“AI++”項目化教學(xué)模式賦能小學(xué)人工智能課程探究

沈曉飛

摘? 要：人工智能是信息科學(xué)領(lǐng)域最前沿的學(xué)科之一，被稱為是“連接未來的技術(shù)”。2017年，國務(wù)院印發(fā)的《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確提出：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，鼓勵社會力量參與寓教于樂的編程教學(xué)軟件、游戲的開發(fā)和推廣。然而，國內(nèi)的人工智能教學(xué)起步較晚，在實施過程中，難免會出現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高、課堂互動方式單一、知識傳授效率低下、技能實踐內(nèi)容相對較少等問題，這嚴重影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗。文章分析了學(xué)生在學(xué)習(xí)人工智能課程中影響其積極學(xué)習(xí)體驗的因素，介紹了一種能夠讓學(xué)生更好地產(chǎn)生積極學(xué)習(xí)體驗的“AI++”項目化教學(xué)模式，力求打造出“妙趣橫生”的人工智能真實課堂。

關(guān)鍵詞：項目化學(xué)習(xí);人工智能課程;學(xué)習(xí)體驗

一、人工智能需要學(xué)習(xí)的內(nèi)容

（一）重體驗：體驗技術(shù)發(fā)展，搭建通信渠道

“玩是學(xué)生的天性?！毙睦韺W(xué)上，美國的心理學(xué)家洛欽斯認為：“學(xué)生對一個事物的首因效應(yīng)在很大程度上決定著學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度?！比斯ぶ悄芙逃o學(xué)生留下的印象如果是一行行難懂的代碼，或者是一個個冰冷的傳感器，這對學(xué)生人工智能學(xué)習(xí)興趣的打擊將會是毀滅性的。目前，小學(xué)信息技術(shù)課程中，AI相關(guān)內(nèi)容的編排主要是用游戲化編程工具設(shè)計AI技術(shù)小游戲，掌握AI基本知識，感受AI技術(shù)與自身學(xué)習(xí)、生活中的緊密聯(lián)系，認識AI技術(shù)給生活和學(xué)習(xí)帶來的便利。教師借助AI技術(shù)搭建“現(xiàn)實生活”與“虛擬世界”通信的“橋梁”，使學(xué)生在了解了相關(guān)理論技術(shù)的同時，還在選擇自己感興趣的方向上進一步學(xué)習(xí)。

（二）學(xué)思維：培養(yǎng)計算思維，建立數(shù)模鏈接

人工智能相關(guān)內(nèi)容涉及的領(lǐng)域非常廣泛，但無論是語音識別、圖像識別還是語義理解、圖像辨識，都離不開機器學(xué)習(xí)。機器學(xué)習(xí)研究計算機、感知現(xiàn)實世界，并嘗試通過模擬的方式實現(xiàn)人類的一些學(xué)習(xí)行為和獲取知識的技能，并能改善自我。其中解決計算機感知現(xiàn)實世界的問題，是連接計算機領(lǐng)域二進制世界與人類社會三維世界的“橋梁與紐帶”。因此許多地區(qū)小學(xué)開展的STEM與創(chuàng)客教育中，均存在探究機器學(xué)習(xí)的相關(guān)內(nèi)容，都離不開培養(yǎng)學(xué)生的編程能力與計算思維。學(xué)生通過編寫算法、調(diào)試優(yōu)化、建立模型，解決了一些簡單的生活問題。對學(xué)生而言，這是他們理解技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)的必經(jīng)之路，也是實現(xiàn)自我價值的重要方式——擁有一個更靈活、更高效的大腦，這將會成為以后研究人工智能技術(shù)的重要工具。

（三）練能力：探究技術(shù)應(yīng)用，挖掘信息價值

計算思維是運用計算機科學(xué)的基礎(chǔ)概念進行問題求解、系統(tǒng)設(shè)計，以及人類行為理解等涵蓋計算機科學(xué)廣度的一系列思維活動。在小學(xué)階段，人工智能教育為學(xué)生解決日常生活中的各種問題提供了保障，同時啟發(fā)和培養(yǎng)了學(xué)生利用建模、編程等工具獲取有用信息、解決實際問題的意識。

