基于PBL的小學(xué)人工智能教育實踐與思考
——以“騎行安全衛(wèi)士”項目課程為例

陶鑫榮 廣東省深圳市龍華區(qū)外國語學(xué)校教育集團(tuán)

●項目介紹

近年來，我國電動自行車的使用率逐年增高，隨之由電動車引發(fā)的交通事故屢見不鮮，而這些交通事故產(chǎn)生的一大部分原因是騎手忘記佩戴安全頭盔。于是，筆者提出“如何利用人工智能技術(shù)設(shè)計并制作一款能夠提醒騎手佩戴頭盔的智能作品”這一驅(qū)動性問題，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用PBL學(xué)習(xí)模式開展“騎行安全衛(wèi)士”的項目化學(xué)習(xí)活動。

●實踐過程

項目化學(xué)習(xí)實施一般包括入項探索、知識與能力建構(gòu)、合作探究、形成與修訂成果、出項和復(fù)盤五個階段。下面，筆者從這五個階段論述項目化學(xué)習(xí)的實踐過程。

1.入項探索

入項是讓學(xué)生進(jìn)入到問題解決的情境中。教師利用新聞報道將學(xué)生帶入真實生活情境：“電動自行車以其快捷、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的特點，成為現(xiàn)代人出行的‘新寵’。伴隨而來的是電動自行車引發(fā)的道路交通事故有增無減。公安部交管局道路交通事故統(tǒng)計年報顯示，2019年全國道路交通事故傷亡人員中，駕駛電動自行車導(dǎo)致死亡人數(shù)達(dá)8639人，受傷人數(shù)達(dá)44677人。深圳市自2020年以來（截至2021年2月28日），共發(fā)生涉電動車交通事故96起、死亡98人。交通死亡中74.8%是因顱腦損傷致死，重傷人員中80%是顱腦損傷。有研究顯示，安全頭盔能夠減少63%的頭部受傷和88%的顱腦損傷，不戴安全頭盔的電動車騎行者頭部受傷的危險是戴頭盔者的3倍?？梢?，佩戴頭盔是非常重要的保護(hù)措施，但是生活中常常有人騎電動車時忘記佩戴頭盔?！碑?dāng)學(xué)生驚嘆于電動車交通事故之頻繁和安全頭盔之重要時，教師提出驅(qū)動性問題：“如何提醒電動車騎行者佩戴頭盔？”由于此驅(qū)動性問題在人工智能社團(tuán)課上提出，學(xué)生自然想到能否設(shè)計一款智能作品來提醒騎手佩戴頭盔。此時驅(qū)動性問題變?yōu)椋骸叭绾卧O(shè)計并制作一款能夠提醒騎手佩戴頭盔的智能作品？”為了發(fā)散學(xué)生思維，激活學(xué)生已有知識，梳理驅(qū)動性問題的解決路徑，教師提供KWH/KWL表(如下頁表1)作為思維工具，讓學(xué)生進(jìn)行討論填寫。

表1

在澄清和梳理了學(xué)生對整個項目主題的已知和未知之后，教師可以利用問題解決流程圖(如下頁圖)引導(dǎo)學(xué)生有邏輯地思考如何完成智能作品的制作。

2.知識與能力建構(gòu)

項目化學(xué)習(xí)不是學(xué)生已有知識與能力的展現(xiàn)，而是知識與能力的再建構(gòu)?；谌腠椫袑W(xué)生暴露出的認(rèn)知難點，在這一階段通過更深入的文本、工具和支架幫助學(xué)生繼續(xù)深入探索，形成新的認(rèn)識和理解。通過入項活動，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生不了解人臉識別和物體分類的原理，不知道要用什么硬件和代碼來實現(xiàn)識別人臉和頭盔的功能，同時也不清楚如何設(shè)計和制作智能作品的外觀。知識與能力建構(gòu)的原則是先讓學(xué)生經(jīng)歷對相關(guān)問題的探索和“有效失敗”，再進(jìn)行有針對性的、結(jié)構(gòu)性的教學(xué)，這會使學(xué)生對項目、核心知識有更深入和分化的理解，經(jīng)過自己的認(rèn)知加工，增強(qiáng)知識的深度、靈活性和持續(xù)性。因此，筆者提供了一個學(xué)習(xí)任務(wù)單，如表2所示。

