)程。利用流程圖將復(fù)雜問(wèn)題分解為多個(gè)簡(jiǎn)單問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和分解問(wèn)題的能力。

環(huán)節(jié)三：合作探究，實(shí)驗(yàn)操作

活動(dòng)內(nèi)容：

（1）讓攝像頭正確識(shí)別藥品，通過(guò)不同提示，如畫(huà)面或語(yǔ)音幫助服藥者，營(yíng)造溫馨氛圍（可使用文字識(shí)別、聲音合成或播放錄音等實(shí)現(xiàn)）。

（2）分工合作，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)標(biāo)注、訓(xùn)練模型，實(shí)現(xiàn)智能應(yīng)用。

設(shè)計(jì)意圖：組織學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究和實(shí)踐，培養(yǎng)他們的計(jì)算思維與解決問(wèn)題的能力，同時(shí)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生切身體驗(yàn)和理解AI模型的獲取過(guò)程，從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)標(biāo)注到模型訓(xùn)練，進(jìn)而促進(jìn)他們對(duì)AI技術(shù)的全面理解和應(yīng)用。

環(huán)節(jié)四：產(chǎn)品發(fā)布，分享評(píng)價(jià)

活動(dòng)內(nèi)容：

各小組設(shè)計(jì)推廣語(yǔ)、分享創(chuàng)新點(diǎn)、問(wèn)題與解決方案、實(shí)現(xiàn)過(guò)程等。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)產(chǎn)品分享和評(píng)價(jià)活動(dòng)，學(xué)生不僅可以展示他們的創(chuàng)意和解決方案，還能通過(guò)彼此的反饋進(jìn)一步改進(jìn)和完善自己的作品。這一過(guò)程有助于學(xué)生理解AI技術(shù)應(yīng)用的實(shí)際價(jià)值和目標(biāo)是滿足生活和學(xué)習(xí)需求，同時(shí)提升他們的表達(dá)和評(píng)價(jià)能力。

環(huán)節(jié)五：拓展延伸，梳理總結(jié)

（1）總結(jié)通過(guò)智能設(shè)計(jì)為老年人提供幫助，感受人工智能的便捷與強(qiáng)大。

（2）提問(wèn)學(xué)生：智能產(chǎn)品是否能替代親情？

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)總結(jié)和討論，學(xué)生認(rèn)識(shí)到人工智能在解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題中的重要性，并了解人工智能技術(shù)的便捷性和強(qiáng)大。同時(shí)，強(qiáng)調(diào)機(jī)器無(wú)法替代人類(lèi)情感關(guān)懷，激勵(lì)他們?cè)诳萍紤?yīng)用之外，更加注重與老人的情感聯(lián)系和實(shí)際照顧。

（四）實(shí)驗(yàn)考評(píng)和學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)

1.數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)任務(wù)：采集藥品盒子圖像數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1。

表1藥品盒子圖像數(shù)據(jù)

2.數(shù)據(jù)標(biāo)注實(shí)驗(yàn)

機(jī)器學(xué)習(xí)需要兩份數(shù)據(jù)：一份用于訓(xùn)練模型（訓(xùn)練集數(shù)據(jù)），另一份用于驗(yàn)證模型結(jié)果（驗(yàn)證集數(shù)據(jù)）。學(xué)生完成數(shù)據(jù)標(biāo)注，并將數(shù)據(jù)歸類(lèi)到相應(yīng)文件夾。

3.模型訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)

（1）利用人工智能開(kāi)放平臺(tái)，將數(shù)據(jù)集上傳，訓(xùn)練分類(lèi)模型。

（2）記錄每一輪學(xué)習(xí)后模型分類(lèi)準(zhǔn)確率（accuracytop-1）的值。

（3）分析模型分類(lèi)準(zhǔn)確率的含義。

模型分類(lèi)準(zhǔn)確率 Σ=Σ 分類(lèi)正確的圖像數(shù)／照片的總數(shù)量

（4）實(shí)驗(yàn)觀察模型分類(lèi)準(zhǔn)確率的變化趨勢(shì)。

4.語(yǔ)音輸出實(shí)驗(yàn)

（1）在電腦上錄制自己的語(yǔ)音，并通過(guò)圖形化編程實(shí)行圖像識(shí)別后輸出。

（2）利用相應(yīng)的硬件：MP3模塊和喇叭，實(shí)現(xiàn)圖像識(shí)別后輸出。

基于OBE理念的小學(xué)人工智能實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式能夠有效推動(dòng)教育創(chuàng)新與實(shí)施，顯著提升學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維水平。然而，課程目標(biāo)設(shè)計(jì)、實(shí)踐項(xiàng)目開(kāi)發(fā)和評(píng)價(jià)機(jī)制仍需優(yōu)化。未來(lái)研究應(yīng)進(jìn)一步探索如何更好地應(yīng)用OBE理念，培養(yǎng)具備創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的高素質(zhì)人才。

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