三維編程教學(xué)中項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的實(shí)踐與探索

【摘 要】本文以“智能垃圾分類”為項(xiàng)目主題，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，指導(dǎo)學(xué)生利用三維編程工具，通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，在項(xiàng)目實(shí)踐過程中培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)結(jié)協(xié)作意識、計(jì)算思維和數(shù)字化學(xué)習(xí)創(chuàng)新的能力，創(chuàng)新課堂教與學(xué)模式，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】項(xiàng)目式學(xué)習(xí);三維編程;小學(xué)

【中圖分類號】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B

【論文編號】1671-7384（2022）08-032-03

2017年7月，國務(wù)院發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確指出，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[1]。2019年5月，習(xí)近平總書記給國際人工智能與教育大會的賀信中明確指出：培養(yǎng)大批具有創(chuàng)新能力與合作精神的人工智能高端人才，是教育的重要使命[2]。可見，人工智能教育在國家發(fā)展中的重要性愈加突出，編程教育作為人工智能教育先導(dǎo)性和基礎(chǔ)性內(nèi)容，其在小學(xué)階段的普及愈加具有關(guān)鍵性的意義。本文以北京市海淀區(qū)某小學(xué)五年級學(xué)生編程社團(tuán)課程“智能垃圾分類”為例，系統(tǒng)地探析了項(xiàng)目式學(xué)習(xí)在三維可視化編程教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐與創(chuàng)新。

核心概念解釋

1.項(xiàng)目式學(xué)習(xí)

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（Project-Based Learning，PBL）是以項(xiàng)目為中心，以學(xué)習(xí)者為主體，以一定時長的小組合作為基本組織形式，按照“提出問題與假設(shè)—驗(yàn)證假設(shè)—解決問題—展示與分享項(xiàng)目成果”流程進(jìn)行的，使學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作、創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)、探究實(shí)踐等綜合素質(zhì)與能力得到提升的一種學(xué)習(xí)模式。

2.三維圖形化編程

三維圖形化編程采用3D技術(shù)手段，借助圖形化、積木化的編碼優(yōu)勢，能夠有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動力和興趣，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的體驗(yàn)感和獲得感，有助于學(xué)生計(jì)算思維、空間思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。同時，程序界面的友好和易操作性比起語法繁瑣、代碼枯燥的其它編程工具更具優(yōu)勢，讓教學(xué)能更加聚焦在問題的分析、建模及解決方案的設(shè)計(jì)上，從而更好地培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用技術(shù)解決實(shí)際問題的能力，切實(shí)提升學(xué)生的信息素養(yǎng)[3]。

項(xiàng)目實(shí)施

“智能垃圾分類”項(xiàng)目的實(shí)施包括：確定主題、項(xiàng)目分析、解決問題、總結(jié)評價四個部分。實(shí)施全流程如圖1所示。

1.確定項(xiàng)目主題—— 創(chuàng)設(shè)真實(shí)場景

在項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中，通過師生共同確定一個好的項(xiàng)目主題，激發(fā)并牽引學(xué)生進(jìn)行整體構(gòu)思、設(shè)計(jì)、合作完成學(xué)習(xí)任務(wù)，在這個過程中，學(xué)生會主動借助各種途徑，獲得與主題任務(wù)相關(guān)的各類內(nèi)容，通過分工與合作，最終完成項(xiàng)目。因此，通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)情景確定項(xiàng)目主題是項(xiàng)目式學(xué)習(xí)成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

