基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的人工智能教學(xué)模式應(yīng)用研究

北京市第八中學(xué)怡海分校 徐啟發(fā)

一、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)和人工智能教育

（一）項(xiàng)目式學(xué)習(xí)

“項(xiàng)目式學(xué)習(xí)”（Project-based Learning，簡(jiǎn)稱PBL），也稱“基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)”“基于專題（課題）式學(xué)習(xí)”，是典型的建構(gòu)主義理論指導(dǎo)的多元學(xué)習(xí)模式。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)最初被美國(guó)的巴克教育研究所以課程標(biāo)準(zhǔn)為核心進(jìn)行界定：“一套系統(tǒng)的教學(xué)方法，它是對(duì)復(fù)雜、真實(shí)問題的探究過程，也是精心設(shè)計(jì)項(xiàng)目作品、規(guī)劃和實(shí)施項(xiàng)目任務(wù)的過程，在這個(gè)過程中，學(xué)生能夠掌握所需的知識(shí)和技能?！泵绹?guó)學(xué)者托馬斯博士認(rèn)為，“項(xiàng)目式學(xué)習(xí)首要特征是向心性，即項(xiàng)目是課程的中心”。

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是指課前精心從現(xiàn)實(shí)生活中選取和發(fā)掘項(xiàng)目，引導(dǎo)同學(xué)們通過選擇和優(yōu)化學(xué)習(xí)資源，進(jìn)行深入的分析研究方案、動(dòng)手實(shí)施、方案優(yōu)化修改、完成項(xiàng)目的一種探究活動(dòng)，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)一般還包括展示和評(píng)價(jià)。我們通常所說“項(xiàng)目”，是指具有一定探究?jī)r(jià)值和意義、能激發(fā)學(xué)生發(fā)散思維和創(chuàng)新思維、融合學(xué)科知識(shí)和技能的主題活動(dòng)。

（二）人工智能教育

人工智能被視為影響第四次工業(yè)革命和教育革命的標(biāo)志性技術(shù)，人工智能在基礎(chǔ)教育中的重要性也已成為社會(huì)共識(shí)。隨著《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》的頒布及國(guó)家大力發(fā)展人工智能背景下，中小學(xué)人工智能課程雨后春筍般出現(xiàn)。

1.對(duì)人工智能教學(xué)資源的極大需求

同學(xué)們希望在課前、課中以及課后能夠看到生動(dòng)活潑、趣味性強(qiáng)的學(xué)習(xí)資源，這些學(xué)習(xí)資源既能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能引導(dǎo)學(xué)生去學(xué)習(xí)人工智能。

2.亟須能夠調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)熱情的教學(xué)方式

學(xué)生對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人工教學(xué)很熟悉，但有時(shí)課堂中又會(huì)留有一些遺憾，比如，老師講的知識(shí)點(diǎn)當(dāng)堂課消化較慢，導(dǎo)致動(dòng)手實(shí)踐環(huán)節(jié)沒有完成。如果在課前就進(jìn)行人工智能原理的學(xué)習(xí)，勢(shì)必節(jié)省課上理解知識(shí)所花的大量時(shí)間，給自己更多的實(shí)踐機(jī)會(huì)。

3.亟須能夠分析學(xué)習(xí)過程并能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化學(xué)習(xí)的人工智能教學(xué)

學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中遇到了哪些學(xué)習(xí)問題，如何用最短的時(shí)間解決這些問題，都是人工智能教學(xué)需要繼續(xù)解決的重要問題。這就要用到學(xué)生的學(xué)習(xí)過程分析，探究出每名同學(xué)的學(xué)習(xí)路徑，然后進(jìn)行學(xué)習(xí)路徑的修正，從而使學(xué)習(xí)最優(yōu)化。

探尋能夠解決上述問題的新型人工智能教學(xué)模式，基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的人工智能教學(xué)模式就是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

