5EX模型在小學(xué)人工智能啟蒙教學(xué)中的實證研究

阮德懷

隨著計算科學(xué)的快速發(fā)展，人工智能逐漸走入人們的日常生活。2017年國務(wù)院正式印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，明確了人工智能的國家戰(zhàn)略地位，提出實施全民智能教育項目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育。然而，當(dāng)前市面上的人工智能設(shè)備價格昂貴、技術(shù)系數(shù)難度大，以及缺乏相應(yīng)的教學(xué)資源和師資力量不足等因素，導(dǎo)致國內(nèi)小學(xué)階段人工智能的研究更多停留在理論層面，課堂實踐教學(xué)研究相對缺乏。本文從借鑒高中信息技術(shù)課程方案入手，以5EX教學(xué)模型結(jié)合Kittenblock圖形化軟件開展小學(xué)人工智能啟蒙教學(xué)實踐活動，以期為后續(xù)開展小學(xué)人工智能教育提供實踐參考。

5EX教學(xué)模型與AI教學(xué)設(shè)計

5EX教學(xué)模型是由華南師范大學(xué)李克東教授提出的，5EX表示進(jìn)入情境與提出問題—探究與體驗—工程設(shè)計與技術(shù)應(yīng)用—拓展與創(chuàng)意—評價與反思。該模型以項目為驅(qū)動，通過引入生活場景，讓學(xué)生在熟悉的場景中思考問題，在彼此的交流中發(fā)展思維，在動手操作和體驗中學(xué)習(xí)關(guān)鍵技術(shù)，在分享中放飛創(chuàng)意和感受人工智能的魅力。

AI走進(jìn)課堂主要有兩方面的內(nèi)容，一方面是AI理論，另一方面是AI技術(shù)應(yīng)用。借助Kittenblock圖形化編程軟件將人工智能技術(shù)應(yīng)用引入到信息技術(shù)課堂，學(xué)生不僅可以學(xué)習(xí)編程技術(shù)和培養(yǎng)計算思維，還可以體驗人工智能的簡單應(yīng)用。結(jié)合5EX教學(xué)模型，以“微笑拍照”一課為例，闡述該模式下的人工智能教學(xué)設(shè)計，具體如圖1所示。

基于5EX模型的AI教學(xué)實踐

在人工智能啟蒙教學(xué)中，將其所涉及的知識通過真實應(yīng)用場景引入課堂教學(xué)，通過小項目的方式引發(fā)學(xué)生體驗與探究，或許是開展小學(xué)階段人工智能啟蒙教學(xué)的有效途徑。因此，在對5EX模型與教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計后，需要進(jìn)一步對其進(jìn)行完善和課堂教學(xué)探索。

1.EQ：情境與問題

小學(xué)人工智能教學(xué)應(yīng)該貼近學(xué)生實際生活，即當(dāng)下學(xué)習(xí)探索的經(jīng)驗要為將來深入學(xué)習(xí)人工智能做準(zhǔn)備。貼近學(xué)生生活的內(nèi)容，既是當(dāng)前信息技術(shù)教學(xué)主題選擇的主要方向，又可作為人工智能進(jìn)入小學(xué)信息技術(shù)課堂的結(jié)合點。因此，在該環(huán)節(jié)通過節(jié)假日外出旅行拍照來創(chuàng)設(shè)情境，讓學(xué)生在熟悉的情境中思考提出的問題：利用Kittenblock軟件如何實現(xiàn)微笑拍照？意圖在于引發(fā)學(xué)生的思考，激發(fā)學(xué)習(xí)動機(jī)。

