巧用UMU平臺創(chuàng)新人工智能課程教學(xué)模式*
——以《智能桌椅》項(xiàng)目教學(xué)為例

項(xiàng)慧芳 陳 琦 陳 旎

（廈門市思明區(qū)觀音山音樂學(xué)校，福建 廈門 361000）

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 年版）》正式將“人工智能與智能社會”納入7～9 年級的課程內(nèi)容體系中。作為一線的信息科技教師，人工智能是一門新興技術(shù)，如何在普及型大班化的課堂中開展好該課程的教學(xué)，這是我們信息科技教師亟待研究和探索的課題。2020 年廈門市啟動“人工智能進(jìn)百?！表?xiàng)目，作為試點(diǎn)校，我們積極開展普及型人工智能教育的實(shí)踐探索。

一、人工智能課程教學(xué)模式變革緣起

《中小學(xué)人工智能課程開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)》明確了人工智能課程目標(biāo)就是要培養(yǎng)適應(yīng)未來智能社會的關(guān)鍵能力，包括人工智能意識、技術(shù)應(yīng)用能力、實(shí)踐創(chuàng)新思維和智能社會責(zé)任。如果在人工智能課程教學(xué)中還是采用傳統(tǒng)的課堂知識傳授型的教學(xué)模式，必定會極大地限制學(xué)生技術(shù)應(yīng)用能力和實(shí)踐創(chuàng)新思維的培養(yǎng)?；诖?，我校信息技術(shù)備課組面向智能時(shí)代人才培養(yǎng)需要，落實(shí)立德樹人根本任務(wù)，聚焦課堂變革，深化科技賦能，積極探索人工智能課程教學(xué)模式的變革方向，嘗試?yán)肬MU 平臺（以下簡稱UMU）創(chuàng)新人工智能課堂教學(xué)，實(shí)現(xiàn)“線上+線下”的新型混合式人工智能教學(xué)模式。

二、基于UMU的混合式教學(xué)模式變革的可行性

UMU 是一種網(wǎng)絡(luò)互動教學(xué)平臺。它提供空間，允許教師自建課程，可以將課堂教學(xué)的每個(gè)環(huán)節(jié)所涉及的微課、視頻、圖片、文檔等相關(guān)學(xué)習(xí)資源添加到該網(wǎng)絡(luò)課程中，方便學(xué)生自主學(xué)習(xí)；同時(shí)該平臺還提供討論、提問、作業(yè)、拍照上傳、考試等互動功能，如果將這些互動環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)到網(wǎng)絡(luò)課程中，應(yīng)用于課堂教學(xué)，可以使課堂教學(xué)互動形式更加多樣化，學(xué)生參與的面更廣，教師更加快捷地獲得學(xué)生學(xué)習(xí)情況的反饋，適時(shí)調(diào)整教學(xué)進(jìn)度和教學(xué)策略。

人工智能課程在專用教室上課，該教室裝備了整套的人工智能相關(guān)套件，覆蓋無線網(wǎng)絡(luò)，學(xué)生們2 人一臺筆記本電腦，可以保證隨時(shí)訪問互聯(lián)網(wǎng)資源。同時(shí)，筆記本自帶的攝像頭和麥克風(fēng)，也方便學(xué)生將創(chuàng)意設(shè)計(jì)制作的作品拍照或錄像上傳，及時(shí)地分享到平臺上，保證每個(gè)作品都能得到展示，不因課堂時(shí)間有限而限制絕大多數(shù)同學(xué)分享展示的機(jī)會。因此在人工智能課堂上可以較好地利用UMU 實(shí)現(xiàn)教學(xué)模式的變革。