（三）基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)開展人工智能教育的可行性

項(xiàng)目設(shè)計(jì)需要根據(jù)學(xué)生心理特征、認(rèn)知特點(diǎn)和日常學(xué)習(xí)生活習(xí)慣，進(jìn)行巧妙設(shè)計(jì)，具備真實(shí)的情境性，強(qiáng)調(diào)“對(duì)一個(gè)或一系列學(xué)習(xí)事件或?qū)W習(xí)活動(dòng)的綜合描述”。

1.建構(gòu)主義理論、多元智能理論、知識(shí)節(jié)點(diǎn)理論提供強(qiáng)有力的理論支撐

建構(gòu)主義教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)情境、協(xié)作、會(huì)話和意義建構(gòu)四大要素。從情境基礎(chǔ)、實(shí)施路徑、效果評(píng)價(jià)等方面來看，人工智能和項(xiàng)目式學(xué)習(xí)有著高度的契合，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)提供強(qiáng)勁的載體和方法。基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的人工智能學(xué)習(xí)，以建構(gòu)主義、加德納的多元智能理論、知識(shí)節(jié)點(diǎn)理論作為基石，充分激發(fā)學(xué)生興趣，提升人工智能核心素養(yǎng)。

2.基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的人工智能學(xué)習(xí)模式基本環(huán)節(jié)

基本環(huán)節(jié)包括：依據(jù)情境、巧設(shè)項(xiàng)目，頭腦風(fēng)暴、生成創(chuàng)意，角色分配、各司其職，活動(dòng)探究、工程設(shè)計(jì)，反復(fù)迭代、優(yōu)化產(chǎn)品，成果分享、能力提升。在整個(gè)過程中，團(tuán)隊(duì)經(jīng)理負(fù)責(zé)整個(gè)流程的設(shè)計(jì)和管理，教師只是起到引導(dǎo)輔助的作用，進(jìn)一步貫徹“學(xué)生主體、教師主導(dǎo)”的新課程理念。

二、基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)開展人工智能教學(xué)的實(shí)施步驟

基于項(xiàng)目的人工智能教學(xué)有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、探究欲望，鍛煉了他們的實(shí)踐探究和創(chuàng)新能力。下面我以基于項(xiàng)目的人工智能典型內(nèi)容為例，分析其具體的實(shí)施步驟。

（一）依據(jù)情境、巧設(shè)項(xiàng)目

要想激勵(lì)學(xué)生有好的創(chuàng)意，就必須精心設(shè)計(jì)課題。課題必須選取有典型意義，能夠調(diào)動(dòng)大多數(shù)同學(xué)的積極性。比如，我在講“人工智能編程基礎(chǔ)”的相關(guān)章節(jié)時(shí)，積極引入北師大的Mixly 軟件作為同學(xué)們編程的軟件。該軟件是圖形化界面，利用“搭積木”的方式堆疊各種圖標(biāo)，讓同學(xué)們有一個(gè)全新的體驗(yàn)，并且可以和各種傳感器連接互動(dòng)。待同學(xué)們熟悉了人工智能開發(fā)軟、硬件后，我給同學(xué)們布置研究題目：設(shè)計(jì)一個(gè)可優(yōu)化城市交通體驗(yàn)的車載裝置。

這個(gè)題目非常利于同學(xué)們發(fā)散思維：什么樣的裝置可以優(yōu)化交通體驗(yàn)？同學(xué)們都有自己的創(chuàng)意。有的同學(xué)創(chuàng)意為：在出行時(shí)，經(jīng)常會(huì)經(jīng)歷各種堵車慢行，這時(shí)候人們的心情非常煩躁。如果能夠設(shè)計(jì)出藍(lán)牙點(diǎn)歌系統(tǒng)或紅外線點(diǎn)歌系統(tǒng)，可以讓人們?cè)诘却耐瑫r(shí)，有歌曲的陪伴，利于消除煩躁。同時(shí)，產(chǎn)品的屏幕還要能顯示歌曲的名字。另外一些同學(xué)的創(chuàng)意為：為汽車設(shè)計(jì)一個(gè)超聲波裝置，當(dāng)遇到障礙時(shí)，能夠自動(dòng)停下來，并且發(fā)出報(bào)警聲音和在司機(jī)面前閃爍紅燈，提醒司機(jī)注意前方，這樣可以避免很多的交通事故，優(yōu)化司機(jī)的出行體驗(yàn)，可以更放心地開車?？梢哉f大家的思維充分發(fā)散，都很有創(chuàng)意。

