人工智能教學(xué)中“知識建構(gòu)、STEM、創(chuàng)客”三位一體教學(xué)模型的 設(shè)計與應(yīng)用

丁美榮 王同聚

[摘? ?要] 隨著人工智能時代的到來，人工智能進(jìn)學(xué)校、編程教育進(jìn)課堂已上升為國家戰(zhàn)略。設(shè)計有效的教學(xué)模型提升人工智能教學(xué)效果是當(dāng)前的重要研究課題之一，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的人才是當(dāng)今教育的重要使命。文章以知識建構(gòu)理論為核心，以STEM教育和創(chuàng)客教育為兩翼，以項目學(xué)習(xí)為主線，對知識建構(gòu)、STEM教育和創(chuàng)客教育三者的特征和關(guān)系進(jìn)行梳理，將知識建構(gòu)理論與STEM教育和創(chuàng)客教育進(jìn)行有機(jī)融合，構(gòu)建了“知識建構(gòu)、STEM、創(chuàng)客”三位一體教學(xué)模型。在模型的基礎(chǔ)上探討了課程的教學(xué)模式和教學(xué)評價，以培養(yǎng)學(xué)生高階思維能力和提升學(xué)生核心素養(yǎng)。該模型在中小學(xué)和高校人工智能教學(xué)中進(jìn)行了探索實踐，發(fā)現(xiàn)其有助于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的計算思維、編程思維和創(chuàng)新思維等高階思維能力，能促進(jìn)復(fù)合型和創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，能推動人工智能進(jìn)學(xué)校、進(jìn)課堂、進(jìn)學(xué)生頭腦的進(jìn)程。

[關(guān)鍵詞] 人工智能; 知識建構(gòu); STEM教育; 創(chuàng)客教育; 教學(xué)模型; 項目學(xué)習(xí)

一、問題的提出

隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G技術(shù)、人工智能、區(qū)塊鏈等新技術(shù)的快速發(fā)展，教育形態(tài)將發(fā)生深刻的變革，深度學(xué)習(xí)、模式識別、自然語言處理、情感計算、學(xué)習(xí)分析和人機(jī)協(xié)作等已成為“人工智能+教育”的主要表現(xiàn)形式。人工智能技術(shù)在教育中的應(yīng)用將伴隨計算智能、感知智能和認(rèn)知智能技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展和完善，人工智能與教育的融合創(chuàng)新已經(jīng)成為未來教育變革的趨勢。2017年7月，國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出“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”[1]。人工智能進(jìn)學(xué)校、編程教育進(jìn)課堂已上升為國家戰(zhàn)略。人工智能時代的到來給教育帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，一方面，人工智能對教育提出了結(jié)構(gòu)性變革的需求，另一方面，人工智能將賦能教育。郭炯等認(rèn)為：人工智能提供獲得優(yōu)質(zhì)教育內(nèi)容的機(jī)會和改善學(xué)習(xí)的環(huán)境[2]。祝智庭等提出：人工智能倡導(dǎo)培養(yǎng)具有“創(chuàng)新、溝通和深度思考”的人才[3]。因2017年以前開設(shè)人工智能專業(yè)的高校很少，現(xiàn)在無論是高校還是中小學(xué)校，開展人工智能教學(xué)都缺少適切的教學(xué)模式。再者，中小學(xué)人工智能師資嚴(yán)重短缺，調(diào)研發(fā)現(xiàn)：目前99%的中小學(xué)教師在大學(xué)期間均未學(xué)過人工智能課程。因此，筆者結(jié)合開展智能機(jī)器人教育、創(chuàng)客教育和STEM教育所積累的實踐經(jīng)驗，探索和構(gòu)建適用于人工智能教學(xué)的教學(xué)模型，以解決人工智能進(jìn)入學(xué)校和課堂時缺少教學(xué)模式和師資的問題。

