人工智能教學中“知識建構、STEM、創客”三位一體教學模型的 設計與應用

丁美榮 王同聚

[摘? ?要] 隨著人工智能時代的到來，人工智能進學校、編程教育進課堂已上升為國家戰略。設計有效的教學模型提升人工智能教學效果是當前的重要研究課題之一，培養具有創新能力的人才是當今教育的重要使命。文章以知識建構理論為核心，以STEM教育和創客教育為兩翼，以項目學習為主線，對知識建構、STEM教育和創客教育三者的特征和關系進行梳理，將知識建構理論與STEM教育和創客教育進行有機融合，構建了“知識建構、STEM、創客”三位一體教學模型。在模型的基礎上探討了課程的教學模式和教學評價，以培養學生高階思維能力和提升學生核心素養。該模型在中小學和高校人工智能教學中進行了探索實踐，發現其有助于培養學習者的計算思維、編程思維和創新思維等高階思維能力，能促進復合型和創新型人才的培養，能推動人工智能進學校、進課堂、進學生頭腦的進程。

[關鍵詞] 人工智能; 知識建構; STEM教育; 創客教育; 教學模型; 項目學習

一、問題的提出

隨著物聯網、5G技術、人工智能、區塊鏈等新技術的快速發展，教育形態將發生深刻的變革，深度學習、模式識別、自然語言處理、情感計算、學習分析和人機協作等已成為“人工智能+教育”的主要表現形式。人工智能技術在教育中的應用將伴隨計算智能、感知智能和認知智能技術的發展而不斷發展和完善，人工智能與教育的融合創新已經成為未來教育變革的趨勢。2017年7月，國務院印發《新一代人工智能發展規劃》，提出“在中小學階段設置人工智能相關課程、逐步推廣編程教育”[1]。人工智能進學校、編程教育進課堂已上升為國家戰略。人工智能時代的到來給教育帶來了新的機遇和挑戰，一方面，人工智能對教育提出了結構性變革的需求，另一方面，人工智能將賦能教育。郭炯等認為：人工智能提供獲得優質教育內容的機會和改善學習的環境[2]。祝智庭等提出：人工智能倡導培養具有“創新、溝通和深度思考”的人才[3]。因2017年以前開設人工智能專業的高校很少，現在無論是高校還是中小學校，開展人工智能教學都缺少適切的教學模式。再者，中小學人工智能師資嚴重短缺，調研發現：目前99%的中小學教師在大學期間均未學過人工智能課程。因此，筆者結合開展智能機器人教育、創客教育和STEM教育所積累的實踐經驗，探索和構建適用于人工智能教學的教學模型，以解決人工智能進入學校和課堂時缺少教學模式和師資的問題。

《教育信息化“十三五”規劃》提出，積極探索信息技術在“眾創空間”、跨學科學習（STEM教育）、創客教育等新教育模式中的應用[4]。人工智能時代的到來，進一步豐富了STEM教育和創客教育的內涵，也為STEM教育和創客教育開啟了創新之門。近年來，我國大力推進STEM教育和創客教育，通過跨學科學習和多學科融合，有助于培養學生的編程思維、計算思維和創新思維能力。但由于有些教師在開展STEM教育時教學目標定位泛化，過分模仿使用教學技術而缺乏對高階學習能力的培養，學習者缺少對知識進行深度體驗、有效融合和創新應用的機會;另外，在開展創客教育的過程中過分關注技術應用和空間構建，缺乏有效的教學情境支持。因此，學習者的批判性思維、創造性思維、溝通合作和高階學習等素養不能得到充分有效的提升[5]。筆者根據從事近20年智能機器人的研究和教學實踐，在基于智能機器人開展STEM教育和創客教育探索實驗的基礎上，引入知識建構理論，對知識建構、STEM教育和創客教育三者的特征和關系進行梳理，進而以知識建構理論為核心，以STEM教育和創客教育為兩翼，以項目學習為主線，將知識建構理論與STEM教育和創客教育進行有機融合，構建了“知識建構、STEM、創客”三位一體教學模型，并分別在中小學教師培訓和高校軟件工程專業人工智能教學中對該教學模型進行了探索實驗，發現該模型有助于培養學習者的編程思維、計算思維、創新思維等高階思維能力，能夠對人工智能進學校、編程教育進課堂和創新型人才培養發揮積極的推動作用。

