基于App Inventor的初中人工智能校本课程设计与实践.pdf

2023 年第 10 期 中小学数字化教学|69创新课程国务院新一代人工智能发展规划发布以来，我国中小学人工智能教育蓬勃发展。普通高中信息技术课程标准（2017 年版）正式将人工智能纳入教学内容，义务教育信息科技课程标准（2022 年版）（以下简称“信息科技课标”）将人工智能作为课程逻辑主线之一。但由于缺少统一、完善的人工智能课程标准和教材，人工智能教育目前仍处于从 0 到 1 的探索阶段。由于人工智能热，一些 STEAM、创客、开源硬件、机器人、编程等内容被打包到了人工智能课程中，致使学生无法建构正确的人工智能知识图谱。App Inventor 是一款用于开发安卓应用的图形化在线编程平台，可利用其开发人工智能App。笔者将 App Inventor 引入人工智能课程中，遴选人工智能原理与实践并重的课程内容，设计了基于 App Inventor 的初中人工智能校本课程，并进行了实践。一、App Inventor 在初中人工智能教学中的优势（一）图形化编程降低了学生的编程门槛App Inventor 使用积木式、拼图式编程界面，程序设计开发采用与 Scratch 类似的拖曳方式完成，包括组件设计和逻辑设计两部分。组件设计用于设计 App 的界面，逻辑设计用于实现App 的各项功能。其模块丰富，内置照相机组件、摄像机组件、Web 客户端组件、语音识别器组件、文本语音转换器组件、Yandex 语言翻译器等，也可导入拓展插件或调用 AI 开放平台提供的 API，还可以把在 AI 模型训练平台训练好的模型部署其中，学生无需编写复杂的代码便可开基于 App Inventor 的初中人工智能校本课程设计与实践文|彭蓉霞发具备人工智能特色的 App。（二）无需硬件支撑，实现不插电教学目前，人工智能教育存在偏“硬”的问题，即在人工智能课堂教学中过度依赖硬件设备，致使教学环境和硬件条件偏弱的学校无法有效地实施人工智能教育。App Inventor 平台不仅免费，还可以与安装在安卓设备上的“AI 伴侣”App 配套使用。用户编好程序后可以使用“AI 伴侣”App扫描 App Inventor 生成的二维码进行调试，也可以在计算机上安装模拟器进行调试，摒弃其他的硬件，实现不插电教学，减轻学校设备投入压力，同时也提高了课堂教学的实际可行性。（三）顺应信息科技课标教学理念在使用 App Inventor 进行人工智能教学时，学生经历了“人工智能技术原理的理解人工智能模型的训练人工智能 App 开发”的过程，顺应了信息科技课标所提倡的“科”与“技”并重、“做中学”“用中学”“创中学”的教学理念。学生利用 AI 学习平台训练模型及利用 App Inventor 开发 App，计算思维、数字化学习与创新等核心素养得到了有效提升。二、基于 App Inventor 的初中人工智能校本课程设计基于 App Inventor 的特点及其在人工智能教学中的优势，笔者开发了基于 App Inventor的初中人工智能校本课程。笔者从目标设定、内容设计、教学模式、评价方式等方面探讨课程建设方案。（一）课程目标设定依据中小学人工智能课程开发标准（试70|基于 App Inventor 的初中人工智能校本课程设计与实践创新课程行）中小学人工智能技术与工程素养框架（以下简称“素养框架”）、信息科技课标，结合 App Inventor 的教学特色，笔者设定了校本课程的总目标与分目标。总目标为帮助学生掌握适应智能社会所需的必备品格和关键能力。分目标为：1.学生在学习和实践的过程中接触并逐渐了解人工智能技术的应用场景，提升人工智能意识；2.学生在实验探究中理解、掌握人工智能的原理和方法；3.学生具备利用 App Inventor 设计、开发人工智能App 来解决实际问题的能力，激发人工智能技术的实践创新思维；4.学生能树立正确的智能社会发展意识，履行个人在智能社会中的责任和义务。（二）课程内容设计笔者在课程内容的设计上遵循信息科技课标理念，遴选人工智能技术原理和实践应用并重的课程内容。以人工智能的核心技术为主线，结合生活情景，笔者设计了 6 个课程项目（见表 1），每个项目安排 3 课时。项目按照由简单到复杂的顺序进行设计，难度层层递进。课程内容紧密联系学生的生活经验，让学生能在实际生活中认识人工智能的应用。