2.EE：探索與體驗

探索未知是人類的天性，結(jié)合小學(xué)生好奇心強(qiáng)、喜歡體驗、模仿性強(qiáng)的特點，在EE環(huán)節(jié)中，教師也可將真實的體驗引入到人工智能課堂教學(xué)中，讓學(xué)生自由探索與體驗新技術(shù)，在學(xué)生體驗后引導(dǎo)其對體驗的過程進(jìn)行思考和質(zhì)疑。例如，在微笑拍照項目中，單靠教師的講解并不能讓學(xué)生明白微笑拍照的原理與腳本，針對這一情況，設(shè)計學(xué)生體驗使用手機(jī)或電腦微笑拍照，并且在體驗中思考教師提出的問題（拍照的一般流程是什么？為什么可以通過微笑實現(xiàn)拍照？如何判斷畫面中的微笑率？）。學(xué)生可以在體驗中感受微笑拍照的流程：①開啟攝像頭。②設(shè)置存放圖片路徑。③判斷畫面中人物微笑率，如果大于預(yù)設(shè)值，則拍照保存;如果小于預(yù)設(shè)值，則繼續(xù)檢測畫面人物微笑率。

3.ET：工程與技術(shù)

技術(shù)知識除了詳細(xì)的講解與體驗之外，還需要學(xué)生親自動手操作和感悟。前面已經(jīng)為動手制作做好了情境與體驗鋪墊，可是學(xué)生在操作時還是會出現(xiàn)各種問題，如有的學(xué)生忘了設(shè)置圖片存放的路徑，結(jié)果找不到拍攝的圖片等，因此，在學(xué)生遇到問題時，教師應(yīng)及時進(jìn)行整體反饋和講解，幫助學(xué)生理解與感悟該知識點。

4.EC：拓展與創(chuàng)意

為了培養(yǎng)學(xué)生的編程思維，在學(xué)生學(xué)習(xí)并操作技術(shù)后，需要教師及時引導(dǎo)學(xué)生將技術(shù)應(yīng)用拓展到生活中，做到學(xué)以致用。例如，在學(xué)習(xí)微笑拍照技術(shù)后，引導(dǎo)學(xué)生將人臉檢測技術(shù)拓展到微笑開燈、校園刷臉進(jìn)出系統(tǒng)等現(xiàn)象的模擬制作，鼓勵學(xué)生分享彼此的創(chuàng)意，形成思維碰撞，最終產(chǎn)生新的創(chuàng)意。

5.ER：評價與反思

評價是對學(xué)生階段性學(xué)習(xí)效果的評價，評價內(nèi)容包含學(xué)生成品、制作過程、學(xué)習(xí)狀態(tài)等的評價，評價方式也包含了生生互評、師生互評和網(wǎng)絡(luò)展評。學(xué)生思維在聆聽他人評價和交流中得到啟發(fā)，教師再引導(dǎo)學(xué)生對自己的創(chuàng)作過程和作品進(jìn)行反思，反思有哪些步驟、指令可以優(yōu)化，作品還可以與生活中哪些現(xiàn)象相結(jié)合等。

小學(xué)人工智能啟蒙教學(xué)建議

1.擁抱人工智能，學(xué)習(xí)AI技術(shù)

一線教育工作者要主動接受新技術(shù)，先行了解當(dāng)前適合在小學(xué)階段進(jìn)行課堂教學(xué)的軟件和硬件，特別是了解AI圖形化編程軟件，如Mind+、Kittenblock等，AI硬件中的掌控版2.0和pyAI-K210開發(fā)板等，對比分析這些軟硬件的優(yōu)劣（如表1）不難發(fā)現(xiàn)，Kittenblock更加適合作為小學(xué)階段開展人工智能教學(xué)的軟件，因為它與當(dāng)前小學(xué)信息技術(shù)圖形化編程語言教學(xué)軟件界面一樣，有利于學(xué)生從Scratch過渡到Kittenblock人工智能教學(xué)中，同時教師應(yīng)該借助網(wǎng)絡(luò)資源對AI的軟硬件進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)和研究，親自動手體驗及制作相應(yīng)的作品，并將開發(fā)出來的案例整理設(shè)計成課堂教學(xué)內(nèi)容。

2.結(jié)合生活場景，進(jìn)行項目學(xué)習(xí)

