基于項(xiàng)目化教學(xué)模式的人工智能教學(xué)實(shí)踐

【摘 要】本研究旨在探討基于項(xiàng)目化教學(xué)模式在中學(xué)人工智能教育中的應(yīng)用，通過制作平衡車機(jī)器人這一具體案例，分析其實(shí)施過程及對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的影響。研究結(jié)果表明，項(xiàng)目化教學(xué)模式能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升綜合能力，是人工智能教育值得借鑒的教學(xué)方法。

【關(guān)鍵詞】項(xiàng)目化教學(xué)模式；人工智能教育

【中圖分類號】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

【論文編號】1671-7384（2024）012-068-03

隨著科技的發(fā)展，人工智能技術(shù)在全球范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛，并對各行各業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。在中小學(xué)階段引入人工智能教育，旨在幫助學(xué)生了解前沿科技，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和解決問題的能力。近年來，教育部和地方教育部門相繼出臺政策，鼓勵中小學(xué)開設(shè)人工智能相關(guān)課程。本文旨在探討基于項(xiàng)目化教學(xué)模式在中學(xué)人工智能教育中的應(yīng)用，通過實(shí)際案例展示項(xiàng)目化教學(xué)模式的實(shí)施效果，為中小學(xué)人工智能課程的設(shè)計(jì)和實(shí)施提供參考。

項(xiàng)目化教學(xué)模式在人工智能教育中有顯著優(yōu)勢

項(xiàng)目化教學(xué)模式（PBL）是一種以學(xué)生為中心的教學(xué)方法，通過實(shí)際項(xiàng)目激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動手能力，使其掌握知識和技能。相比傳統(tǒng)教學(xué)模式，項(xiàng)目化教學(xué)更強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和合作探究能力[1]。項(xiàng)目化教學(xué)的理論基礎(chǔ)包括建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論和杜威的“做中學(xué)”理念，強(qiáng)調(diào)通過實(shí)際操作和探究活動促進(jìn)學(xué)生的深度理解和知識應(yīng)用。

人工智能是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)分支，研究如何讓機(jī)器模擬和實(shí)現(xiàn)人類的智能行為，核心技術(shù)包括機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、自然語言處理和計(jì)算機(jī)視覺等。研究表明，項(xiàng)目化教學(xué)模式在人工智能教育中具有顯著優(yōu)勢。例如，通過機(jī)器人項(xiàng)目、智能家居項(xiàng)目等，學(xué)生能夠掌握編程和傳感器應(yīng)用等技能，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和解決問題的能力。

教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施

本案例選取的是深圳市福田區(qū)某中學(xué)初二年級某班共30名學(xué)生參與的平衡車機(jī)器人項(xiàng)目。學(xué)生背景多樣，既有對科技類課程表現(xiàn)出濃厚興趣的，也有在編程和動手能力方面基礎(chǔ)較薄弱的。項(xiàng)目力求覆蓋不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，促進(jìn)他們的全面發(fā)展[2]。

1.項(xiàng)目背景

平衡車機(jī)器人是一種利用陀螺儀和加速度傳感器來檢測車體姿態(tài)變化，并通過伺服控制系統(tǒng)驅(qū)動電機(jī)調(diào)整，以保持平衡的智能設(shè)備。其工作原理主要基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過反饋控制系統(tǒng)不斷調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向，實(shí)現(xiàn)自我平衡和多方向移動。平衡車機(jī)器人項(xiàng)目具有高度的實(shí)踐性和挑戰(zhàn)性，是項(xiàng)目化教學(xué)的理想案例。通過該項(xiàng)目，學(xué)生可以掌握傳感器和控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識，學(xué)習(xí)編程和調(diào)試技能，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作和項(xiàng)目管理能力，激發(fā)對人工智能和機(jī)器人技術(shù)的興趣。

2.教學(xué)內(nèi)容

教學(xué)內(nèi)容包括傳感器應(yīng)用、編程基礎(chǔ)、機(jī)器人搭建。傳感器包括陀螺儀傳感器和加速度傳感器，教師要教會學(xué)生了解它們的工作原理和用途；要選擇適合中學(xué)生學(xué)習(xí)的編程語言（如C語言或Python），講授基本語法和編程技巧；要介紹平衡車機(jī)器人的各硬件組件，要詳細(xì)講解平衡車機(jī)器人的搭建步驟，通過動手實(shí)踐使學(xué)生熟悉各個(gè)組件的安裝和連接方法。

