基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的小學(xué)人工智能課程模式研究

摘要：本文基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)理論，構(gòu)建了人工智能課程“七步法”教學(xué)模式，并以“保衛(wèi)AI實(shí)驗(yàn)室”項(xiàng)目為例，開展教學(xué)實(shí)踐。研究發(fā)現(xiàn)，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)能夠增強(qiáng)人工智能課程中學(xué)生的體驗(yàn)和參與度，培養(yǎng)跨學(xué)科思維，并使其適應(yīng)未來生活需要。

關(guān)鍵詞：項(xiàng)目式學(xué)習(xí)；人工智能；課程模式

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2024）19-0056-04

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）強(qiáng)調(diào)教育課程必須與時(shí)代同步，以培養(yǎng)學(xué)生對信息科技發(fā)展趨勢的敏感性和適應(yīng)能力。同時(shí)，提倡采用真實(shí)性學(xué)習(xí)的方法，即通過真實(shí)問題或項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的方式，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷原理應(yīng)用、計(jì)算思維以及數(shù)字化工具的使用過程，從而促進(jìn)知識(shí)的建構(gòu)和問題解決能力的提升。此外，新課標(biāo)中還加入了人工智能教學(xué)模塊，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對人工智能概念的理解和應(yīng)用能力的重要性。

但目前義務(wù)教育階段的人工智能教學(xué)主要集中于對單一知識(shí)點(diǎn)的講解，教師圍繞這些知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)教學(xué)流程和任務(wù)，以確保學(xué)生能夠掌握基礎(chǔ)知識(shí)。然而，這種以知識(shí)點(diǎn)為中心的教學(xué)模式可能導(dǎo)致學(xué)生在綜合應(yīng)用這些知識(shí)點(diǎn)解決實(shí)際問題時(shí)遇到困難。而借助項(xiàng)目式學(xué)習(xí)法，能夠顯著提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力，培養(yǎng)學(xué)生跨學(xué)科思維，并使其適應(yīng)未來生活需要。因此，筆者在實(shí)踐中基于真實(shí)問題情境，依托人工智能相關(guān)技術(shù)，結(jié)合項(xiàng)目式學(xué)習(xí)理論，構(gòu)建了人工智能課程“七步法”教學(xué)模式。該模式鼓勵(lì)學(xué)生通過小組合作和探究學(xué)習(xí)的方式，分析和解決實(shí)際問題，以此提升學(xué)生的綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維。

人工智能課程模式

人工智能課程“七步法”教學(xué)模式包含“項(xiàng)目選題—項(xiàng)目規(guī)劃—方案交流—學(xué)習(xí)探究—項(xiàng)目實(shí)施—成果分享—活動(dòng)評價(jià)”七個(gè)步驟（如下頁圖1）。

項(xiàng)目選題：教師創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，鼓勵(lì)學(xué)生提出具有挑戰(zhàn)性的驅(qū)動(dòng)性問題。

項(xiàng)目規(guī)劃：學(xué)生組建團(tuán)隊(duì)，通過頭腦風(fēng)暴確定項(xiàng)目方案，并繪制初步草圖。

方案交流：學(xué)生展示自己的方案，基于個(gè)人經(jīng)驗(yàn)討論其可行性。教師在此過程中提供專業(yè)指導(dǎo)和反饋。

學(xué)習(xí)探究：在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生深入探究相關(guān)知識(shí)，為項(xiàng)目實(shí)施奠定理論基礎(chǔ)。

項(xiàng)目實(shí)施：學(xué)生利用已學(xué)知識(shí)，動(dòng)手實(shí)踐，將方案轉(zhuǎn)化為具體作品。教師提供必要的學(xué)習(xí)資源和腳手架，支持學(xué)生的創(chuàng)作過程。

成果分享：通過產(chǎn)品發(fā)布會(huì)等形式，學(xué)生展示最終作品，并進(jìn)行自評和互評。

活動(dòng)評價(jià)：教師對學(xué)生的展示進(jìn)行點(diǎn)評，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)過程中的亮點(diǎn)和需要改進(jìn)的地方。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)

1.項(xiàng)目目標(biāo)

下面，筆者以“保衛(wèi)AI實(shí)驗(yàn)室”項(xiàng)目為例，談?wù)勅绾卧诮虒W(xué)中實(shí)施“七步法”教學(xué)模式。根據(jù)新課標(biāo)和《深圳市義務(wù)教育人工智能課程綱要》的要求，“保衛(wèi)AI實(shí)驗(yàn)室”項(xiàng)目旨在實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

