基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的中小學(xué)人工智能教學(xué)實(shí)踐

黃光宇

【摘 要】近年來(lái)，中小學(xué)人工智能教育在國(guó)內(nèi)外受到廣泛的關(guān)注。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)教學(xué)模式與中小學(xué)人工智能教學(xué)需求相契合，本文結(jié)合筆者的教學(xué)實(shí)踐，總結(jié)了中小學(xué)人工智能項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的四個(gè)環(huán)節(jié)：確定主題、制定方案、創(chuàng)意物化、總結(jié)展示，探索如何構(gòu)建高效的人工智能課堂，以期為新課程標(biāo)準(zhǔn)中人工智能模塊的教學(xué)提供新的思路。

【關(guān)鍵詞】人工智能；中小學(xué)；項(xiàng)目式學(xué)習(xí)

【中圖分類號(hào)】G434? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2023）08-060-03

人工智能涉及自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)等多個(gè)學(xué)科的交叉應(yīng)用，學(xué)科綜合性較強(qiáng)，強(qiáng)調(diào)以特定的思維和推理方式在實(shí)踐中解決問(wèn)題[1]。巴克教育研究所提出了能讓學(xué)生最大程度學(xué)習(xí)和參與的項(xiàng)目“黃金準(zhǔn)則”：富有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題或困難、持續(xù)探究、真實(shí)性、學(xué)生的發(fā)言權(quán)和選擇、全程反思、批判和修訂、作品公開(kāi)展示。項(xiàng)目式學(xué)習(xí)能有效地幫助學(xué)生構(gòu)建綜合性較強(qiáng)的人工智能知識(shí)，學(xué)生能得到更多的合作、實(shí)踐和展示機(jī)會(huì)，達(dá)到全面培養(yǎng)學(xué)生能力的教學(xué)效果。本文嘗試以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的方式開(kāi)展中小學(xué)人工智能教學(xué)，探索如何構(gòu)建高效的人工智能課堂，綜合提升學(xué)生的人工智能技術(shù)和信息素養(yǎng)。

人工智能教學(xué)的內(nèi)容選擇與實(shí)施路徑

中小學(xué)人工智能教學(xué)，旨在通過(guò)生活中的人工智能應(yīng)用，讓學(xué)生理解人工智能的特點(diǎn)、優(yōu)勢(shì)和能力邊界，知道人工智能與社會(huì)的關(guān)系，以及發(fā)展人工智能應(yīng)遵循的倫理道德規(guī)范[2]。雖然新課標(biāo)中將“人工智能與智慧社會(huì)”模塊放在九年級(jí)，但在日常的教學(xué)中，教師可以將其融合到“在線學(xué)習(xí)與生活”“數(shù)據(jù)與編碼”“身邊的算法”“過(guò)程與控制”“互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與創(chuàng)新”等模塊當(dāng)中，從而實(shí)現(xiàn)人工智能的應(yīng)用體驗(yàn)、了解機(jī)器計(jì)算與人工計(jì)算的異同、應(yīng)用人工智能技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)作、認(rèn)識(shí)人工智能倫理與安全挑戰(zhàn)等知識(shí)循序漸進(jìn)和螺旋上升的過(guò)程。

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)既要關(guān)注主題內(nèi)容、項(xiàng)目情境，也需要關(guān)注真實(shí)問(wèn)題的解決、大觀念的遷移，還需要關(guān)注任務(wù)完成情況、過(guò)程性評(píng)價(jià)信息等[3]。為了讓學(xué)習(xí)真正發(fā)生，筆者以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的相關(guān)理論作為指導(dǎo)，整合人工智能課程相關(guān)內(nèi)容，通過(guò)讓學(xué)生深入?yún)⑴c具體項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、實(shí)施和評(píng)估，幫助學(xué)生掌握知識(shí)和技能。在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，教師要強(qiáng)調(diào)學(xué)生的合作交流，注重解決真實(shí)問(wèn)題和作品的產(chǎn)出。筆者在教學(xué)實(shí)踐中不斷探索和總結(jié)，整理出基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的人工智能教學(xué)實(shí)施策略（圖1）。

教師以組織者和指導(dǎo)者的身份參與到學(xué)生的項(xiàng)目實(shí)踐過(guò)程中，指導(dǎo)學(xué)生以分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的方法為主，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的項(xiàng)目意識(shí)，注重項(xiàng)目管理和團(tuán)隊(duì)協(xié)作。進(jìn)而幫助學(xué)生小組更好地開(kāi)展項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，完成人工智能知識(shí)的學(xué)習(xí)，最終形成作品并展示評(píng)價(jià)。