《教育信息化“十三五”規(guī)劃》提出，積極探索信息技術(shù)在“眾創(chuàng)空間”、跨學(xué)科學(xué)習(xí)（STEM教育）、創(chuàng)客教育等新教育模式中的應(yīng)用[4]。人工智能時代的到來，進(jìn)一步豐富了STEM教育和創(chuàng)客教育的內(nèi)涵，也為STEM教育和創(chuàng)客教育開啟了創(chuàng)新之門。近年來，我國大力推進(jìn)STEM教育和創(chuàng)客教育，通過跨學(xué)科學(xué)習(xí)和多學(xué)科融合，有助于培養(yǎng)學(xué)生的編程思維、計算思維和創(chuàng)新思維能力。但由于有些教師在開展STEM教育時教學(xué)目標(biāo)定位泛化，過分模仿使用教學(xué)技術(shù)而缺乏對高階學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，學(xué)習(xí)者缺少對知識進(jìn)行深度體驗、有效融合和創(chuàng)新應(yīng)用的機(jī)會;另外，在開展創(chuàng)客教育的過程中過分關(guān)注技術(shù)應(yīng)用和空間構(gòu)建，缺乏有效的教學(xué)情境支持。因此，學(xué)習(xí)者的批判性思維、創(chuàng)造性思維、溝通合作和高階學(xué)習(xí)等素養(yǎng)不能得到充分有效的提升[5]。筆者根據(jù)從事近20年智能機(jī)器人的研究和教學(xué)實踐，在基于智能機(jī)器人開展STEM教育和創(chuàng)客教育探索實驗的基礎(chǔ)上，引入知識建構(gòu)理論，對知識建構(gòu)、STEM教育和創(chuàng)客教育三者的特征和關(guān)系進(jìn)行梳理，進(jìn)而以知識建構(gòu)理論為核心，以STEM教育和創(chuàng)客教育為兩翼，以項目學(xué)習(xí)為主線，將知識建構(gòu)理論與STEM教育和創(chuàng)客教育進(jìn)行有機(jī)融合，構(gòu)建了“知識建構(gòu)、STEM、創(chuàng)客”三位一體教學(xué)模型，并分別在中小學(xué)教師培訓(xùn)和高校軟件工程專業(yè)人工智能教學(xué)中對該教學(xué)模型進(jìn)行了探索實驗，發(fā)現(xiàn)該模型有助于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的編程思維、計算思維、創(chuàng)新思維等高階思維能力，能夠?qū)θ斯ぶ悄苓M(jìn)學(xué)校、編程教育進(jìn)課堂和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)發(fā)揮積極的推動作用。

二、構(gòu)建“知識建構(gòu)、STEM、創(chuàng)客”三位一體教學(xué)模型

人工智能技術(shù)的發(fā)展，將促使未來教育發(fā)生重大的結(jié)構(gòu)性變革。人工智能與教育的融合，不僅會改變學(xué)習(xí)環(huán)境、師生關(guān)系、教學(xué)方式、學(xué)習(xí)方式和評價方式，也會推動教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變。目前，中小學(xué)和高校都在大力推進(jìn)人工智能教育，為滿足人工智能進(jìn)學(xué)校、進(jìn)課堂的需求，應(yīng)對“人工智能+教育”時代的變化，探索人工智能教學(xué)新模式，筆者構(gòu)建了“知識建構(gòu)、STEM、創(chuàng)客”三位一體教學(xué)模型。

（一） 模型構(gòu)建以知識建構(gòu)為核心

知識建構(gòu)是以建構(gòu)主義為基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)發(fā)揮學(xué)生的主體作用，小組成員通過不同類型的對話進(jìn)行意義探究、知識建構(gòu)、作品創(chuàng)作，以促進(jìn)小組各成員對小組內(nèi)部共享的意義的內(nèi)化[6]。多倫多大學(xué)創(chuàng)新教育研究中心Scardamalia、Bereiter兩位研究者在知識建構(gòu)研究中特別區(qū)分了淺層建構(gòu)和深層建構(gòu)，并且指出知識建構(gòu)的真正意義在于深層建構(gòu)[6]。深層建構(gòu)注重知識生成的應(yīng)用和創(chuàng)新，其學(xué)習(xí)任務(wù)和學(xué)習(xí)活動能探究到學(xué)習(xí)任務(wù)中隱含的內(nèi)涵和重要規(guī)律。在創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式下的知識建構(gòu)正是深層建構(gòu)[7]。

