基于項目式學習的人工智能課堂教學模式

鐘慧峰

【摘要】自2017年7月，國家戰略要求在中小學開設人工智能相關課程以來，我國的中小學人工智能教育取得了長足進步。但是同時，我們還必須看到，中小學的人工智能教育仍然存在很多問題，例如缺乏統一的課程標準、學校資金困難，不能提供良好的配套設施、課程體系的不夠完善、教師沒有足夠的專業經驗等。如果這些問題不能得到及時有效的解決，將不可避免地制約我國中小學人工智能教育的發展。

【關鍵詞】項目式學習;人工智能教育;機器人教育

在2018 年 4 月教育部制定了《教育信息化 2.0 行動計劃》，其中明確指出 需要完善人工智能課程方案和課程標準，充實適應信息時代、智能時代發展需要的人工智能和編程課程內容。推動落實各級各類學校的信息技術課程，并將信息技術納入初、高中學業水平考試。智能機器人作為人工智能的重要組成部分，在中小學取得了迅速發展。 但由于機器人的學科綜合性和實踐性的特點，傳統的機器人教學方式難以凸顯出學生利用機器人知識解決學科問題的能力。

本文以我校校本課程《科學探索機器人》為例，闡述基于項目式學習的人工智能課堂——樂高WEDO2.0機器人教學模式進行探討。

一、人工智能教育項目式學習的基礎與優勢

1.人工智能教育的全面普及

除了國家的政策傾向，人工智能教育的普及趨勢，我校還是“廣東智能教育實踐共同體”創始學校之一、深圳市中小學人工智能教育示范學校，校園整體規劃傾向人工智能教育領域，結合廣東省、深圳市人工智能教育項目的實施進展需求和本校自身特點，搭建了人工智能裝備體系（機器人、編程平臺、教學管理云平臺、3D打印機）。

2.項目式學習的優勢

PBL（Project-Based Learning）是一種基于真實情境，通過調查、觀察、探究、 展示、分享等形式進行的跨學科的教學活動，非常契合人工智能機器人等STEAM類學科的教學。風靡全球的PBL項目式學習已在我校生根發芽，并且我校提出了以概念為向導的C-PBL項目式學習理念。

二、機器人教學中的項目式教學模式

下面以校本課程《科學探索機器人》（二、三年級適用）項目之一《堅固的建筑結構》為例闡述機器人教學中的項目式教學模式——五段教學法。

1.項目選題階段

首先從真實生活經驗入手，再從問題開始，最后在真實背景下初步確定本次主題。這樣既能最大化地激發學生的學習興趣，又能充分發揮學生的想象力。例如，在進行《堅固的建筑結構》之初，從“汶川大地震”文獻資料引入，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，發揮學生的想象力——“什么樣的建筑最堅固”。最后提出設想：房子的高度、地基的大小與房子的抗震性有關。

2.項目探究階段

在探究階段學生以學習核心知識為主。以學生為主體展開自主探究式學習，教師提供資源，創造環境，及時幫助指導。

（1）學科知識學習

在探究中我們需要學習一些自然科學知識，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。還要學習數學知識，比如，自變量、因變量、平均值等。當然還有機器人的搭建與編程知識，比如，電機如何連接推動物體，多次循環結構程序、數字累加等模塊。在這一環節中，提供專業的網站（地震網）和文字視頻等資料供學生自主學習各類知識，教師適時指導、交流。

（2）進行科學探究

引入模型概念，學生討論利用樂高WEDO2.0能否設計模型，模擬地震環境下來驗證各種結構房子的抗震性，教師提供參考，然后學生設計草圖。學生在這一階段體驗了科學探究的基本過程;假設-模型-驗證-成立。

3.項目實施階段

在項目實施階段學生以工程師、科學家的職業身份投入機器人的學習當中，以科學家嚴謹的科學態度進行實驗，獲得數據，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

學生以2-3人為一團隊，利用樂高WEDO2.0開始自主搭建地震模擬器，并為其編程調試。學生通過反復修改測試搭建出比較完美的房屋抗震測試模型。

（2）設計科學實驗

學生以小組為單位設計科學實驗：

實驗一：改變高度的實驗

使用兩個基盤一樣小，高度不同的建筑，比較誰更抗震。

實驗二：改變地基的寬度實驗

采用同樣的方式測試兩個高度相同、基盤一大一小的建筑，比較誰更抗震。

（3）分析數據驗證假設

學生通過利用樂高WEDO搭建的地震模擬器結合設計的兩個實驗，最后得出結論基盤相同的建筑，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、基盤大小是有關的。

4.產品展示階段

考慮學生的低年齡特點，匯報展示主要有匯報演講與比賽兩種形式。匯報演講的內容包括，團隊組成、創造過程、設計思路、創造內容說明、作品演示等。比賽主要是針對作品，比如跑得最快的汽車、最抗震的建筑物等等。

5.評價反思階段

一改傳統的機器人教學評價方式，采用機器人教學評價方式與項目學習評價方式相結合，過程性評價與終結性評價兩者缺一不可。比如，本項目的評價方式，在平常教學中有教師對學生的日常評估，在項目后期，有對作品展示環節及作品本身的自我評價、同學評價、教師評價等多維評價。

中小學人工智能教育任重而道遠，在目前沒有統一課程標準，沒有統一教材的環境下，走出一條適合本校的道路，因材施教選擇適合本校學生的教學模式顯得尤為重要。傳統機器人課程基本上是對機器人結構以及它們的運動進行探索，而在CPBL項目制學習中，機器人成為探索的工具，在項目背景下幫助學生進行實驗，獲得數據，并且和新的設計進行結合，完成知識的遷移，作品的創新。我校的《科學探索機器人》課程將繼續踐行項目式學習+人工智能課堂教學模式，以學生為主體，探索科學世界，學習科學、工程等核心知識，體驗科學探究的基本過程，發展科學探究能力;發展學生的學習、思維、實踐和創新能力，發展學生的數學運算能力;以及用科學語言與他人交流和溝通的能力，具有創新意識、保護環境的意識和社會責任。

【參考文獻】

[1]鐘 柏 昌，張 祿.我國中小學機器人教育的現狀調查與分析[J].中國電化教育，2015（7）：101-107

[2]田木蘭，秦 健.基于項目式學習的小學機器人教學實踐研究[J]. 中國教育信息化，2019（22）：40-43