二、構建“知識建構、STEM、創客”三位一體教學模型

人工智能技術的發展，將促使未來教育發生重大的結構性變革。人工智能與教育的融合，不僅會改變學習環境、師生關系、教學方式、學習方式和評價方式，也會推動教學模式的轉變。目前，中小學和高校都在大力推進人工智能教育，為滿足人工智能進學校、進課堂的需求，應對“人工智能+教育”時代的變化，探索人工智能教學新模式，筆者構建了“知識建構、STEM、創客”三位一體教學模型。

（一） 模型構建以知識建構為核心

知識建構是以建構主義為基礎，強調發揮學生的主體作用，小組成員通過不同類型的對話進行意義探究、知識建構、作品創作，以促進小組各成員對小組內部共享的意義的內化[6]。多倫多大學創新教育研究中心Scardamalia、Bereiter兩位研究者在知識建構研究中特別區分了淺層建構和深層建構，并且指出知識建構的真正意義在于深層建構[6]。深層建構注重知識生成的應用和創新，其學習任務和學習活動能探究到學習任務中隱含的內涵和重要規律。在創新人才培養模式下的知識建構正是深層建構[7]。

人工智能教育注重基于學習知識開展高級認知思維的過程，能有效促進學生深度學習并提升創新能力。知識建構的基本思想在于學習者基于問題迭代建構和反復推進知識的過程中培養學生高階學習能力、高階思維能力和知識創造能力，最直接的途徑不是通過設計學習任務或探究活動讓學生掌握該領域的知識和技能，而是使學生成為知識的創造者[8]。余勝泉認為，知識構建以回歸人本為價值取向，具備了情境、復雜、積極、意識、建構、合作、交流、思考等建構性學習的八個特點[9]。知識建構包括個體知識的獲得，同時也與學生對知識的細化、關聯、創新和發展有關[6]。謝幼如提出了知識建構的“共享—論證—協商—創作—反思”協作學習過程模型（如圖1所示），協作知識建構的特點體現在五個方面：學習任務情境性、學習過程探究性、學習環境協作性、學習結果生成性、學習觀點創新性[10]。因此，知識建構理論可以作為創客教育和STEAM教育的理論基礎，也是“知識建構、STEM、創客”三位一體教學模型的核心。

（二）模型構建以STEM教育和創客教育為兩翼

STEM教育和創客教育都是基于項目學習和問題學習，強調多學科知識的跨界與融合，注重動手、實踐、過程和體驗，體現了協作、整合和建構學習實踐過程。

STEM教育強調“做中學”，在解決問題的過程中，注重培養學習者對跨學科知識的學習和綜合應用能力，學習內容的設計是基于多學科知識開展，學習成果不以最終創造出產品為導向，而是注重培養學習者的工程思維、設計思維、計算思維和編程思維，但對學習者批判性思維、創新思維和創造力關注較少。STEM教育對思維能力的培養如圖2所示。

創客教育體現“做中創”，強調用相關的數字化工具把創意實踐轉化成有創新性的創客作品，關注學習者創新思維、創新能力和創造能力的培養[11-12]。同時注重學習者創新精神、工匠精神、協作精神和分享精神等創客精神的培養。通過情境問題、知識建構、設計方案、造物制作、測試分析、優化迭代、成果分享、拓展創新等項目學習流程完成造物過程。創客教育特征及教學流程如圖3所示。

通過比較STEM教育和創客教育各自的育人優勢，進而實現二者相互交融。二者在教學內容設計、學習組織方式和學習活動過程等方面基本相同。知識建構是一種教育理念，其宗旨在于變革傳統教育方式，促使學生參與到知識創造的文化中。運用知識建構解決問題需要應用各種信息技術創造原型，創造超越心智的公共知識，迭代改進，直到最終形成成品。根據知識建構的核心特征可以看到：一是知識建構解決問題的過程必然會涉及多學科知識的交叉融合應用，能培養學生多學科知識整合應用的能力，與STEM教育理念相通;二是知識建構理念強調學習者不僅僅是學習知識，而是在學習中進行創新，這個特征與創客教育理念相通。由此可見，知識建構可作為STEM教育和創客教育有機融合的中介，將“共享—論證—協商—創作—反思”協作學習過程模型中五個特征環節作為STEM和創客教育的融合點，根據STEM教育和創客教育的特征，把知識建構協作模型中的“共享—論證”與STEM教育相結合，把“協商—創作—反思”作為與創客教育的融合點。因此，STEM教育和創客教育依托知識建構理論構成了“知識建構、STEM、創客”三位一體教學模型的兩翼。