3.項(xiàng)目實(shí)施

一是設(shè)計(jì)圖紙。學(xué)生設(shè)計(jì)平衡車機(jī)器人的簡圖，明確各組件的位置和連接方式，培養(yǎng)設(shè)計(jì)思維和空間想象能力。二是搭建模型。學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，動手組裝平衡車機(jī)器人模型，熟悉各硬件組件的功能和安裝方法，掌握基本動手操作技能。三是編寫代碼 模型。搭建完成后，學(xué)生開始學(xué)習(xí)編程，編寫控制平衡車機(jī)器人的程序，逐步掌握編程技巧和控制系統(tǒng)工作原理。四是試運(yùn)行及改進(jìn)。學(xué)生試運(yùn)行平衡車機(jī)器人，觀察運(yùn)行效果，分析問題，進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，直到平衡車機(jī)器人穩(wěn)定運(yùn)行。最后是記錄總結(jié)。學(xué)生記錄項(xiàng)目實(shí)施過程，包括設(shè)計(jì)思路、實(shí)施步驟、問題和解決方法，提升總結(jié)和反思能力，通過展示和交流分享項(xiàng)目成果，增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作和溝通能力。

4.項(xiàng)目評價(jià)

通過科學(xué)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，教師可以全面了解學(xué)生在項(xiàng)目中的表現(xiàn)和收獲，有針對性地進(jìn)行指導(dǎo)和改進(jìn)。

平衡車機(jī)器人項(xiàng)目通過設(shè)計(jì)圖紙、搭建模型、編寫代碼、試運(yùn)行及改進(jìn)和記錄總結(jié)等步驟，全面培養(yǎng)學(xué)生的知識技能、創(chuàng)新思維和團(tuán)隊(duì)合作能力，是中學(xué)人工智能教育中項(xiàng)目化教學(xué)模式的典型案例。在接下來的教學(xué)效果分析中，筆者將進(jìn)一步探討該項(xiàng)目對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的具體影響。

教學(xué)效果分析

在項(xiàng)目化教學(xué)模式的框架下，平衡車機(jī)器人項(xiàng)目在多個(gè)方面對學(xué)生的學(xué)習(xí)效果產(chǎn)生了積極影響。本部分將從知識掌握、能力提升和情感態(tài)度三個(gè)維度對教學(xué)效果進(jìn)行詳細(xì)分析。

一是知識掌握。通過制作平衡車機(jī)器人，學(xué)生深入了解了平衡車的工作原理和傳感器的應(yīng)用。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，學(xué)生學(xué)習(xí)了如何讀取陀螺儀和加速度傳感器的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)用于控制平衡車的平衡。這一過程不僅讓學(xué)生掌握了傳感器的基本工作原理，還培養(yǎng)了他們的數(shù)據(jù)處理能力和實(shí)際應(yīng)用能力。此外，學(xué)生學(xué)習(xí)了編程的基本語法和技巧，掌握了反饋控制系統(tǒng)的基本概念和實(shí)現(xiàn)方法，通過不斷編寫和調(diào)試，逐步掌握了如何使用編程語言（如C語言）來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。

二是能力提升。在平衡車機(jī)器人項(xiàng)目中，學(xué)生通過動手組裝模型和編寫控制程序，極大地提升了他們的動手實(shí)踐能力。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，學(xué)生不可避免地會遇到各種問題和挑戰(zhàn)，如傳感器數(shù)據(jù)不穩(wěn)定、控制算法不精確、模型搭建不牢固等，學(xué)生需要分析問題產(chǎn)生的原因，設(shè)計(jì)并測試解決方案，這一過程大大提高了他們的分析和解決問題的能力。同時(shí)，項(xiàng)目要求學(xué)生在解決實(shí)際問題的過程中不斷創(chuàng)新，培養(yǎng)了他們的創(chuàng)新思維，使他們學(xué)會從不同角度思考問題，提出獨(dú)特的解決方案。