人工智能教育注重基于學(xué)習(xí)知識開展高級認(rèn)知思維的過程，能有效促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)并提升創(chuàng)新能力。知識建構(gòu)的基本思想在于學(xué)習(xí)者基于問題迭代建構(gòu)和反復(fù)推進(jìn)知識的過程中培養(yǎng)學(xué)生高階學(xué)習(xí)能力、高階思維能力和知識創(chuàng)造能力，最直接的途徑不是通過設(shè)計學(xué)習(xí)任務(wù)或探究活動讓學(xué)生掌握該領(lǐng)域的知識和技能，而是使學(xué)生成為知識的創(chuàng)造者[8]。余勝泉認(rèn)為，知識構(gòu)建以回歸人本為價值取向，具備了情境、復(fù)雜、積極、意識、建構(gòu)、合作、交流、思考等建構(gòu)性學(xué)習(xí)的八個特點[9]。知識建構(gòu)包括個體知識的獲得，同時也與學(xué)生對知識的細(xì)化、關(guān)聯(lián)、創(chuàng)新和發(fā)展有關(guān)[6]。謝幼如提出了知識建構(gòu)的“共享—論證—協(xié)商—創(chuàng)作—反思”協(xié)作學(xué)習(xí)過程模型（如圖1所示），協(xié)作知識建構(gòu)的特點體現(xiàn)在五個方面：學(xué)習(xí)任務(wù)情境性、學(xué)習(xí)過程探究性、學(xué)習(xí)環(huán)境協(xié)作性、學(xué)習(xí)結(jié)果生成性、學(xué)習(xí)觀點創(chuàng)新性[10]。因此，知識建構(gòu)理論可以作為創(chuàng)客教育和STEAM教育的理論基礎(chǔ)，也是“知識建構(gòu)、STEM、創(chuàng)客”三位一體教學(xué)模型的核心。

（二）模型構(gòu)建以STEM教育和創(chuàng)客教育為兩翼

STEM教育和創(chuàng)客教育都是基于項目學(xué)習(xí)和問題學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科知識的跨界與融合，注重動手、實踐、過程和體驗，體現(xiàn)了協(xié)作、整合和建構(gòu)學(xué)習(xí)實踐過程。

STEM教育強(qiáng)調(diào)“做中學(xué)”，在解決問題的過程中，注重培養(yǎng)學(xué)習(xí)者對跨學(xué)科知識的學(xué)習(xí)和綜合應(yīng)用能力，學(xué)習(xí)內(nèi)容的設(shè)計是基于多學(xué)科知識開展，學(xué)習(xí)成果不以最終創(chuàng)造出產(chǎn)品為導(dǎo)向，而是注重培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的工程思維、設(shè)計思維、計算思維和編程思維，但對學(xué)習(xí)者批判性思維、創(chuàng)新思維和創(chuàng)造力關(guān)注較少。STEM教育對思維能力的培養(yǎng)如圖2所示。

創(chuàng)客教育體現(xiàn)“做中創(chuàng)”，強(qiáng)調(diào)用相關(guān)的數(shù)字化工具把創(chuàng)意實踐轉(zhuǎn)化成有創(chuàng)新性的創(chuàng)客作品，關(guān)注學(xué)習(xí)者創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力和創(chuàng)造能力的培養(yǎng)[11-12]。同時注重學(xué)習(xí)者創(chuàng)新精神、工匠精神、協(xié)作精神和分享精神等創(chuàng)客精神的培養(yǎng)。通過情境問題、知識建構(gòu)、設(shè)計方案、造物制作、測試分析、優(yōu)化迭代、成果分享、拓展創(chuàng)新等項目學(xué)習(xí)流程完成造物過程。創(chuàng)客教育特征及教學(xué)流程如圖3所示。

通過比較STEM教育和創(chuàng)客教育各自的育人優(yōu)勢，進(jìn)而實現(xiàn)二者相互交融。二者在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計、學(xué)習(xí)組織方式和學(xué)習(xí)活動過程等方面基本相同。知識建構(gòu)是一種教育理念，其宗旨在于變革傳統(tǒng)教育方式，促使學(xué)生參與到知識創(chuàng)造的文化中。運(yùn)用知識建構(gòu)解決問題需要應(yīng)用各種信息技術(shù)創(chuàng)造原型，創(chuàng)造超越心智的公共知識，迭代改進(jìn)，直到最終形成成品。根據(jù)知識建構(gòu)的核心特征可以看到：一是知識建構(gòu)解決問題的過程必然會涉及多學(xué)科知識的交叉融合應(yīng)用，能培養(yǎng)學(xué)生多學(xué)科知識整合應(yīng)用的能力，與STEM教育理念相通;二是知識建構(gòu)理念強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者不僅僅是學(xué)習(xí)知識，而是在學(xué)習(xí)中進(jìn)行創(chuàng)新，這個特征與創(chuàng)客教育理念相通。由此可見，知識建構(gòu)可作為STEM教育和創(chuàng)客教育有機(jī)融合的中介，將“共享—論證—協(xié)商—創(chuàng)作—反思”協(xié)作學(xué)習(xí)過程模型中五個特征環(huán)節(jié)作為STEM和創(chuàng)客教育的融合點，根據(jù)STEM教育和創(chuàng)客教育的特征，把知識建構(gòu)協(xié)作模型中的“共享—論證”與STEM教育相結(jié)合，把“協(xié)商—創(chuàng)作—反思”作為與創(chuàng)客教育的融合點。因此，STEM教育和創(chuàng)客教育依托知識建構(gòu)理論構(gòu)成了“知識建構(gòu)、STEM、創(chuàng)客”三位一體教學(xué)模型的兩翼。

