PBL設(shè)計(jì)促進(jìn)AI教育的深度學(xué)習(xí)

黃偉祥

從對目前信息技術(shù)課堂中AI教育實(shí)踐的觀察可知，學(xué)生關(guān)鍵能力的培養(yǎng)沒有達(dá)到預(yù)期效果，學(xué)科教師教學(xué)還是大面積進(jìn)行工具性教學(xué)，在這種陳舊固化的教學(xué)模式培養(yǎng)下，模仿就成為學(xué)生完成作品的主要方法。久而久之，這些教學(xué)方法會造成學(xué)生批判性思維、科學(xué)精神、遷移想象、自主創(chuàng)新和問題解決能力的缺失。而采用項(xiàng)目式教學(xué)切入，可有效改變這些現(xiàn)狀，促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)高效課堂的三個(gè)相結(jié)合：經(jīng)驗(yàn)與知識相結(jié)合、活動(dòng)與體驗(yàn)相結(jié)合、遷移與應(yīng)用相結(jié)合。

● 探尋PBL內(nèi)涵，構(gòu)建設(shè)計(jì)模型

項(xiàng)目式PBL是基于問題學(xué)習(xí)的教學(xué)模式，是指把學(xué)習(xí)設(shè)置于復(fù)雜的、有意義的問題情境中，通過讓學(xué)生以小組合作的形式共同解決復(fù)雜的、實(shí)際的或者真實(shí)性的問題，來學(xué)習(xí)隱含于問題背后的科學(xué)知識，形成解決問題的能力，并發(fā)展自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的能力。采用項(xiàng)目式教學(xué)能有效解決AI教學(xué)深度學(xué)習(xí)的問題，讓學(xué)生親身經(jīng)歷選定項(xiàng)目—制訂計(jì)劃—活動(dòng)探究—作品制作—成果交流—活動(dòng)評價(jià)等活動(dòng)，體驗(yàn)學(xué)—做—?jiǎng)?chuàng)的過程，重構(gòu)AI課堂教學(xué)的組織方式、實(shí)施策略、評價(jià)方式，從而促進(jìn)學(xué)生的計(jì)算思維、分離、推理、建模、簡約、轉(zhuǎn)化等思維的發(fā)展（如圖1）。

● 探索真實(shí)情境，確立項(xiàng)目方向

項(xiàng)目選擇要源于生活，以現(xiàn)實(shí)生活情境為導(dǎo)向，讓學(xué)生通過一系列真實(shí)的、有吸引力的和有挑戰(zhàn)的真實(shí)問題學(xué)習(xí)，從而掌握重點(diǎn)知識和技能，提升學(xué)生批判性思維、問題解決、合作和自我管理的能力。本項(xiàng)目源自2019世界人工智能大會各種高科技產(chǎn)品的亮相，其中，自動(dòng)駕駛汽車成為大會的焦點(diǎn)，并且在展館體驗(yàn)場內(nèi)進(jìn)行了汽車上下坡、紅綠燈、斑馬線、遇到紅燈、行人過馬路等場景的測試，測試結(jié)果引起各方的熱議。學(xué)生對“為什么沒有人把控方向盤駕駛，汽車都會自動(dòng)駕駛到指定的地點(diǎn)”覺得非常神奇。此項(xiàng)目來源于真實(shí)生活，建立于學(xué)生的興趣，是在真實(shí)問題驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上建立的。基于以上的認(rèn)識，師生共同確立研究項(xiàng)目為“神奇的智能小汽車”。

● 制訂學(xué)習(xí)方案，明確研究計(jì)劃

為了更好地完成項(xiàng)目，讓項(xiàng)目切實(shí)可行地執(zhí)行，制訂一個(gè)詳盡的研究計(jì)劃至關(guān)重要，計(jì)劃可以從項(xiàng)目工具、項(xiàng)目目標(biāo)、項(xiàng)目問題、實(shí)施方案等方面進(jìn)行制訂。

1.項(xiàng)目工具

六年級學(xué)生對Scratch軟件基本操作比較熟練，并且有濃厚的學(xué)習(xí)興趣，可以自主地完成一些簡單的任務(wù)。通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)來學(xué)習(xí)偵測模塊指令和復(fù)合模塊的搭建，來解決實(shí)際問題，引導(dǎo)學(xué)生感悟可視化編程的奇趣，提升學(xué)生的計(jì)算思維能力。

