PBL設計促進AI教育的深度學習

黃偉祥

從對目前信息技術課堂中AI教育實踐的觀察可知，學生關鍵能力的培養沒有達到預期效果，學科教師教學還是大面積進行工具性教學，在這種陳舊固化的教學模式培養下，模仿就成為學生完成作品的主要方法。久而久之，這些教學方法會造成學生批判性思維、科學精神、遷移想象、自主創新和問題解決能力的缺失。而采用項目式教學切入，可有效改變這些現狀，促進學生的深度學習，實現高效課堂的三個相結合：經驗與知識相結合、活動與體驗相結合、遷移與應用相結合。

● 探尋PBL內涵，構建設計模型

項目式PBL是基于問題學習的教學模式，是指把學習設置于復雜的、有意義的問題情境中，通過讓學生以小組合作的形式共同解決復雜的、實際的或者真實性的問題，來學習隱含于問題背后的科學知識，形成解決問題的能力，并發展自主學習和終身學習的能力。采用項目式教學能有效解決AI教學深度學習的問題，讓學生親身經歷選定項目—制訂計劃—活動探究—作品制作—成果交流—活動評價等活動，體驗學—做—創的過程，重構AI課堂教學的組織方式、實施策略、評價方式，從而促進學生的計算思維、分離、推理、建模、簡約、轉化等思維的發展（如圖1）。

● 探索真實情境，確立項目方向

項目選擇要源于生活，以現實生活情境為導向，讓學生通過一系列真實的、有吸引力的和有挑戰的真實問題學習，從而掌握重點知識和技能，提升學生批判性思維、問題解決、合作和自我管理的能力。本項目源自2019世界人工智能大會各種高科技產品的亮相，其中，自動駕駛汽車成為大會的焦點，并且在展館體驗場內進行了汽車上下坡、紅綠燈、斑馬線、遇到紅燈、行人過馬路等場景的測試，測試結果引起各方的熱議。學生對“為什么沒有人把控方向盤駕駛，汽車都會自動駕駛到指定的地點”覺得非常神奇。此項目來源于真實生活，建立于學生的興趣，是在真實問題驅動的基礎上建立的。基于以上的認識，師生共同確立研究項目為“神奇的智能小汽車”。

● 制訂學習方案，明確研究計劃

為了更好地完成項目，讓項目切實可行地執行，制訂一個詳盡的研究計劃至關重要，計劃可以從項目工具、項目目標、項目問題、實施方案等方面進行制訂。

1.項目工具

六年級學生對Scratch軟件基本操作比較熟練，并且有濃厚的學習興趣，可以自主地完成一些簡單的任務。通過項目式學習來學習偵測模塊指令和復合模塊的搭建，來解決實際問題，引導學生感悟可視化編程的奇趣，提升學生的計算思維能力。

2.項目問題

如何使用Scratch中的偵測指令，實現虛擬無人駕駛汽車？

3.項目目標

通過Scratch編程模擬無人駕駛的過程，讓學生學會偵測指令判斷是否碰到某種顏色或角色，并通過自主探究，嘗試完成小汽車的直線行駛;通過小組合作，實現彎道自動轉向行駛和避讓障礙物的方法。

4.實施方案

①查閱網絡資料。通過網絡了解無人駕駛技術的原理及核心技術;讓學生知道無人駕駛汽車是通過車載傳感器感知道路環境、車輛位置和障礙物信息，控制車輛的轉向和速度，從而使車輛能夠安全、可靠地在道路上行駛。②查閱模塊指令功能。確定Scratch偵測指令，并區分、、三種偵測指令的功能及使用方法，為模擬無人駕駛制作提供技術支撐。③確定無人駕駛汽車線路狀況，研究如何實現彎道行駛技術。④明確傳感器添加位置。⑤小組分工。繪制無人駕駛汽車、繪制汽車線路、模擬生活場景繪制情境圖、編寫Scratch程序。⑥成果發布及評價。