（三）模型構(gòu)建以項目學(xué)習(xí)為主線

項目學(xué)習(xí)注重實踐性和參與性，強(qiáng)調(diào)以問題解決為中心、多種學(xué)習(xí)途徑相整合[13]。鐘志賢等認(rèn)為，項目學(xué)習(xí)的流程分為選定項目、制定計劃、活動探究、作品制作、成果交流和活動評價等六個基本步驟[14]。閆寒冰認(rèn)為，項目學(xué)習(xí)分為設(shè)計項目、分組分工、制定計劃、探究協(xié)作、制作作品、匯報演示和總結(jié)評價等七個基本步驟[15]。2017年版《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》強(qiáng)調(diào)學(xué)科核心素養(yǎng)、增強(qiáng)信息意識、倡導(dǎo)項目學(xué)習(xí)、培養(yǎng)計算思維、體驗知識建構(gòu)，提升信息社會責(zé)任[16]。項目學(xué)習(xí)將成為普通高中新課程標(biāo)準(zhǔn)背景下開展信息技術(shù)教學(xué)的一種主要教學(xué)模式，因此，模型的構(gòu)建也需要以項目學(xué)習(xí)為主線。

（四）模型要體現(xiàn)“學(xué)、做、創(chuàng)”三者融合的理念

筆者根據(jù)從事多年智能機(jī)器人教育的經(jīng)驗所凝煉形成的教學(xué)成果“智能機(jī)器人‘學(xué)、做、創(chuàng)教學(xué)模式的創(chuàng)新實踐”，曾獲得2017年廣東省教育教學(xué)成果（基礎(chǔ)教育）特等獎和2018年基礎(chǔ)教育國家級教學(xué)成果二等獎[17]。利用該成果在基于智能機(jī)器人開展創(chuàng)客教育和STEM教育實踐應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，以STEM教育理念引導(dǎo)學(xué)生“學(xué)中做、做中學(xué)”，集中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行知識和能力的擴(kuò)展和延伸，系統(tǒng)化學(xué)習(xí)多學(xué)科知識，提升信息化工具應(yīng)用、跨學(xué)科知識融合的能力。但是在學(xué)生知識遷移、高階學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)方面還需強(qiáng)化培養(yǎng)，把知識建構(gòu)理念貫穿STEM教育和創(chuàng)客教育中，有利于促進(jìn)學(xué)生知識遷移擴(kuò)展，有利于強(qiáng)化學(xué)生在“玩中做、做中學(xué)、學(xué)中做、做中創(chuàng)”[18]的過程中，通過“學(xué)、做、創(chuàng)”三者融合，提升學(xué)生的高階學(xué)習(xí)能力和高階思維能力，實現(xiàn)“知識建構(gòu)、STEM、創(chuàng)客”三位一體教學(xué)模型的互通交融。

（五）“知識建構(gòu)、STEM、創(chuàng)客”三位一體教學(xué)模型的構(gòu)建

“知識建構(gòu)、STEM、創(chuàng)客”三位一體教學(xué)模型的構(gòu)建以知識建構(gòu)理論為核心，以STEM教育和創(chuàng)客教育為兩翼，將“共享—論證—協(xié)商—創(chuàng)作—反思”協(xié)作學(xué)習(xí)過程模型中五個特征環(huán)節(jié)與STEM和創(chuàng)客教育進(jìn)行有機(jī)融合;對真實情境問題進(jìn)行知識建構(gòu)，以項目學(xué)習(xí)為主線，在項目學(xué)習(xí)過程中設(shè)計項目、分組協(xié)作、活動探究、遷移拓展、創(chuàng)新應(yīng)用;依托“學(xué)、做、創(chuàng)”教學(xué)模式，豐富和拓展美國教育家杜威提出的“在做中學(xué)”和我國著名教育家陶行知提出的“教學(xué)做合一”教育思想的內(nèi)涵，讓學(xué)習(xí)者通過“做中學(xué)、學(xué)中做、做中創(chuàng)”，形成初步研究成果，再將初步研究成果在“分享—反思—評價—改進(jìn)—迭代—再造”的過程中進(jìn)行打磨提升，最終形成精品;課程教學(xué)采用線下面授課程教學(xué)與線上網(wǎng)絡(luò)課程研修相融合的方法;教學(xué)評價采用過程性評價與終結(jié)性評價相結(jié)合、定量評價與定性評價相結(jié)合、自我評價與相互評價相結(jié)合、多形式評價與多元化評價相結(jié)合的方式[19]。所構(gòu)建的“知識建構(gòu)、STEM、創(chuàng)客”三位一體教學(xué)模型如圖4所示。