例如，學(xué)生在遇到不會做的題目時，可以主動使用人工智能設(shè)備進行查詢，或者在進行科學(xué)觀察作業(yè)時，可以利用人工智能設(shè)備獲取觀察對象的信息，提高科學(xué)觀察的效率，甚至可以設(shè)計簡單的信息系統(tǒng)來監(jiān)控家里植物、寵物的健康狀況，防止植物枯萎、寵物搗亂等。這些情境，正是學(xué)生通過人工智能內(nèi)容的系統(tǒng)學(xué)習(xí)后，對技術(shù)產(chǎn)生感性的認識下，自然、真實發(fā)生的，也是人工智能教育的魅力所在。學(xué)生能夠認識到，AI不僅能夠解決問題，還是自身思維和能力的延伸，蘊含著巨大的信息價值。

綜上，小學(xué)階段，AI教育主要面向的是小學(xué)生。因此AI教育應(yīng)以體驗為主，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在掌握了基礎(chǔ)的AI知識后，教師再指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)簡單的圖形化編程，通過編程實現(xiàn)一些簡單的AI技術(shù)應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的計算思維、利用AI技術(shù)獲取有價值信息的能力，以及利用人工智能技術(shù)和設(shè)備解決生活問題的意識。

二、人工智能課程面臨的問題

（一）學(xué)習(xí)過程中的利與弊：積極與消極學(xué)習(xí)體驗

在學(xué)生的學(xué)習(xí)過程中，積極學(xué)習(xí)體驗是指學(xué)生在學(xué)習(xí)中能夠通過自身努力掌握的知識，這些知識能夠歸納到學(xué)生的原有認知中。學(xué)生在學(xué)習(xí)這些知識或者技能時，有很強的求知欲，也能獲得很高的學(xué)習(xí)成就，由此而產(chǎn)生的一種積極的、持續(xù)很長一段時間的學(xué)習(xí)反饋。這樣的反饋經(jīng)常出現(xiàn)在學(xué)生的一些編程作品中。相反，消極學(xué)習(xí)體驗是指學(xué)生在學(xué)習(xí)知識或者技能時，因為自身認知能力、聽講狀態(tài)、心理因素等綜合原因，無法內(nèi)化知識和技能，產(chǎn)生了困惑、抵觸、失望的心理體驗，并在之后一段時間不再從記憶中提取，甚至遺忘的學(xué)習(xí)反饋。

由此可見，積極的學(xué)習(xí)體驗可以讓學(xué)生更樂于學(xué)習(xí)知識和技能，接受并有運用于實踐的主觀能動性，而消極的學(xué)習(xí)體驗會極大影響學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，打擊學(xué)生的學(xué)習(xí)信心，甚至影響到學(xué)生后續(xù)的學(xué)習(xí)進程。

（二）學(xué)習(xí)體驗中的苦與樂：理論知識與實踐體驗

人工智能的理論知識，主要是其中涉及的人工智能發(fā)展的歷史性知識、工作的原理性知識、應(yīng)用人工智能技術(shù)的技術(shù)性知識等。這些知識難免都需要通過教師的講授，或者使用一些形式單一的呈現(xiàn)方式系統(tǒng)地傳授給學(xué)生。循其宗旨，更好的知識儲備是為學(xué)生的實踐提供保障。但學(xué)生在學(xué)習(xí)這部分知識時，學(xué)習(xí)動機、學(xué)習(xí)成就、學(xué)習(xí)興趣普遍較低，其知識的接受程度也與學(xué)生自身能力水平有著很大的關(guān)聯(lián)。

人工智能的技術(shù)實踐，通常是使用智能套件，通過通用數(shù)據(jù)交換端口接駁傳感器與主控板。在主控板中編寫算法，主要使用圖形化編程，通過拖放事先設(shè)計好的基礎(chǔ)程序模塊實現(xiàn)更加復(fù)雜的算法。學(xué)生在使用人臉識別軟件、圖像識別工具、人機交互套件等進行實踐時，有較強的學(xué)習(xí)動機、學(xué)習(xí)成就和學(xué)習(xí)興趣，教師教授的方式也是靈活的、多樣的。但是這樣的形式存在很大的不確定性：學(xué)習(xí)能力強的學(xué)生可以“無師自通”，主動探究，動手實踐，從中獲得學(xué)習(xí)的快樂，達到很高的學(xué)習(xí)成就;學(xué)習(xí)能力低的學(xué)生可能“不知所措”，由于缺乏基礎(chǔ)的操作知識和實踐能力，其學(xué)習(xí)道路上“荊棘重重”“困難層層”，容易灰心喪氣、一蹶不振。

