基于5E教學法的人工智能課程活動設計

【摘 要】本文將5E教學法運用于人工智能教育教學中，以地方區域性人工智能課程“空氣吉他”為例，創新設計“參與、探究、解釋、說明、評價”5個教學環節，闡述了使用5E教學法設計人工智能教育活動與實施策略，以期為中小學人工智能教育普及提供經驗參考。

【關鍵詞】5E教學法；人工智能教育；活動設計

【中圖分類號】G434 【文獻標志碼】B

【論文編號】1671-7384（2024）011-069-02

人工智能時代的到來推動了基礎教育的新變革。近年來，為支持學生更好地適應人工智能時代的發展，我國從頂層設計層面進行多項部署：2017年，國務院發布的《新一代人工智能發展規劃》指出，要在中小學階段設置人工智能相關課程；2020年，教育部印發《2020年教育信息化和網絡安全工作要點》，進一步強調推進編程等人工智能課程在中小學校的普及與應用，提升學生的信息素養。遺憾的是，囿于跨學科與強實踐的特點，人工智能課程教學活動設計遭遇挑戰，人工智能教育實踐面臨落地困難。針對這一問題，本文將5E教學法運用于人工智能教育教學中，闡述了使用5E教學法設計人工智能教育活動與實施策略，以期為中小學人工智能教育普及提供經驗參考。

5E教學法與人工智能核心素養的內在關聯

5E教學法是建構主義的代表性教學模式之一，包括參與（Engagement）、探究（Exploration）、解釋（Explanation）、說明（Elaboration）以及評價（Evaluation）。因其五個階段名稱均以字母E開頭，故稱“5E教學法”[1]。5E教學法關注學生的學習過程，通過真實問題情景引入激發學生學習興趣，通過探究實踐引導學生建立學習概念、構建知識圖譜進而解決實際問題。5E教學法有利于培養學生的批判思維與創新能力，現廣泛運用于科學教育、跨學科教育等領域。

人工智能核心素養主要包括通識技能、高階思維、協同創新和社會責任等方面。在5E教學法中，參與環節為課程提供真實問題與場景；探究環節是知識建構的過程，幫助學生自主理解通識技能；解釋環節既有理論又重實踐，是在教師指導下，學生通過實踐中的問題解決從而提升高階思維；說明環節是在前述基礎上進行深化拓展與協同創新，具有跨學科和強實踐的特性；評價環節是對學習過程的回顧與思考，學生在此環節內化人工智能社會責任。五個環節環環相扣，與人工智能核心素養存在內在關聯，適合作為人工智能教育課程的教學方法。

“空氣吉他”的教學分析與設計

1.教學分析

“空氣吉他”是筆者所在區域的地方人工智能教育課程七年級“AI超級工程師”中的第四課。該課程參考《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》和《中小學實驗教學基本目錄》中人工智能模塊相關要求[2]，以uKit Explore套件及uCode編程軟件為載體，通過“生活藝術家、農業前行者、工業制造家”等主題，讓學生從日常生活、農業、工業機器人等領域學習人工智能技術原理并實踐創作人工智能作品。

“空氣吉他”一課通過搭建制作，提升學生的動手實踐能力；通過編程實踐，培養學生的人工智能思維；通過創新拓展，提升學生的創新能力及人工智能素養。其教學目標可歸納為如下三點：了解超聲波傳感器的工作原理和應用、掌握編程中條件語句的使用場景與方法、運用所學人工智能知識創新制作空氣吉他。

2.教學設計

（1）參與：激趣導入，激發參與。參與是5E教學法的起點，是學生參與課堂互動的關鍵環節。在正式教學前，教師要精心設計問題情境，調動學生主動學習的積極性。問題情境的選擇一方面要源自真實生活與真實問題，選擇學生喜聞樂見的事物；另一方面也應提供開放的問題解決路徑，盡可能給學生留足想象力和創造力的空間。課堂伊始，教師可引導學生自主組建“學習共同體”（即學習小組），隨后播放激光吉他等視頻，有條件的還可讓學生體驗激光鍵盤，在活躍課堂氣氛的同時逐步引導學生思考激光吉他（鍵盤）和傳統吉他（鍵盤）的異同，逐漸引導出本節課的主題“空氣吉他”，表明其原理均是用光線代替弦線。在環節結束部分，教師要拋出“能否制作一把空氣吉他”的問題，調動學生積極參與的興趣。