三是情感態(tài)度。通過動手制作和編程，學(xué)生親身體驗(yàn)了人工智能技術(shù)的魅力，產(chǎn)生了濃厚的學(xué)習(xí)興趣。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，學(xué)生通過不斷嘗試和改進(jìn)，最終成功制作出能夠穩(wěn)定運(yùn)行的平衡車機(jī)器人，這極大地增強(qiáng)了他們的自信心。

教學(xué)反饋與改進(jìn)

學(xué)生對平衡車機(jī)器人項(xiàng)目的反饋總體上是積極的。不少學(xué)生表示，通過項(xiàng)目化學(xué)習(xí)，他們對人工智能和機(jī)器人技術(shù)有了更深的理解，并且提高了實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維[3]。一些學(xué)生還提出了項(xiàng)目實(shí)施過程中遇到的具體問題和建議。

根據(jù)教學(xué)反饋，教師可以對項(xiàng)目設(shè)計(jì)和實(shí)施進(jìn)行改進(jìn)。比如，為確保學(xué)生有足夠的時(shí)間完成項(xiàng)目任務(wù)，教師可以考慮在課外活動或科技節(jié)中安排項(xiàng)目學(xué)習(xí)；同時(shí)，可以合理調(diào)整課堂時(shí)間安排，確保學(xué)生有足夠的時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和調(diào)試，提升項(xiàng)目的實(shí)施效果。為了幫助學(xué)生更好地理解和掌握項(xiàng)目的各個(gè)環(huán)節(jié)，教師可以提供詳細(xì)的指導(dǎo)手冊和教學(xué)資源。指導(dǎo)手冊應(yīng)包括項(xiàng)目背景、設(shè)計(jì)圖紙、搭建步驟、編程指南和調(diào)試方法等，幫助學(xué)生在自主學(xué)習(xí)過程中獲得必要的支持和指導(dǎo)。在項(xiàng)目實(shí)施過程中，教師應(yīng)鼓勵學(xué)生多進(jìn)行團(tuán)隊(duì)合作和交流，通過小組討論、項(xiàng)目展示和經(jīng)驗(yàn)分享，增強(qiáng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力和溝通技巧；同時(shí)，教師可以通過組織校內(nèi)外比賽和展示活動，為學(xué)生提供展示項(xiàng)目成果的平臺，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣和成就感。為了全面評估學(xué)生在項(xiàng)目中的表現(xiàn)，學(xué)?？梢灾贫茖W(xué)的評價(jià)體系，包括制定設(shè)計(jì)圖紙、模型搭建、編寫代碼、試運(yùn)行及改進(jìn)、記錄總結(jié)等方面的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過多維度的評價(jià)，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)展和存在的問題，及時(shí)進(jìn)行指導(dǎo)和改進(jìn)，確保每位學(xué)生都能在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中獲得成長和進(jìn)步。

問題與建議

在實(shí)際實(shí)施中，項(xiàng)目化教學(xué)模式面臨資源與時(shí)間不足的限制。平衡車機(jī)器人項(xiàng)目需要一定的硬件資源和編程環(huán)境，這對學(xué)校的設(shè)備配置和教師的專業(yè)能力提出了較高要求。同時(shí)，項(xiàng)目的實(shí)施需要較長的時(shí)間，如何在有限的課堂時(shí)間內(nèi)完成項(xiàng)目任務(wù)是一個(gè)需要解決的問題。為此，學(xué)?？梢钥紤]在課外活動時(shí)間或科技節(jié)中安排項(xiàng)目化學(xué)習(xí)。

在項(xiàng)目實(shí)施過程中，學(xué)生的基礎(chǔ)知識和能力水平存在著差異，這對教師的教學(xué)提出了挑戰(zhàn)。如何照顧到不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，確保每個(gè)學(xué)生都能在項(xiàng)目中有所收獲，是教師需要面對的重要問題。在平衡車機(jī)器人項(xiàng)目中，教師可以通過分層教學(xué)、個(gè)別輔導(dǎo)和小組合作等方式，幫助能力較弱的學(xué)生跟上項(xiàng)目進(jìn)度，同時(shí)為能力較強(qiáng)的學(xué)生提供更具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，充分激發(fā)他們的潛力。教師可以探索不同教學(xué)模式在人工智能教育中的效果，通過對比不同教學(xué)模式的優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)其在不同教學(xué)環(huán)境和學(xué)生群體中的適用性，提供更為科學(xué)和合理的教學(xué)方案。在實(shí)際教學(xué)中，教師可以靈活運(yùn)用多種教學(xué)模式，結(jié)合項(xiàng)目化教學(xué)的優(yōu)勢，提升教學(xué)效果。