（三）學(xué)習(xí)反饋中的揚與抑：促成積極學(xué)習(xí)體驗的有利條件與不利條件

對教師而言，選用合適的教學(xué)手段是促成學(xué)生進行積極學(xué)習(xí)體驗的關(guān)鍵，尤其是對那些比較難懂的通識原理知識。教師應(yīng)善于將這些知識用學(xué)生喜聞樂見的形式呈現(xiàn)給學(xué)生，或者將知識進行分解、重組、創(chuàng)編、精細化，以降低學(xué)生的學(xué)習(xí)門檻，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)接受能力。一堂人工智能課并不總是充滿積極學(xué)習(xí)體驗的，一旦學(xué)生產(chǎn)生了消極學(xué)習(xí)體驗，并被其所支配，對學(xué)生而言，這堂課就成了“噩夢”。首先，一旦學(xué)生的原有認知沒有達到接受人工智能基礎(chǔ)知識的水平，學(xué)生就會“手足無措”。其次，一旦學(xué)生對教師教授的內(nèi)容產(chǎn)生了質(zhì)疑或者困惑，得不到解答，學(xué)生就會“開小差”“竊竊私語”，產(chǎn)生諸如課堂低語等不利于課堂開展的行為。最后，一旦教師對人工智能知識缺乏深刻的認識，或者沒有使用合適的教學(xué)手段，學(xué)生就容易“亂作一團”“無所適從”。

綜上，相比其他學(xué)生有一定的知識儲備和基礎(chǔ)內(nèi)容，人工智能的教學(xué)更依賴學(xué)生產(chǎn)生積極的學(xué)習(xí)體驗，只有解決這些矛盾，人工智能課堂才能“妙趣橫生”。

三、“AI++”項目化教學(xué)模式的教授內(nèi)容

在人工智能發(fā)展的今天，對人工智能的教學(xué)，應(yīng)“追本溯源”，從人工智能背后起到支撐作用的計算思維、編程能力學(xué)起?！癆I++”從學(xué)生的計算思維出發(fā)，鼓勵學(xué)生進行創(chuàng)意實踐，從以下幾個方面促使學(xué)生進行積極學(xué)習(xí)體驗。

（一）項目化教授與知覺型學(xué)習(xí)，助力計算思維的培養(yǎng)

學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)方式不是單一的，不同學(xué)生接受知識的途徑也不相同。解決學(xué)生在知識獲取上的矛盾，關(guān)鍵就是能否讓學(xué)習(xí)真實有效。美國的小學(xué)普遍推行了一種學(xué)習(xí)模式——項目化學(xué)習(xí)，這可以使學(xué)生主動探索現(xiàn)實世界的問題和挑戰(zhàn)，讓學(xué)生領(lǐng)會到更深刻的知識和技能。

以下課例可以實現(xiàn)上述技能：教學(xué)內(nèi)容是教師設(shè)計一個人臉識別儀。例如，圖書館需要統(tǒng)計不同年級的學(xué)生人數(shù)，教師先讓學(xué)生體驗快速記憶“學(xué)生和年級”的小游戲，學(xué)生體驗游戲，得出結(jié)論：關(guān)鍵是記住這個人的長相特征。接著，教師呈現(xiàn)AI識別人臉的工作流程，學(xué)生繪制出流程圖，并在流程圖中加入對圖形化編程模塊的認識。學(xué)生以小組為單位進行分布設(shè)計，應(yīng)用人臉注冊算法、人臉識別算法、人數(shù)統(tǒng)計算法。教師再針對性地指導(dǎo)學(xué)生優(yōu)化算法：通過對學(xué)生年級的學(xué)號編碼優(yōu)化識別算法;通過建立列表優(yōu)化識別過程等。整堂課，學(xué)生體驗到的是當(dāng)堂學(xué)習(xí)的知識和工具，可以高效解生活中的實際問題。知識是螺旋上升的，體驗是循序漸進的，因此項目化教學(xué)可以幫助學(xué)生在思考復(fù)雜問題前，停一停，想清楚再前行，試一試，探尋最優(yōu)解，跳一跳，建立模型，讓學(xué)生的思維由點到面、由窄變寬。