三、基于UMU的混合式教學(xué)模式實(shí)踐

以“智能桌椅”項(xiàng)目為例，具體介紹基于人工智能混合式課堂教學(xué)的具體實(shí)施過程。

（一）課前準(zhǔn)備，搭建數(shù)字學(xué)習(xí)環(huán)境

《智能桌椅》項(xiàng)目活動主題來源于學(xué)生實(shí)際生活情境，人工智能教室是專用教室，配置著較多的設(shè)施設(shè)備，如果學(xué)生們上完課后不及時(shí)收納整理，不僅使整個(gè)教室看起來雜亂無章，更影響到下一個(gè)班同學(xué)的學(xué)習(xí)。激發(fā)學(xué)生是否可以使用學(xué)校提供的Ukit Explore 套件，設(shè)計(jì)一款可以自動提醒學(xué)生下課后及時(shí)做好收納整理工作的課桌椅。在授課前，教師在UMU 中創(chuàng)建新課程，將Ukit Explore 套件中相關(guān)傳感器的學(xué)習(xí)資源以微課、視頻、課件或網(wǎng)站鏈接等多種形式按授課的流程一一呈現(xiàn)。同時(shí)提供Ukit Explore 積木件的基本搭建方法以及課桌椅模型的基本設(shè)計(jì)思路等資源，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)自己設(shè)計(jì)的課桌椅功能，選用合適的傳感器，設(shè)計(jì)搭建課桌椅，并編寫好相關(guān)的控制程序。學(xué)生在課堂授課的自主學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，根據(jù)自己的設(shè)計(jì)思路，自主選擇所需選擇合適的學(xué)習(xí)資源，有效地管理學(xué)習(xí)過程。

（二）課堂教學(xué)，構(gòu)建協(xié)作學(xué)習(xí)環(huán)境

為更好地推進(jìn)人工智能啟蒙教育，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，針對我校人工智能教學(xué)的環(huán)境、目的以及學(xué)情，在日常的人工智能課堂教學(xué)中，我校人工智能備課組以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)為抓手，采取“吸引、探究、解釋、拓展和評價(jià)”的“5E”教學(xué)法。

下面以主題為“智能桌椅”的項(xiàng)目教學(xué)為例進(jìn)行說明。

1.吸引：創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，引入項(xiàng)目主題

照片導(dǎo)入：人工智能教室上課前后狀況對比，提醒學(xué)生要養(yǎng)成及時(shí)收納整理的衛(wèi)生習(xí)慣。

驅(qū)動性問題：如何幫助教師設(shè)計(jì)一款“智能桌椅”，使它可以及時(shí)提醒學(xué)生上完課后及時(shí)收納整理？

UMU 平臺使用：學(xué)生在上課初始先登錄UMU 平臺，查看本節(jié)課的學(xué)習(xí)目標(biāo)，了解本節(jié)課的學(xué)習(xí)內(nèi)容和項(xiàng)目成果的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，做到有的放矢。

人工智能課程是實(shí)踐性極強(qiáng)的課程，通過該課程的學(xué)習(xí)培養(yǎng)學(xué)生技術(shù)應(yīng)用能力和創(chuàng)新思維能力。只有將所學(xué)知識和技能用于解決生活中的實(shí)際問題，才能更好地激發(fā)學(xué)生探究欲望和學(xué)習(xí)興趣。因此本項(xiàng)目以學(xué)生日常生活學(xué)習(xí)中經(jīng)常見到的問題作為驅(qū)動，基于真實(shí)情境開展學(xué)習(xí)活動，在實(shí)際問題的解決過程中激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新意識和問題解決能力。

2.探究：問題鏈驅(qū)動，激發(fā)學(xué)生深度學(xué)習(xí)

教師提出一系列的層層遞進(jìn)的探究問題鏈，激發(fā)學(xué)生深入思考并培養(yǎng)主動學(xué)習(xí)的精神。

探究問題1：如何感知設(shè)備或椅子沒有正常歸位？需要用到什么傳感器？

探究問題2：該“智能桌椅”要使用到哪個(gè)執(zhí)行器或裝置實(shí)現(xiàn)提醒功能？

探究問題3：該“智能桌椅”在什么情況下發(fā)出提醒？如何設(shè)計(jì)程序？

探究問題4：該“智能桌椅”如何搭建，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)注意哪些問題？

UMU 平臺使用：在UMU 提供課程中添加“討論”的互動環(huán)節(jié)，創(chuàng)設(shè)“如何感知設(shè)備或椅子沒有歸位？”“可以采取什么方式進(jìn)行提醒？”“桌椅搭建應(yīng)注意什么？”等探究問題進(jìn)行討論，使用線上討論的方式，可以讓更多的學(xué)生參與到問題的思考過程中，而不是傳統(tǒng)課堂教學(xué)中，因時(shí)間有限，僅一兩個(gè)學(xué)生闡述觀點(diǎn)的弊端。同時(shí)，通過實(shí)時(shí)呈現(xiàn)學(xué)生觀點(diǎn)并及時(shí)反饋，激發(fā)學(xué)生的好勝心理和表現(xiàn)欲望。

3.解釋：檢驗(yàn)是否真正理解所學(xué)內(nèi)容

環(huán)節(jié)一：眼燈的工作原理，如何編程驅(qū)動其使用。

環(huán)節(jié)二：為什么紅外傳感器和超聲波傳感器都可以測距？

環(huán)節(jié)三：紅外傳感器和超聲波傳感器的區(qū)別。

UMU 平臺使用：學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)UMU 中微課視頻和課件，掌握相關(guān)傳感器的工作原理、課桌椅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求以及積木件搭建的基本技能技巧。教師針對學(xué)生自學(xué)中提出的疑問和困惑進(jìn)行實(shí)時(shí)解答。引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合自己對智能桌椅功能的設(shè)計(jì)，選擇合適的傳感器，并動手搭建課桌椅模型。