①形成人工智能意識(shí)。學(xué)會(huì)主動(dòng)探索和應(yīng)用人工智能技術(shù)與工具解決問題；認(rèn)識(shí)到人工智能對推動(dòng)國家可持續(xù)發(fā)展所起的關(guān)鍵作用。

②發(fā)展人工智能思維。通過學(xué)習(xí)了解人臉識(shí)別、圖像識(shí)別、語音識(shí)別等人工智能技術(shù)背后的原理，認(rèn)識(shí)到機(jī)器感知和人機(jī)交互在解決問題中的重要性；學(xué)會(huì)如何利用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)保衛(wèi)AI實(shí)驗(yàn)室的目標(biāo)，從而有效解放人力資源，提升效率。

③關(guān)注過程中的美學(xué)。通過產(chǎn)品的不斷迭代，學(xué)習(xí)如何在邏輯和外觀上追求卓越，培養(yǎng)對科技美學(xué)的敏感性和創(chuàng)造力。

2.項(xiàng)目主題選定

為了深入了解學(xué)生的真實(shí)需求，筆者面向人工智能社團(tuán)的學(xué)生設(shè)計(jì)并發(fā)放了問卷，詢問他們“AI實(shí)驗(yàn)室還有什么不足的地方”，旨在引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注生活中的實(shí)際問題，并發(fā)現(xiàn)他們的興趣所在。最終確定的項(xiàng)目主題為：如何利用人工智能技術(shù)來解決學(xué)校放置機(jī)器人的教室無人看守、容易丟失的問題。具體來說，項(xiàng)目將探索和開發(fā)一種智能系統(tǒng)，用以限制非授權(quán)人員進(jìn)出教室，從而保護(hù)機(jī)器人和其他教學(xué)設(shè)備的安全。

3.項(xiàng)目架構(gòu)

“保衛(wèi)AI實(shí)驗(yàn)室”項(xiàng)目是筆者為所在學(xué)校六年級學(xué)生設(shè)計(jì)的人工智能課程（如圖2）?？紤]到學(xué)校AI智能實(shí)驗(yàn)室在非上課時(shí)間無人看守，且內(nèi)部存放著大量貴重機(jī)器人的現(xiàn)狀，筆者引入了Magician Lite、DOBOTLAB平臺(tái)等人工智能技術(shù)，旨在通過技術(shù)手段提高實(shí)驗(yàn)室的安全性。

①課程組織形式：主要以小組合作的形式進(jìn)行，鼓勵(lì)學(xué)生在團(tuán)隊(duì)中交流想法，協(xié)作解決問題。

②課程時(shí)長：預(yù)計(jì)7課時(shí)完成，確保學(xué)生有充足的時(shí)間進(jìn)行深入探究和實(shí)踐。

③實(shí)踐場地：在學(xué)校的機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室開展課程教學(xué)，讓學(xué)生在實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行思考和操作。

4.項(xiàng)目內(nèi)容

教學(xué)內(nèi)容為Magician Lite硬件、DOBOTLAB軟件，它們是學(xué)校的校本課程內(nèi)容。對本次項(xiàng)目式學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)如下。

第一課時(shí)：情境創(chuàng)設(shè)與項(xiàng)目規(guī)劃

目標(biāo)：通過分享真實(shí)情境，激發(fā)好奇心和探究欲，提出問題并形成初步的解決方案。

活動(dòng)：學(xué)生以小組形式交流想法，繪制產(chǎn)品草圖。

第二課時(shí)：方案交流與可行性分析

目標(biāo)：通過組間交流，鼓勵(lì)批判性思考，改進(jìn)方案，并評估其可行性。

活動(dòng)：各組展示初步方案，接受同伴和老師的反饋。

第三課時(shí)：學(xué)習(xí)探究——人工智能原理學(xué)習(xí)

目標(biāo)：學(xué)習(xí)人臉識(shí)別、語音識(shí)別、圖像識(shí)別等人工智能原理，并將其應(yīng)用于程序搭建中。

活動(dòng)：通過學(xué)習(xí)支架學(xué)習(xí)人工智能原理與知識(shí)。

第四、五課時(shí)：項(xiàng)目實(shí)施

目標(biāo)：利用可用零配件，根據(jù)草圖搭建模型，體驗(yàn)從理論到實(shí)踐的過程。

活動(dòng)：動(dòng)手操作，實(shí)現(xiàn)作品的功能性，將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為實(shí)體模型。

