基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的人工智能課堂教學(xué)模式

鐘慧峰

【摘要】自2017年7月，國(guó)家戰(zhàn)略要求在中小學(xué)開設(shè)人工智能相關(guān)課程以來，我國(guó)的中小學(xué)人工智能教育取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。但是同時(shí)，我們還必須看到，中小學(xué)的人工智能教育仍然存在很多問題，例如缺乏統(tǒng)一的課程標(biāo)準(zhǔn)、學(xué)校資金困難，不能提供良好的配套設(shè)施、課程體系的不夠完善、教師沒有足夠的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)等。如果這些問題不能得到及時(shí)有效的解決，將不可避免地制約我國(guó)中小學(xué)人工智能教育的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】項(xiàng)目式學(xué)習(xí);人工智能教育;機(jī)器人教育

在2018 年 4 月教育部制定了《教育信息化 2.0 行動(dòng)計(jì)劃》，其中明確指出 需要完善人工智能課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)，充實(shí)適應(yīng)信息時(shí)代、智能時(shí)代發(fā)展需要的人工智能和編程課程內(nèi)容。推動(dòng)落實(shí)各級(jí)各類學(xué)校的信息技術(shù)課程，并將信息技術(shù)納入初、高中學(xué)業(yè)水平考試。智能機(jī)器人作為人工智能的重要組成部分，在中小學(xué)取得了迅速發(fā)展。 但由于機(jī)器人的學(xué)科綜合性和實(shí)踐性的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的機(jī)器人教學(xué)方式難以凸顯出學(xué)生利用機(jī)器人知識(shí)解決學(xué)科問題的能力。

本文以我校校本課程《科學(xué)探索機(jī)器人》為例，闡述基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的人工智能課堂——樂高WEDO2.0機(jī)器人教學(xué)模式進(jìn)行探討。

一、人工智能教育項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)與優(yōu)勢(shì)

1.人工智能教育的全面普及

除了國(guó)家的政策傾向，人工智能教育的普及趨勢(shì)，我校還是“廣東智能教育實(shí)踐共同體”創(chuàng)始學(xué)校之一、深圳市中小學(xué)人工智能教育示范學(xué)校，校園整體規(guī)劃傾向人工智能教育領(lǐng)域，結(jié)合廣東省、深圳市人工智能教育項(xiàng)目的實(shí)施進(jìn)展需求和本校自身特點(diǎn)，搭建了人工智能裝備體系（機(jī)器人、編程平臺(tái)、教學(xué)管理云平臺(tái)、3D打印機(jī)）。

2.項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)

PBL（Project-Based Learning）是一種基于真實(shí)情境，通過調(diào)查、觀察、探究、 展示、分享等形式進(jìn)行的跨學(xué)科的教學(xué)活動(dòng)，非常契合人工智能機(jī)器人等STEAM類學(xué)科的教學(xué)。風(fēng)靡全球的PBL項(xiàng)目式學(xué)習(xí)已在我校生根發(fā)芽，并且我校提出了以概念為向?qū)У腃-PBL項(xiàng)目式學(xué)習(xí)理念。

二、機(jī)器人教學(xué)中的項(xiàng)目式教學(xué)模式

下面以校本課程《科學(xué)探索機(jī)器人》（二、三年級(jí)適用）項(xiàng)目之一《堅(jiān)固的建筑結(jié)構(gòu)》為例闡述機(jī)器人教學(xué)中的項(xiàng)目式教學(xué)模式——五段教學(xué)法。

1.項(xiàng)目選題階段

首先從真實(shí)生活經(jīng)驗(yàn)入手，再從問題開始，最后在真實(shí)背景下初步確定本次主題。這樣既能最大化地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能充分發(fā)揮學(xué)生的想象力。例如，在進(jìn)行《堅(jiān)固的建筑結(jié)構(gòu)》之初，從“汶川大地震”文獻(xiàn)資料引入，從問題開始：同一地方，為什么有的房子能在地震中屹立不倒，為什么有的房子在地震中轟然倒塌，發(fā)揮學(xué)生的想象力——“什么樣的建筑最堅(jiān)固”。最后提出設(shè)想：房子的高度、地基的大小與房子的抗震性有關(guān)。

2.項(xiàng)目探究階段

在探究階段學(xué)生以學(xué)習(xí)核心知識(shí)為主。以學(xué)生為主體展開自主探究式學(xué)習(xí)，教師提供資源，創(chuàng)造環(huán)境，及時(shí)幫助指導(dǎo)。

（1）學(xué)科知識(shí)學(xué)習(xí)

在探究中我們需要學(xué)習(xí)一些自然科學(xué)知識(shí)，比如，地震的分類、形成、如何表示地震的大小、地震的橫波及縱波等。還要學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)知識(shí)，比如，自變量、因變量、平均值等。當(dāng)然還有機(jī)器人的搭建與編程知識(shí)，比如，電機(jī)如何連接推動(dòng)物體，多次循環(huán)結(jié)構(gòu)程序、數(shù)字累加等模塊。在這一環(huán)節(jié)中，提供專業(yè)的網(wǎng)站（地震網(wǎng)）和文字視頻等資料供學(xué)生自主學(xué)習(xí)各類知識(shí)，教師適時(shí)指導(dǎo)、交流。