三、“知識建構(gòu)、STEM、創(chuàng)客”三位一體教學(xué)模型在人工智能教學(xué)中的應(yīng)用

近年來，研究團(tuán)隊將該教學(xué)模型分別在中小學(xué)教師繼續(xù)教育系列人工智能課程培訓(xùn)和高校軟件工程專業(yè)人工智能課程教學(xué)中進(jìn)行了探索實驗，取得了良好的教學(xué)效果。

（一）在中小學(xué)教師繼續(xù)教育系列人工智能課程培訓(xùn)中的應(yīng)用

目前，中小學(xué)人工智能師資匱乏，由于人工智能涉及面廣，很多內(nèi)容都是新領(lǐng)域、新技術(shù)、新知識，對教師的綜合素質(zhì)、跨學(xué)科融合、知識遷移、開拓創(chuàng)新等能力要求較高，為解決中小學(xué)人工智能師資短缺問題，筆者利用“知識建構(gòu)、STEM、創(chuàng)客”三位一體教學(xué)模型在中小學(xué)教師繼續(xù)教育系列人工智能課程培訓(xùn)中進(jìn)行了實驗和驗證。與高校、科研院所和企業(yè)合作開設(shè)了中小學(xué)教師繼續(xù)教育系列人工智能面授課程，分別是“積木式圖形化軟件與智能機(jī)器人創(chuàng)意編程”“App Inventor與智能機(jī)器人創(chuàng)意編程”“無人機(jī)（空中機(jī)器人）編程入門與實踐”“人工智能編程入門與實踐（Python版）”“人工智能編程入門與實踐（積木式圖形化軟件版）”“VR編程入門與實踐（積木式圖形化軟件版）”，已培訓(xùn)教師661人次。以上開設(shè)的中小學(xué)教師繼續(xù)教育系列人工智能培訓(xùn)課程都涉及軟件編程和硬件設(shè)備操作。以“人工智能編程入門與實踐（Python版）”課程為例，教學(xué)采用的教程是一套應(yīng)用Python語言編程、基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開發(fā)的《人工智能》（高中版）[20]，開展教師培訓(xùn)教學(xué)時，每人一臺計算機(jī)、兩人共用一套物聯(lián)網(wǎng)實驗箱，實驗箱中配備了主控器、通過無線網(wǎng)絡(luò)連接的各種傳感器和多種電機(jī)。授課教師教學(xué)時，通過案例演示創(chuàng)設(shè)情境、布置項目活動任務(wù)，傳授人工智能項目所涉及的STEM知識，參訓(xùn)教師在學(xué)習(xí)過程中對自己需要設(shè)計的物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)意作品進(jìn)行知識建構(gòu)，融入自己的經(jīng)驗，使用教學(xué)中提供的物聯(lián)網(wǎng)智能硬件設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)搭建、Python編程、軟硬件調(diào)試等，兩人小組互助協(xié)作最終完成一件具有語音識別、人臉識別、自動避障、溫度調(diào)節(jié)等多種智能感知功能的智能家居系統(tǒng);在作品的分享展示環(huán)節(jié)，通過組內(nèi)評價、組間評價和授課教師點評，找出作品存在的問題，再進(jìn)行迭代升級，最后制作完成一件基于物聯(lián)網(wǎng)的人工智能項目作品。