教师通过设置基于项目的学习任务，引导学生自主探究、动手操作和解决问题，培养学生技术应用能力、实践创新思维。课程的内容模块包含：体验人工智能应用、人工智能技术原理、模型训练/人工智能技术实现实验、人工智能 App 开发、人工智能技术的应用前景与伦理。（三）课程教学模式素养框架指出，人工智能素养应包括人工智能与人类、人工智能与社会、人工智能技术、人工智能系统设计与开发1。信息科技课标提出，信息科技课程要培养的核心素养主要包括信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任，同时倡导真实性学习，创新教学方式，以真实问题或项目驱动，引导学生经历原理运用过程、计算思维过程和数字化工具应用过程，构建知识，提升问题解决能力。在以上两个顶层文件精神的指导下，笔者构建了基于 App Inventor 的人工智能教学模式（如图 1）。教学流程分为四个阶段。表 1 基于 App Inventor 的初中人工智能校本课程内容人工智能核心技术对应项目项目功能学习内容计算机视觉技术拍照识花 App拍摄花的照片，或从相册里选择，对照片里的花进行识别，显示识别结果计算机视觉技术原理；按钮、照相机、标签、图像选择框、界面布局、拓展组件的使用；选择列表代码块的使用文本语音转换技术听单词 App点击“听单词”按钮播放相应的单词，点击“上一页”“下一页”可切换单词文本语音转换技术原理；文本语音转换器组件的使用；定义变量、创建列表、如果则否则代码块的使用语音识别技术背单词 App根据图片背诵相应的单词，并显示分数语音识别技术原理；语音识别器组件的使用机器翻译技术智能翻译 App文本输入或语音输入原文，选择翻译语言进行翻译，显示译文并诵读译文机器翻译技术原理；Yandex 语言翻译器、列表显示框组件、文本语音转换器和语音识别器组件的综合使用人脸检测技术人脸检测 App拍摄人脸照片或从相册选择，对照片中的人脸进行性别、年龄等识别，显示识别结果人脸检测技术原理；Face+API 的调用；Web 客户端、SimpleBase、aifunImage 组件的使用；在键值对中查找关键字代码块的使用文字识别技术文字识别 App拍摄含文字的照片或从相册选择，对照片中的文字进行识别，显示识别结果文字识别技术原理；百度 API 的调用；从 JSON 文本中提取关键字的方法2023 年第 10 期 中小学数字化教学|71创新课程1.感知智能阶段在感知智能阶段，教师要引导学生感知身边的人工智能技术，列举其在生活中的应用。由于学生的视野有限，教师可通过图片或视频向学生展示人工智能技术在其他领域的应用场景，了解人工智能的巨大潜力。创新建立在体验的基础之上，所以教师还应为学生提供人工智能体验平台，如百度 AI 开放平台小程序等，鼓励和引导学生在玩中学，深入感知与体验智能情境，提升人工智能应用的敏感度和理解力。2.揭示智能阶段此阶段教师主要让学生理解相应的人工智能技术原理。由于原理较抽象与复杂，教师要充分利用人工智能实验平台（如 Machine Learning for Kids、Personal Image Classifier、Per-sonal Audio Classifier）设计一些原理性探究实验，让学生在主动探究的过程中揭示人工智能技术原理，增强学生的学习兴趣和学习代入感，避免单向灌输。3.创新智能阶段人工智能作为一门实践性课程，学生仅仅理解其技术原理是远远不够的。在创新智能阶段，教师采用项目式教学法，创设问题情境，引导学生利用人工智能技术设计问题解决方案，利用 App Inventor 开发 App 实现项目方案，对 App 的功能进行测试与优化，小组之间分享成果，对成果进行评价与总结。学生设计、开发和测试 App，以实现问题解决的最优化，这对提升学生计算思维和系统思维有很大的帮助。考虑到课时的限制，教师可为学生提供半成品或“挖空”后的程序，让学生在已有程序的基础上，通过参数修改、填写核心代码等方式形成自己的程序。4.思辨智能阶段此阶段旨在帮助学生树立正确的智能社会发展观。教师可通过案例分析、上网查找资料、辩论赛等方式让学生了解人工智能对社会的正负面影响、可能带来的新风险与新挑战，形成正确的技术安全和责任意识。在这四个阶段中，学生的身份发生了转变，依次为：技术的体验者技术的理解者技术的创新者技术的思辨者。