2.項(xiàng)目問題

如何使用Scratch中的偵測指令，實(shí)現(xiàn)虛擬無人駕駛汽車？

3.項(xiàng)目目標(biāo)

通過Scratch編程模擬無人駕駛的過程，讓學(xué)生學(xué)會偵測指令判斷是否碰到某種顏色或角色，并通過自主探究，嘗試完成小汽車的直線行駛;通過小組合作，實(shí)現(xiàn)彎道自動(dòng)轉(zhuǎn)向行駛和避讓障礙物的方法。

4.實(shí)施方案

①查閱網(wǎng)絡(luò)資料。通過網(wǎng)絡(luò)了解無人駕駛技術(shù)的原理及核心技術(shù);讓學(xué)生知道無人駕駛汽車是通過車載傳感器感知道路環(huán)境、車輛位置和障礙物信息，控制車輛的轉(zhuǎn)向和速度，從而使車輛能夠安全、可靠地在道路上行駛。②查閱模塊指令功能。確定Scratch偵測指令，并區(qū)分、、三種偵測指令的功能及使用方法，為模擬無人駕駛制作提供技術(shù)支撐。③確定無人駕駛汽車線路狀況，研究如何實(shí)現(xiàn)彎道行駛技術(shù)。④明確傳感器添加位置。⑤小組分工。繪制無人駕駛汽車、繪制汽車線路、模擬生活場景繪制情境圖、編寫Scratch程序。⑥成果發(fā)布及評價(jià)。

● 探求項(xiàng)目實(shí)施，體驗(yàn)學(xué)做創(chuàng)

1.構(gòu)建真實(shí)情境，聯(lián)結(jié)新舊認(rèn)知

教學(xué)伊始，教師播放兩個(gè)視頻。視頻一：日常駕駛員駕駛汽車情況;視頻二：無人駕駛汽車在路上行駛的情況。在學(xué)生看完視頻后，教師提出問題：視頻一和視頻二駕駛員駕駛汽車有什么不同？從視頻二里我們可以看到：駕駛員的手全程脫離方向盤，汽車依然能夠根據(jù)路況自動(dòng)行駛，教師順勢明確這就是無人駕駛技術(shù)。通過聯(lián)結(jié)學(xué)生新舊認(rèn)知，為下一步項(xiàng)目探究做好學(xué)習(xí)鋪墊，并激發(fā)學(xué)生對人工智能學(xué)習(xí)的興趣，明晰本項(xiàng)目的學(xué)習(xí)任務(wù)就是制作“神奇的智能小汽車”。

2.分析生活情境，確定行駛線路

在現(xiàn)實(shí)生活中，汽車路況是多樣的。因此，教師啟發(fā)學(xué)生：要制作出怎樣的小汽車才算是成功的呢？學(xué)生在小組內(nèi)進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，并形成共識：能讓小汽車開動(dòng)不算很成功，因?yàn)樗鼪]有實(shí)現(xiàn)“智能”，能按照要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)才屬于智能小汽車。雖然大家都對這個(gè)觀點(diǎn)非常認(rèn)同，但學(xué)生仍有疑問：小汽車能否智能行駛呢？怎樣才能實(shí)現(xiàn)呢？教師順勢告訴學(xué)生，智能小汽車潛力無窮，需要大家不斷學(xué)習(xí)和研究才行，這節(jié)課我們從智能小汽車基礎(chǔ)部分做起。請以小組為單位，結(jié)合日常生活情境再次研究，小汽車運(yùn)動(dòng)應(yīng)該有哪些路況？通過小組討論得出的結(jié)論：小汽車運(yùn)動(dòng)路線應(yīng)該有以下三種：直線行駛、彎道行駛、障礙物避讓。

3.項(xiàng)目任務(wù)拆分，從易到難突破

編程對于小學(xué)生來說是比較困難的，根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，教學(xué)時(shí)采取先易后難的方式進(jìn)行，目的是激發(fā)起學(xué)習(xí)興趣，避免學(xué)生畏難情緒的發(fā)生。

（1）自主探索，直線行駛，引出指令

教師向?qū)W生提問：假如你是駕駛員，在行駛過程中，你認(rèn)為最理想的道路情況是怎樣的？學(xué)生一致認(rèn)為直線行駛是最理想化的路況，并利用Scratch自主編寫程序?qū)崿F(xiàn)沿直線行駛的小汽車（如下頁圖2）。