在確定項(xiàng)目主題時，教師需要依據(jù)《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》[4]中的學(xué)科核心素養(yǎng)，結(jié)合教學(xué)目標(biāo)和班級學(xué)情，以訪談或者調(diào)查問卷等方式，充分做好學(xué)習(xí)主題的前期調(diào)研工作，以確保該主題能充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)編程的積極性。以“智能垃圾分類”項(xiàng)目為例，在導(dǎo)入環(huán)節(jié)，教師展示了垃圾分類的生活實(shí)景圖，并組織學(xué)生對于垃圾分類這一身邊熱點(diǎn)進(jìn)行討論與思考，提出問題：“為什么要進(jìn)行垃圾分類？”“你認(rèn)為垃圾分類還存在哪些需要解決的問題？”，經(jīng)過學(xué)生頭腦風(fēng)暴，歸納出“垃圾分類能夠有效減少環(huán)境污染;能夠廢物利用、變廢為寶”“有些人的垃圾分類意識不足;垃圾類別多，不能有效地進(jìn)行分類;垃圾桶經(jīng)常由專人值守，費(fèi)時費(fèi)力”……經(jīng)過激烈的交流討論之后，教師設(shè)置驅(qū)動性問題“如何有效解決這些問題？”最后，師生共同梳理總結(jié)出可以通過自動識別、投放計(jì)數(shù)和語音播報等功能實(shí)現(xiàn)無人值守的“智能垃圾分類”作為項(xiàng)目主題。

學(xué)生通過頭腦風(fēng)暴的方式開展項(xiàng)目主題的討論，實(shí)際上是鼓勵學(xué)生在面對真實(shí)的、復(fù)雜的問題時，能夠大膽地發(fā)現(xiàn)問題、剖析問題并思考如何解決問題，有助于學(xué)生高階思維的培養(yǎng)。最終，在教師的引導(dǎo)、點(diǎn)撥下，解決問題的思路和方法逐漸清晰，形成內(nèi)化的能力，今后在解決其他問題時，能夠進(jìn)行知識、方法和能力的遷移。

2.深入項(xiàng)目分析—— 強(qiáng)化邏輯思維

在確定項(xiàng)目主題后，教師需要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目分析，項(xiàng)目分析一般包括角色分析、角色功能分析、功能實(shí)現(xiàn)分析。以“智慧垃圾分類”為例，項(xiàng)目角色包括垃圾桶、標(biāo)識牌、垃圾、背景等;角色功能包括投放識別、計(jì)數(shù)、語音播報等;功能實(shí)現(xiàn)方法即如何通過編程實(shí)現(xiàn)角色的功能。在項(xiàng)目分析環(huán)節(jié)，采用分組進(jìn)行全量要素分析的組織形式，即各小組均對項(xiàng)目角色、角色功能、功能實(shí)現(xiàn)等全量要素進(jìn)行分析，再由教師進(jìn)行點(diǎn)撥、梳理和總結(jié)。

（1）項(xiàng)目角色分析

在項(xiàng)目角色分析過程中，教師先讓各小組進(jìn)行組內(nèi)討論，然后再選一組學(xué)生進(jìn)行發(fā)言，其他小組學(xué)生進(jìn)行補(bǔ)充，最后再結(jié)合垃圾分類的現(xiàn)實(shí)場景圖進(jìn)行比對、總結(jié)。經(jīng)討論分析，最后總結(jié)出本項(xiàng)目涉及的角色：垃圾桶（4種）、標(biāo)識牌（4種）、垃圾（若干類）、背景（1幅）。

（2）角色功能分析

經(jīng)討論分析，本項(xiàng)目共涉及投放識別（判斷垃圾投放是否正確）、計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)（給投放次數(shù)和得分計(jì)數(shù)）、語音播報（程序運(yùn)行開始時，語音播報垃圾分類宣傳語;垃圾投放時，語音播報垃圾是否投放正確;程序運(yùn)行結(jié)束后，語音播報最終得分）三大功能。

（3）功能實(shí)現(xiàn)分析

在功能實(shí)現(xiàn)分析環(huán)節(jié)，主要從場景維度對功能實(shí)現(xiàn)的邏輯關(guān)系進(jìn)行深入的討論和梳理，通過各功能之間的有效銜接和配合，實(shí)現(xiàn)垃圾的智能分類。

深入進(jìn)行項(xiàng)目分析這一環(huán)節(jié)在整個項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中起到承上啟下的作用，一方面幫助學(xué)生從整體上把握項(xiàng)目的實(shí)施邏輯和流程;另一方面幫助學(xué)生通過項(xiàng)目問題解決中涉及的抽象、分解、建模等思維活動，注意到具體場景中應(yīng)關(guān)注的現(xiàn)實(shí)細(xì)節(jié)，從而引導(dǎo)學(xué)生將知識建構(gòu)、技能培養(yǎng)與思維發(fā)展融入到運(yùn)用數(shù)字化工具解決現(xiàn)實(shí)問題和完成任務(wù)的過程中。