表2

在學(xué)生每完成一個學(xué)習(xí)任務(wù)后，或普遍遇到較大困難時，教師進(jìn)行“高結(jié)構(gòu)”針對性的講解或幫助。例如，學(xué)生在自主查閱了解“人臉識別”和“物體分類”原理時，并不能真正理解技術(shù)背后的原理，此時教師進(jìn)行集中講解，利用人和機(jī)器對比的方法，讓學(xué)生理解機(jī)器其實是模仿人進(jìn)行學(xué)習(xí)，順勢引出人工智能的核心——“機(jī)器學(xué)習(xí)”的概念，并利用動漫微課等學(xué)習(xí)資源讓學(xué)生更輕松地理解人工智能的技術(shù)原理。在每個學(xué)習(xí)任務(wù)完成后，教師都為學(xué)生提供展示學(xué)習(xí)成果的機(jī)會，并進(jìn)行點評和反思，為下一環(huán)節(jié)的合作探究打下基礎(chǔ)（此環(huán)節(jié)建議利用2～3個課時完成）。

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3.合作探究

項目化學(xué)習(xí)中的合作探究是生生在教師支持下共同解決問題的過程。學(xué)生帶著先前習(xí)得的知識與能力，組成2～3人的項目小組。團(tuán)隊組建的原則是多元而異質(zhì)和男女生組合。在團(tuán)隊中三個學(xué)生分別負(fù)責(zé)編程、硬件搭建和外觀美化，同時一個學(xué)生兼任組長，起到督促項目進(jìn)度的作用。此外，項目化學(xué)習(xí)的團(tuán)隊合作探究離不開項目管理。利用團(tuán)隊日志，可以對合作探究過程進(jìn)行監(jiān)控，也可以讓教師和其他團(tuán)隊了解項目進(jìn)展，進(jìn)而獲得同學(xué)和教師的監(jiān)督和建議，以提升團(tuán)隊合作效率。

在完成項目團(tuán)隊組建后，可以根據(jù)入項環(huán)節(jié)確定的智能作品制作流程圖，進(jìn)行合作探究。最終將作品功能確定為：利用AI視覺傳感器檢測騎手人臉，檢測到人臉后，開始檢測騎手是否佩戴頭盔（利用AI視覺傳感器的物體分類功能進(jìn)行學(xué)習(xí)）。如果騎手沒戴頭盔，就發(fā)出警報，并禁止騎手啟動電動車；如果騎手正確佩戴了頭盔，則可順利啟動電動車。在編程和硬件搭建的過程中，讓學(xué)生利用已有的知識與能力進(jìn)行討論探究，在反復(fù)修改程序、調(diào)試硬件的過程中，逐步實現(xiàn)作品的功能。教師則密切關(guān)注各組的探究情況，適時給予指導(dǎo)和糾正，起到答疑解惑和推動項目進(jìn)程的作用。在外觀美化環(huán)節(jié)，可請美術(shù)教師進(jìn)行指導(dǎo)。在試用改進(jìn)環(huán)節(jié)，可進(jìn)行組內(nèi)的作品測試，排除可能存在的問題，最終形成第一代作品——“騎行安全衛(wèi)士”（此環(huán)節(jié)根據(jù)項目完成進(jìn)度安排4～6個課時完成）。

4.形成與修訂成果

在完成初代“騎行安全衛(wèi)士”后，就可以進(jìn)行成果的修訂。通過組間作品展示和自評、互評，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行反思和改進(jìn)。例如，除了發(fā)出警報音，有沒有更人性化、更清楚準(zhǔn)確的方法提醒騎手佩戴頭盔？教師引導(dǎo)學(xué)生吸納并記錄同伴的評價。通過對功能和外觀的改進(jìn)，學(xué)生完成了第二代“騎行安全衛(wèi)士”。

