基于人工智能平台的信息科技实验教学设计与实施

摘要：本文分析了初中信息科技教学现状和人工智能平台的教学优势，并以《语音识别技术》一课为例，重点探索了基于人工智能教育平台的信息科技实验教学策略及步骤，以期创新教学方式，培养学生核心素养。关键词：人工智能平台；实验教学；信息科技《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）明确提出：遴选科学原理与实践应用并重的课程内容，从信息科技实践应用出发，注重帮助学生理解基本概念和基本原理，引导学生认识信息科技对人类社会的贡献与挑战，提升学生知识迁移能力和思维水平，体现“科”与“技”并重。而实验教学是信息科技教学过程中实现“科”与“技”并重的重要途径，是鼓励学生“做中学”“用中学”“创中学”的主要教学方式，是落实课程育人的重要保障。因此，针对当前教学实践中存在的问题，本文尝试以人工智能平台为研究载体，结合实验教学案例，探讨人工智能教育平台支持下的信息科技实验教学设计与实施策略，以期创新信息科技教学方式，培养学生核心素养。挖掘人工智能平台优势，突破教学困境1.依托海量资源，激发学生的学习主动性人工智能平台构建了系统化的教学资源库，为教师提供了包括课程资源、教学工具、互动平台在内的全方位的支持，如某些人工智能教育平台不仅提供了系统的课程，还通过智能系统实现了教学资源的优化配置和高效利用。这不仅提升了教师的教学效率，还有效激发了学生的学习兴趣和探索欲望。2.借助仿真环境，弥补学生的实践短板人工智能平台通过虚拟仿真技术，有效突破了传统信息科技教学中硬件设备限制、平台权限约束等瓶颈，如某些人工智能教育平台提供了编程模拟器、虚拟硬件实验室等交互式工具，以及批量账号注册、免注册文档编辑等功能，为学生打造了高度仿真的实践环境。这种虚拟仿真的学习环境，不仅确保了每位学生都能获得充分的实践机会，而且通过即时反馈和智能指导，显著提升了学生的实践操作能力和问题解决能力。3.运用多元教学方式，冲破学生的思维局限人工智能平台为信息科技教学方式的创新提供了有力支撑，通过人工智能平台的辅助，教师可采用各种新的教学方式开展教学，如项目式学习、游戏化学习、互动式教学、翻转课堂等。基于人工智能平台环境，创新信息科技实验教学实践在《中小学实验教学基本目录（2023年版）》中，初中信息科技学科有31个基础实验，主要包含互联网、物联网、人工智能及跨学科等四个领域。根据内容特点，魏雄鹰老师将基础实验分为验证性实验、探究性实验、创新应用实验及虚拟仿真实验。本文以探究性实验教学为例，结合实验教学案例探索人工智能平台在实验教学方面的应用，并提出“实验准备—提出问题—经验猜想—实验论证—应用迁移”的信息科技实验教学实施策略（如下图）。该策略不仅能充分满足学生实践需求，强化“科”与“技”并重，专注于培养学生的科学精神和科技伦理，提升全体学生的数字素养与技能，还可以解决或改善信息科技教学中存在的实际问题。下面，笔者以浙江教育出版社出版的八年级下《信息科技》第二单元第5课《语音识别技术》为例阐述具体实施过程。1.课前准备：围绕新课标，精细设计实验活动（1）明晰目标，预设实验流程在实验教学设计中，首先，应以新课标为指引，准确把握内容要求和素养目标，确保实验设计与课程目标高度契合；其次，要立足核心素养要求，设计“感知-探究-应用”的逻辑主线，促进学生计算思维和数字化学习能力的提升；最后，应注重“科”“技”并重，通过虚拟仿真实验和平台创新设计，实现科学原理理解与技术实践应用的深度融合。《语音识别技术》在新课标中属第四学段“人工智能与智慧社会”模块，本课学习目标是通过对语音识别应用的体验，理解语音识别的基本过程和原理，了解声学模型和语音模型，感受语音识别带来的便利。其中，语音识别的基本过程和原理是实验所要探究的内容。基于学生对语音识别技术的生活感知和体验基础，本课实验设计注重在真实问题情境中引导学生理解技术原理。学生从生活场景中的语音识别应用出发，通过类比人类语音识别过程推测机器识别机制。在虚拟仿真实验环境中，学生以小组合作形式开展AI案例体验，通过观察、对比和记录等科学方法探究语音识别原理。