基于CBL的學習理論模型設計與意義
——以智能聲控為例

張正富 山東省臨沂龍騰小學

人工智能教育課程是針對中小學生開展人工智能科普教育的課程，對培養(yǎng)創(chuàng)新思維有著較高的實踐價值。因此，筆者對人工智能教育中創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)開展了探索，并以華萊士的創(chuàng)新思維四階段論為基礎(chǔ)，設計了創(chuàng)造性思維學習模型及教學流程。

●基于CBL的人工智能教育學習理論模型

基于CBL的人工智能教育學習理論模型由內(nèi)及外分為問題層、過程層和表現(xiàn)層。問題層以自然、社會與個人三個方面來取向問題，引導學生面向真實世界的問題；過程層培養(yǎng)學生抽象思維、聯(lián)想思維、靈感思維和評估思維等四種思維，分別對應華萊士創(chuàng)新思維四階段論的準備、醞釀、豁朗、驗證四個過程，以此來設計創(chuàng)造性思維的教學流程；表現(xiàn)層則以發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、設計編程、測試迭代四個外顯的學習活動為表現(xiàn)方式，串聯(lián)起整個課堂中學生的學習過程。理論模型如圖1所示。

圖1 基于CBL的學習理論模型

1.問題層：基于真實世界的核心問題設計

問題是所有研究和學習的根源，而人類世界的問題主要來源于個人、社會和自然三方面。其中，個人情境包括個體自身、工作、家庭和校園生活等，基于學生日常接觸到的環(huán)境發(fā)現(xiàn)問題，源于生活又高于生活，使學生嘗試從生活點滴中發(fā)現(xiàn)問題并嘗試解決，對學生有著較高的吸引力；社會情境關(guān)注社會上的一些熱點話題，如人口問題、食品安全、環(huán)境污染等，注重所學知識在社會上的應用，并潛移默化地對學生進行信息社會責任教育；自然情境則與當今人類面臨的挑戰(zhàn)相關(guān)聯(lián)，如全球變暖、病毒、自然災害等，設計開放性問題，鼓勵學生大膽思考和想象。

2.過程層：培養(yǎng)創(chuàng)造性思維的教學流程

過程層以華萊士的創(chuàng)造性思維四階段論為基礎(chǔ)，將準備、醞釀、豁朗和驗證四個階段與創(chuàng)造性思維的思維方式相對應，確定了以抽象思維、聯(lián)想思維、靈感思維和評估思維為指向的教學過程。

第一步，創(chuàng)設情境。引導學生將所要研究的問題從真實情境中抽象出來，發(fā)現(xiàn)問題的本質(zhì)。

第二步，聯(lián)想回憶。回憶之前所學知識，將與本問題相關(guān)的內(nèi)容進行提取并整理，這是解決問題前的準備階段，只有知識和思維積累到一定程度，才能進入下一步的頓悟。

第三步，靈感突現(xiàn)。在知識的醞釀中找到思維的線，并發(fā)現(xiàn)問題的解決方式，從而達到“豁朗”的階段。

第四步，驗證更新。找到解決方法后將其應用于真實情境，檢驗是否具有普適性，并根據(jù)真實情境再次迭代。

在教學流程中，教師通過問題鏈搭建學習支架，并采取小組討論、循環(huán)問診的方式促進全班學生的深度交流，通過協(xié)作探究的形式完成對問題的分析和解決。

3.表現(xiàn)層：指向創(chuàng)造性培養(yǎng)的外在表現(xiàn)

表現(xiàn)層是學生進行創(chuàng)造性活動的外在表現(xiàn)，筆者綜合杜威、華萊士等學者關(guān)于創(chuàng)造性思維的理論，結(jié)合人工智能教育特點，將學生表現(xiàn)歸納為發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題和測試迭代四個模塊，分別對應抽象思維、聯(lián)想思維、靈感思維和評估思維四種思維方式。發(fā)現(xiàn)問題指學生在面對問題情境時，能夠敏銳地察覺到造成該現(xiàn)象的原因，并提出問題。分析問題重視學生對問題的拆解，面對一個復雜的問題，將其拆解為小問題，并用自然語言描述出解決問題的方法。解決問題關(guān)注學生利用計算思維將自然語言轉(zhuǎn)化為程序性語言，利用流程圖和編程語言分步驟解決問題。測試迭代是自我評估與生生互評的階段，通過驗證與交流展示，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品問題，迭代更新，泛化推廣。