知覺型學(xué)習(xí)是學(xué)生能夠?qū)ν庠诘沫h(huán)境做出快速判斷，在繁雜的信息中提取出關(guān)鍵信息的能力，可以理解為學(xué)生統(tǒng)整信息的能力。在“AI++”人工智能課堂上，思維本身也可以是處理和統(tǒng)整信息的一套機制。

例如，社團課在學(xué)習(xí)“智能自動駕駛汽車”時，教師將所有的傳感器和對應(yīng)的算法都擺在一起，讓學(xué)生挑選感興趣的部分進行分組教學(xué)。具體而言，教師組織一場“智能駕駛汽車招標會”，讓每個團隊交流自己設(shè)計出的自動模塊，即如何將不同的設(shè)計用到整個自動駕駛控制系統(tǒng)中。學(xué)生在學(xué)習(xí)和實踐的過程中，明白了使用通用變量，規(guī)范應(yīng)用接口，要根據(jù)實際情況靈活調(diào)整設(shè)計等知識?！癆I++”培養(yǎng)了學(xué)生的知覺型學(xué)習(xí)能力，這種統(tǒng)整信息能力可以幫助學(xué)生在面對復(fù)雜的問題時，統(tǒng)整信息，尋找突破，獲得更積極的學(xué)習(xí)體驗。

（二）實用價值導(dǎo)向與工程逆向思維，助力創(chuàng)意實踐的升華

人工智能的課堂，如果不稍加引導(dǎo)，學(xué)生的創(chuàng)意實踐很有可能變?yōu)榧夹g(shù)價值導(dǎo)向——一種一味堆技術(shù)，盲目增加科技感的創(chuàng)意實踐。“AI++”倡導(dǎo)實用價值導(dǎo)向的創(chuàng)意實踐。如在設(shè)計一個“智能床”時，學(xué)生對智能床的認識就是智能床要安裝足夠多的傳感器，監(jiān)控使用者的一切;造型要足夠酷炫，有未來感，才能稱得上是智能床，以及安裝機械手臂后，智能床能夠?qū)崿F(xiàn)更多的功能……在發(fā)現(xiàn)學(xué)生的技術(shù)性創(chuàng)意實踐為技術(shù)導(dǎo)向后，教師提出了討論主題：“智能床的意義在哪里，從使用者的角度去思考。”最后，學(xué)生將床的功能重新定義為：符合使用者的日常習(xí)慣，幫助使用者了解舒適環(huán)境，輔助使用者簡易起居活動的床。由此看出，創(chuàng)意實踐應(yīng)該是有范圍的，不能一味地“輸出技術(shù)”，應(yīng)當(dāng)有知覺、有方向，這樣的創(chuàng)意才能迸發(fā)出思維的力量。

工程逆向是指在不能獲得必要的生產(chǎn)信息的情況下，直接從成品推導(dǎo)出產(chǎn)品的設(shè)計原理。在“AI++”的課堂上，教師鼓勵學(xué)生進行這樣的工程逆向：通過觀察一種智能產(chǎn)品，分析它們可能使用到的AI技術(shù)，可以一定程度上規(guī)范對這類產(chǎn)品的使用。

例如，在《你的計步器是否準確》一課中，教師給每個小組分發(fā)攝像頭，請學(xué)生自己注冊人臉，然后再到教師的電腦上進行識別。學(xué)生發(fā)現(xiàn)，人臉的識別率不高，并自己去研究原因，規(guī)范使用攝像頭采集圖像信息的細則。教師讓學(xué)生進行工程逆向的嘗試，并不是為了“復(fù)制”產(chǎn)品，而是讓學(xué)生更好地理解設(shè)備的使用局限，更規(guī)范地使用設(shè)備，以培養(yǎng)學(xué)生在調(diào)試時敏銳發(fā)現(xiàn)偶發(fā)性錯誤的能力，大大減少高失敗率帶來的消極學(xué)習(xí)體驗。

綜上，“AI++”的項目化教學(xué)模式能夠幫助學(xué)生輕松獲得積極的學(xué)習(xí)體驗，讓學(xué)生獲得更多探究的機會;教師要在體驗中引領(lǐng)學(xué)生的數(shù)字化學(xué)習(xí)，打造出高效的信息技術(shù)課堂。

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（責(zé)任編輯：張涵淋）