● 探求項目實施，體驗學做創

1.構建真實情境，聯結新舊認知

教學伊始，教師播放兩個視頻。視頻一：日常駕駛員駕駛汽車情況;視頻二：無人駕駛汽車在路上行駛的情況。在學生看完視頻后，教師提出問題：視頻一和視頻二駕駛員駕駛汽車有什么不同？從視頻二里我們可以看到：駕駛員的手全程脫離方向盤，汽車依然能夠根據路況自動行駛，教師順勢明確這就是無人駕駛技術。通過聯結學生新舊認知，為下一步項目探究做好學習鋪墊，并激發學生對人工智能學習的興趣，明晰本項目的學習任務就是制作“神奇的智能小汽車”。

2.分析生活情境，確定行駛線路

在現實生活中，汽車路況是多樣的。因此，教師啟發學生：要制作出怎樣的小汽車才算是成功的呢？學生在小組內進行頭腦風暴，并形成共識：能讓小汽車開動不算很成功，因為它沒有實現“智能”，能按照要求進行運動才屬于智能小汽車。雖然大家都對這個觀點非常認同，但學生仍有疑問：小汽車能否智能行駛呢？怎樣才能實現呢？教師順勢告訴學生，智能小汽車潛力無窮，需要大家不斷學習和研究才行，這節課我們從智能小汽車基礎部分做起。請以小組為單位，結合日常生活情境再次研究，小汽車運動應該有哪些路況？通過小組討論得出的結論：小汽車運動路線應該有以下三種：直線行駛、彎道行駛、障礙物避讓。

3.項目任務拆分，從易到難突破

編程對于小學生來說是比較困難的，根據學生的認知規律，教學時采取先易后難的方式進行，目的是激發起學習興趣，避免學生畏難情緒的發生。

（1）自主探索，直線行駛，引出指令

教師向學生提問：假如你是駕駛員，在行駛過程中，你認為最理想的道路情況是怎樣的？學生一致認為直線行駛是最理想化的路況，并利用Scratch自主編寫程序實現沿直線行駛的小汽車（如下頁圖2）。

小A同學很快就通過運動模塊中的坐標指令和實現了小汽車直線行駛（如圖3）;小B同學用偵測模塊中的碰到顏色指令和運動模塊中的移動指令也實現了小汽車直線行駛（如圖4）。此時，教師提出這兩種方法都可以讓小汽車直線行駛，哪一種會更符合我們現實生活中的情境呢？經過小組頭腦風暴和全班思辨后，大家都認為用小B同學方法好一些，因為小A同學的方法有局限性，如果遇到復雜的路況就沒法實現。這樣的設計既把經驗與知識結合起來，又把舊知與新知聯結起來，從而明確小汽車復雜路況行駛要用偵測模塊來解決，為下一步突破彎道行駛技術指明了方向，促進了學生批判性思維的發展。

（2）分解任務，彎道行駛，突破難點

為了突破彎道行駛的難點，教師播放視頻讓學生了解現實中的無人駕駛是怎么實現的。學生通過視頻學習，知道無人駕駛汽車通過車載傳感器感知道路環境、車輛位置和障礙物信息，控制車輛的轉向和速度，使車輛能夠安全、可靠地在道路上行駛，從而明確關鍵部件就是傳感器，并提出問題：在模擬的小汽車中，傳感器應該添加在哪里？有什么作用呢？學生通過小組討論認為，傳感器應該用兩種不同顏色添加在小汽車車輪的位置處，根據顏色不同的特性，可以用偵測模塊中的“”指令來判斷是否壓線，如果碰到就要旋轉。也就是說，小汽車在行駛過程中遇到右轉彎道時，右輪會壓線，這時如果右輪位置有一個傳感器，判斷是否壓線，如果壓線就要提示小汽車右轉。以此類推，如果小汽車遇到左轉彎道，左輪會壓線，左輪位置的傳感器，判斷壓線提示小汽車左轉。這樣，就能實現神奇智能小汽車自動轉向了。