5.出項與復(fù)盤

出項是指學(xué)生向公眾展示自己和同伴對項目的理解與成果。此次的項目化學(xué)習(xí)的出項分為兩個部分：①在校內(nèi)進(jìn)行智能作品的微型發(fā)布會，可邀請課程以外的同學(xué)、教師、家長參與，學(xué)生按照小組依次講述自己的探究過程，展示作品成果，分享學(xué)習(xí)感觸，參與出項的師生、家長則進(jìn)行提問，展示小組學(xué)生記錄他人意見和觀點并進(jìn)行回應(yīng)；②組織學(xué)生帶著項目作品參加區(qū)、市級科創(chuàng)競賽，在賽場上與專家們對話，促進(jìn)學(xué)生對項目過程和成果的再思考。出項的過程既是對學(xué)生學(xué)習(xí)成果的總結(jié)性評價，又是綜合、多元地展現(xiàn)學(xué)生各方面成長的機(jī)會，全方位調(diào)動了學(xué)生的口才、表現(xiàn)力、勇氣、隨機(jī)應(yīng)變能力等，也反映了學(xué)生的團(tuán)隊凝聚力和溝通協(xié)作能力。

出項后還需對項目進(jìn)行整體復(fù)盤。在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生對項目的總體設(shè)計、自我參與度、學(xué)習(xí)目標(biāo)的達(dá)成、項目成果的價值進(jìn)行高度結(jié)構(gòu)性的反思，聚焦項目過程中的失誤、經(jīng)驗和教訓(xùn)，并撰寫反思筆記。

●總結(jié)與展望

通過項目化學(xué)習(xí)的方法開展人工智能教育，筆者認(rèn)為有以下優(yōu)勢：①創(chuàng)設(shè)真實情境，使學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)生的生活息息相關(guān)，增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力。在分解驅(qū)動性問題形成項目計劃的過程中，鍛煉了學(xué)生的計算思維，培養(yǎng)了學(xué)生利用人工智能技術(shù)解決問題的意識。②根據(jù)既定項目成果的目標(biāo)，以終為始形成學(xué)習(xí)目標(biāo)，在教師提供的腳手架的幫助下學(xué)生先進(jìn)行低結(jié)構(gòu)的自主探究，主動建構(gòu)知識與能力，在學(xué)生陷入僵局或探究失敗時，教師再進(jìn)行高結(jié)構(gòu)的講解或指導(dǎo)，更有利于學(xué)生學(xué)習(xí)的遷移。③采用過程性評價與總結(jié)性評價相結(jié)合的方式對學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評價。在項目進(jìn)行的過程中，利用項目管理的方式，在每個節(jié)點都進(jìn)行相應(yīng)的教師評價和小組反思，不斷迭代項目進(jìn)程，在出項環(huán)節(jié)通過展示作品，評價學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

當(dāng)然，此次項目化學(xué)習(xí)也存在一些問題：①驅(qū)動性問題的“理性價值”還不夠，沒有體現(xiàn)更為深切的社會關(guān)懷，應(yīng)該在入項時讓學(xué)生調(diào)查研究部分騎手忘戴頭盔的真實原因，從多角度探尋解決問題的方法，拓寬學(xué)生的眼界和格局，延伸項目的深度；②在項目化學(xué)習(xí)的過程中，教師的引導(dǎo)偏多，導(dǎo)致學(xué)生的項目成果趨同性較高，不利于發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新能力；③項目化學(xué)習(xí)的課堂管理也對教師提出了較高的挑戰(zhàn)，當(dāng)班額較大時，需要更多師資的投入。另外，項目化學(xué)習(xí)的課時量較大，關(guān)于項目的性價比問題也值得深入探討。