小學(xué)階段人工智能教學(xué)設(shè)計應(yīng)盡量結(jié)合日常生活情境，以此拉近學(xué)生與人工智能之間的距離，教師可以將生活中人工智能應(yīng)用的現(xiàn)象融入到對應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容中，以小項目式開展人工智能教學(xué)，既能讓學(xué)生學(xué)習(xí)到人工智能技術(shù)，又能使其理解人工智能在生活中應(yīng)用的工作原理。

3.融入編程教育，培養(yǎng)計算思維

人工智能作為新興技術(shù)還未寫入當(dāng)前的小學(xué)信息技術(shù)教材，因此如何將人工智能落實到小學(xué)信息技術(shù)課堂是當(dāng)前一線教育者研究的熱點。筆者所在的工作室團(tuán)隊嘗試將AI與圖形化編程教學(xué)相結(jié)合，依托教材中的Scratch教學(xué)模塊，將圖形化編程作為基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容，把Kittenblock中的AI模塊作為拓展教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生在掌握基本的圖形化編程技能后，再去體驗和學(xué)習(xí)人工智能的應(yīng)用。計算思維作為信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)之一，一直引領(lǐng)著編程教學(xué)，而算法作為人工智能的核心，與信息技術(shù)核心素養(yǎng)中的計算思維不謀而合，因此，將人工智能融入到編程教學(xué)不僅可以作為AI進(jìn)課堂的落腳點，而且還可以培養(yǎng)學(xué)生的計算思維。

4.漂流AI設(shè)備，跨校聯(lián)合教研

人工智能教學(xué)離不開硬件設(shè)備的供給，然而當(dāng)前AI設(shè)備價格相對昂貴，面對此種困境，可以建立設(shè)備漂流機(jī)制，立足各單位已有的硬件設(shè)備，建立多校硬件共享漂流機(jī)制，實現(xiàn)校際AI資源均衡化，為更多的學(xué)生創(chuàng)造平等學(xué)習(xí)的機(jī)會。同時，鼓勵領(lǐng)到漂流AI設(shè)備的學(xué)校舉行課堂教學(xué)展示活動，展示途徑可以是線下和線上相結(jié)合，以此推動跨校聯(lián)合教研的實現(xiàn)以及人工智能教學(xué)的實踐探索。

5.組建學(xué)習(xí)共同體，開發(fā)校本教材

人工智能技術(shù)應(yīng)用更新速度快，進(jìn)入教育者視野時間短，個人對AI新技術(shù)的認(rèn)知及掌握程度有限，相關(guān)的教學(xué)經(jīng)驗缺乏，因此，可以組建AI學(xué)習(xí)共同體，發(fā)揮共同體成員特長，團(tuán)隊協(xié)同研究AI技術(shù)。可聘請AI業(yè)內(nèi)知名企業(yè)、AI研究學(xué)者對共同體成員進(jìn)行AI技術(shù)和教學(xué)理念的培訓(xùn)，在學(xué)習(xí)共同體成員基本掌握了AI應(yīng)用技術(shù)及新型教學(xué)理念后，AI學(xué)習(xí)共同體需要發(fā)揮一線教育者的特長，根據(jù)兒童的認(rèn)知特點、技能基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)習(xí)慣來開發(fā)適合小學(xué)生的人工智能教學(xué)內(nèi)容，并進(jìn)行課堂教學(xué)實踐，以實踐的效果來不斷修改和完善教學(xué)內(nèi)容，最終以“認(rèn)識身邊的AI”為主題將所有的教學(xué)內(nèi)容歸類編輯成校本教材。

結(jié)束語

基于5EX模型的人工智能啟蒙教學(xué)是以兒童為中心的實踐活動，它注重真實情境或問題的引入和學(xué)生真實的體驗，以項目式學(xué)習(xí)為推進(jìn)策略，以培養(yǎng)學(xué)生知識遷移能力和落實信息技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)為目標(biāo)。人工智能進(jìn)入中小學(xué)課堂還有很多方面需要進(jìn)一步完善，未來還需要廣大一線教育工作者孜孜不倦的探索。

基金項目：廣東省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題“‘五度六環(huán)人工智能教育啟蒙課程的構(gòu)建與實施”（課題編號：2020YQJK234）。