面向高阶思维能力培养的初中人工智能教学

【摘 要】本文以“人脸识别”教学为例，详细阐述如何对教学内容、教学目标、教学路径、评价方式等进行有效设计，并将问题的分析、评价及提出解决方案等活动贯穿始终，进而培养学生的高阶思维能力。

【关键词】高阶思维能力;人脸识别;案例分析;方案评价;创造实践

【中图分类号】G434 【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2022）010-061-03

2022年4月颁布的《义务教育信息科技课程标准》中指出：要以真实问题或项目驱动，引导学生经历原理运用、计算思维和数字化工具应用过程，构建知识，提升问题解决能力，引导学生在使用信息科技解决问题的过程中遵循道德规范和科学伦理，培育学生正确的世界观、人生观、价值观。2021年10月发布的《中小学人工智能课程开发标准》中提到，要引导学生发现生活中应用人工智能的需求，鼓励学生尝试提出新的问题和新的解决方法，从而培养问题发现、深度思考与应用创新能力，以适应智能社会的发展。这两个标准中均提到了要培养学生问题解决的能力，并要求学生能够遵循道德规范合理使用技术。这就需要学生对技术有着更加全面的认识，能够对技术的应用进行分析、评价，同时能够利用技术创造性地解决问题，而这些均属于高阶思维能力的范畴。

人工智能课程作为一门知识、技术、伦理相结合的技术类课程，在培养学生记忆、理解和应用能力的基础上，教师通过合理地构建教学内容、设计教学目标和教学路径，让学生的分析、评价和创造能力，即高阶思维能力得到有效的培养与提升。而教学内容构建、教学目标设定、教学路径实施等需要合理设定与有效完成。本文以人工智能领域非常重要的技术之一——人脸识别为例，谈一谈如何在初中阶段人工智能教学的过程中培养与提升学生的高阶思维能力。

教学内容的构建

为了培养学生的高阶思维能力，教师需要对教学内容进行有效构建。人脸识别作为人工智能的重要技术之一，广泛应用于人们的生活之中。机场安检、手机解锁、人脸支付、小区门禁、刷脸签到、自拍美颜等多种应用已经成为大多数人的日常行为。让学生了解人脸识别技术在生活中的应用并掌握其使用方法是本节课的基础内容，若是只停留在理解和应用的层面，则属于低阶思维活动。因此，在了解人工智能应用的基础上，课程还需要加入原理探究、案例分析、方案评价、创造实践等内容，以培养学生的分析、评价与创造能力。于是，课程的教学内容可设定为：人脸识别技术在生活中的应用、人脸识别的实现过程与简单原理、人脸识别作品的创作和人脸识别与伦理道德。

学习目标的确定

学科核心素养与高阶思维能力的培养是人工智能课程教学的总目标，以此为前提，教师根据教学内容与学生情况，确定课程的具体学习目标为：了解人脸识别的应用，感受其价值;初步理解人脸识别的实现过程及原理;能够编写应用人脸识别技术的程序来解决问题;认识技术的两面性，合理使用人脸识别技术。教师可通过具体目标的达成间接实现培养与提升学科核心素养和高阶思维能力的总目标。

教学路径的设计

教师确定教学内容和学习目标后，需要通过有效的教学环节、适当的教学方法与活动来实施教学，使目标有效达成。笔者认为，人工智能的学习应以学生实践为主，让学生在实践的过程中进行探究式学习，这更有利于学生的思考。自主探究的过程需要从基础的简单应用到理解迁移，再到分析评价，最后上升到设计创造，层层递进。同时在创造后，学生还能够对自身和同伴的创造成果进行合理的分析与评价。本课程教师以感知体验、原理探究、创新实践为路径来实施教学，并且在各环节中加入了分析与评价的活动。

