AI算法平臺下基于PBL的創客教學模式研究

沈偉春 肖名望

【摘 要】本文以“人臉識別門禁系統”的課堂教學為例，開展基于PBL的人工智能創客教學活動，幫助學生從真實情境中學習人臉識別技術的知識，歸納出AI算法平臺支持下基于PBL的創客教學特點。

【關鍵詞】AI算法平臺；項目化學習；創客教學

【中圖分類號】G434 ? 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2023）07-050-02

創客教育是培養具有創新意識、創新思維和創新能力的創新人才的重要途徑之一。它融合了體驗教育（從做中學）、基于項目的學習（以特定任務為中心）、創新教育（以培養學生創新品質為目標）以及 DIY（Do It Yourself，自己動手做）等理念中的多種元素。PBL項目式學習（Project-based Learning）是基于現實問題情景的以學生為中心的教學方式，有利于培養學生的創新能力。本研究通過構建AI算法平臺支持下基于PBL的創客教學模式，促進學生人工智能素養的培養，提高學生綜合素質。

AI算法平臺下基于PBL的創客教學模式構建

教學模式由指導思想、教學目標、教師與學生、實現條件、教學過程和教學評價等六要素構成。本研究以AI算法平臺（Genius Brain是一個用于學習人工智能的平臺）為支撐環境，構建了AI算法平臺支持下基于PBL的創客教學模式（圖1）。該模式的指導思想主要是建構主義學習理論、實用主義學習理論以及創客教育和項目化學習相關理論，教學目標是培養學生人工智能素養，具體表現為培養學生工程思維、創新思維、協作能力和問題解決能力等方面。

教學的實現條件及人工智能創客教學環境主要包括創客硬件設備、AI算法平臺、人工智能教育基地和相應的教學資源；教學過程主要從創意由來開始，利用真實的問題情境，經歷“明確問題→分析問題→設計方案→交流論證→方案優化”的方案設計過程和“模型設計→材料收集→模型搭建→功能實現→分享交流”的制作體驗以及知識的遷移應用；教學效果評價主要是教師在該教學模式教學實踐中，對學生在其中表現出的工程思維、創新思維、協作能力和問題解決能力等方面的變化情況進行測量評價。

1.創意由來

創意的由來一般是學生通過對生活中某種現象或遇到的某個問題進行深入思考后，在其腦中形成的某種想法，這需要有真實的問題情境。

2.方案設計

明確問題：這是確定問題的過程。學生需要分析情境中的問題，明確問題的關鍵因素，并將問題用語言或圖表提煉與表達出來。

分析問題：對表達出的問題進行拆分。學生需要聯系自身的知識體系，拆分問題，將問題最終拆分為通過已有知識可以解決的多個子問題。

設計方案：即提出問題解決策略的過程。學生通過自主學習與協作學習，分析大量有關的信息和資料，生成策略，提出假設，形成初步的問題解決方案。

交流論證：這是商討設計方案可行性的過程。學生與同學分享自己的想法，征求同學與教師等人對方案的意見，確定設計方案是否切實可行。

方案優化：這是調整與優化方案以便順利實施的過程。學生根據他人（教師、專業人士、同學）的建議，再次完善自己的設計方案，最終形成可實施的方案。

3.制作過程

模型設計：學生根據設計方案，并借助工具（電腦繪圖軟件）設計與制作產品模型，包括具體的產品結構和外觀效果圖。

材料收集：獲取相關的制作材料，為模型成“形”提供材料支撐，保障方案能夠順利實施。

模型搭建：即模型成“形”的過程，學生需將每一個零件進行組裝，將所設計的模型轉變為看得見摸得著的現實作品。

功能實現：將最初的創意變為現實作品的過程。學生需要將模型與相關硬件進行連接，之后經過編程，并進行試驗、項目調試與修改，最終使作品實現最初的創意功能，制作出符合創意的作品。

分享交流：這是展示成果的過程。學生與同學、教師分享自己創意智造過程中的心得體會，向同學與外界介紹自己的創意智造作品的特點。

4.知識的遷移應用

對知識的遷移與應用，即學生把創意智造過程中所習得的新知識遷移應用到其他的場景中。知識遷移既是檢驗對知識的理解的一種手段，也是加深理解和鞏固知識的重要方式；既是對制作實踐的指導，同時又接受著制作實踐的檢驗。

教學實例——“人臉識別門禁系統”

“人臉識別門禁系統”是浙江省杭州市臨平區人工智能教育基地開發的系列“智慧”課程中“智能家居”模塊中的內容。該模塊的教學目標是使學生了解人臉識別的基本概念，熟悉門禁系統的重要組成部分，了解人臉識別算法并能舉例說明人臉識別算法在生活中的應用；掌握Genius Brain平臺人臉識別功能的使用方法；學會利用Mind+圖形化編程控制舵機轉動；掌握通過攝像頭模塊，完成識別人臉，控制舵機旋轉等模擬人臉識別門禁系統的方法；初步了解AI技術，產生對AI技術學習的興趣。

在本案例教學中，從“創意由來”出發，通過真實情境，激發學生的學習興趣，明確“如何利用AI技術來解決忘帶鑰匙進家門困難這個問題”。之后，引導學生分析問題，將這個驅動性問題分解為四個子問題：一是人臉識別的原理是什么？二是自制人臉識別要用到哪些工具？三是人臉識別的精準度是否能夠保證？四是如果遇到壞人想進門，是否有報警措施？

再根據問題分析的結果將學生引入到具體“智能門禁方案設計”中，學生在分析討論、交流論證的過程中，構思并形成自己的最優解決方案；再通過動手實踐，繪制智能門禁項目作品草圖、設計與搭建模型外觀結構，進行程序設計以實現項目既定的各項功能，學生分組體驗整個項目的“制作過程”，并進行項目作品展示與交流；最后，引導學生對智能門禁項目化學習過程中習得的知識“遷移應用”，將所學應用到新的項目中或解決新的真實問題中，真正起到知識遷移的作用。如，有學生將人臉識別門禁遷移應用到“清北校車”項目上。

總結與展望

本研究構建了AI算法平臺支持下基于PBL的創客教學模式，并以“人臉識別門禁系統”教學為例闡述該模式怎樣應用于教學實踐。該案例由淺入深，由具體到抽象，引導學生慢慢梳理和構建人臉識別門禁系統的制作思路，體現了對學生核心素養的培養。本研究將不斷優化教學模式，助力基于PBL的人工智能創客教育教學實踐。

注：本文系淅江省杭州市2021年教師教育科研課題“中小學人工智能教師創新培養實踐研究”（課題編號：JSJY2021004）研究成果之一