項(xiàng)目化教學(xué)模式對教師的專業(yè)素質(zhì)提出了較高要求，未來，研究可以關(guān)注教師在人工智能教育中的專業(yè)發(fā)展和培訓(xùn)需求。通過系統(tǒng)的培訓(xùn)和實(shí)踐，提升教師的專業(yè)知識和教學(xué)能力，幫助他們更好地指導(dǎo)學(xué)生完成項(xiàng)目任務(wù)。同時(shí)，學(xué)?？梢越⒔處熃涣骱秃献鞯钠脚_，促進(jìn)教師之間的經(jīng)驗(yàn)分享和共同成長，推動人工智能教育的整體發(fā)展。

結(jié) 論

1.研究總結(jié)

本研究通過實(shí)施平衡車機(jī)器人項(xiàng)目，探討了項(xiàng)目化教學(xué)模式在中學(xué)人工智能教育中的應(yīng)用。研究表明，項(xiàng)目化教學(xué)模式具有顯著的優(yōu)勢，能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升他們的綜合能力。通過設(shè)計(jì)、搭建、編程和調(diào)試，學(xué)生不僅掌握了平衡車機(jī)器人的基本原理和控制方法，還培養(yǎng)了動手實(shí)踐能力、問題解決能力、創(chuàng)新思維和團(tuán)隊(duì)合作精神。

2.研究展望

盡管本研究取得了一定的成果，但在實(shí)施過程中也面臨一些挑戰(zhàn)，如資源與時(shí)間不足的限制、學(xué)生能力的差異等。未來的研究可以進(jìn)一步探索以下幾個(gè)方向。

一是應(yīng)用于更廣泛的人工智能項(xiàng)目。未來，教師可將項(xiàng)目化教學(xué)模式應(yīng)用到更多的人工智能項(xiàng)目中，如智能家居、自動駕駛、語音識別等，這將進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓寬他們的知識面和視野。

二是開展不同教學(xué)模式的比較研究。教師可研究不同教學(xué)模式在人工智能教育中的效果，如傳統(tǒng)教學(xué)、探究式教學(xué)、混合式教學(xué)等，總結(jié)其在不同教學(xué)環(huán)境和學(xué)生群體中的適用性，提供更為科學(xué)和合理的教學(xué)方案。

三是關(guān)注教師專業(yè)發(fā)展與培訓(xùn)。學(xué)校應(yīng)關(guān)注教師在人工智能教育中的專業(yè)發(fā)展和培訓(xùn)需求，通過系統(tǒng)的培訓(xùn)和實(shí)踐，提升教師的專業(yè)知識和教學(xué)能力，幫助他們更好地指導(dǎo)學(xué)生完成項(xiàng)目任務(wù)。

四是建立科學(xué)的評價(jià)體系。學(xué)校應(yīng)建立多維度的評價(jià)體系，全面評估學(xué)生在項(xiàng)目中的表現(xiàn)，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)展和存在的問題，及時(shí)進(jìn)行指導(dǎo)和改進(jìn)，確保每個(gè)學(xué)生都能在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中獲得成長和進(jìn)步。

五是推動中學(xué)人工智能教育的發(fā)展。項(xiàng)目化教學(xué)模式為中學(xué)人工智能教育提供了一種有效的教學(xué)方法，通過實(shí)際項(xiàng)目的實(shí)施，學(xué)生可以在動手實(shí)踐中掌握知識，提升能力。未來，學(xué)校應(yīng)繼續(xù)優(yōu)化和完善這一教學(xué)模式，拓寬人工智能項(xiàng)目的應(yīng)用范圍，提升教師的專業(yè)素質(zhì)，推動中學(xué)人工智能教育的發(fā)展。通過不斷探索和創(chuàng)新，為學(xué)生的全面發(fā)展和創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供有力支持，為國家培養(yǎng)更多具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的未來人才。

參考文獻(xiàn)

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作者單位：廣東深圳市福田區(qū)紅嶺中學(xué)

編 輯：張曉震