小A同學(xué)很快就通過運(yùn)動(dòng)模塊中的坐標(biāo)指令和實(shí)現(xiàn)了小汽車直線行駛（如圖3）;小B同學(xué)用偵測模塊中的碰到顏色指令和運(yùn)動(dòng)模塊中的移動(dòng)指令也實(shí)現(xiàn)了小汽車直線行駛（如圖4）。此時(shí)，教師提出這兩種方法都可以讓小汽車直線行駛，哪一種會更符合我們現(xiàn)實(shí)生活中的情境呢？經(jīng)過小組頭腦風(fēng)暴和全班思辨后，大家都認(rèn)為用小B同學(xué)方法好一些，因?yàn)樾同學(xué)的方法有局限性，如果遇到復(fù)雜的路況就沒法實(shí)現(xiàn)。這樣的設(shè)計(jì)既把經(jīng)驗(yàn)與知識結(jié)合起來，又把舊知與新知聯(lián)結(jié)起來，從而明確小汽車復(fù)雜路況行駛要用偵測模塊來解決，為下一步突破彎道行駛技術(shù)指明了方向，促進(jìn)了學(xué)生批判性思維的發(fā)展。

（2）分解任務(wù)，彎道行駛，突破難點(diǎn)

為了突破彎道行駛的難點(diǎn)，教師播放視頻讓學(xué)生了解現(xiàn)實(shí)中的無人駕駛是怎么實(shí)現(xiàn)的。學(xué)生通過視頻學(xué)習(xí)，知道無人駕駛汽車通過車載傳感器感知道路環(huán)境、車輛位置和障礙物信息，控制車輛的轉(zhuǎn)向和速度，使車輛能夠安全、可靠地在道路上行駛，從而明確關(guān)鍵部件就是傳感器，并提出問題：在模擬的小汽車中，傳感器應(yīng)該添加在哪里？有什么作用呢？學(xué)生通過小組討論認(rèn)為，傳感器應(yīng)該用兩種不同顏色添加在小汽車車輪的位置處，根據(jù)顏色不同的特性，可以用偵測模塊中的“”指令來判斷是否壓線，如果碰到就要旋轉(zhuǎn)。也就是說，小汽車在行駛過程中遇到右轉(zhuǎn)彎道時(shí)，右輪會壓線，這時(shí)如果右輪位置有一個(gè)傳感器，判斷是否壓線，如果壓線就要提示小汽車右轉(zhuǎn)。以此類推，如果小汽車遇到左轉(zhuǎn)彎道，左輪會壓線，左輪位置的傳感器，判斷壓線提示小汽車左轉(zhuǎn)。這樣，就能實(shí)現(xiàn)神奇智能小汽車自動(dòng)轉(zhuǎn)向了。

對于核心問題的分析，小組匯報(bào)都是你一言我一語完成的，是零散的、碎片化的，對于小汽車何時(shí)直行、何時(shí)左轉(zhuǎn)及何時(shí)右轉(zhuǎn)，沒有整體的認(rèn)知，所以，通過規(guī)范的語言重述、畫圖重現(xiàn)思維及思維導(dǎo)圖重現(xiàn)要點(diǎn)都是對學(xué)習(xí)非常有必要的。

這個(gè)環(huán)節(jié)是本課時(shí)的教學(xué)難點(diǎn)和重點(diǎn)，學(xué)生理解有一定的難度。教學(xué)時(shí)，教師可以就地取材，在黑板上畫出軌道，并用粉刷模擬小汽車在軌道上行駛，通過動(dòng)態(tài)模擬演示，讓學(xué)生知道小汽車何時(shí)應(yīng)該直行、何時(shí)應(yīng)該左轉(zhuǎn)、何時(shí)應(yīng)該右轉(zhuǎn)。讓問題聯(lián)系生活實(shí)際，從模擬生活情境中明白原理，并歸納解決問題的方法，從而培養(yǎng)學(xué)生概括、抽象和分解的能力。