●基于CBL學習理念的智能聲控系統(tǒng)教學實踐

1.設計背景

本節(jié)課源自《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》第三學段（5～6年級）的“過程與控制”單元，設計的主題是“小型開關(guān)系統(tǒng)”，涉及系統(tǒng)與模塊、邏輯與運算兩部分內(nèi)容，是小型開關(guān)系統(tǒng)跨學科主題活動中的核心。

本課面向的群體為6年級學生，隨著對知識的積累和對事物體驗的深化，學生在分析問題的過程中，可以抓住事物的關(guān)鍵。該學段的學生已經(jīng)接觸過圖形化編程，有一定的編程基礎(chǔ)；理解能力相對較強，抽象概括能力有了明顯的發(fā)展，對數(shù)學、科學、美術(shù)知識已有相應的儲備。

2.問題鏈設計

基于CBL學習理念，筆者以《智能聲控》一課為例進行問題鏈設計。核心驅(qū)動問題：如何借助人工智能技術(shù)，設計一款高效便捷的設備來解決校園噪聲？在此核心問題的引領(lǐng)下，又將其拆分為四個子問題，分別對應四個學習活動。在提出問題活動中對應如何解決校園中的噪聲；在分析工作流程活動中對應智能聲控系統(tǒng)如何工作；在創(chuàng)意編程環(huán)節(jié)對應智能聲控系統(tǒng)如何編程運行；在優(yōu)化迭代活動中對應如何改進現(xiàn)有的聲控設備。其中，提出問題、分析工作流程、創(chuàng)意編程、迭代優(yōu)化學習活動四個環(huán)節(jié)分別對應抽象思維、解析思維、創(chuàng)新思維和評估思維。幾個問題層層遞進，在解決問題的過程中推動學生思維發(fā)展（如下頁圖2）。

圖2

3.教學設計（如下頁圖3）

圖3

（1）發(fā)現(xiàn)問題

教師提出問題：在學校生活中，“校園噪音”已成為困擾師生正常工作學習的一大問題，雖然采取了很多措施，但成效甚微。你能否利用人工智能技術(shù)，制造一款高效便捷的設備來解決這個問題呢？

設計意圖：展示校園生活中的噪音片段，引導學生從真實情境中抽象出本課的驅(qū)動性問題——如何利用人工智能技術(shù)設計一個智能聲控系統(tǒng)？此問題是課堂的核心，通過這一問題引入學生的思考和討論，開啟后面的探究和學習。

（2）分析問題

問題1：智能聲控系統(tǒng)是如何提醒人們降低噪音的？

學生結(jié)合生活實際思考智能聲控系統(tǒng)可以通過哪些方式提醒人們降噪，并用自己的語言進行描述。

問題2：可能用到哪些模塊和元件？

學生回憶學過的模塊和元件，提取相關(guān)知識，鍛煉聯(lián)想思維。

問題3：系統(tǒng)的工作流程是怎樣的？

學生用自然語言描述系統(tǒng)工作流程，并通過小組合作的方式書寫流程圖。

設計意圖：在此環(huán)節(jié)，教師引導學生將一個大問題分解為幾個小問題，使學生明白一個大的系統(tǒng)可以分解為多個系統(tǒng)，每個系統(tǒng)也可以分為多個模塊。教師從“提醒方式”“所需模塊與元件”“工作流程”三方面提問，學生結(jié)合生活實際與所學知識思考交流，用自己的語言概括出智能聲控系統(tǒng)的工作流程，以及工作流程對應的三個環(huán)節(jié)——輸入－計算－輸出，并書寫流程圖。本環(huán)節(jié)重視學生對問題的分析能力和對新舊知識的聯(lián)想與回憶，在問題驅(qū)動、討論交流中積累解決問題所需知識，為下一環(huán)節(jié)的頓悟做準備。