1.感知体验阶段

本阶段，学生会了解人脸识别技术在生活中的应用。教师需要激发学习兴趣，让学生掌握身边的人工智能技术和工具的使用方法，解决实际问题，从而培养学生的生活技能。学生在生活中经常接触人脸识别技术，教师可以请学生举例说明身边的人脸识别应用并分析其价值，培养学生观察生活、思考分析与交流表达的能力。在此过程中，教师可以展示一些人脸识别应用案例并提出问题，让学生讨论这种技术的利弊。如有一种视频换脸技术，能用于视频表演与创作，你如何看待该项技术？或者教师针对该项技术是利大于弊还是弊大于利组织学生进行一场辩论赛，让学生认识到技术的两面性，培养其正确使用技术的意识和信息社会责任，以及分析、评价、批判与表达能力，这里面既包含对相关技术与应用的认识，也包含人工智能伦理问题，既培养了学生的学科核心素养，也培养了其高阶思维能力。

学生对生活中的应用进行介绍、讨论与分析后，通过动手实践，如运用微信小程序中的人脸识别应用进一步体验人脸识别技术，激发兴趣。同时，学生掌握了常用工具的使用方法，解决生活中的问题，并探讨应用这些工具时，应该注意哪些问题，增强了个人信息保护的意识。

2.原理探究阶段

本阶段，学生通过动手操作探究与思考人工智能技术的实现过程与原理。人脸识别技术的实现过程及原理非常复杂，探究其背后原理的最终目的除了让学生能够了解其实现过程外，主要还是对学生分析、思考与解决问题能力的培养。如机器是如何认识我们的？经过探究，学生会发现人脸识别需要经过人脸录入、人脸扫描、人脸矫正、特征提取、特征比对等环节。而在实践过程中，学生通过操作、观察与思考，探究人脸识别过程中可能遇到的问题，如拍摄人脸时是否一定要正对摄像头、是否每次识别准确率都能达到100%等问题，给出自己的解决方案，并根据方案尝试解决问题。

在学生了解了实现过程与简单原理后，教师可以利用这些原理设计一些生活中的真实问题引发学生的思考，从而培养学生分析、解决问题的能力，并对学生给出的方案进行集中讨论、评价，进而培养学生的评价能力。如在学生理解“特征提取”是通过绘制关键点来实现的之后，教师可以提出问题：在疫情期间人们都戴着口罩，那么如何对被口罩遮住的部分进行关键点绘制？你有什么好的解决方法？教师可以让学生自由讨论，提出问题解决方案并讨论每组学生的方案及其可行性。如果学生无法提出解决方案，教师可以借助软件操作，让学生将抽象的思维问题转换为直观的观察问题，先操作、观察，然后再进行思考。

在确定了技术上可以实现戴口罩的人脸识别后，教师请学生进一步思考这种技术可以用来解决哪些实际问题？哪些场景适合使用这种技术，哪些场景不适合使用？让学生对问题有一个全面的分析与思考。当然，教师也可以设计诸如“同样是通过人脸识别来确认身份，为什么机场、火车站等地方安检时需要摘掉口罩，进入小区时不需要摘掉口罩？”这样的问题，引导学生从规模、准确率、概率等角度对问题进行分析与思考。在学生理解之后进行知识迁移，教师提出需要进一步思考的问题：这种根据人数规模来选择不同方法的思路还可以应用到哪些领域？学生可以根据自己的学习、生活经历来回答。教师也可以提供一些案例供学生分析，如在进行问卷调查时，什么情况下采用全员调查、什么情况下采用抽样调查的方式更合适。

对于戴口罩人脸识别问题，教师也可以让学生自主提出解决方案，并通过操作进行验证。如在进行人脸采集时，能否采集一张戴口罩的人脸，进而来解决该问题？请通过操作来验证该方法是否可行。教师还可以让学生上网查阅相关资料，找一找目前是否已经有了更好的解决方法，提升其数字化学习能力。