（3）實(shí)踐體驗(yàn)，搭建程序，解決問題

在師生思辨原理后，教師提供基礎(chǔ)的程序搭建范式供學(xué)生參考（如下頁圖5），讓學(xué)生完成程序編寫，并要求學(xué)生制作小汽車能在線路1（如下頁圖6）和線路2（如下頁圖7）上智能行駛。大部分學(xué)生編寫的程序都能實(shí)現(xiàn)小汽車在線路1上的智能行駛。但用同樣的程序在線路2上行駛時(shí)，小汽車出現(xiàn)了翻車或脫離了原定軌道的事故，這究竟是怎么回事呢？通過日常生活經(jīng)驗(yàn)和程序調(diào)試經(jīng)驗(yàn)得知，事故的原因是車速太快以及旋轉(zhuǎn)角度、路線設(shè)置不合理。這個(gè)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生通過實(shí)踐體驗(yàn)搭建程序，并在程序測試中發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題，滲透了“做中學(xué)、學(xué)中做”的教育理念。

在項(xiàng)目實(shí)踐體驗(yàn)過程中，學(xué)生不僅要自主搭建程序，更要小組協(xié)作討論學(xué)習(xí)中遇到的困難，形成學(xué)習(xí)共同體，與老師、同學(xué)共同解決問題，在學(xué)習(xí)知識與技能的過程中培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作的意識及協(xié)作關(guān)系，提升學(xué)生的合作力。

（4）拓展提升，避開路障，鼓勵(lì)創(chuàng)新

學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)不是一朝一夕就可以完成的，需要我們在教學(xué)中不斷積累與踐行。為了激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新的欲望，教師鼓勵(lì)學(xué)生用“畫筆”設(shè)計(jì)一些獨(dú)特的路線，讓小汽車能夠安全平穩(wěn)駕駛，這樣既強(qiáng)化了路線設(shè)置的合理性，又增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性與趣味性。同時(shí)，為了進(jìn)一步模擬路況實(shí)景，教師提出：如果路上有障礙物，小汽車遇到障礙物怎樣才能自動(dòng)調(diào)頭，避免撞上去？通過師生的討論，引出“”指令判斷，這個(gè)拓展問題是給學(xué)有余力的學(xué)生一個(gè)發(fā)揮的空間與平臺，實(shí)現(xiàn)讓能飛的孩子飛起來，讓能跑的孩子跑起來，讓能走的孩子走起來，最大限度滿足不同層次的學(xué)生的成長需要。

● 作品展示交流，項(xiàng)目評價(jià)反思

項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的最終成果展示可以通過作品展覽或交流的方式進(jìn)行。公開自己的作品，不僅可以讓學(xué)生變得更有學(xué)習(xí)動(dòng)力，讓學(xué)生再次回顧自己項(xiàng)目制作歷程，促進(jìn)學(xué)生反思，而且可以讓所學(xué)的知識變得可視和易于討論，讓整個(gè)項(xiàng)目制作具有真實(shí)性。在“智能神奇小汽車”制作完成后，教師組織進(jìn)行小組與小組、同學(xué)與同學(xué)之間的交流展示，既分享成功的喜悅又可以暢談失敗的收獲，激發(fā)學(xué)生求知的欲望和實(shí)踐的激情。

項(xiàng)目化評價(jià)是伴隨著成果展示產(chǎn)生的，它指向?qū)W習(xí)目標(biāo)，具有目標(biāo)—實(shí)踐—成果—評價(jià)的一致性。評價(jià)過程中多元主體參與，運(yùn)用過程性評價(jià)和總結(jié)性評價(jià)策略，讓評價(jià)促進(jìn)學(xué)生真正投入到項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中。在教學(xué)實(shí)施過程中，教師可以對每個(gè)學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)行評價(jià)，各小組也要對其他小組作品進(jìn)行評價(jià)，每個(gè)學(xué)生也要針對自己在解決問題過程中的表現(xiàn)進(jìn)行評價(jià)。這是對學(xué)生勇于實(shí)踐的一種認(rèn)可，能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的創(chuàng)作激情和堅(jiān)持下去的勇氣。

● 結(jié)束語

人工智能教育作為面向未來教育的一個(gè)新起點(diǎn)，引導(dǎo)著孩子們自信、從容、理性地迎接即將到來的科技新時(shí)代。本項(xiàng)目通過真實(shí)情境選定項(xiàng)目、制訂計(jì)劃、活動(dòng)探究、作品制作、成果交流和活動(dòng)評價(jià)等環(huán)節(jié)，促進(jìn)了學(xué)生計(jì)算思維的深度學(xué)習(xí)，提升了學(xué)生對人工智能的認(rèn)知，培養(yǎng)了其設(shè)計(jì)能力、邏輯思維能力、動(dòng)手能力、項(xiàng)目協(xié)作能力及科學(xué)探究精神。.