（2）進(jìn)行科學(xué)探究

引入模型概念，學(xué)生討論利用樂高WEDO2.0能否設(shè)計(jì)模型，模擬地震環(huán)境下來驗(yàn)證各種結(jié)構(gòu)房子的抗震性，教師提供參考，然后學(xué)生設(shè)計(jì)草圖。學(xué)生在這一階段體驗(yàn)了科學(xué)探究的基本過程;假設(shè)-模型-驗(yàn)證-成立。

3.項(xiàng)目實(shí)施階段

在項(xiàng)目實(shí)施階段學(xué)生以工程師、科學(xué)家的職業(yè)身份投入機(jī)器人的學(xué)習(xí)當(dāng)中，以科學(xué)家嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得數(shù)據(jù)，以工程師精益求精的精神來搭建完善作品。

（1）搭建地震模擬器并編程

學(xué)生以2-3人為一團(tuán)隊(duì)，利用樂高WEDO2.0開始自主搭建地震模擬器，并為其編程調(diào)試。學(xué)生通過反復(fù)修改測(cè)試搭建出比較完美的房屋抗震測(cè)試模型。

（2）設(shè)計(jì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)

學(xué)生以小組為單位設(shè)計(jì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)：

實(shí)驗(yàn)一：改變高度的實(shí)驗(yàn)

使用兩個(gè)基盤一樣小，高度不同的建筑，比較誰更抗震。

實(shí)驗(yàn)二：改變地基的寬度實(shí)驗(yàn)

采用同樣的方式測(cè)試兩個(gè)高度相同、基盤一大一小的建筑，比較誰更抗震。

（3）分析數(shù)據(jù)驗(yàn)證假設(shè)

學(xué)生通過利用樂高WEDO搭建的地震模擬器結(jié)合設(shè)計(jì)的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，最后得出結(jié)論基盤相同的建筑，矮層的建筑抗震性更好。高度相同的建筑，基盤較大的建筑抗震性更好，也就是建筑的抗震性跟高低、基盤大小是有關(guān)的。

4.產(chǎn)品展示階段

考慮學(xué)生的低年齡特點(diǎn)，匯報(bào)展示主要有匯報(bào)演講與比賽兩種形式。匯報(bào)演講的內(nèi)容包括，團(tuán)隊(duì)組成、創(chuàng)造過程、設(shè)計(jì)思路、創(chuàng)造內(nèi)容說明、作品演示等。比賽主要是針對(duì)作品，比如跑得最快的汽車、最抗震的建筑物等等。

5.評(píng)價(jià)反思階段

一改傳統(tǒng)的機(jī)器人教學(xué)評(píng)價(jià)方式，采用機(jī)器人教學(xué)評(píng)價(jià)方式與項(xiàng)目學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)方式相結(jié)合，過程性評(píng)價(jià)與終結(jié)性評(píng)價(jià)兩者缺一不可。比如，本項(xiàng)目的評(píng)價(jià)方式，在平常教學(xué)中有教師對(duì)學(xué)生的日常評(píng)估，在項(xiàng)目后期，有對(duì)作品展示環(huán)節(jié)及作品本身的自我評(píng)價(jià)、同學(xué)評(píng)價(jià)、教師評(píng)價(jià)等多維評(píng)價(jià)。

中小學(xué)人工智能教育任重而道遠(yuǎn)，在目前沒有統(tǒng)一課程標(biāo)準(zhǔn)，沒有統(tǒng)一教材的環(huán)境下，走出一條適合本校的道路，因材施教選擇適合本校學(xué)生的教學(xué)模式顯得尤為重要。傳統(tǒng)機(jī)器人課程基本上是對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)以及它們的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行探索，而在CPBL項(xiàng)目制學(xué)習(xí)中，機(jī)器人成為探索的工具，在項(xiàng)目背景下幫助學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得數(shù)據(jù)，并且和新的設(shè)計(jì)進(jìn)行結(jié)合，完成知識(shí)的遷移，作品的創(chuàng)新。我校的《科學(xué)探索機(jī)器人》課程將繼續(xù)踐行項(xiàng)目式學(xué)習(xí)+人工智能課堂教學(xué)模式，以學(xué)生為主體，探索科學(xué)世界，學(xué)習(xí)科學(xué)、工程等核心知識(shí)，體驗(yàn)科學(xué)探究的基本過程，發(fā)展科學(xué)探究能力;發(fā)展學(xué)生的學(xué)習(xí)、思維、實(shí)踐和創(chuàng)新能力，發(fā)展學(xué)生的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力;以及用科學(xué)語言與他人交流和溝通的能力，具有創(chuàng)新意識(shí)、保護(hù)環(huán)境的意識(shí)和社會(huì)責(zé)任。

【參考文獻(xiàn)】

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