很明顯，一個(gè)好的項(xiàng)目選題非常重要，能夠瞬時(shí)點(diǎn)燃同學(xué)們探究學(xué)習(xí)的熱情，開啟同學(xué)們的創(chuàng)造力和想象力。

（二）頭腦風(fēng)暴、生成創(chuàng)意

人工智能教育是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神的重要途徑之一，通過創(chuàng)新可以讓同學(xué)們生成好的產(chǎn)品創(chuàng)意。好的創(chuàng)意一般來自同學(xué)們對(duì)現(xiàn)實(shí)生活細(xì)致入微的觀察，觀察已有的事物并洞悉其工作原理，然后把這種原理遷移到新的事物或物品上去，就完成了一次創(chuàng)意。那么該如何培養(yǎng)同學(xué)們捕獲瞬間靈感，生成好的創(chuàng)意呢？北師大黃榮懷教授認(rèn)為，通過設(shè)計(jì)實(shí)踐在一定程度上能訓(xùn)練學(xué)習(xí)者發(fā)散思維、聚斂思維、形象思維、直覺思維等，進(jìn)而促進(jìn)創(chuàng)新思維的發(fā)展。我通過發(fā)散和收斂的方法來引導(dǎo)同學(xué)們進(jìn)行創(chuàng)意的初階訓(xùn)練。

（三）角色分配、各司其職

項(xiàng)目需要一個(gè)團(tuán)隊(duì)完成，而不是單人獨(dú)立完成。北師大余勝泉教授認(rèn)為，知識(shí)是學(xué)習(xí)者之間通過互動(dòng)對(duì)話共同建構(gòu)的，最終的目的就是實(shí)現(xiàn)共同體知識(shí)的增長(zhǎng)。

項(xiàng)目成員分工：項(xiàng)目共由3～5 人組成，分為團(tuán)隊(duì)經(jīng)理、硬件工程師、軟件工程師、文檔工程師等角色。每人完成自己的工作并使其最優(yōu)化。

1.團(tuán)隊(duì)經(jīng)理

負(fù)責(zé)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)利用頭腦風(fēng)暴、創(chuàng)意投票等方法生成產(chǎn)品創(chuàng)意，并進(jìn)行分工協(xié)調(diào)，遇到困難及時(shí)解決。組織產(chǎn)品功能測(cè)試和再修改，直至產(chǎn)品完美。

2.硬件工程師

硬件工程師掌握著各種材料（如金屬、塑料、木棒、紙張、電子元件等）性質(zhì)方面的相關(guān)知識(shí)，當(dāng)團(tuán)隊(duì)生成好創(chuàng)意時(shí)，他們就會(huì)運(yùn)用已有知識(shí)結(jié)合材料去創(chuàng)新，創(chuàng)造出新物品來解決問題。

3.軟件工程師

能夠按照產(chǎn)品創(chuàng)意，結(jié)合控制板、連接件等器材尺寸設(shè)計(jì)軟件程序，使產(chǎn)品運(yùn)行穩(wěn)定且軟件性能最優(yōu)化。

4.文檔工程師

能夠按照創(chuàng)意進(jìn)行圖紙的繪制，鼓勵(lì)手繪，也可以在電腦上作圖，畫出作品的俯視圖、側(cè)視圖等三視圖，并且能夠?qū)φ麄€(gè)制作過程進(jìn)行拍照記錄、文字日志記錄，并最終整理生成產(chǎn)品開發(fā)PPT 和產(chǎn)品制作手冊(cè)。