在中小學(xué)教師繼續(xù)教育系列人工智能課程培訓(xùn)的應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，該教學(xué)模型為人工智能教學(xué)提供了一種新的教學(xué)范式。目前，95%以上中小學(xué)教師繼續(xù)教育培訓(xùn)課程是以在線網(wǎng)絡(luò)課程形式呈現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)課程雖然具有學(xué)習(xí)方式靈活、學(xué)習(xí)不受時空限制、覆蓋面廣等優(yōu)勢，但也存在諸多弊端。例如：有些教師參加網(wǎng)絡(luò)課程培訓(xùn)的目的不是為了學(xué)習(xí)知識而是為了拿到繼續(xù)教育學(xué)分;有的教師請他人代其上網(wǎng)學(xué)習(xí);有的教師為了趕進(jìn)度，在上網(wǎng)課的同時打開多臺計算機(jī)播放視頻，讓“機(jī)器學(xué)習(xí)”而不是“真人學(xué)習(xí)”，走過場、流于形式、浪費(fèi)資源，完全失去了開展繼續(xù)教育課程培訓(xùn)的意義。再者，在線網(wǎng)絡(luò)課程雖然覆蓋面廣，但也有不足之處，因為實操性強(qiáng)的課程就不太適用于在線網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)。而人工智能課程不但涉及理論知識，還有計算機(jī)編程和軟硬件實操，是實操性較強(qiáng)的課程，因此，純網(wǎng)絡(luò)課程已不適應(yīng)人工智能課程的繼續(xù)教育培訓(xùn)。采用該教學(xué)模型開展中小學(xué)教師繼續(xù)教育系列人工智能課程培訓(xùn)試驗取得了較滿意的效果，教學(xué)采用線上網(wǎng)絡(luò)課程（藍(lán)墨云班課）和線下面授課培訓(xùn)相結(jié)合、理論與實踐相結(jié)合、現(xiàn)場實操與網(wǎng)上研討相結(jié)合、線下評價與線上評價相結(jié)合的方式，參加培訓(xùn)的教師能全程投入學(xué)習(xí)，親自動手實踐，參加學(xué)習(xí)不是為了拿學(xué)分，而是為了掌握人工智能課程知識、按課程要求完成項目作品的設(shè)計而認(rèn)真學(xué)習(xí)，培訓(xùn)結(jié)束都滿載而歸。參加培訓(xùn)的教師回到學(xué)校后，在自己的課堂教學(xué)中采用該教學(xué)模型進(jìn)行實驗和驗證后表示，該教學(xué)模型同樣適合中小學(xué)生的人工智能課程教學(xué)。通過中小學(xué)教師繼續(xù)教育課程和中小學(xué)生人工智能課程教學(xué)實踐驗證，該教學(xué)模型在人工智能課程教學(xué)中均取得了較好的實驗效果。因此，該教學(xué)模型對中小學(xué)開展人工智能課程教學(xué)具有一定的指導(dǎo)意義和實用價值。

（二）在高校軟件工程專業(yè)語音交互微信小程序設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用

筆者與教學(xué)團(tuán)隊在高校軟件工程本科專業(yè)課程、大創(chuàng)項目、各類比賽項目教學(xué)中利用該模型進(jìn)行探索實驗與應(yīng)用實踐發(fā)現(xiàn)，學(xué)生各類創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化數(shù)量有明顯提高，能有效促進(jìn)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。以下以語音交互微信小程序設(shè)計教學(xué)為例來闡釋該模型的應(yīng)用成效。

語音交互微信小程序設(shè)計是一個集科技前沿知識和多學(xué)科知識于一體的程序設(shè)計項目，也是人工智能課程編程教育的一個典型教學(xué)案例，開發(fā)過程涉及人工智能相關(guān)技術(shù)，如深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)、多種算法、編程語言（Python Flask、C++、JavaScript、CSS、HTML等多種）、語音識別等多種技術(shù)，微信小程序因應(yīng)用環(huán)境、面向的群體、提供的功能等不同，還涉及STEM領(lǐng)域的跨學(xué)科知識。教師在教學(xué)前需要按照該模型的教學(xué)核心來設(shè)計和組織教學(xué)活動。首先是創(chuàng)設(shè)情境，從實際生活、工作中發(fā)現(xiàn)問題和需求，并針對問題和需求提出挑戰(zhàn)性的任務(wù)或復(fù)雜性的問題，引導(dǎo)各組學(xué)生基于問題和需求擬定微信小程序項目主題;各組在開始各自的項目主題討論時發(fā)表各自觀點和解決問題。由于項目來自實際生活，并且是集中解決生活中的某類問題或功能需求，因此，在項目目標(biāo)實現(xiàn)的過程中必然涉及到多學(xué)科知識。如在微信小程序開發(fā)過程中，從小程序注冊、信息完善、程序編寫、程序調(diào)試、發(fā)布授權(quán)等多個環(huán)節(jié)都會用到STEM知識，讓學(xué)生通過多學(xué)科融合、知識建構(gòu)、開拓創(chuàng)新、挑戰(zhàn)自我，能夠解決具有創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)性的各種難題。因此，這個語音交互微信小程序項目設(shè)計既具有真實情境性，又隱含復(fù)雜挑戰(zhàn)性的問題或任務(wù)，能激勵學(xué)生在運(yùn)用多學(xué)科知識解決問題的過程中積極建構(gòu)新知識、新觀點和新方法，引導(dǎo)學(xué)生探究前沿科技以解決創(chuàng)作過程中的復(fù)雜問題，基于創(chuàng)客理念，從作品交互界面、功能、技術(shù)、意義價值等方面建構(gòu)和創(chuàng)新，整個學(xué)習(xí)實踐過程以知識建構(gòu)理念來引領(lǐng)，最終完成一件具有創(chuàng)新性的作品。