（三）模型構建以項目學習為主線

項目學習注重實踐性和參與性，強調以問題解決為中心、多種學習途徑相整合[13]。鐘志賢等認為，項目學習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]。閆寒冰認為，項目學習分為設計項目、分組分工、制定計劃、探究協作、制作作品、匯報演示和總結評價等七個基本步驟[15]。2017年版《普通高中信息技術課程標準》強調學科核心素養、增強信息意識、倡導項目學習、培養計算思維、體驗知識建構，提升信息社會責任[16]。項目學習將成為普通高中新課程標準背景下開展信息技術教學的一種主要教學模式，因此，模型的構建也需要以項目學習為主線。

（四）模型要體現“學、做、創”三者融合的理念

筆者根據從事多年智能機器人教育的經驗所凝煉形成的教學成果“智能機器人‘學、做、創教學模式的創新實踐”，曾獲得2017年廣東省教育教學成果（基礎教育）特等獎和2018年基礎教育國家級教學成果二等獎[17]。利用該成果在基于智能機器人開展創客教育和STEM教育實踐應用中發現，以STEM教育理念引導學生“學中做、做中學”，集中引導學生進行知識和能力的擴展和延伸，系統化學習多學科知識，提升信息化工具應用、跨學科知識融合的能力。但是在學生知識遷移、高階學習能力和創新思維能力培養方面還需強化培養，把知識建構理念貫穿STEM教育和創客教育中，有利于促進學生知識遷移擴展，有利于強化學生在“玩中做、做中學、學中做、做中創”[18]的過程中，通過“學、做、創”三者融合，提升學生的高階學習能力和高階思維能力，實現“知識建構、STEM、創客”三位一體教學模型的互通交融。

（五）“知識建構、STEM、創客”三位一體教學模型的構建

“知識建構、STEM、創客”三位一體教學模型的構建以知識建構理論為核心，以STEM教育和創客教育為兩翼，將“共享—論證—協商—創作—反思”協作學習過程模型中五個特征環節與STEM和創客教育進行有機融合;對真實情境問題進行知識建構，以項目學習為主線，在項目學習過程中設計項目、分組協作、活動探究、遷移拓展、創新應用;依托“學、做、創”教學模式，豐富和拓展美國教育家杜威提出的“在做中學”和我國著名教育家陶行知提出的“教學做合一”教育思想的內涵，讓學習者通過“做中學、學中做、做中創”，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—迭代—再造”的過程中進行打磨提升，最終形成精品;課程教學采用線下面授課程教學與線上網絡課程研修相融合的方法;教學評價采用過程性評價與終結性評價相結合、定量評價與定性評價相結合、自我評價與相互評價相結合、多形式評價與多元化評價相結合的方式[19]。所構建的“知識建構、STEM、創客”三位一體教學模型如圖4所示。

三、“知識建構、STEM、創客”三位一體教學模型在人工智能教學中的應用

近年來，研究團隊將該教學模型分別在中小學教師繼續教育系列人工智能課程培訓和高校軟件工程專業人工智能課程教學中進行了探索實驗，取得了良好的教學效果。

（一）在中小學教師繼續教育系列人工智能課程培訓中的應用

目前，中小學人工智能師資匱乏，由于人工智能涉及面廣，很多內容都是新領域、新技術、新知識，對教師的綜合素質、跨學科融合、知識遷移、開拓創新等能力要求較高，為解決中小學人工智能師資短缺問題，筆者利用“知識建構、STEM、創客”三位一體教學模型在中小學教師繼續教育系列人工智能課程培訓中進行了實驗和驗證。與高校、科研院所和企業合作開設了中小學教師繼續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器人創意編程”“App Inventor與智能機器人創意編程”“無人機（空中機器人）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）”，已培訓教師661人次。以上開設的中小學教師繼續教育系列人工智能培訓課程都涉及軟件編程和硬件設備操作。以“人工智能編程入門與實踐（Python版）”課程為例，教學采用的教程是一套應用Python語言編程、基于物聯網設備開發的《人工智能》（高中版）[20]，開展教師培訓教學時，每人一臺計算機、兩人共用一套物聯網實驗箱，實驗箱中配備了主控器、通過無線網絡連接的各種傳感器和多種電機。授課教師教學時，通過案例演示創設情境、布置項目活動任務，傳授人工智能項目所涉及的STEM知識，參訓教師在學習過程中對自己需要設計的物聯網創意作品進行知識建構，融入自己的經驗，使用教學中提供的物聯網智能硬件設備進行結構搭建、Python編程、軟硬件調試等，兩人小組互助協作最終完成一件具有語音識別、人臉識別、自動避障、溫度調節等多種智能感知功能的智能家居系統;在作品的分享展示環節，通過組內評價、組間評價和授課教師點評，找出作品存在的問題，再進行迭代升級，最后制作完成一件基于物聯網的人工智能項目作品。