第六課時(shí)：成果分享

目標(biāo)：進(jìn)一步完善作品，并制作介紹視頻，分享學(xué)習(xí)過程和成果。

活動(dòng)：拍攝視頻，上傳至學(xué)習(xí)平臺(tái)，供其他小組學(xué)習(xí)，并根據(jù)反饋優(yōu)化作品。

第七課時(shí)：產(chǎn)品發(fā)布會(huì)與活動(dòng)評價(jià)

目標(biāo)：通過模擬產(chǎn)品發(fā)布會(huì)形式展示作品，并評選出最佳“AI實(shí)驗(yàn)室管理員”。

活動(dòng)：進(jìn)行作品展示、課程總結(jié)，評價(jià)學(xué)習(xí)過程，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行反思。

5.項(xiàng)目資源設(shè)計(jì)與開發(fā)

本次學(xué)習(xí)活動(dòng)的核心目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的自主探究學(xué)習(xí)能力。為了適應(yīng)學(xué)生的多樣化方案，筆者搭建了定制化的學(xué)習(xí)腳手架，主要有以下兩種：①學(xué)習(xí)任務(wù)單。為學(xué)生提供清晰的學(xué)習(xí)目標(biāo)和步驟，引導(dǎo)他們通過任務(wù)驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)。②微課。制作簡短、針對性強(qiáng)的教學(xué)視頻，幫助學(xué)生快速掌握關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)。

此外，在整個(gè)學(xué)習(xí)過程中，筆者還鼓勵(lì)學(xué)生使用網(wǎng)絡(luò)收集資料，使用思維導(dǎo)圖與流程圖軟件整理思路、規(guī)劃項(xiàng)目流程。

6.項(xiàng)目評價(jià)

本次項(xiàng)目式學(xué)習(xí)評價(jià)分為過程性評價(jià)和總結(jié)性評價(jià)，采用自評、互評、師評等多元主題評價(jià)方式。過程性評價(jià)從知識(shí)理解與掌握、技能操作與運(yùn)用、分析與解決問題的能力、團(tuán)隊(duì)合作與溝通、項(xiàng)目管理與時(shí)間規(guī)劃、學(xué)習(xí)態(tài)度與自我反思、創(chuàng)新思維與實(shí)踐多個(gè)維度開展?？偨Y(jié)性評價(jià)從項(xiàng)目完成情況、文稿與PPT制作情況、總體表現(xiàn)與態(tài)度等幾個(gè)方面進(jìn)行。

項(xiàng)目實(shí)踐

1.真實(shí)情境，項(xiàng)目選題

為了迅速激發(fā)學(xué)生的積極性，教師以學(xué)校信息科技教師的身份向?qū)W生發(fā)出邀請信，正式賦予他們AI實(shí)驗(yàn)室管理員的身份，并引導(dǎo)他們提出關(guān)鍵問題：如何有效管理AI實(shí)驗(yàn)室？

2.小組合作，項(xiàng)目規(guī)劃

學(xué)生分成小組，通過實(shí)地考察教室布局，開展頭腦風(fēng)暴，對提出的問題進(jìn)行深入思考。學(xué)生需要理順產(chǎn)品的功能、所需零部件和相關(guān)人工智能技術(shù)，并填寫規(guī)劃表格，制訂詳細(xì)方案，進(jìn)行組內(nèi)分工，繪制搭建模型。在此過程中，教師作為引導(dǎo)者，幫助學(xué)生評估方案的可行性。

在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生提出了以下三個(gè)方向的方案：說出“暗號(hào)”，進(jìn)行語音識(shí)別開門；佩戴手環(huán)，通過圖像識(shí)別開門；錄入人臉信息，通過人臉識(shí)別開門。本文介紹通過人臉識(shí)別開門的方案。

①小組合作，方案交流。通過組間的分享和討論，學(xué)生不僅可以展示自己的方案，還可以從其他組的方案中獲得新的靈感。這種交流有助于學(xué)生相互學(xué)習(xí)，更新迭代自己的方案，提高其可行性。

②學(xué)習(xí)交流，分享探究。教師提前將相關(guān)的學(xué)習(xí)支架上傳至精準(zhǔn)教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生通過學(xué)習(xí)對應(yīng)組別的微課資料，深入了解想要制作的產(chǎn)品背后的人工智能原理。例如，人臉識(shí)別組的學(xué)生通過類比人類識(shí)別人臉的過程來理解機(jī)器識(shí)別人臉的原理，從而把握課程的核心內(nèi)容。