項目完成后，進(jìn)入再創(chuàng)造階段，也是知識再遷移拓展階段。教師組織開展小組作品分享活動，并且對作品進(jìn)行反思評價。在反思評價的基礎(chǔ)上再對作品進(jìn)行探究實踐、改進(jìn)再造和迭代更新，形成更高階的循環(huán)學(xué)習(xí)模式，學(xué)生知識和技能在實踐中得到反復(fù)擴(kuò)展和遷移，創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力得以反復(fù)強(qiáng)化。近幾年來，筆者教學(xué)團(tuán)隊指導(dǎo)學(xué)生開發(fā)了一系列語音交互微信小程序設(shè)計作品，學(xué)生作品在“2019年中國高校計算機(jī)大賽——微信小程序比賽”中獲得多項省級和國家級獎項。由此可見，利用該模型在語音交互微信小程序教學(xué)中不但讓學(xué)生取得了較好的成績，而且學(xué)生通過作品設(shè)計和參加競賽，還提高了學(xué)生的高階思維能力、動手實踐能力和團(tuán)隊協(xié)作能力。同時，該模型也開始在軟件工程的其他相關(guān)課程教學(xué)中進(jìn)行推廣應(yīng)用，以期通過更多的實驗對模型進(jìn)行不斷改進(jìn)和完善，進(jìn)而提升該教學(xué)模型的應(yīng)用效果。

四、“知識建構(gòu)、STEM、創(chuàng)客”三位一體教學(xué)模型在人工智能教學(xué)中的應(yīng)用成效與特征

知識建構(gòu)具有發(fā)展學(xué)生深度學(xué)習(xí)、提升高階思維能力、開展協(xié)作學(xué)習(xí)活動的優(yōu)越性，既能促進(jìn)STEM教育的學(xué)習(xí)深度和質(zhì)量，又能加強(qiáng)創(chuàng)客學(xué)習(xí)的廣度和深度。因此，基于項目學(xué)習(xí)，知識建構(gòu)理念能促進(jìn)STEM教育和創(chuàng)客教育相互融合以發(fā)揮更大的教學(xué)育人優(yōu)勢?！爸R建構(gòu)、STEM、創(chuàng)客”三位一體教學(xué)模型的應(yīng)用成效和特征如下：

（一）適用于實操型課程教學(xué)

該教學(xué)模型是以知識建構(gòu)為核心，融合了創(chuàng)客教育、STEM教育理念，實施過程不僅需要掌握基本知識、基本原理，更重要的是學(xué)習(xí)者要動手實踐、造物創(chuàng)新，通過“學(xué)、做、創(chuàng)”完成作品的創(chuàng)作和展示等，該教學(xué)模型適用于動手實踐較強(qiáng)的實操型課程的教學(xué)。人工智能課程既需要用計算機(jī)編程，又要對硬件設(shè)備進(jìn)行安裝并根據(jù)所編程序進(jìn)行調(diào)試，屬于實操性強(qiáng)的課程。因此，該教學(xué)模型適用于人工智能課程教學(xué)。

（二）有助于學(xué)習(xí)者高級思維能力的培養(yǎng)