整个教学模式的实施目的是：发展每位学生的核心素养，让学生在创造过程中成长。（四）课程评价方式评价的主要目的在于激发学生学习和应用人工智能技术的兴趣，促进学生人工智能素养的发展。笔者采用过程性评价和总结性评价相结合的方式开展评价，促进人工智能课程中的教与学。过程性评价主要通过学生在完成项目过程中的表现来评价，从理解人工智能技术原理、开发人工智能 App、沟通与协作三个维度进行评价。教师在课前将评价量表（见表 2）发放给学生，作为项目式学习过程中的自我监督工具和学习支架。总结性评价采用机试的方式，考试工具为 AI 微认证人工智能测评系统。三、基于 App Inventor 的初中人工智能校本课程实践案例校本课程开发后，笔者进行了教学实施，实施对象为七年级 15 个班的全体学生，以自然班级为单位，每周安排一课时。下面以“计算机视觉技术”一课为例，阐述校本课程的实施过程。图 1 基于 App Inventor 的初中人工智能校本课程教学模式72|基于 App Inventor 的初中人工智能校本课程设计与实践创新课程本课对应的人工智能项目为“拍照识花”App，安排 3 课时。第一课时的主要内容为体验计算机视觉技术、理解技术原理、训练模型；第二课时的主要内容为将模型部署到 App Inventor，开发“拍照识花”App；第三课时的主要内容为成果分享及对计算机视觉技术的思辨。以下是具体的教学环节。（一）感知智能阶段教师在课上播放视频合集：无人驾驶、行人检测、CT 和核磁共振、运动分析、产品组装、自动除草、灌溉管理、无人零售、自动补货。学生感知计算机视觉技术在运输、卫生保健、制造业、农业、零售等行业中的应用，体会这些应用给生活带来的便利，感受计算机视觉技术对人类社会的深刻影响。接下来，学生登录AI体验平台，体验植物识别、果蔬识别、图像主体检测、车辆属性识别等应用，通过体验具体的计算机视觉产品，了解计算机视觉技术的基本概念，激起对计算机视觉技术原理的探究热情。（二）揭示智能阶段仅靠讲授，教师无法让学生深入了解人工智能技术原理，最好的做法莫过于让学生亲身经历人工智能技术的工作流程。教育部在加强和改进中小学实验教学工作的总体要求中提出，要“拓展创新，不断将科技前沿知识和最新技术成果融入实验教学，丰富内容，改进方式”2。笔者借助Personal Image Classifier 个 人图像分类人工智能实验平台，让学生完成实验任务：训练鸡蛋花和龙船花的模型并进行测试。学生在做实验的过程中亲历图像采集、特征提取、模型训练、模型输出的过程，自主发现与建构计算机视觉技术的原理。同时，学生应用数字化工具的实践能力也得到了提高。最后，笔者引导学生思考：假如要识别更多的花，我们还需要做什么？学生纷纷回答采集更多种类的花进行训练。此问题让学生深刻意识到大数据对于计算机视觉的重要意义。（三）创新智能阶段教师创设问题情境，让学生思考如何利用计算机视觉技术解决生活中的实际问题：当我们走在公园里或马路上时，经常会遇到一些不知名的花，我们如何快速地知道它们的花名呢？大多数学生提出的解决方案为开发一款“拍照识花”App。接下来，教师引导学生对“拍照识花”App 的功能进行描述与分解。要想实现识花功能，就要将训练好的鸡蛋花和龙船花模型部署到App Inventor 中。教师向学生提供部署时所需要的扩展组件、操作步骤、相关代码块的作用与使用方法，小组协作完成“拍照识花”App 的设计、开发、测试。图 2 为某小组的运行效果图，图 3 为对应的逻辑设计代码。当各个小组的项目全部完成后，教师组织学生进行项目成果的展示与交流，引导学生从创新性、技术性、艺术性三个维度去评价作品，课后可根据评价意见改进作品。最后学生利用表现性评价量表完成自评和组员互评。在本环节，笔者从系统工程的角度，引导学生设计、开发和测试“拍照识花”App，以实现问题解决的最优化，这对于提升学生解决复杂问题的能力以及创新思维等高阶思维能力是很有帮助的。表现性评价的实施有助于学生元认知发表 2 项目式学习过程表现性评价量表评价维度评价标准分值自我评价小组评价教师评价小计(平均)理解人工智能技术原理理解人工智能相关概念与原理20了解人工智能技术的发展前沿10开发人工智能 App使用人工智能技术知识、工具和技能制订项目方案以解决实际问题10利 用 AppInventor 开 发 人 工 智 能App 实现项目方案（作品的创新性、技术性、艺术性）30在开发过程中遵守伦理道德10沟通与协作小组协作时能清晰表达自己的思路和想法，成果展示时语言清晰流畅10完成协作工作中的任务10总分（100）2023 年第 10 期 中小学数字化教学|73创新课程展及高阶能力的形成。