（四）活動(dòng)探究、工程設(shè)計(jì)

1.編寫程序

有了好的創(chuàng)意以后，就要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)，用人工智能技術(shù)制作出來。如果說，創(chuàng)意階段還是概念的話，設(shè)計(jì)階段就要制作產(chǎn)品模型。同學(xué)們首先在Mixly 軟件上找到相應(yīng)的傳感器，進(jìn)行連接和程序的編制。連接時(shí)，要注意和程序的各種結(jié)構(gòu)結(jié)合，比如，順序結(jié)構(gòu)、分支結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)，每種結(jié)構(gòu)的適用條件一定要設(shè)置好。例如，有時(shí)候發(fā)現(xiàn)小燈一直在閃，無法停下來，就可能誤入死循環(huán)。

不僅要會(huì)編程，還要會(huì)調(diào)試程序。比如，加入斷點(diǎn)或打印語句進(jìn)行調(diào)試，細(xì)心觀察打印語句是否成功輸出，跟蹤到同學(xué)們編寫的程序是否正確。如果不正確，是哪里出現(xiàn)了問題？同學(xué)們經(jīng)過進(jìn)一步理順概念圖、關(guān)系圖，終于把程序編寫調(diào)試出來。有的同學(xué)編程非?？?，半小時(shí)就完成一件初步的作品。

2.搭建硬件

程序編好以后，還要進(jìn)行實(shí)物連接。只有和實(shí)物連接并運(yùn)行程序后，才能看出程序是否正確。有同學(xué)在做“跑馬燈”時(shí)，本來程序效果應(yīng)該是燈帶中七顆燈依次閃亮，但發(fā)現(xiàn)實(shí)際只點(diǎn)亮了三顆。問題出現(xiàn)在哪里？于是又進(jìn)行打印語句跟蹤，發(fā)現(xiàn)程序已經(jīng)成功執(zhí)行完成。程序應(yīng)該沒有問題，那么肯定是硬件出問題了，用硬件替換法，換成其他的燈帶果然好了。所以有時(shí)候，硬件問題也是經(jīng)常遇到的。當(dāng)軟件確定沒有問題時(shí)，要考慮硬件是否有問題。再比如，一名同學(xué)調(diào)試超聲波自動(dòng)避障裝置時(shí)，怎么也得不到正確的現(xiàn)象。到底是哪里出了問題？她著急地把程序改來改去，以為編程不對(duì)。我發(fā)現(xiàn)了這一情況，引導(dǎo)她先逐一測(cè)試硬件，再一件一件添加。經(jīng)過一段時(shí)間的測(cè)試，終于發(fā)現(xiàn)是雙排的USBTTL 上傳板有故障。問題找到后更換硬件，困難即可解決。

3.基于網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間混合式學(xué)習(xí)

基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的人工智能教學(xué)，還需要借助網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間下的混合式學(xué)習(xí)。結(jié)合泛知識(shí)漣漪效應(yīng)我們可以知道，教師可以通過精心設(shè)計(jì)在線教學(xué)內(nèi)容和方法，查看學(xué)生處在知識(shí)漣漪的哪個(gè)位置，確定學(xué)生的知識(shí)空間狀態(tài)，從而設(shè)計(jì)有效的學(xué)習(xí)路徑，促進(jìn)學(xué)生從低學(xué)習(xí)節(jié)點(diǎn)向高知識(shí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)步。

在制作過程中，對(duì)一些同學(xué)們難以實(shí)現(xiàn)的電路，我積極尋求多種方式進(jìn)行引導(dǎo)。

（1）微課展示。把實(shí)驗(yàn)電路比較難的部分提前錄制成微課。讓同學(xué)們根據(jù)微課示范，去連接電路。這樣一來，同學(xué)們省時(shí)省力，學(xué)得比較輕松，提高了學(xué)習(xí)效率。