3.解決項(xiàng)目問題—— 突出分工協(xié)作

本項(xiàng)目涉及多個角色，多組功能，在經(jīng)過項(xiàng)目整體分析確定項(xiàng)目角色和角色功能以及功能實(shí)現(xiàn)邏輯之后，進(jìn)入解決項(xiàng)目問題環(huán)節(jié)。本環(huán)節(jié)主要包括問題解決的方案設(shè)計(jì)、隨機(jī)實(shí)施和交叉驗(yàn)證三個活動。

活動一：方案設(shè)計(jì)。教師根據(jù)角色功能將學(xué)生劃分為A、B、C三個小組，其中，A組負(fù)責(zé)垃圾投放識別功能的方案設(shè)計(jì)、B組負(fù)責(zé)計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)功能的方案設(shè)計(jì)、C組負(fù)責(zé)語音播報功能的方案設(shè)計(jì)，學(xué)生根據(jù)自己的興趣加入不同的小組，教師則按照“組內(nèi)異質(zhì)、組間同質(zhì)”的分組原則對各組成員進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。需要指出的是，在本活動中，A、B、C三個小組雖然有各自主要負(fù)責(zé)的設(shè)計(jì)任務(wù)，但在完成自己小組指定的設(shè)計(jì)任務(wù)之后，還需要對其他兩個設(shè)計(jì)方案進(jìn)行討論，為下一個活動環(huán)節(jié)做好準(zhǔn)備。

活動二：隨機(jī)實(shí)施。在各組完成各自的設(shè)計(jì)任務(wù)之后，由A、B、C三個小組進(jìn)行隨機(jī)抽簽來確定本組的編程任務(wù)，原則是“本組對其他組的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行編碼實(shí)現(xiàn)”，各小組需要向抽到本組設(shè)計(jì)方案的小組進(jìn)行設(shè)計(jì)方案介紹并答疑。例如，B組抽到了A組的設(shè)計(jì)方案，則A組需要向B組進(jìn)行垃圾投放識別功能的方案設(shè)計(jì)介紹并答疑，B組按照A組的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行投放識別功能的編碼實(shí)現(xiàn)。這樣就將工程實(shí)踐中的項(xiàng)目實(shí)施流程場景與課堂教學(xué)活動相融合，不僅可以提高學(xué)生的表達(dá)能力和協(xié)作能力，更能體驗(yàn)當(dāng)前科技企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與產(chǎn)品研發(fā)工作場景中真實(shí)的模擬演練，也體現(xiàn)了“產(chǎn)教融合”的模式和理念創(chuàng)新。

活動三：交叉驗(yàn)證。各組完成各自的編程任務(wù)之后，小組之間進(jìn)行交叉驗(yàn)證。這是參照了目前科技企業(yè)產(chǎn)品測試環(huán)節(jié)的真實(shí)場景，各組交叉驗(yàn)證可以在一定程度上體現(xiàn)黑盒測試、白盒測試、系統(tǒng)測試、回歸測試的測試?yán)砟睿瑤椭鷮W(xué)生進(jìn)一步系統(tǒng)地認(rèn)識編碼工作的全流程、全場景。此外，通過交叉測試還可以發(fā)現(xiàn)在方案設(shè)計(jì)、編碼實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)中所忽視的問題，有助于項(xiàng)目的優(yōu)化完善。經(jīng)過交叉驗(yàn)證后，在教師的指導(dǎo)下，各組學(xué)生分工協(xié)作將功能進(jìn)行整合，最終完成整個項(xiàng)目。