在中小學教師繼續教育系列人工智能課程培訓的應用過程中發現，該教學模型為人工智能教學提供了一種新的教學范式。目前，95%以上中小學教師繼續教育培訓課程是以在線網絡課程形式呈現，網絡課程雖然具有學習方式靈活、學習不受時空限制、覆蓋面廣等優勢，但也存在諸多弊端。例如：有些教師參加網絡課程培訓的目的不是為了學習知識而是為了拿到繼續教育學分;有的教師請他人代其上網學習;有的教師為了趕進度，在上網課的同時打開多臺計算機播放視頻，讓“機器學習”而不是“真人學習”，走過場、流于形式、浪費資源，完全失去了開展繼續教育課程培訓的意義。再者，在線網絡課程雖然覆蓋面廣，但也有不足之處，因為實操性強的課程就不太適用于在線網絡課程教學。而人工智能課程不但涉及理論知識，還有計算機編程和軟硬件實操，是實操性較強的課程，因此，純網絡課程已不適應人工智能課程的繼續教育培訓。采用該教學模型開展中小學教師繼續教育系列人工智能課程培訓試驗取得了較滿意的效果，教學采用線上網絡課程（藍墨云班課）和線下面授課培訓相結合、理論與實踐相結合、現場實操與網上研討相結合、線下評價與線上評價相結合的方式，參加培訓的教師能全程投入學習，親自動手實踐，參加學習不是為了拿學分，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計而認真學習，培訓結束都滿載而歸。參加培訓的教師回到學校后，在自己的課堂教學中采用該教學模型進行實驗和驗證后表示，該教學模型同樣適合中小學生的人工智能課程教學。通過中小學教師繼續教育課程和中小學生人工智能課程教學實踐驗證，該教學模型在人工智能課程教學中均取得了較好的實驗效果。因此，該教學模型對中小學開展人工智能課程教學具有一定的指導意義和實用價值。

（二）在高校軟件工程專業語音交互微信小程序設計教學中的應用

筆者與教學團隊在高校軟件工程本科專業課程、大創項目、各類比賽項目教學中利用該模型進行探索實驗與應用實踐發現，學生各類創新成果轉化數量有明顯提高，能有效促進創新人才的培養。以下以語音交互微信小程序設計教學為例來闡釋該模型的應用成效。

語音交互微信小程序設計是一個集科技前沿知識和多學科知識于一體的程序設計項目，也是人工智能課程編程教育的一個典型教學案例，開發過程涉及人工智能相關技術，如深度學習、機器學習、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，微信小程序因應用環境、面向的群體、提供的功能等不同，還涉及STEM領域的跨學科知識。教師在教學前需要按照該模型的教學核心來設計和組織教學活動。首先是創設情境，從實際生活、工作中發現問題和需求，并針對問題和需求提出挑戰性的任務或復雜性的問題，引導各組學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，在項目目標實現的過程中必然涉及到多學科知識。如在微信小程序開發過程中，從小程序注冊、信息完善、程序編寫、程序調試、發布授權等多個環節都會用到STEM知識，讓學生通過多學科融合、知識建構、開拓創新、挑戰自我，能夠解決具有創新性、挑戰性的各種難題。因此，這個語音交互微信小程序項目設計既具有真實情境性，又隱含復雜挑戰性的問題或任務，能激勵學生在運用多學科知識解決問題的過程中積極建構新知識、新觀點和新方法，引導學生探究前沿科技以解決創作過程中的復雜問題，基于創客理念，從作品交互界面、功能、技術、意義價值等方面建構和創新，整個學習實踐過程以知識建構理念來引領，最終完成一件具有創新性的作品。

項目完成后，進入再創造階段，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，并且對作品進行反思評價。在反思評價的基礎上再對作品進行探究實踐、改進再造和迭代更新，形成更高階的循環學習模式，學生知識和技能在實踐中得到反復擴展和遷移，創新思維和創新能力得以反復強化。近幾年來，筆者教學團隊指導學生開發了一系列語音交互微信小程序設計作品，學生作品在“2019年中國高校計算機大賽——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中不但讓學生取得了較好的成績，而且學生通過作品設計和參加競賽，還提高了學生的高階思維能力、動手實踐能力和團隊協作能力。同時，該模型也開始在軟件工程的其他相關課程教學中進行推廣應用，以期通過更多的實驗對模型進行不斷改進和完善，進而提升該教學模型的應用效果。

