人工智能環(huán)境下的“創(chuàng)客作品五層塔”項目式學(xué)習(xí)教學(xué)模式的應(yīng)用研究

摘?要：人工智能浪潮給“互聯(lián)網(wǎng)+教育”帶來了深刻的變革，未來人才的需求隨之發(fā)生了巨大的變化，相對應(yīng)的教學(xué)模式、教學(xué)方法就要有新的發(fā)展和創(chuàng)新?，F(xiàn)如今，我們的教學(xué)對象將會陸續(xù)在2035年之后成為國家的棟梁和主力軍，所以我們在小學(xué)開展STEM創(chuàng)客教學(xué)，對未來人才培養(yǎng)意義重大。本研究嘗試將項目式學(xué)習(xí)融入Arduino創(chuàng)客教學(xué)中，通過項目式學(xué)習(xí)的“發(fā)現(xiàn)問題—設(shè)計思路—動手實踐—分享成果—思維拓展”五個環(huán)節(jié)，探究新型的創(chuàng)客教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生的搭建和編程興趣，培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維。

關(guān)鍵詞：人工智能?項目式學(xué)習(xí)?Arduino創(chuàng)客教學(xué)

一、研究背景

人工智能（Artificial Intelligence）是研究、開發(fā)用于模擬和延伸人類智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)科學(xué)。當(dāng)前，人工智能技術(shù)已滲入人類生活的各個領(lǐng)域?，F(xiàn)如今，我們的教學(xué)對象將會陸續(xù)在2035年之后成為國家的棟梁和主力軍，社會對人才的需求正在發(fā)生改變，教育的變革也相應(yīng)引發(fā)。美國《國家人工智能研究戰(zhàn)略規(guī)劃》中提到要利用人工智能技術(shù)改進(jìn)教育機(jī)會，實施個性化學(xué)習(xí)和終生學(xué)習(xí)等。我國《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》提出要發(fā)展“智能教育”，推動人才培養(yǎng)模式和教學(xué)方法改革，明確規(guī)定要實施全民智能教育項目，并在中小學(xué)設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育。作為人工智能科普示范學(xué)校，合肥市郎溪路小學(xué)在原有“互聯(lián)網(wǎng)+教育”創(chuàng)新教學(xué)模式的基礎(chǔ)上，將人工智能也融入其中，形成“互聯(lián)網(wǎng)+人工智能+教育”的新型創(chuàng)客教學(xué)模式。

在人工智能技術(shù)下，面向大規(guī)模的學(xué)習(xí)者群體，建立促進(jìn)個性發(fā)展的教育體系，是教育發(fā)展的基本趨勢。同時，新型創(chuàng)客教學(xué)模式應(yīng)致力于培養(yǎng)面向人工智能時代的創(chuàng)新人才，培養(yǎng)學(xué)生的理性思維、批判質(zhì)疑、勇于探究、勤于反思、問題解決、自我管理等基本能力，這樣才能更好地適應(yīng)未來時代的發(fā)展。但是，目前開設(shè)的人工智能課程仍然處于初級階段，還存在很多問題。例如，教師對于人工智能課程“授課方式及學(xué)生的培養(yǎng)模式，尚未有更具體和深入的思考”“缺少實質(zhì)性的環(huán)節(jié)，流于形式”“教師對課程和使用器材認(rèn)識度不高”等問題。

本文針對這些問題，將以“電子骰子”為例，具體探討基于人工智能的項目式學(xué)習(xí)在小學(xué)創(chuàng)客教學(xué)中的應(yīng)用。

二、項目式學(xué)習(xí)教學(xué)模式的基本思路

項目式學(xué)習(xí)注重強(qiáng)調(diào)以學(xué)習(xí)者為中心，以真實情景中的問題為任務(wù)驅(qū)動，所以能使學(xué)生將學(xué)習(xí)變?yōu)橐环N社會體驗，為未來的工作和生活做準(zhǔn)備。在項目式學(xué)習(xí)的課程中，學(xué)生圍繞真實的項目展開思考，進(jìn)行硬件搭建及編程，其中包含了科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)以及藝術(shù)的融合，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和邏輯思維。經(jīng)過長期課程實踐，總結(jié)出小學(xué)階段創(chuàng)客教學(xué)的基本思路：以編程為基礎(chǔ)，以智能硬件為載體，以PBL為導(dǎo)向，以解決實際問題為目的的STEM教學(xué)模式。

“創(chuàng)客作品五層塔”是基于每節(jié)課圍繞一個真實項目展開，以PBL為指導(dǎo)方法，在五個層次中，逐層深入完成一件創(chuàng)客作品。

我們通過項目式學(xué)習(xí)的“發(fā)現(xiàn)問題—設(shè)計思路—動手實踐—分享成果—思維拓展”五個環(huán)節(jié)，結(jié)合自己在課堂中的實踐，總結(jié)出“創(chuàng)客作品五層塔”（圖1）教學(xué)模式，按照這個五層塔教學(xué)模式，學(xué)生便可以在課堂中完成一個屬于自己的創(chuàng)客作品。

三、人工智能環(huán)境下基于Arduino“創(chuàng)客作品五層塔”教學(xué)模式的構(gòu)建和實踐—以“電子骰子”為例

在本項目開展之前，學(xué)生學(xué)習(xí)了“SOS求救型號”“按鍵控制LED燈”“即使交通燈”“音樂大師”等項目，認(rèn)識了LED燈、蜂鳴器、按鍵傳感器、數(shù)碼管等電子元件，了解了數(shù)碼管、面包板、LED燈、蜂鳴器、按鍵傳感器的連接和基本的電路知識;同時掌握了對“輸入輸出”“如果條件滿足……執(zhí)行”等編程語句的使用，了解了流程圖編制簡單程序的方法，知道基本的編程思路。在“電子骰子”項目中利用現(xiàn)有的開源硬件Arduino中的元件，引導(dǎo)學(xué)生拓寬思路、提升編程、計算及工程思維，感受人工智能在生活中的重要作用。

