5E項目教學法在初中人工智能單元設計中的應用研究

[摘? ? 要]我國中小學人工智能教育尚處于探索實踐的起步階段。人工智能課程注重學生的體驗與探索，而項目式學習和5E教學法強調以學生為中心，能夠較好地激發學生學習動機，有助于人工智能課程的開展。研究者以“語音識別之智能小屋”為例，嘗試將項目學習法和5E教學法進行融合，通過5E項目教學法探索一種適合人工智能通識課程教學的單元設計框架，著力培養學生的計算思維和創新能力，追求有深度的生本課堂。

[關鍵詞]5E項目教學法;人工智能;單元設計;生本課堂

2017年，國務院發布《新一代人工智能發展規劃》，并在《普通高中信息技術課程標準（2017年版2020修訂）》中將“人工智能初步”列為選擇性必修模塊。人工智能教育的發展得到了國家的重視。[1]2020年，廈門市為全面貫徹落實國務院《新一代人工智能發展規劃》精神，深入實施《廈門教育信息化2.0行動計劃》，促進中小學人工智能應用和普及水平穩步提升，開展了“人工智能課程進百校”教育試點工作，使人工智能課程作為科普課程（獨立學科），納入廈門市中小學必修課程。在國家政策大力支持的背景下，在新課程新課標的“雙新”指導下，人工智能課程注重體驗與探索的教學策略，讓學生親身參與并感受技術給人們生活帶來的改變，從而激發其對人工智能的興趣。身處科技飛速發展的時代，學生要如何認知這個世界，如何將課堂所學知識遷移到多元領域中？為此，本研究致力于生本課堂的構建，基于“大單元視角”，依托5E項目教學法，堅持以“ 學生為中心、情境為載體、探究為手段、發展為目標”，追求有深度、有生成、有意義的課堂教學。

一、核心概念界定

1.項目式學習

美國巴克教育研究所把以課程標準為核心的項目式學習（Standards-Focused PBL）定義為“一套系統的教學方法，它是對復雜、真實問題的探究過程，也是精心設計項目作品、規劃和實施項目任務的過程，在這個過程中，學生能夠掌握所需的知識和技能”[2]。《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》倡導真實性學習，以真實問題或項目驅動，引導學生經歷原理運用過程、計算思維過程和數字化工具應用過程，建構知識，提升問題解決能力[3]。基于項目的學習作為一種教學方法，可以充分發揮學生的主體參與性，在教師引導下，學生在一個動態、開放、多元的學習環境中，發揮小組合作的力量，借助各種信息化手段，收集、整理綜合信息，在知識的探尋中找到解決問題的方法，進而培養創新精神和實踐能力。

2.5E教學法

5E教學法最早起源于生物學科教學，是一種基于建構主義的教學模式，后因其完備的實用性受到教育界的高度關注，是美國科學課堂的主流教學方法。1989年，美國的生物科學課程研究（Biological Sciences Curriculum Study）項目組成員拜比（Bybee）等人對“學習環”進行了修改和完善，將其教學過程劃分為5個緊密相連的階段，依次為“參與（Engagement）、探究（Exploration）、解釋（Explanation）、精細化（Elaboration）、評價（Evaluation）五個教學環節”，簡稱“5E”教學模式。[4]每個教學環節都有特定的功能，一方面有助于教師的連貫性教學，另一方面充分挖掘學生的主體地位，激發學生親身參與、主動探索、建構新概念，加深對新知的理解，突出知識的創新和應用。[5]這將更有助于學生學習興趣的激發、學科知識的理解、探究能力的提升、合作意識的養成。它與深度學習理念有著異曲同工之妙，不僅為人工智能教育提供了啟發和借鑒，也促進了深度學習的落地和學科核心素養的培養（見圖1）。

3.5E項目教學法

由于項目式學習是一種動態的教學方法，在具體教學過程中，有些過程比較冗余，操作起來會比較復雜，這使項目式學習在有限時間內不易開展。因此，本研究基于課時問題、人工智能課程實施的特點，借鑒生物學科的5E教學法，將一般項目學習流程進行了改進，圍繞生本課堂，從“引入—探究—釋疑—延伸拓展—評價”五個教學環節進行設計，形成了既具有人工智能課程特點，又具有個人教學創新的“5E項目教學法”。這樣可以簡化項目式學習的操作過程，實現在有限課時內圍繞核心任務逐一完成子任務，提高課堂效率。重構后的“5E項目教學法”（見圖2）反映了2022年版新課標的課程理念，注重以生為本，突出用信息科技解決學習、生活中的問題，為學生創設自主、合作、探究的學習情境，培養學生數字素養與技能。

4.單元設計

在課程設計時，應采用整體觀點，以課標為出發點，解讀教材中的單元內容，整合單元知識，與上下章節的內容建立聯系，將零散的知識點以大單元、大項目活動的形式圍繞同一主題串聯起來，從而使知識系統化、條理化。圍繞單元目標設計教學活動，有利于以更高的視角和站位，挖掘學科本質，整體把握知識結構，精準設計教學問題，開展高效教學實踐活動，是滲透教學價值、發展學生核心素養的有效途徑。

二、人工智能語音識別課程的單元設計框架

以廈門市海滄區所采用的威盛創造栗人工智能教學設備為例。該設備有三種主題類型，分別是語音識別、圖像識別和無人駕駛。在實際教學開展過程中，先使用了語音識別套件進行教學。接下來將以“語音識別之智能小屋”進行單元設計（見圖3）。