四、“知識建構、STEM、創客”三位一體教學模型在人工智能教學中的應用成效與特征

知識建構具有發展學生深度學習、提升高階思維能力、開展協作學習活動的優越性，既能促進STEM教育的學習深度和質量，又能加強創客學習的廣度和深度。因此，基于項目學習，知識建構理念能促進STEM教育和創客教育相互融合以發揮更大的教學育人優勢。“知識建構、STEM、創客”三位一體教學模型的應用成效和特征如下：

（一）適用于實操型課程教學

該教學模型是以知識建構為核心，融合了創客教育、STEM教育理念，實施過程不僅需要掌握基本知識、基本原理，更重要的是學習者要動手實踐、造物創新，通過“學、做、創”完成作品的創作和展示等，該教學模型適用于動手實踐較強的實操型課程的教學。人工智能課程既需要用計算機編程，又要對硬件設備進行安裝并根據所編程序進行調試，屬于實操性強的課程。因此，該教學模型適用于人工智能課程教學。

（二）有助于學習者高級思維能力的培養

知識建構是該教學模型的核心，學習者通過項目探究學習多學科知識，在學習過程中解決有潛在價值的問題，項目目標的完成具有復雜性、創新性和挑戰度，能引導學習者洞悉學科前沿，掌握未知領域的知識，在解決項目問題的過程中掌握新技能和建構新知識，同時又把獲得的知識轉化成一種獲取新知識的能力、水平和方式。整個學習過程是持續進行知識建構和知識創新的高階學習過程。因此，該教學模型在人工智能教學中有助于培養學習者的編程思維、計算思維、智能思維等高階思維能力。

（三）有助于培養學習者的創新思維能力和溝通協作能力

此教學模型以STEM教育理念引導學生“做中學”，集中引導學生進行知識和能力的擴展和延伸，系統化學習多學科知識，提升跨學科知識融合和信息化工具的應用能力;以創客教育理念引導學生“做中創”，獨立思考、協作探究，創新性地解決問題，積極應對具有挑戰性的問題，最終創造出具有創新性的成果。學習者在整個學習過程中對項目中的問題和觀點進行持續改進、迭代更新、改造創新，體現了“情境”“協作”“溝通”“建構”“創新”的特征，并在項目學習過程中需要團隊成員充分溝通、精誠合作、攜手共贏。因此，利用該教學模型開展教學有助于培養學習者的創新思維能力和溝通協作能力。

（四）注重教學評價與教學反思

在成果分享和反思環節，需要對完成的項目成果進行綜合評價、迭代改造和拓展創新。評價環節既是第一輪創作的終點，也是下輪創作的起點，評價目的是為了激發學生的學習熱情并促進學生的全面發展。在該模型應用中，評價原則的設計要以學生為中心，基于教學內容、培養目標、教學模式等與其相匹配的評價原則，進行多形式和多元化評價。由于該模型基于知識建構理論進行設計構建，評價首先要遵循知識建構的評價原則：評價中既要看到知識建構的過程，又要看到知識建構的結果。因此，評價中特別關注到學習者分享了什么觀點，建構了什么知識，創造了什么作品，依據評價量規對學生所創作的作品進行多元評價。通過教學反思，發現學生的新需求和新問題，教師引導和鼓勵學生進行迭代循環改造與作品拓展創新，以進一步強化和提升學生的高階學習能力和高階思維能力。

五、結? ?語

隨著人工智能時代的到來，人工智能進學校、編程教育進課堂、培養人工智能高端人才已成為大、中、小學教育發展的新趨勢，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，人機協同教學將把學生創新能力培養放在首位。“知識建構、STEM、創客”三位一體教學模型在實踐過程中集中體現了以學生為中心，以“授之以漁”的創新教育理念為導向，具有涵蓋知識豐富性、思維培養高階性、自主學習積極性、協作探究嚴謹性等特征，能有效培養和提升21世紀創新人才的核心素養，在高校和中小學編程教育課程教學中有實際應用價值，同時在智能機器人、人工智能等實操性強的課程中也值得借鑒和應用推廣。但該模型仍然有需要改進的地方，將在后續研究中進一步修改和完善。

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