基于DBL的小學(xué)人工智能課程教學(xué)實(shí)施

喬婧怡 李錦濤

【摘 要】本文聚焦小學(xué)信息科技課程中的人工智能版塊，旨在探究基于DBL的人工智能課程的教學(xué)實(shí)施，為小學(xué)人工智能課程教學(xué)提供新的教學(xué)模式。

【關(guān)鍵詞】基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)；人工智能課程；課程實(shí)踐

【中圖分類號(hào)】G434? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2024）01-049-02

引? 言

《義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》強(qiáng)調(diào)以數(shù)據(jù)、算法、網(wǎng)絡(luò)、信息處理、信息安全、人工智能為課程邏輯主線，按照義務(wù)教育階段學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，統(tǒng)籌安排各學(xué)段學(xué)習(xí)內(nèi)容，著力培養(yǎng)學(xué)生信息意識(shí)、計(jì)算思維、數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新、信息社會(huì)責(zé)任四方面核心素養(yǎng)[1]。基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)（Design-Based Learning）根植于建構(gòu)主義，以探究與推理過程為基礎(chǔ)，旨在設(shè)計(jì)創(chuàng)新與問題解決，其主要包含四個(gè)階段：?jiǎn)栴}理解、信息收集、方案生成與實(shí)踐評(píng)估。近年來，基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)被廣泛應(yīng)用于K-12階段的課程教學(xué)當(dāng)中，其被證實(shí)對(duì)學(xué)生的問題解決能力、批判思維、創(chuàng)造力、協(xié)作思維均具有顯著提升作用[2]。為此，本文聚焦小學(xué)信息科技中人工智能版塊，選用華東師范大學(xué)出版社《AI上智慧生活》教材開展教學(xué)實(shí)踐，旨在探究基于DBL的人工智能課程教學(xué)設(shè)計(jì)方法及其實(shí)施效果。

教學(xué)分析

1.教學(xué)內(nèi)容分析

智能晾衣架是“AI上智慧生活”主題活動(dòng)其中的教學(xué)內(nèi)容，課程通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生利用智能套件搭建智能晾衣架，并運(yùn)用程序模塊賦予其自動(dòng)伸縮功能，旨在引領(lǐng)學(xué)生探究傳感器的作用與原理，思考條件語(yǔ)句及“與”運(yùn)算的使用方法，進(jìn)而提升其算法思維與實(shí)踐能力。課程包含三個(gè)課時(shí)：第一節(jié)“厘清任務(wù) 設(shè)計(jì)方案”引導(dǎo)學(xué)生將大問題分解為可操作的小問題，結(jié)合以往知識(shí)設(shè)計(jì)詳細(xì)任務(wù)單，發(fā)展抽象問題的能力；第二節(jié)“程序轉(zhuǎn)化 自主實(shí)踐”引導(dǎo)學(xué)生將任務(wù)中的描述性語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為程序語(yǔ)言，探究程序中同時(shí)滿足兩個(gè)條件的方法，提升學(xué)生算法思維；第三節(jié)“迭代完善 展示分享”引導(dǎo)學(xué)生通過小組間的分享活動(dòng)，聆聽他人設(shè)計(jì)方案與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，迭代完善本組作品，加強(qiáng)協(xié)作能力與批判思維。

2.學(xué)情分析

本課教學(xué)對(duì)象為四年級(jí)的學(xué)生，此前已有創(chuàng)意搭建及程序設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，部分學(xué)生囿于其實(shí)踐能力與知識(shí)水平的限制，無法完成綜合性較強(qiáng)的任務(wù)，因此在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，需充分發(fā)揮小組合作學(xué)習(xí)的作用，鼓勵(lì)學(xué)生以團(tuán)隊(duì)協(xié)作形式開展活動(dòng)。

3.教學(xué)目標(biāo)分析

基于以上分析，本課程將教學(xué)目標(biāo)設(shè)置如下：①通過自主探究與搭建活動(dòng)，了解濕度傳感器的作用及用法；②能夠?qū)⒚枋鲂哉Z(yǔ)言轉(zhuǎn)化為程序語(yǔ)言并會(huì)閱讀程序；③合作編寫程序，了解條件語(yǔ)句及“與”運(yùn)算的使用方法；④提升學(xué)生實(shí)踐能力，發(fā)展其計(jì)算思維，使其認(rèn)識(shí)到科學(xué)技術(shù)對(duì)社會(huì)生活發(fā)展的重要意義與價(jià)值。其中，教學(xué)重點(diǎn)是了解濕度傳感器的作用及用法，能用條件語(yǔ)句以及“與”邏輯完成程序設(shè)計(jì)，教學(xué)難點(diǎn)是“與”運(yùn)算的作用及用法。

教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

智能晾衣架主題項(xiàng)目學(xué)習(xí)以李幸博士開發(fā)的基于設(shè)計(jì)的STEM+C框架為理論依據(jù)，制定教學(xué)設(shè)計(jì)方案（圖1），開展教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)。