這一階段是課堂教學(xué)的中心環(huán)節(jié)，采取線上自主學(xué)習(xí)和線下教師及時(shí)點(diǎn)撥釋疑的方式，讓學(xué)生獲取知識，掌握技能。在實(shí)踐過程中，學(xué)生是主體，教師的作用是引導(dǎo)和幫助。學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)節(jié)奏和認(rèn)知特點(diǎn)以及作品功能設(shè)計(jì)，利用UMU，合理地篩選需要的學(xué)習(xí)資源，進(jìn)而有效地解決問題，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化學(xué)習(xí)。

4.拓展：學(xué)以致用促進(jìn)知識和概念轉(zhuǎn)化

教師展示個(gè)別小組的作品，引導(dǎo)學(xué)生分析同伴的創(chuàng)意設(shè)計(jì)，并提出拓展問題：“智能桌椅除了具有桌椅收納提醒功能以外，還可以增加哪些智能功能？”在學(xué)有余力的情況下，可以對自己的作品進(jìn)行改造提升。

UMU 平臺使用：學(xué)生在完成作品之后，利用筆記本電腦的“相機(jī)”功能將本組作品以視頻的形式錄制并且上傳提交到UMU 平臺。同時(shí)可以在平臺上查看其他小組的創(chuàng)意作品。利用線上提交作品的方式，可以讓每組作品都能得到展示，解決因課堂授課時(shí)間有限而無法展示所有作品的問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，充分體驗(yàn)了學(xué)習(xí)的挑戰(zhàn)性和成就感。

5.評價(jià)：多維評價(jià)，多人評價(jià)

知識技能評價(jià)：如何通過編程實(shí)現(xiàn)紅外傳感器、超聲波傳感器獲取數(shù)據(jù)結(jié)果的條件判斷，如何驅(qū)動眼燈或蜂鳴器使用？

思維提升評價(jià)：總結(jié)完成“智能桌椅”項(xiàng)目的主要步驟？

情感態(tài)度評價(jià)：小組是如何分工？每個(gè)人分別擅長什么工作？

UMU 平臺使用：教師組織學(xué)生通過UMU 的“評價(jià)”功能來對提交的項(xiàng)目成果做出評價(jià)。引導(dǎo)學(xué)生對自己的作品從知識技能、思維提升、情感態(tài)度等維度進(jìn)行自評，對其他小組的作品從功能實(shí)現(xiàn)、創(chuàng)意設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等維度進(jìn)行互評。

（三）課后拓展，促進(jìn)知識鞏固提升

人工智能是多學(xué)科融合的課程，在課堂上，教師不可能將相關(guān)知識都講透講細(xì)。因此，放在平臺上的相關(guān)資源就可以讓學(xué)生在課后深入學(xué)習(xí)和探究，這些資源會長期保存在UMU 上，便于學(xué)生隨時(shí)調(diào)用進(jìn)行個(gè)性化學(xué)習(xí)。UMU 能自動、精準(zhǔn)、完整地記錄學(xué)生參與各項(xiàng)內(nèi)容的學(xué)習(xí)情況，以便教師及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)。UMU 提供“課程積分榜”“課程達(dá)成榜”“卓越學(xué)習(xí)榜”和“積極學(xué)習(xí)榜”等排行榜，教師只要在下一次課堂教學(xué)前，展示各積分榜情況，就能很好地促進(jìn)絕大多數(shù)的學(xué)生進(jìn)一步地參與到相關(guān)課程的學(xué)習(xí)中，推動和保持學(xué)生持續(xù)學(xué)習(xí)和探究的熱情。

四、實(shí)施效果

運(yùn)用UMU 將“線上+線下”學(xué)習(xí)有效地融合，整堂課既保留了傳統(tǒng)人工智能課堂中師生互動的熱烈氣氛又有線上自主探究學(xué)習(xí)能力的提升，學(xué)生對于人工智能學(xué)習(xí)的積極性大幅度提高，取得了良好的教學(xué)效果。