對于核心問題的分析，小組匯報都是你一言我一語完成的，是零散的、碎片化的，對于小汽車何時直行、何時左轉及何時右轉，沒有整體的認知，所以，通過規范的語言重述、畫圖重現思維及思維導圖重現要點都是對學習非常有必要的。

這個環節是本課時的教學難點和重點，學生理解有一定的難度。教學時，教師可以就地取材，在黑板上畫出軌道，并用粉刷模擬小汽車在軌道上行駛，通過動態模擬演示，讓學生知道小汽車何時應該直行、何時應該左轉、何時應該右轉。讓問題聯系生活實際，從模擬生活情境中明白原理，并歸納解決問題的方法，從而培養學生概括、抽象和分解的能力。

（3）實踐體驗，搭建程序，解決問題

在師生思辨原理后，教師提供基礎的程序搭建范式供學生參考（如下頁圖5），讓學生完成程序編寫，并要求學生制作小汽車能在線路1（如下頁圖6）和線路2（如下頁圖7）上智能行駛。大部分學生編寫的程序都能實現小汽車在線路1上的智能行駛。但用同樣的程序在線路2上行駛時，小汽車出現了翻車或脫離了原定軌道的事故，這究竟是怎么回事呢？通過日常生活經驗和程序調試經驗得知，事故的原因是車速太快以及旋轉角度、路線設置不合理。這個環節，讓學生通過實踐體驗搭建程序，并在程序測試中發現問題、分析問題、解決問題，滲透了“做中學、學中做”的教育理念。

在項目實踐體驗過程中，學生不僅要自主搭建程序，更要小組協作討論學習中遇到的困難，形成學習共同體，與老師、同學共同解決問題，在學習知識與技能的過程中培養學生團隊合作的意識及協作關系，提升學生的合作力。

（4）拓展提升，避開路障，鼓勵創新

學生創新能力的培養不是一朝一夕就可以完成的，需要我們在教學中不斷積累與踐行。為了激發學生創新的欲望，教師鼓勵學生用“畫筆”設計一些獨特的路線，讓小汽車能夠安全平穩駕駛，這樣既強化了路線設置的合理性，又增強了學習的主動性與趣味性。同時，為了進一步模擬路況實景，教師提出：如果路上有障礙物，小汽車遇到障礙物怎樣才能自動調頭，避免撞上去？通過師生的討論，引出“”指令判斷，這個拓展問題是給學有余力的學生一個發揮的空間與平臺，實現讓能飛的孩子飛起來，讓能跑的孩子跑起來，讓能走的孩子走起來，最大限度滿足不同層次的學生的成長需要。

● 作品展示交流，項目評價反思

項目化學習的最終成果展示可以通過作品展覽或交流的方式進行。公開自己的作品，不僅可以讓學生變得更有學習動力，讓學生再次回顧自己項目制作歷程，促進學生反思，而且可以讓所學的知識變得可視和易于討論，讓整個項目制作具有真實性。在“智能神奇小汽車”制作完成后，教師組織進行小組與小組、同學與同學之間的交流展示，既分享成功的喜悅又可以暢談失敗的收獲，激發學生求知的欲望和實踐的激情。

項目化評價是伴隨著成果展示產生的，它指向學習目標，具有目標—實踐—成果—評價的一致性。評價過程中多元主體參與，運用過程性評價和總結性評價策略，讓評價促進學生真正投入到項目式學習中。在教學實施過程中，教師可以對每個學生的表現進行評價，各小組也要對其他小組作品進行評價，每個學生也要針對自己在解決問題過程中的表現進行評價。這是對學生勇于實踐的一種認可，能充分調動學生的創作激情和堅持下去的勇氣。

● 結束語

人工智能教育作為面向未來教育的一個新起點，引導著孩子們自信、從容、理性地迎接即將到來的科技新時代。本項目通過真實情境選定項目、制訂計劃、活動探究、作品制作、成果交流和活動評價等環節，促進了學生計算思維的深度學習，提升了學生對人工智能的認知，培養了其設計能力、邏輯思維能力、動手能力、項目協作能力及科學探究精神。.