在理解了人臉識(shí)別的基本原理之后，小組成員將這一復(fù)雜的概念轉(zhuǎn)化為具體的編程任務(wù)——建立人臉信息數(shù)據(jù)庫、讓攝像頭采集人臉、讓有權(quán)限的同學(xué)進(jìn)入AI實(shí)驗(yàn)室。

3.編程搭建，項(xiàng)目實(shí)施

在本項(xiàng)目中，人工智能軟件與硬件緊密結(jié)合，使學(xué)生能夠根據(jù)自己的前期規(guī)劃和設(shè)計(jì)目標(biāo)，靈活選擇并應(yīng)用不同的人工智能模塊，從而個(gè)性化地構(gòu)建項(xiàng)目。

為了支持學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，教師在精準(zhǔn)教學(xué)平臺(tái)上提供了相關(guān)的學(xué)習(xí)單和腳手架，旨在引導(dǎo)學(xué)生通過自我探索來理解復(fù)雜概念。同時(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生提出問題，并通過這些問題來識(shí)別和突破學(xué)習(xí)過程中的難點(diǎn)。

另外，教師要求學(xué)生以小組為單位，錄制自己組內(nèi)作品的介紹視頻及搭建步驟、方法，并上傳至精準(zhǔn)教學(xué)平臺(tái)，鼓勵(lì)不同小組之間相互學(xué)習(xí)、借鑒，改進(jìn)作品。

4.匯報(bào)展示，成果分享

在班級中開展“產(chǎn)品發(fā)布會(huì)”，每個(gè)小組圍繞產(chǎn)品的外觀、功能和潛在應(yīng)用進(jìn)行演講，其他小組通過使用虛擬幣“購買”產(chǎn)品的方式來評選出心目中最好的產(chǎn)品，并選出最佳“AI實(shí)驗(yàn)室管理員”。這種互動(dòng)形式不僅讓學(xué)生獲得了成就感，還再次激發(fā)了他們的學(xué)習(xí)積極性。

5.總結(jié)評價(jià)

在項(xiàng)目完成過程中，學(xué)生可以通過精準(zhǔn)教學(xué)平臺(tái)隨時(shí)進(jìn)行在線學(xué)習(xí)、上傳和下載相關(guān)的活動(dòng)資料。教師可以上傳學(xué)習(xí)支架，監(jiān)測學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，并根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)成果調(diào)整教學(xué)策略。最終，學(xué)生在平臺(tái)上填寫評價(jià)量規(guī)，通過自評、小組互評和教師點(diǎn)評的方式，完成項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的評價(jià)。

實(shí)施效果與總結(jié)

1.實(shí)施效果

本次項(xiàng)目式學(xué)習(xí)共回收了178份評價(jià)量表。通過評價(jià)量表可知，學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)有了很大提升，且能更好地綜合運(yùn)用知識(shí)。

（1）技能掌握與提升

學(xué)生在項(xiàng)目中不僅掌握了人臉識(shí)別、語音識(shí)別、圖像識(shí)別等人工智能技術(shù)，還學(xué)會(huì)了Magician Lite硬件、DOBOTLAB軟件、Xmind思維導(dǎo)圖等工具的使用。他們能夠巧妙地將這些技術(shù)融合，以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目目標(biāo)。在項(xiàng)目結(jié)束后，學(xué)生們在面對真實(shí)問題時(shí)，能夠主動(dòng)思考并應(yīng)用人工智能技術(shù)，顯示出了顯著提升的人工智能意識(shí)。

（2）創(chuàng)新思維與實(shí)踐能力的提升

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)成為了學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力的舞臺(tái)。面對“保衛(wèi)AI實(shí)驗(yàn)室”的挑戰(zhàn)，學(xué)生提出了多種解決方案，并通過不斷的實(shí)踐、試錯(cuò)和迭代來優(yōu)化方案。在最終的“產(chǎn)品發(fā)布會(huì)”上，他們展示了精彩的創(chuàng)意和成果，充分體現(xiàn)了他們的創(chuàng)新能力和解決問題能力。

2.總結(jié)

在“保衛(wèi)AI實(shí)驗(yàn)室”項(xiàng)目框架下，學(xué)生通過應(yīng)用人臉識(shí)別、圖像識(shí)別、語音識(shí)別等人工智能技術(shù)，顯著增強(qiáng)了對AI領(lǐng)域的認(rèn)識(shí)，并掌握了利用AI技術(shù)解決現(xiàn)實(shí)問題的方法。本研究的實(shí)證分析表明，基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)模式對培育具備創(chuàng)新精神和實(shí)踐技能的人工智能領(lǐng)域?qū)I(yè)人才具有顯著的積極作用。

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