三、5E項目教學法

在單元設計思想指導下，以5E項目教學法指導人工智能課程的具體實施，形成“以學生為主體，以教師為主導”的5E項目教學流程圖（見圖4）。教師通過創設問題情境，吸引學生進入課堂，協助學生進行任務探索，引導學生形成解決問題的思路，啟發學生追求更有創意的設計，最后通過多元評價的方式，幫助學生進行自我反思和提升。

四、5E項目教學法指導下的智能門鈴實踐過程

根據上述構建的“人工智能5E項目教學法實施流程圖”指導單元課時的落實，確保每個課時的子任務內容圍繞核心任務逐步深入并逐漸完善，使學生既能完成整體項目，又能獲得連貫性的知識與技能（見圖5）。

1.情境引入，學習激趣

在起始環節，通過介紹生活中的門鈴視頻案例創設生活情境，貼切生活實際，讓學生說說自家門鈴的實現效果，使學生參與到活動中。緊接著根據學生的介紹對門鈴所需的硬件設備及其功能進行追問，使教學任務和原有知識建立聯系，引導學生對當前活動內容進行思考。再用人工智能硬件對思考內容逐一進行匹配，用程序進行演繹，由此激發學生的探究熱情。

2.問題探究，嘗試制作

在中心環節，從“快速完成簡要拼裝，實現門鈴效果”直接且簡單的探究任務入手，并以此為教學主線，通過依次設置有層次、有梯度的探究任務展開學習。在探究過程中，學生會產生認知沖突，教師要鼓勵學生主動發現問題、提出問題，從而培養學生的自主學習能力和探究精神。

3.探究釋疑，深度互動

在關鍵環節，要基于探究任務存在的問題，進行難點突破。在該環節，教師鼓勵學生說出發現的問題，闡述解決問題的思路和想法，以此為基點，帶領學生一起分析問題，借助流程圖找到問題的源頭，進行真相揭秘，解析學生程序設計存在的問題，突破本節課的重難點——條件語句結構，引導學生用流程圖將問題具體化，從而培養學生的計算思維，形成解決問題的思路，知其然而后再知其所以然。本環節還涉及程序優化，即本節課的重點知識循環語句結構。教師以進階任務“如何實現按1次按鈕響3次門鈴的效果”，促進學生掌握并鞏固舊知。

4.創意拓展，分層挑戰

在延伸環節，由于學生的智力發展水平和個體特征不同，對同一事物的理解程度也存在差異。因此，教師通過進階挑戰項目“特色智能門鈴”實現分層，鼓勵學生對新知識進行遷移或擴展，通過深度學習理解學科本質。進階挑戰項目的設置為學生提供了挑戰自我的機會，可滿足學生個性化學習，激發學生內驅力，實現與任務的深度互動。

5.多元評價，學習診斷

總結評價可以發生在教學的各個環節，方式也應該多種多樣。[6]本例的教學評價發生在教學結尾，學生通過評價量規完成自評，通過實驗報告完成小組評價，這有助于學生自主學習、反思和改進，建立新舊知識的連結（見表1）。評價環節使教師能夠從宏觀到微觀地全面了解學生學習目標達成情況。

五、總結

在人工智能課程教學中，教師容易陷入“以活動為中心”的陷阱，如只是簡單堆疊活動而缺乏整體性和系統性，這可能導致學生知識零散、思維不連貫、解決問題缺乏邏輯性等問題。而單元設計可以通過始終關注學生對問題理解層面的深化，關注學生解決實際問題的思維過程而避免這樣的陷阱。為了幫助學生解決核心任務中的問題，本研究設計了相應的子任務，五個子任務逐步讓學生深刻掌握三種常見的程序結構，從而建立基礎編程思維。單元設計是對整個課程的把握，而教學方法的應用則可以更好地助力單元學習目標的達成。因此在“智能門鈴”案例中，依托“5E項目教學法”，將項目學習冗余的活動環節簡約化至每一節課都能應用的教學模式，有清楚的教學環節與階段可循，不僅讓教學者能遵循每個階段的特點，完成教學設計并進行反思，還以學習者為中心，使人工智能課程的學習目標更明確，學習效率更高效，在保證通識教育的基礎上，更好地培養學生創新性解決問題的能力。

參考文獻

[1]褚金嶺，謝忠新.面向素養培育的中小學人工智能教育實踐探索[J].中小學數字化教學，2021，（04）：10-13.

[2][美]巴克教育研究所.項目學習教師指南——21世紀的中學教學法（第2版）[M].任偉，譯.北京：科學教育出版社，2008：9.

[3]中華人民共和國教育部.義務教育信息科技課程標準（2022年版）[M].北京：北京師范大學出版社，2022：2-3.

[4]Bybee，R.W.，Taylor，J.A.et al.The BSCS 5E Instructional Model： Origins， Effectiveness， and Applications[J].Colorado Springs BSCS，2006：1-67.

[5]LawsonA E.Using the learning cycle to teach biology concepts and reasoning patterns[J].Journal of Biological Science Education，2001，35 （4）：165-169.

[6]宣艷紅.運用5E教學模式培養高中生生物學科學思維的實踐研究[D].哈爾濱：哈爾濱師范大學，2021.

作者簡介：蘇秀萍，福建省廈門市海滄中學教師，E-mail：695922347@qq.com（福建廈門，361026）

基金項目：廈門市教育科學“十四五”規劃2021年度課題“深度學習視域下信息技術大概念單元設計研究”（編號：21018）;廈門市名師工作室課題“基于核心素養的綜合實踐STEM課例研究”（編號：XMMS2020023）