1.觀察發(fā)現(xiàn)問題

在項目式學(xué)習(xí)中強(qiáng)調(diào)學(xué)生圍繞真是生活情境中的問題展開思考，這也是項目式學(xué)習(xí)中最重要的一個步驟，而《電子骰子》這節(jié)課以故事情境為依托展開。故事情境以飛行棋作為導(dǎo)入，因為同學(xué)們對飛行棋大多都非常熟悉，且能夠輕松說出它的游戲規(guī)則，這可以迅速拉近本課與學(xué)生的距離。故事中的一個主人翁李雷，在落后的情況下沒有遵守游戲規(guī)則，趁著其他人不備，將擲出的骰子由1變?yōu)榱?，而這一舉動恰巧被一同玩游戲的西西發(fā)現(xiàn)了，并當(dāng)場指出其錯誤行為，結(jié)果友誼的小船翻了，大家都不歡而散。由此引出本節(jié)課的問題，大家有沒有什么好的辦法避免今天這種矛盾的發(fā)生呢？

結(jié)合故事的情境，學(xué)生都積極思考，腦洞大開，為化解今天的矛盾做出努力。

2.功能分析，繪制程序流程圖

STEM教育倡導(dǎo)用跨學(xué)科的方法教授科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)方面的知識，引導(dǎo)學(xué)生適應(yīng)不斷更新的專業(yè)知識和快速變化的社會生活。在找出關(guān)鍵性問題——骰子之后，學(xué)生們開始頭腦風(fēng)暴，思考自己需要一個具有什么功能的骰子。教師讓學(xué)生親自擲出骰子，分析出擲骰子的過程：開始→擲骰子→顯示結(jié)果→結(jié)束。教師繼續(xù)引導(dǎo)學(xué)生分析如何將“擲骰子”和“顯示結(jié)果”用電子元器件表示出來，隨后讓學(xué)生選擇自己所需要的硬件設(shè)備并將其連接。

在設(shè)計好自己的骰子之后，教師引導(dǎo)學(xué)生思考在繪制程序流程圖是，如何表示“擲骰子”和“顯示結(jié)果”這兩個動作。在討論中得出：“擲骰子”—“判斷按鍵是否按下”“顯示結(jié)果”—先要“判斷產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)是幾？”。最終學(xué)生在自己的課程學(xué)習(xí)單上繪制自己的流程圖，并上臺展示說明。

3.構(gòu)建理論模型

學(xué)生在有了自己的程序流程圖之后，屬于自己創(chuàng)客作品的大體框架就已經(jīng)出來了，有的學(xué)生選擇使用led燈來實現(xiàn)骰子上不同的六個數(shù)字，有的同學(xué)選擇使用蜂鳴器響聲的數(shù)量來對應(yīng)骰子上不同的六個數(shù)字，還有的同學(xué)利用上節(jié)課學(xué)習(xí)的數(shù)碼管來顯示骰子上的數(shù)字。這些好的想法距離最終作品的實現(xiàn)就只剩下程序編寫和上傳了。在這時候教師再加以適當(dāng)引導(dǎo)，告訴學(xué)生此程序需要有兩個“如果條件滿足……執(zhí)行……”的判斷語句，分別判斷“按鍵是否被按下”和“判斷隨機(jī)數(shù)為幾”，以及產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)的程序模塊，學(xué)生在教師的一步一步地引導(dǎo)下最終可以將自己的創(chuàng)客作品呈現(xiàn)在大家面前。完成到這里，學(xué)生的信心得到了很大提升，學(xué)生探索的熱情也在課堂中被激發(fā)出來。

4.完善作品

學(xué)生在完成創(chuàng)客作品之后都會測試自己的作品，教師利用學(xué)生這一心理特征，讓學(xué)生在測試作品過程中發(fā)現(xiàn)問題，從而修改、完善作品。最后，學(xué)生進(jìn)行匯報分享，并進(jìn)行自評和互評，這樣做可以讓學(xué)生收到更多的改進(jìn)意見，發(fā)現(xiàn)自己作品的不足之處，同時也認(rèn)清自己作品與其他作品相比的優(yōu)勢。教師根據(jù)本項目的評價量表對小組項目進(jìn)行評價。見表1所列。

結(jié)語

人工智能環(huán)境下的創(chuàng)客教育作為STEM教育的一個分支，著重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新力、創(chuàng)造力和各方面綜合能力。將創(chuàng)客教育利用項目式學(xué)習(xí) “創(chuàng)客作品五層塔”的教學(xué)模式開展，在學(xué)生依照層次完成教師展開的項目式任務(wù)的同時，也將自己的創(chuàng)客作品制作出來，在教師的發(fā)散思維引導(dǎo)下，學(xué)生可以利用課余時間繼續(xù)完善創(chuàng)客作品，為之后參加科技創(chuàng)新大賽以及各類級別的創(chuàng)客大賽打下基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉清堂，毛剛等.智能教學(xué)技術(shù)的發(fā)展與展望[J].中國電化教育，2016.

[2]劉清堂，何皓怡等.基于人工智能的課堂教學(xué)行為分析方法及其應(yīng)用[J].2019.

作者簡介

孫浩泉（1988.08—），男，漢族，籍貫：安徽合肥，職稱：一級教師，中共黨員，學(xué)歷：大學(xué)本科，研究方向：信息技術(shù)，創(chuàng)客教育。