1.解決個(gè)性化教學(xué)的需要

個(gè)性化教學(xué)就是要根據(jù)學(xué)生的興趣和偏好，以及所掌握的知識程度來設(shè)計(jì)針對性的教學(xué)方案，包括課程設(shè)計(jì)、課程表現(xiàn)形式、課后作業(yè)、課外知識補(bǔ)充等方方面面的內(nèi)容。原來教師資源過于失衡，教師完全不可能針對眾多的學(xué)生來個(gè)性化設(shè)計(jì)課程。運(yùn)用UMU 互動學(xué)習(xí)平臺能夠獲取足夠多的課堂教學(xué)中的學(xué)生數(shù)據(jù)，甚至校外生活的數(shù)據(jù)，方便教師針對每個(gè)學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)個(gè)性化的教學(xué)方案。這給教學(xué)帶來巨大的變革，給每個(gè)個(gè)體帶來適合自身成長的教育之路，也為教學(xué)公平鋪平了道路。

2.滿足多學(xué)科多層次知識問答需要

當(dāng)代學(xué)生被稱為智能一代，同時(shí)，由于數(shù)字媒體信息傳播的豐富、全面和快速的特點(diǎn)，也造就了這一代學(xué)生的學(xué)習(xí)渠道多樣及知識面廣泛的特點(diǎn)。而相對年齡差距較大的教師則由于先天的成長經(jīng)歷造成的知識結(jié)構(gòu)，很難滿足這一代學(xué)生的知識需求。運(yùn)用UMU 互動學(xué)習(xí)平臺，把學(xué)生課程及所延伸的知識，按照所涉及的人、事、地、物和組織來構(gòu)建知識圖譜。同時(shí)結(jié)合其他人工智能技術(shù)，形成智能問答，智能推薦和智能引導(dǎo)的智能學(xué)習(xí)輔助體系，從而滿足學(xué)生的數(shù)字化學(xué)習(xí)，以及多學(xué)科、多層次的知識問答和學(xué)習(xí)的需要。

3.精準(zhǔn)掌握學(xué)生學(xué)業(yè)成長

傳統(tǒng)的學(xué)生檔案記錄是片面的和斷點(diǎn)的，未能反應(yīng)一個(gè)學(xué)生的真實(shí)學(xué)習(xí)情況，更無法真實(shí)掌握學(xué)生的生理和心理成長情況。為此，運(yùn)用UMU 互動學(xué)習(xí)平臺可搜集學(xué)生全過程學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)。通過人工智能對各方面樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，形成多維度的人工智能識別能力，從而有效解釋與預(yù)測學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)。同時(shí)，教師也能根據(jù)掌握的學(xué)生狀況來確定學(xué)科教學(xué)目標(biāo)，優(yōu)化教學(xué)過程，調(diào)整教學(xué)策略。當(dāng)然，除了學(xué)業(yè)數(shù)據(jù)，如果能利用各種智能穿戴設(shè)備、語音識別設(shè)備和眼球追蹤設(shè)備來收集更多學(xué)生的生理和心理行為數(shù)據(jù)，那么就能掌握學(xué)生的情感狀態(tài)和心理狀態(tài)，挖掘?qū)W生深層次的行為數(shù)據(jù)，從而更全面地掌握學(xué)生的學(xué)業(yè)和生活，有效促進(jìn)學(xué)生的成長。

五、結(jié)束語

經(jīng)過近兩年的實(shí)踐探索，學(xué)生人工智能的意識和能力都有極大的提高,特別是在創(chuàng)意物化上，學(xué)生搭建人工智能的應(yīng)用模型，嘗試解決生活中存在的問題，創(chuàng)新思維得到提升。學(xué)生們?nèi)珖?、省、市、區(qū)各級人工智能相關(guān)賽事中均取得一、二、三等獎的好成績。因參賽人數(shù)多，獲獎獎項(xiàng)高，學(xué)校還多次獲得優(yōu)秀組織獎。學(xué)校備課組在教學(xué)過程中積累了一套較完整的人工智能課堂教學(xué)資源。教師得到快速成長，備課組成員多次在省、市、區(qū)開設(shè)主題講座，發(fā)表多篇CN 論文。學(xué)校科創(chuàng)教育案例《智能桌椅》也在中國教育學(xué)會年會上展示推廣。

實(shí)踐證明，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式已經(jīng)不能適應(yīng)信息時(shí)代背景下學(xué)生的需求，而一味地像疫情期間那樣完全實(shí)施線上教學(xué)，因無法實(shí)時(shí)關(guān)注到學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)，也讓一線教師深感其局限性。因此，線上和線下兩種教學(xué)模式結(jié)合的混合式教學(xué)模式，可充分挖潛各自教學(xué)方式的優(yōu)勢，必將成為未來學(xué)校教育教學(xué)的主要模式。在這種新的教學(xué)模式下，師生的信息素養(yǎng)得到不斷提升。