知識建構(gòu)是該教學(xué)模型的核心，學(xué)習(xí)者通過項目探究學(xué)習(xí)多學(xué)科知識，在學(xué)習(xí)過程中解決有潛在價值的問題，項目目標(biāo)的完成具有復(fù)雜性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，能引導(dǎo)學(xué)習(xí)者洞悉學(xué)科前沿，掌握未知領(lǐng)域的知識，在解決項目問題的過程中掌握新技能和建構(gòu)新知識，同時又把獲得的知識轉(zhuǎn)化成一種獲取新知識的能力、水平和方式。整個學(xué)習(xí)過程是持續(xù)進(jìn)行知識建構(gòu)和知識創(chuàng)新的高階學(xué)習(xí)過程。因此，該教學(xué)模型在人工智能教學(xué)中有助于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的編程思維、計算思維、智能思維等高階思維能力。

（三）有助于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新思維能力和溝通協(xié)作能力

此教學(xué)模型以STEM教育理念引導(dǎo)學(xué)生“做中學(xué)”，集中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行知識和能力的擴(kuò)展和延伸，系統(tǒng)化學(xué)習(xí)多學(xué)科知識，提升跨學(xué)科知識融合和信息化工具的應(yīng)用能力;以創(chuàng)客教育理念引導(dǎo)學(xué)生“做中創(chuàng)”，獨(dú)立思考、協(xié)作探究，創(chuàng)新性地解決問題，積極應(yīng)對具有挑戰(zhàn)性的問題，最終創(chuàng)造出具有創(chuàng)新性的成果。學(xué)習(xí)者在整個學(xué)習(xí)過程中對項目中的問題和觀點進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)、迭代更新、改造創(chuàng)新，體現(xiàn)了“情境”“協(xié)作”“溝通”“建構(gòu)”“創(chuàng)新”的特征，并在項目學(xué)習(xí)過程中需要團(tuán)隊成員充分溝通、精誠合作、攜手共贏。因此，利用該教學(xué)模型開展教學(xué)有助于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新思維能力和溝通協(xié)作能力。

（四）注重教學(xué)評價與教學(xué)反思

在成果分享和反思環(huán)節(jié)，需要對完成的項目成果進(jìn)行綜合評價、迭代改造和拓展創(chuàng)新。評價環(huán)節(jié)既是第一輪創(chuàng)作的終點，也是下輪創(chuàng)作的起點，評價目的是為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情并促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。在該模型應(yīng)用中，評價原則的設(shè)計要以學(xué)生為中心，基于教學(xué)內(nèi)容、培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)模式等與其相匹配的評價原則，進(jìn)行多形式和多元化評價。由于該模型基于知識建構(gòu)理論進(jìn)行設(shè)計構(gòu)建，評價首先要遵循知識建構(gòu)的評價原則：評價中既要看到知識建構(gòu)的過程，又要看到知識建構(gòu)的結(jié)果。因此，評價中特別關(guān)注到學(xué)習(xí)者分享了什么觀點，建構(gòu)了什么知識，創(chuàng)造了什么作品，依據(jù)評價量規(guī)對學(xué)生所創(chuàng)作的作品進(jìn)行多元評價。通過教學(xué)反思，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的新需求和新問題，教師引導(dǎo)和鼓勵學(xué)生進(jìn)行迭代循環(huán)改造與作品拓展創(chuàng)新，以進(jìn)一步強(qiáng)化和提升學(xué)生的高階學(xué)習(xí)能力和高階思維能力。

五、結(jié)? ?語

隨著人工智能時代的到來，人工智能進(jìn)學(xué)校、編程教育進(jìn)課堂、培養(yǎng)人工智能高端人才已成為大、中、小學(xué)教育發(fā)展的新趨勢，人類教師的知識性授課角色將逐漸被人工智能教師替代，人類教師的育人角色將會更加凸顯，人機(jī)協(xié)同教學(xué)將把學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)放在首位?！爸R建構(gòu)、STEM、創(chuàng)客”三位一體教學(xué)模型在實踐過程中集中體現(xiàn)了以學(xué)生為中心，以“授之以漁”的創(chuàng)新教育理念為導(dǎo)向，具有涵蓋知識豐富性、思維培養(yǎng)高階性、自主學(xué)習(xí)積極性、協(xié)作探究嚴(yán)謹(jǐn)性等特征，能有效培養(yǎng)和提升21世紀(jì)創(chuàng)新人才的核心素養(yǎng)，在高校和中小學(xué)編程教育課程教學(xué)中有實際應(yīng)用價值，同時在智能機(jī)器人、人工智能等實操性強(qiáng)的課程中也值得借鑒和應(yīng)用推廣。但該模型仍然有需要改進(jìn)的地方，將在后續(xù)研究中進(jìn)一步修改和完善。

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