解決項(xiàng)目問題是項(xiàng)目式學(xué)習(xí)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，在這一環(huán)節(jié)中，學(xué)生的計(jì)算思維和數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力將得到培養(yǎng)。在解決項(xiàng)目問題的過程中，學(xué)生能夠采用計(jì)算機(jī)可以處理的方式為問題設(shè)定邊界，進(jìn)而在界定的問題范圍內(nèi)對抽象問題特征建立對應(yīng)的結(jié)構(gòu)模型，再根據(jù)之前的已有知識技能和生活經(jīng)驗(yàn)，通過判斷、分析以及綜合各種信息資源，形成合理的解決方案。在各組學(xué)生完成項(xiàng)目任務(wù)的過程中，教師對于指令運(yùn)用不熟的學(xué)生加以引導(dǎo)。學(xué)生們在“學(xué)習(xí)—實(shí)踐—合作交流（反思）—實(shí)踐”過程中，不斷完善自身認(rèn)知結(jié)構(gòu)。此外，筆者團(tuán)隊(duì)對于本項(xiàng)目每個環(huán)節(jié)中運(yùn)用到的指令應(yīng)用方法都提供了模塊化的微課，有助于學(xué)生自主學(xué)習(xí)，并將所學(xué)內(nèi)容在項(xiàng)目中進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證。

4.項(xiàng)目總結(jié)評價—— 引導(dǎo)交流分享

項(xiàng)目任務(wù)完成之后，教師引導(dǎo)各組進(jìn)行成果交流，分享在制作過程中獲得的經(jīng)驗(yàn)和遇到的問題，針對問題提出解決方案等。通過學(xué)生自評、組內(nèi)互評、組間互評、教師評價等多種評價方式對交流的作品進(jìn)行點(diǎn)評。在完成項(xiàng)目任務(wù)的過程中不僅使學(xué)生的計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新能力得到了提高，還鍛煉了學(xué)生協(xié)同工作的能力，提升了團(tuán)隊(duì)協(xié)作意識。在成果交流的過程中，提升了學(xué)生問題梳理、總結(jié)反思的內(nèi)化能力，同時也培養(yǎng)了學(xué)生知識成果分享的良好習(xí)慣。

在本課實(shí)施的評價環(huán)節(jié)中，增加專家點(diǎn)評環(huán)節(jié)，筆者團(tuán)隊(duì)邀請區(qū)域環(huán)保單位和相關(guān)環(huán)保科技企業(yè)的專家從科技創(chuàng)新、節(jié)約環(huán)保角度，對學(xué)生作品進(jìn)行了分析，并從項(xiàng)目設(shè)計(jì)、制定計(jì)劃、項(xiàng)目實(shí)施、項(xiàng)目驗(yàn)收等角度講述了項(xiàng)目管理的相關(guān)知識，對于學(xué)生今后從事新的項(xiàng)目提供了很好的經(jīng)驗(yàn)借鑒案例。此外，專家還提出“如何有效進(jìn)行除菌？”“垃圾桶裝滿之后該如何處理？”等問題作為拓展知識，供學(xué)生課后思考。

總結(jié)展望

基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的三維編程實(shí)踐選擇學(xué)生感興趣的現(xiàn)實(shí)場景作為項(xiàng)目主題，采用項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的教學(xué)組織形式開展，有效激發(fā)了學(xué)生的積極性和參與度，在興趣的牽引下和思維碰撞的火花中，程序指令不再枯燥，問題與困難轉(zhuǎn)變?yōu)椤坝螒蜿P(guān)卡”，知識的學(xué)習(xí)、應(yīng)用與遷移達(dá)到了事半功倍的效果，不僅落實(shí)了《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中信息意識、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會責(zé)任的核心素養(yǎng)要求，拓展了智能時代新型教與學(xué)的課堂范式，還通過引入社會資源，實(shí)現(xiàn)校內(nèi)校外資源的打通，實(shí)現(xiàn)了校企融合、產(chǎn)教融合。未來，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)踐方面我們將考慮借助程序擴(kuò)展功能，調(diào)用外部智能硬件設(shè)備，如AR/VR眼鏡等智能穿戴設(shè)備，讓學(xué)生能夠在自己設(shè)計(jì)的作品中以第一視角進(jìn)行體驗(yàn)，從而進(jìn)一步提升學(xué)生的獲得感和求知欲。

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作者單位：北京市海淀區(qū)教育科學(xué)研究院