教學(xué)實(shí)例：校服檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作

基于實(shí)際的教學(xué)情況，筆者在開(kāi)展了一定圖形化編程和開(kāi)源硬件應(yīng)用的社團(tuán)班進(jìn)行人工智能項(xiàng)目“校服檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作”的教學(xué)，主要包括訓(xùn)練模型、Mind+編程實(shí)現(xiàn)算法、MaixDuino開(kāi)發(fā)板實(shí)現(xiàn)圖像識(shí)別、開(kāi)源硬件實(shí)現(xiàn)門(mén)禁控制等技術(shù)要點(diǎn)。項(xiàng)目總共8個(gè)課時(shí)，歷時(shí)4周。

1．創(chuàng)設(shè)情境，確定主題

人工智能的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)注重使用人工智能技術(shù)解決真實(shí)的問(wèn)題，學(xué)生學(xué)習(xí)到的知識(shí)和解決問(wèn)題的能力最終也會(huì)反饋到真實(shí)的生活中，這要求項(xiàng)目式學(xué)習(xí)所產(chǎn)生的效果應(yīng)當(dāng)與真實(shí)世界產(chǎn)生某種實(shí)際的聯(lián)系。因此，項(xiàng)目的啟動(dòng)要從學(xué)生身邊真實(shí)的問(wèn)題出發(fā)，激發(fā)學(xué)生項(xiàng)目探究的興趣。

本項(xiàng)目聯(lián)系學(xué)生的校園生活，引出學(xué)生的真實(shí)體驗(yàn)：每天都有一些學(xué)生不按學(xué)校要求穿著校服、不按要求佩戴紅領(lǐng)巾等情況出現(xiàn)，這些情況也會(huì)影響班級(jí)的總體德育評(píng)分，不利于學(xué)校的管理。教師鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行思考，每位學(xué)生可能只關(guān)注到每天自己進(jìn)入校園時(shí)看到的個(gè)別現(xiàn)象，如果把范圍擴(kuò)大到全校幾千名學(xué)生身上時(shí)，就會(huì)有一個(gè)突出的問(wèn)題：“需要檢查的學(xué)生數(shù)量大，花費(fèi)時(shí)間跨度長(zhǎng)，檢查效率低”。問(wèn)題提出后，很容易引起學(xué)生的共情，自然地引出了項(xiàng)目的需求——設(shè)計(jì)一個(gè)校服（紅領(lǐng)巾）檢測(cè)裝置，幫助學(xué)校進(jìn)行高效地管理。接下來(lái)的環(huán)節(jié)水到渠成，學(xué)生分小組討論，基于已有的知識(shí)儲(chǔ)備，充分發(fā)散思維，逐步探討和形成項(xiàng)目創(chuàng)作的主題。

2．設(shè)計(jì)論證，制定方案

學(xué)生以小組形式開(kāi)展的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，實(shí)際上是以項(xiàng)目作品創(chuàng)作的過(guò)程為載體，通過(guò)合作的形式共同完成知識(shí)的建構(gòu)。本案例的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，學(xué)生要學(xué)會(huì)結(jié)合已有的知識(shí)儲(chǔ)備，將項(xiàng)目的基本信息、項(xiàng)目實(shí)施計(jì)劃、作品設(shè)計(jì)、項(xiàng)目匯報(bào)計(jì)劃、問(wèn)題預(yù)測(cè)和解決策略等內(nèi)容整理出來(lái)。

項(xiàng)目方案是整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施的基礎(chǔ)，對(duì)于能否順利完成項(xiàng)目十分重要，這是學(xué)生小組合作的開(kāi)端，也是學(xué)生整體性思維和信息意識(shí)培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。學(xué)生往往會(huì)在這個(gè)階段產(chǎn)生較大的困惑，這就需要充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的合作意識(shí)，此時(shí)教師的合理指導(dǎo)就顯得尤為重要。教師引導(dǎo)學(xué)生以成果為導(dǎo)向，逆向思考方案的設(shè)計(jì)，可以有以下類似的提問(wèn)“展示作品的形式具體怎么做”“最終要呈現(xiàn)的作品有哪些功能”“實(shí)現(xiàn)作品的功能，需要用到哪些技術(shù)”等。教師根據(jù)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中可能遇到的困難設(shè)置問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生形成合理方案框架，也要適當(dāng)?shù)丶尤雽W(xué)生方案細(xì)節(jié)修改的討論中，一方面給予學(xué)生修改建議，另一方面可以幫助所有的小組成員適應(yīng)項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，打好小組合作的基礎(chǔ)，完成本階段項(xiàng)目實(shí)施方案的制定。