（四）思辨智能阶段在教师的引导下，学生以小组为单位上网搜索计算机视觉技术存在的伦理与安全问题，并针对出现的问题提出防范措施，组长进行汇报。教师对各组的汇报进行总结，引导学生辩证看待计算机视觉带来的正负面影响，讨论积极应对负面影响的方法。此教学环节旨在培养学生具备在智能社会生存与发展的基本伦理道德与社会规范。四、基于 App Inventor 的初中人工智能校本课程实践效果为评估课程实施的有效性，笔者应用 AI 微认证人工智能测评系统对七年级 15 个班的学生进行人工智能素养前后测。测评知识分为人工智能、图像化编程、逻辑思维三大模块（如图 4）,从知识储备、运算能力、分析能力、推理能力、编程能力五个维度进行量化评估。知识储备是提高学生人工智能素养的基础，也是学生在学习活动中“做”与“思考”的积淀；运算能力是学生在编程、建构等实际运用过程中展现出来的数学能力，在人工智能领域中，延伸至计算思维中的算法开发和执行能力；分析能力是指学生从问题中找出重点并进行归纳、总结、提炼出解决问题思路的能力；推理能力是学生计算思维中的规律与模式识别以及抽象思维在实践中的具体表现；编程能力是学生在学习图形化编程过程中能力的具体展现。图 2“拍照识花”App 运行效果图 3“拍照识花”App 逻辑设计代码图 4 人工智能素养测评知识图谱图 5、图 6 为前后测的结果对比。从图 5 可以看出，学生在人工智能与逻辑思维领域的知识点掌握较为牢固，图形化编程方面知识点掌握欠佳。这也折射出学生在编程知识领域的整合运用能力有待提高，但与前测相比已经有很大的提升。从图 6 可以看出，学生的各项素养能力均得到了不同程度的提升。实践表明，基于 App Inventor 的人工智能校本课程在培养学生的人工智能素养方面有较好的成效。五、结语本研究在中小学人工智能课程开发标准（试74|基于 App Inventor 的初中人工智能校本课程设计与实践创新课程注：本文系 2021 年福建省基础教育课程教学研究课题“基于人工智能技术的 AppInventor 校本课程开发与实施”（课题编号：MJYKT2021-185）的研究成果。（作者系厦门双十中学海沧附属学校信息科技教师，一级教师，教研组长，厦门市骨干教师）责任编辑：牟艳娜1中央电化教育馆.中央电化教育馆中小学人工智能技术与工程素养框架正式发布 EB/OL.(2021-11-30)2023-07-01.https:/ 6 各素养能力前后测对比行）、素养框架、信息科技课标的指导下开发出基于 App Inventor 的校本课程，设定了课程的总目标和分目标；以人工智能的核心技术为主线，以项目的形式组织课程内容，设计了 6 种贴近学生日常学习和生活的项目 App；构建了以素养为导向的教学模式，设计了切实可行的表现性评价量表，是对人工智能教育的一种新尝试。教师在教学过程中借助人工智能实验平台让学生完成实验任务。通过数据的采集、参数的调整、模型的训练、模型的导出，学生亲历人工智能技术的工作流程，自主发现技术原理，主动构建知识，从而达成深度学习。将训练好的模型部署到 App Inventor 中，设计与开发人工智能App，这一过程培养了学生利用人工智能技术解决问题的能力，提升了学生的人工智能技术与工程素养。课程结束后，笔者向学生发放了评价校本课程的调查问卷。大部分学生表示：非常喜欢基于 App Inventor 的人工智能课程并愿意继续深入学习；对课程项目 App 很感兴趣，课程教学内容难度合适，非常愿意以做项目的方式学习；喜欢与人分享作品，认同表现性评价的方式。部分学生在各级各类人工智能比赛中收获了众多奖项，成为国家新一代人工智能人才与创新思维人才的后备军。由于笔者非人工智能专职教师，缺少人工智能知识背景，所以在课程内容选择、资源挖掘、教学活动设计等方面还存在一些不足。后续笔者将依据实践效果进行反思与改进，并在跨学科融合、评价数字化等相关方面进行探索和尝试，以期提高校本课程的质量。图 5 各知识模块平均分前后测对比