项目式实验教学法在初中信息科技人工智能课程中的实践探索——以“揭秘手势识别技术”为例

项目式实验教学法在初中信息科技人工智能课程中的实践探索

——以“揭秘手势识别技术”为例

【摘要】：本文以《人工智能模块的图像识别》一课为例，基于真实的问题情境探索机械手识别石头剪刀布的奥秘，挖掘实验教学与探究学习之间的内在关联，尝试突破初中人工智能模块的教学边界，并通过设计环环相扣的插电实验和不插电实验，促使学生在实验操作中体验、感受、理解、内化图像识别的工作流程，引导学生掌握视觉识别技术的实现机制。

【关键词】：人工智能；实验探究；图像识别

《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）将人工智能纳入课程内容，要求学生感受人工智能技术在智慧社会生活中的广泛应用，理解人工智能的基本概念、特点及能力，由浅及深、由表入里认识人工智能。学生作为数字时代的原住民，虽然对人工智能的应用有所了解，但对底层的实现原理十分陌生。人工智能是一门交叉学科，涉及的专业术语及工作过程极其复杂，内容相对晦涩难懂。因此，如何将人工智能涉及的复杂抽象的知识凝练成适合中学生认知水平的学生可理解的内容，成为信息科技教学需要重点突破的难题，而实验教学能够适应人工智能课程的内容特性，它能将复杂抽象的原理性知识转变为可执行的实验操作，并优先考虑学生的问题、想法，关注学生在课堂上如何通过探究理解知识，建构完整的认知体系。

实验教学与探究学习之间存在着密切的内在关联，二者相辅相成，均能有效促进学生的学习和能力发展。实验教学要求学生独立思考，因此教师在进行教学设计时就应考虑要解决的核心问题—怎样设计实验活动才能有效达成教学目标？笔者认为可将其分解为以下几个子问题进行思考：选取怎样的实验方式与实验工具更贴合实验内容？实验环节该如何设计才能循序渐进地融入知识脉络？如何基于学情分析设计合理的学习支架使课堂效果事半功倍？

实验教学与探究过程相互交织。实验为探究提供实践路径：实验是探究学习的重要手段，为探究活动提供具体的操作平台。学生在探究问题时，往往需要通过实验来收集数据、验证假设，实验过程中的操作、观察和记录为探究提供了第一手资料，使探究得以深入进行。探究为实验赋予方向和深度：探究学习为实验教学指明方向，使得实验不再是简单的操作演练，而是具有明确问题意识和探索目的的活动。这种探究式的学习给学生留足了思考和整合的空间，使学生在探究过程中能对实验进行深入分析、不断优化，从而拓展了实验的深度和广度。

本节实验课选取有关图像识别的案例，并以“揭秘手势识别技术”为主题，以实验目的为导向，设计了不插电实验与插电实验两种实验方式，遵循概念探索、概念应用、原理探究、实践体验的实验流程展开，具体如图1所示。

1.设计问题链，明确探究方向

问题是实验目的的另一种表现形式，合理的问题设计既能成为引导学生思考的学习支架，又能明晰实验探究方向，避免实验的盲目性。在实验实施初始环节，教师通过创设教学情境，抛出生活中的问题，确立课程的教学目标，以促进形成结构化的实验调查和实施路径。整节课围绕图像识别的原理和过程展开三个实验，每个实验均包含数个子问题，持续的问题探究帮助学生意识到自身认知的局限性，进而寻求合理的解释。各个问题之间既相互独立又相互依赖，后一个实验是前一个实验的递进与深化，它们共同搭建了形象化思考、底层探究、实践体验的课堂生态，逐步向学生解开图像识别的秘密。

2.假设与验证，搭建知识体系

实验教学鼓励学生参考已有的生活经验大胆提出个人想法，想法无论对错均反映了学生目前的先验知识。在大多数教学场景中，学生提出的假设方向与研究问题和随后的实验活动密切相关，学生提出的假设即便不涉及研究问题且与教学目标无关，也有助于教师定位学情，把握学生状态，实现个性化指导。在实践体验环节，学生可自由控制实验变量，探究不同因素对摄像头识别准确性的影响，教师在实验记录单上提供问题支架，开拓学生的探究思路。

手势识别作为机器视觉的应用领域之一，通过基于机器视觉的手势识别帮助学生初步了解人工智能的工作原理。

实验目的：体验手势识别的过程，理解手势识别的基本原理，感受算法在其中体现的作用。实验准备：摄像头、方格纸、中性笔、网络化计算机教室。

1.创设实验情境

以石头剪刀布的手势识别作为实验主题，播放科技展上人类与机械手石头剪刀布的视频，类比人类能从不同肤色、不同手势、不同大小的多种手势中迅速分辨出“布”，引出本节课的核心问题：机器如何通过摄像头识别不同手势？教师通过对比人类与机器判断不同手势的区别，以不同城市的地标建筑类比，帮助学生理解并掌握“特征”的概念。同时，设置找立方体活动，学生观察指标（颜色、大小、形状……）准确定位立方体。最后，总结“特征”是突出性质的表现，也是区分事物的关键，强化概念认知，为后续实验做铺垫。

2.不插电实验：提取手势特征

新西兰Canterbury大学的教授和两位中小学教师在他们所编写的《不插电的计算机科学》一书中，利用各种智力游戏引导学生通过“玩中学、做中学”，学习信息科技的概念和原理。笔者本次设计的不插电实验的问题是：机器视觉准确识别手势的关键是什么？具体教学流程：首先，利用方格纸作为量化的工具，让学生把眼睛捕捉手势看作一个取景框，根据需要描点绘制轮廓（如图2）。其次，小组讨论哪些特征能够区分石头、剪刀、布这三种手势并填写实验记录单。最后，通过累积数据量寻找各种手势之间的共性，并根据实验观测的结果，思考分析原因。

3.实验验证：打开机器视觉的黑箱