3.创新实践阶段

本阶段，教师通过程序编写培养学生的创新实践能力。了解了人脸识别技术的基础应用后，每位学生可以使用相同的技术来解决不同的问题。教师只需给出编程环境的操作说明，学生自主学习后利用相关技术解决问题即可。教师可以先给出一个明确问题让学生来解决，以掌握编程方法，然后请学生自主提出与解决身边的问题。

如很多公园售票时会根据年龄设置成人票、老人票与儿童票，不同年龄的人票价oH5Qy77DISfj2duRpuIV/w==不同，但很多人购票时忘记携带身份证，无法证明自己的年龄。如果自助购票系统能够通过摄像头来判断购票人的年龄，出售对应的门票则会非常方便。请你设计并编写一个可以根据年龄来售卖不同票价的购票系统。

这个任务锻炼了学生的问题解决与实践能力。在学生完成该任务后，教师提出需要进一步思考的问题：这个系统能否直接应用在生活中？为什么？学生通常会说在理论上是可行的，但目前还无法应用到实际中。因为经过测试，学生发现程序对年龄识别的准确率较低，无法精准识别出正确的年龄，而公园购票规定中对成人票、老人票和儿童票的界定有着明确的年龄要求，只有等年龄识别技术发展到非常精确后才可以应用到实际生活中。教师进而再提出问题：年龄识别技术目前还不能做到精准识别，那它是否有存在的价值呢？其实，一些具有儿童模式的智能音箱、直播软件等产品中都具有童脸识别的功能，它们只需要识别出是儿童即可，不需要非常精确，年龄识别可以用于这些场景中。这些问题可以让学生对程序的结构与逻辑的正确性、技术目前的发展程度、不同准确度的产品可以应用在哪些领域有所思考。

之后，教师给学生留出充足的时间，让学生以小组的形式，利用人脸识别技术解决生活中遇到的某个问题。学生经历问题提出、分析、确定方案、编写程序、测试程序、编写说明书等环节，培养和锻炼了解决实际问题的能力。而在最后的作品展示与交流环节，教师让学生通过自评、互评的方式发现问题并完善作品，培养其评价能力。

在这三个教学阶段中，教师可以在适当的环节引入如人脸识别可能带来哪些风险、我们应该如何正确使用人脸识别技术等伦理问题，让学生认识到技术的两面性，合理使用技术。学生通过对技术的辩证分析并提出解决方案，理解、应用、分析、评价、创造等能力均能得到有效培养与提升。

评价方式的选择

在以往的信息科技课程中，教师更多的是从主题性、科学性、技术性、艺术性等多维度对作品进行结果性评价。本课程中，虽然最后让学生完成了一个程序作品，但除作品本身外，还涉及关于人工智能技术应用介绍、技术两面性讨论、针对问题提出解决方案等多个任务，教师需要对学生在这些任务中的表现进行过程性评价，如是否积极参与等。教师还可以从学科核心素养与高阶思维能力的角度进行评价。如在介绍生活中人脸识别的应用场景时涉及发现生活中的问题，并利用人工智能技术加以解决的内容，可以对学生的信息意识进行评价;在分析与评价人脸识别技术的两面性时，思考该如何保护个人信息以及不利用相关技术危害他人，从而对学生的信息社会责任养成进行评价。

总结与展望

本课程教师并没有特意设计某个环节来有针对性地培养高阶思维，而是通过对教学内容、教学目标、教学路径的有效设计，调动学生的积极性，抓住初中学生喜欢动手探究、分析表达、交流评价的特点，在整个教学过程中达成具体教学目标，并将培养与提升高阶思维的目标蕴含其中。教师将问题的分析、评价及提出解决方案等活动贯穿课堂始终，进而培养学生的高阶思维能力。

人脸识别只是人工智能中的一项典型技术，人工智能的教学可以结合日常应用、原理探究、编写程序与智能硬件搭建等形式来开展活动，这将有助于将高阶思维能力的培养与提升融入日常教学中。相信通过合理的教学设计与实施，在培养高阶思维能力方面将会取得良好效果，我们也将进一步地开展探索。

作者单位：北京师范大学附属中学