3．合作探究，創(chuàng)意物化

學(xué)生創(chuàng)作項(xiàng)目作品，是對(duì)已習(xí)得的人工智能知識(shí)和技能的實(shí)踐和驗(yàn)證。項(xiàng)目作品的創(chuàng)作實(shí)際上是解決具體問(wèn)題的過(guò)程，學(xué)生在解決問(wèn)題的過(guò)程中完成人工智能課程內(nèi)容的學(xué)習(xí)和鞏固。“校服檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作”項(xiàng)目作品的物化過(guò)程，大體解決了四個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：如何判斷是否有學(xué)生經(jīng)過(guò)、如何識(shí)別學(xué)生是否穿了校服、識(shí)別到未穿校服后如何處理和作品能否在真實(shí)環(huán)境中部署。

以問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)，學(xué)生很容易把握住作品設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，將項(xiàng)目進(jìn)行模塊化分解，逐個(gè)擊破關(guān)鍵問(wèn)題，再進(jìn)行整合，從而不斷優(yōu)化算法設(shè)計(jì)和作品制作，最后體現(xiàn)在代碼的模塊化和作品的整體性上，有利于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，深化人工智能技術(shù)在解決真實(shí)問(wèn)題方面的應(yīng)用。上述的幾個(gè)問(wèn)題將項(xiàng)目的主要技術(shù)和原理巧妙地融入其中，以第二個(gè)問(wèn)題“如何識(shí)別學(xué)生是否穿了校服”為例，教師授課時(shí)主要通過(guò)以下策略解決關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)。

一是人工智能實(shí)現(xiàn)的一般過(guò)程。教師先給學(xué)生展示一個(gè)從來(lái)沒(méi)見(jiàn)過(guò)的動(dòng)物“鼠兔”的圖片，讓學(xué)生說(shuō)出鼠兔的特點(diǎn)。在學(xué)生對(duì)鼠兔有了一定的猜想后，在眾多的老鼠和兔子等動(dòng)物的圖片中找出鼠兔的圖片，所有學(xué)生都能很快地找出鼠兔。教師引導(dǎo)學(xué)生思考他們是通過(guò)“觀察圖片認(rèn)識(shí)鼠兔→判斷鼠兔→選擇鼠兔圖片”三個(gè)步驟挑選出鼠兔的，進(jìn)而總結(jié)出人工智能實(shí)現(xiàn)的一般過(guò)程：感知→學(xué)習(xí)和決策→付諸行動(dòng)。

二是校服識(shí)別模型訓(xùn)練。此環(huán)節(jié)主要通過(guò)MaixHub模型訓(xùn)練平臺(tái)完成校服識(shí)別模型的訓(xùn)練，學(xué)生在教師的示范講解下，掌握模型訓(xùn)練的四個(gè)步驟：創(chuàng)建數(shù)據(jù)集、配置訓(xùn)練參數(shù)、模型訓(xùn)練、模型部署。最終學(xué)生通過(guò)平臺(tái)協(xié)作，對(duì)數(shù)百?gòu)垐D片進(jìn)行標(biāo)注，并完成了模型的訓(xùn)練。該模型可以直接通過(guò)攝像頭線上部署，也可以下載為kmodel文件供MaixDuino開(kāi)發(fā)板部署使用。

三是MaixDuino開(kāi)發(fā)板的使用。教師提供參考代碼，講解如何使用Mind+編程軟件在MaixDuino開(kāi)發(fā)板中運(yùn)行kmodel模型，對(duì)代碼中的變量、錨點(diǎn)、模型初始化等主要內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)的講解，以便學(xué)生能理解算法運(yùn)行的內(nèi)在邏輯，為學(xué)生后續(xù)的創(chuàng)作和優(yōu)化打好基礎(chǔ)。教師基于活動(dòng)過(guò)程適時(shí)地采用學(xué)習(xí)支架策略創(chuàng)設(shè)或改變學(xué)習(xí)情境、氛圍，持續(xù)維持學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和活躍性[4]。項(xiàng)目的實(shí)施過(guò)程中教師有意識(shí)地強(qiáng)調(diào)項(xiàng)目作品的創(chuàng)作是一個(gè)不斷驗(yàn)證和改進(jìn)的過(guò)程，針對(duì)典型的問(wèn)題進(jìn)行講解，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)作品存在的問(wèn)題開(kāi)展后續(xù)的改造。