1.創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情境

新課標(biāo)倡導(dǎo)真實(shí)性學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷計(jì)算思維過程，提升問題解決能力。本課以視頻導(dǎo)入的形式，教師將真實(shí)生活化情景呈現(xiàn)給學(xué)生，引導(dǎo)其發(fā)現(xiàn)使用普通晾衣架時(shí)遇到的問題，組織學(xué)生探討解決問題的良策，從而揭示主題——智能晾衣架。教師鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合舊知，將“如何使晾衣架智能化”進(jìn)一步分解為可執(zhí)行、可操作的小問題。

2.收集信息，細(xì)化任務(wù)

本階段為學(xué)生準(zhǔn)備了課程資源包，包含工程搭建類知識(shí)、傳感器功能介紹、程序模塊用法等，主要以文字、視頻等多媒體形式呈現(xiàn)。學(xué)生在學(xué)習(xí)完相應(yīng)內(nèi)容后，篩選信息，生成與第一環(huán)節(jié)問題相應(yīng)的任務(wù)清單，如讓晾衣架能夠感知晴雨天、能夠靈活伸縮等，并在此過程中完成對(duì)新知的內(nèi)化。

3.頭腦風(fēng)暴，設(shè)計(jì)方案

學(xué)生根據(jù)第二環(huán)節(jié)任務(wù)清單，以小組協(xié)作的方式制定詳細(xì)實(shí)施方案，如人員分工、所需材料、實(shí)施步驟等內(nèi)容，初步搭建晾衣架，通過組內(nèi)交流反饋，不斷優(yōu)化晾衣架結(jié)構(gòu)使其達(dá)到靈活伸縮的效果。

4.算法編程，構(gòu)建原型

根據(jù)智能晾衣架主要功能，即如是雨天晾衣架縮進(jìn)，如是晴天晾衣架伸出，鼓勵(lì)學(xué)生將描述性語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為程序語(yǔ)言，使用“如果...那么...否則...”語(yǔ)句、亮度傳感器獲得的亮度值、濕度傳感器獲得的濕度值、執(zhí)行動(dòng)作模塊完成程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，思考滿足兩個(gè)條件的程序設(shè)計(jì)方法，強(qiáng)調(diào)“與”邏輯符的使用。

5.迭代完善，改良作品

通過模擬不同天氣，學(xué)生測(cè)試程序能否實(shí)現(xiàn)智能晾衣架的基本功能，記錄成功或失敗時(shí)的參數(shù)設(shè)置，各小組分析數(shù)據(jù)并找到最佳設(shè)計(jì)方案。

6.評(píng)價(jià)反饋，分享展示

本階段以小組展示活動(dòng)形式開展班級(jí)分享活動(dòng)，交流小組成功經(jīng)驗(yàn)或解決問題的方法。在分享過程中，學(xué)生取他人之長(zhǎng)，補(bǔ)自身之短，完善作品的同時(shí)進(jìn)一步提升其協(xié)作能力。

教學(xué)效果測(cè)評(píng)

本研究采用張屹教授設(shè)計(jì)的“我國(guó)小學(xué)生計(jì)算思維量表”實(shí)施問卷調(diào)查，采用單組前后測(cè)的方式衡量教學(xué)效果。該量表從問題解決能力、批判性思維、創(chuàng)造力、算法思維以及協(xié)作能力五個(gè)維度，全面檢測(cè)學(xué)生的計(jì)算思維水平，問卷采用李克特五級(jí)量表設(shè)計(jì)。調(diào)查結(jié)果顯示，學(xué)生學(xué)習(xí)本課程后，在問題解決能力、批判性思維、創(chuàng)造力、算法思維以及協(xié)作能力方面都發(fā)生了變化，五維度能力上的后測(cè)均值均高于前測(cè)均值。其中，創(chuàng)造力、問題解決能力和算法思維三維度上，顯著性（雙尾）值分別為 0.025、0.028 和 0.037，均小于 0.05，表明三維度能力顯著高于學(xué)習(xí)前能力水平。

總? 結(jié)

本研究以基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)模式為理論框架，開展小學(xué)人工智能課程教學(xué)設(shè)計(jì)，創(chuàng)設(shè)真實(shí)生活情境，讓學(xué)生在解決問題的過程中完成對(duì)新知的意義建構(gòu)，體會(huì)人工智能技術(shù)為社會(huì)發(fā)展帶來的價(jià)值與意義。采用問卷調(diào)查法評(píng)估課程教學(xué)效果，對(duì)后期K-12階段人工智能的設(shè)計(jì)與實(shí)施具有一定的參考價(jià)值。但研究還存在著一些不足，如研究樣本較少、課程實(shí)踐周期較短及自陳量表具有一定局限性等，后期將開展進(jìn)一步深入研究。

參考文獻(xiàn)

中華人民共和國(guó)教育部. 義務(wù)教育信息科技課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）[S]. 北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

李幸，張屹，黃靜，等. 基于設(shè)計(jì)的STEM+C教學(xué)對(duì)小學(xué)生計(jì)算思維的影響研究[J]. 中國(guó)電化教育，2019（11）： 104-112.