（2）探究：新知探究，知識建構。學生對于新概念、新知識、新方法的認知均在此環節完成。此環節需要讓學生通過觀察分析，建立起知識間的聯系，建構起課程知識架構，以便后續能夠將知識內化吸收，外顯于作品之中。探究環節的重點是讓學生了解超聲波傳感器的工作原理。在此過程中，教師可先讓學生與生成式人工智能互動，了解超聲波傳感器的測距原理；隨后引導學生撥動傳統琴弦，記錄不同的距離所產生的不同音調，小組合作探究超聲波傳感器不同距離與音調的關系，通過不斷地記錄與驗證，深化學生對于超聲波傳感器的理解與認識。

（3）解釋：原型制作，知識轉化。解釋環節是5E教學法的核心環節。在傳統教學中，解釋環節主要是知識輸出的過程，學生將所學知識轉化為自己的經驗與認知再次表達出來。而在人工智能教育中，此環節更多是通過人工智能作品等方式呈現，作品的完成不僅需要學生對新知進行轉化，更是對學生合作能力、實踐能力的考驗。在小組制作過程中，教師可通過原型設計圖、流程圖、分工表等方式引導學生進行項目規劃設計。學生通過項目計劃書自主探究條件語句的使用方法，結合超聲波傳感器和蜂鳴器等硬件編寫程序，實現空氣吉他的演示效果。有條件的學校還可讓學生對比生成式人工智能提供的思路，迭代優化完成空氣吉他的制作。

（4）說明：思維拓展，遷移創新。說明環節是學習的延伸環節。在人工智能教育中，此環節是培養學生人工智能思維、提升人工智能素養的關鍵環節，其能夠讓學生發散思維，綜合運用跨學科知識，思考解決方案，創新設計人工智能作品。此環節既是對作品的深入理解與創新，也是對自身學習過程的梳理與反思。通過作品的原型制作（解釋環節）到遷移創新（說明環節）這一螺旋式上升過程，學生的人工智能思維與素養得以真正提高。教師可鼓勵學生發揮想象力，進行知識遠遷移與成果微創新，綜合運用所學知識進行作品外觀再設計、核心功能再創新。

（5）評價：作品展示，多元評價。評價是結束環節，包括教師評價、學生自評、組內評價和小組互評等多種方式，不僅注重學習結果，更注重學生的參與過程。需要說明的是，人工智能課程的評價環節不是對知識的檢驗，而是對創意作品（說明環節）的全方位展示。學生根據評價量規（作品創意、制作過程、問題解決方案及作品價值等方面），合作制作作品“說明書”，通過思維導圖、演示文稿、實物演示等多種方式，展示小組從創意萌芽到問題解決，再到迭代修改，最后完成創新作品的全過程。教師組織學生有序進行組內自評、小組互評。此舉既可以檢驗學生的學習效果，也可以增強學生的學習動力，全方位提升學生的人工智能素養與實踐創新能力。

小 結

基于5E教學法的人工智能教育各教學環節及教學活動并非相互割裂，而是有機融合、協同關聯，共同促進學生在人工智能領域的知識、思維、能力、素養的長足發展。人工智能課程對教師而言有兩方面的挑戰：一是對教師的人工智能素養提出了挑戰，面對學生的創意想法以及飛速發展的人工智能新技術，教師如何引導學生利用所學知識解決人工智能問題，自身如何跟上人工智能的教育熱潮，都是需要思考的問題；二是人工智能課程對教師的教學能力亦提出了更高的要求，如何把握課堂整體節奏，高質量地完成教學目標，提高學生的人工智能素養，亦是人工智能課程教師需要長期探索的課題。

參考文獻

葉兆寧. 從“探究”到“實踐”： 探究式教學法的內涵、本質與發展[J]. 自然科學博物館研究，2022，7（3）： 5-16+91.

喬婧怡，李錦濤. 基于DBL的小學人工智能課程教學實施：以“智能晾衣架”為例[J]. 中小學信息技術教育，2024（1）： 49-50.