最终，借助创新实验平台，学生将所学原理应用于项目实践，完成从原理理解到创新应用的学习闭环。（2）精选内容，搭建实验环境新课标倡导选用合适的数字化平台、资源创设虚拟仿真的学习环境，开展探究性学习，创造性地解决问题。针对不同的原理探究，所需人工智能平台、资源、工具也不同。为此，教师需根据实验内容，充分挖掘资源，选择支持学生开展探究性学习和创新实践的人工智能教育平台和资源，搭建虚拟仿真实验环境。本课选用了腾讯青少年人工智能教育平台开展实验教学。首先整合平台的人工智能案例库，提供多样化的语音识别应用实例，帮助学生理解技术原理的实际应用；其次，构建可交互的语音识别实验场景，支持学生观察声波特征，帮助学生开展原理探究；最后进行创新设计，为学生提供将所学知识应用于项目实践的机会，培养创新思维和实践能力。2.课中实施：聚焦核心素养，精心组织实验过程（1）情境感知，发现探究问题新课标倡导真实性学习，以真实问题或项目任务驱动，引导学生经历计算思维过程，提升问题解决能力，鼓励学生“做中学”“用中学”“创中学”。本实验以平台的人工智能案例聊天机器人的对话导入，将学生融入真实生活场景，结合学生的应用体验引导其思考“机器人为何能够和我们对答如流”，并组织学生讨论生活中还有哪些类似的应用，从而揭示探究主题——语音识别技术。（2）经验猜想，拟定实验方案学生基于已有知识、经验和观察结果，对实验结果或现象进行预测或假设。这不仅有助于激发学生的学习兴趣和好奇心，还能引导学生主动思考和探索，从而加深对实验原理、操作步骤和实验结果的理解。语音识别的过程和原理相对较抽象，这给学生的猜想增加了难度。教师可以引导学生通过实验活动开展“老师说你来写”听写活动，结合生活经验，梳理人类识别语音的过程。同时，借助人识别语音过程猜想机器识别语音的过程，分组对教师提供的声音数字化、特征提取、模式匹配、音速序列、语音处理、识别结果、声学模型、语言模型等模块进行顺序连接，确定实验探究方案。（3）实验对比，建构新知逻辑为支持学生开展探究学习，教师可以组织学生经历语音识别过程，并通过观察现象、记录数据、比对结果和分析原因，加深对信息科技原理的理解，促进对新知识的构建与内化。在实验对比中，学生依托学习支架（如下表），利用平台人工智能案例《语音识别》开展实验过程。（4）实验论证，梳理结论脉络在实验中，各小组借助可视化工具展示探究成果，阐释语音识别的过程。同时，基于实验数据和观察结果，学生运用计算思维进行深入分析和验证，开展多轮实验论证，并在教师的组织下，利用平台中的AI实验室“声纹识别”验证语音识别的过程。最后，通过建立声音库、对比分析、逻辑推理和集体研讨，构建完整的知识体系，提炼出科学结论。（5）实验评估，促成应用迁移在本环节设计中，教师组织学生总结实验结果，并引导学生将原理转化为具体的应用，以此发展学生的思维品质，提升学生解决问题的能力。在实验中，教师组织小组讨论，总结回顾机器识别语音的过程，并引发思考：“生活中你见过哪些语音识别应用？对你的生活产生了哪些影响？”小组讨论、汇报结果，包括语音识别的过程及其在生活中的应用。最后，每位学生完成平台提供的“随堂练习”，以检验对语音识别技术原理及其应用的掌握情况。为了实现原理的内化与迁移，教师组织学生完成“AI听到”任务，通过编程实践将抽象原理转化为具体应用，促进学生深度理解，激发学生的创新思维并体会“科技改变生活”的理念。3.课后跟踪：着眼能力提升，精准巩固实验效果（1）布置开放性任务，强化信息素养课后环节是巩固实验效果、提升学生思维品质的重要阶段。教师应设计具有挑战性和开放性的综合实践任务，引导学生将课堂所学迁移到实际问题的解决中。这不仅可以巩固学生对原理的理解，还能鼓励学生利用人工智能平台提供的资源库和开发工具进行创新学习，在完成任务的过程中提升信息获取、处理和应用的能力，从而强化信息素养。本实验课后任务，要求学生结合平台人工智能案例，利用平台功能设计一个基于语音识别的综合应用，如智能家居控制系统、智能聊天机器人等。（2）收集多元化反馈，拓展综合能力有效的课后跟踪需要建立多元化的反馈机制。教师可以利用平台的学情分析功能，收集学生任务完成的过程性数据，包括代码质量、项目创新性、问题解决策略等，并通过多