（2）任務(wù)分層。根據(jù)同學(xué)們不同的能力，在團(tuán)隊(duì)中完成不同的任務(wù)，各自完成一定的電路連接，讓每位同學(xué)都有收獲感。

（3）實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。為同學(xué)們編制合適的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，供同學(xué)們按步驟完成，這對(duì)同學(xué)們正確操作非常有幫助。

所以，在制作與實(shí)物階段，同學(xué)們一定要厘清思路，不盲目去連接實(shí)驗(yàn)電路，爭(zhēng)取把創(chuàng)意與實(shí)物連接做到最優(yōu)化。

（五）反復(fù)迭代、優(yōu)化產(chǎn)品

各個(gè)部件制作出來后，進(jìn)行組裝集成測(cè)試，測(cè)試中可能會(huì)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品已有的一些問題。例如，Arduino 主板成功放置在3D 打印外殼中，但是忘記打出線孔，全封閉的外殼無法伸出傳感器的連線，怎么辦？看看時(shí)間還夠，趕緊改變3D 建模中不恰當(dāng)?shù)牟糠郑嫘拚笾匦麓蛴?。之后，等所有的外殼都完美無瑕并組裝后，又突然發(fā)現(xiàn)主板不亮了。經(jīng)故障排查發(fā)現(xiàn)，接線不牢固，重新插牢就好了。最后，經(jīng)過大家的不懈努力，人工智能產(chǎn)品終于成功制作出來。

（六）成果分享、能力提升

讓同學(xué)們把在制作過程中獲得的成就感積極分享出去，顯然能讓更多同學(xué)感受到成功與快樂。所以，人工智能教學(xué)應(yīng)設(shè)置分享與評(píng)價(jià)的環(huán)節(jié)。通過分享與評(píng)價(jià)，讓同學(xué)們能夠感知彼此長(zhǎng)處，以便學(xué)習(xí)和借鑒。而分享本身，實(shí)際上也蘊(yùn)含了積極交流，互通有無，互相借鑒，積極提升人工智能素養(yǎng)。

三、基于項(xiàng)目的人工智能學(xué)習(xí)，提升學(xué)生AI 素養(yǎng)

（一）培養(yǎng)了積極的人工智能情感

我在設(shè)置人工智能項(xiàng)目主題時(shí)，盡量尋找那些本身就生活化、真實(shí)的任務(wù)場(chǎng)景做項(xiàng)目研究課題，這樣更有利于同學(xué)在完成課題過程中，尋找貼近生活的靈感和創(chuàng)意。通過真實(shí)項(xiàng)目的制作，讓同學(xué)們感受成功的樂趣、發(fā)現(xiàn)的樂趣、體驗(yàn)的樂趣，改變以往單一枯燥的學(xué)習(xí)方式。同學(xué)們積極進(jìn)行交流和匯報(bào)，有利于他們培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)精神和合作精神，以主人翁和設(shè)計(jì)者的姿態(tài)參與到人工智能制作和交流中。

（二）提高同學(xué)們的動(dòng)手實(shí)踐能力

基于項(xiàng)目的人工智能教學(xué)，極大地培養(yǎng)了同學(xué)們的動(dòng)手能力和解決實(shí)際問題能力，并用這些能力和方法，解決學(xué)習(xí)生活中遇到的困難和難題。同時(shí)還可以鍛煉同學(xué)們“自頂向下，逐步細(xì)化”項(xiàng)目思維，把一個(gè)宏大目標(biāo)拆分成若干小任務(wù)，然后逐個(gè)完成。這種有計(jì)劃、有步驟的做事能力，必將對(duì)他們的實(shí)踐能力、工程思維有很大幫助，也將為他們?nèi)蘸蟮膭?chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)打下良好的基礎(chǔ)。

總之，基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的人工智能教學(xué)模式可以極大促進(jìn)學(xué)生人工智能素養(yǎng)的提升。