4．總結(jié)展示，知識(shí)遷移

完成項(xiàng)目作品的物化創(chuàng)作不是項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的終點(diǎn)，學(xué)生需要總結(jié)和梳理項(xiàng)目實(shí)施的整個(gè)過(guò)程，進(jìn)行思維遷移，提煉項(xiàng)目實(shí)踐的過(guò)程、經(jīng)驗(yàn)和思維方式，并應(yīng)用到新的項(xiàng)目學(xué)習(xí)和創(chuàng)作中。

作品完成后，各小組要完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)書(shū)、展示PPT、演示最終作品等，用以匯報(bào)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思路和創(chuàng)作過(guò)程，分享創(chuàng)作經(jīng)驗(yàn)。教師根據(jù)學(xué)生小組的匯報(bào)對(duì)他們的項(xiàng)目成果做出綜合評(píng)價(jià)，鼓勵(lì)學(xué)生以批判性思維對(duì)自己作品的設(shè)計(jì)進(jìn)行論證，找出優(yōu)點(diǎn)和缺陷，并給出作品改進(jìn)的思路，如能否同時(shí)識(shí)別校服和紅領(lǐng)巾、能否實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)檢測(cè)、能否添加語(yǔ)音提示、不穿校服的數(shù)據(jù)如何統(tǒng)計(jì)等。同時(shí)，教師鼓勵(lì)有能力的學(xué)生進(jìn)一步優(yōu)化作品的設(shè)計(jì)，或者嘗試使用人工智能知識(shí)解決其他真實(shí)問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生后續(xù)創(chuàng)作的熱情。

教學(xué)評(píng)價(jià)和效果分析

案例中對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)，主要從個(gè)人評(píng)價(jià)和小組評(píng)價(jià)兩個(gè)方面進(jìn)行。個(gè)人評(píng)價(jià)以學(xué)生自評(píng)、組內(nèi)互評(píng)和教師評(píng)價(jià)三個(gè)方式進(jìn)行，主要關(guān)注的是學(xué)生個(gè)人知識(shí)技能、合作溝通、思維情感等方面的評(píng)價(jià)。小組評(píng)價(jià)以組間互評(píng)、教師評(píng)價(jià)為主，主要關(guān)注項(xiàng)目式學(xué)習(xí)過(guò)程中小組的團(tuán)隊(duì)協(xié)作、作品質(zhì)量、匯報(bào)效果等方面的評(píng)價(jià)。教師在評(píng)價(jià)中，要同時(shí)關(guān)注學(xué)生項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的過(guò)程和結(jié)果，既要重視最終作品的完成質(zhì)量，也要重視學(xué)生在項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的合作、溝通和動(dòng)手實(shí)踐能力。

隨著項(xiàng)目實(shí)施的深入，學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性有所改善，合作解決問(wèn)題的能力得到提升，每位學(xué)生都能在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的過(guò)程中展現(xiàn)自己的閃光點(diǎn)，學(xué)生基本都能根據(jù)自己的能力特長(zhǎng)負(fù)責(zé)相應(yīng)的項(xiàng)目?jī)?nèi)容，最終的作品完成度都比較高。學(xué)生在解決問(wèn)題的過(guò)程中逐步收獲成功，建立了學(xué)習(xí)人工智能的自信心。

人工智能是一門(mén)新興學(xué)科，其相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容第一次在課標(biāo)中出現(xiàn)，目前中小學(xué)信息科技教師大多沒(méi)有人工智能知識(shí)背景，缺少系統(tǒng)地開(kāi)展人工智能課程教學(xué)的能力。本文結(jié)合筆者的教學(xué)實(shí)踐，總結(jié)了中小學(xué)人工智能項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的四個(gè)環(huán)節(jié)“確定主題、制定方案、創(chuàng)意物化、總結(jié)展示”，探索如何構(gòu)建高效的人工智能課堂，以期為新課程標(biāo)準(zhǔn)中人工智能模塊的教學(xué)提供新的思路。

注：本文系廣東省教育科學(xué)規(guī)劃2021年度中小學(xué)教師教育科研能力提升計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目“‘輕人工智能課程在中小學(xué)教育的實(shí)踐研究”（課題批準(zhǔn)號(hào)：2021ZQJK059）研究成果

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編? ?輯：馮艷艷