（3）解決問題

教師提出問題：我們已經(jīng)知道智能聲控系統(tǒng)的工作流程，可是該系統(tǒng)如何編程運行呢？同時，教師出示本節(jié)課需要用到的新積木，搭建學習支架。學生根據(jù)教師發(fā)布的任務小組合作，根據(jù)自己書寫的流程圖編寫程序。在編程過程中學生相互交流討論疑難點，之后教師總結(jié)答疑。

設計意圖：為學生搭建學習支架，自主編寫程序，鍛煉學生自主學習的能力。有了知識儲備，有了討論交流，學生更容易激發(fā)靈感，發(fā)現(xiàn)更有創(chuàng)造性的問題解決方式。

（4）測試迭代

教師提出問題：現(xiàn)在，智能聲控系統(tǒng)已經(jīng)大致完成，你認為還有什么需要改進的嗎？

測試迭代分為兩個環(huán)節(jié)：第一環(huán)節(jié)是教師提供噪音的取值范圍，學生借助分貝儀調(diào)整程序中的數(shù)值，測試并優(yōu)化程序；第二環(huán)節(jié)是學生思考如果將本系統(tǒng)投入使用可能會出現(xiàn)什么問題，小組交流尋找解決方法，討論如何推廣應用。

設計意圖：將設計的物品應用到真實場景中，發(fā)現(xiàn)不足，優(yōu)化迭代。通過學生自評、生生互評，學生在不斷探討中評估自己的設計并迭代，發(fā)展評估思維。

●基于CBL學習模型設計教學的意義與影響

1.理論模型驗證了人工智能教育培養(yǎng)學生創(chuàng)造性思維的有效性

基于CBL的人工智能教育教學設計理論模型，通過真實情境的問題導入，經(jīng)過抽象－聯(lián)想－頓悟－評估的思維過程，提升學生以創(chuàng)造性思維為核心的解決問題的能力，有效促進了學生創(chuàng)造性思維的發(fā)生和發(fā)展。

2.通過問題驅(qū)動的教學策略，促進學生創(chuàng)造性思維的發(fā)展

基于CBL的學習模式以問題為核心引導、建構(gòu)教學流程，教學重點從基礎(chǔ)知識與技能的傳授轉(zhuǎn)化到思維的培養(yǎng)，改善了傳統(tǒng)教學模式的呆板固化，彰顯了思維教學的流動性。在設計問題時，教師根據(jù)問題分類選擇有現(xiàn)實意義的問題，關(guān)注問題的可實操性、可探究性。在分析與解決問題的過程中，將核心問題作為中心點，學生圍繞其不斷思考、討論、探究，教師充分尊重學生的想法，時刻關(guān)注學生思維發(fā)展動態(tài)，及時予以引導，確保討論圍繞核心問題進行，適時拋出子問題，引發(fā)更深入的交流，激發(fā)新舊知識間的關(guān)聯(lián)，不斷同化和順應學生的知識庫，高效提升學生的抽象、聯(lián)想、靈感思維，生成優(yōu)質(zhì)課堂資源。測試迭代環(huán)節(jié)展現(xiàn)矛盾點，促使學生不斷優(yōu)化解決方案，反復評估方案內(nèi)容，極大地促進評估思維的發(fā)展。

3.創(chuàng)設基于CBL的教學流程，促進學生問題解決能力的提升

在創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)過程中，學生較難理解抽象、分析、評估等創(chuàng)造性思維概念，因而教師將其化作具體的問題和活動形式呈現(xiàn)。利用信息科技的技術(shù)工具作為學習支架，有效地將思維可視化和可“聽”化。

4.基于CBL的學習模型，將計算思維和創(chuàng)新思維有機融合

在基于CBL的學習模型中，雙線并行，一條是問題驅(qū)動下智能聲控系統(tǒng)設計測試的明線，一條是計算思維和創(chuàng)新思維交織融合的暗線。本模型將計算思維和創(chuàng)新思維有機融合，打通了學生從開源硬件到編程軟件基本知識和技能的學習，不是單純的技能訓練，而是深刻挖掘技術(shù)背后的科學原理和學科思維，符合新課標“科”“技”并重的學習理念。將計算思維和創(chuàng)新思維有機融合，可以幫助學生更加高效、精準和具有創(chuàng)造性地解決問題。