基于項目式學習的人工智能教學模式應用研究

北京市第八中學怡海分校 徐啟發

一、項目式學習和人工智能教育

（一）項目式學習

“項目式學習”（Project-based Learning，簡稱PBL），也稱“基于項目的學習”“基于專題（課題）式學習”，是典型的建構主義理論指導的多元學習模式。項目式學習最初被美國的巴克教育研究所以課程標準為核心進行界定：“一套系統的教學方法，它是對復雜、真實問題的探究過程，也是精心設計項目作品、規劃和實施項目任務的過程，在這個過程中，學生能夠掌握所需的知識和技能。”美國學者托馬斯博士認為，“項目式學習首要特征是向心性，即項目是課程的中心”。

項目式學習是指課前精心從現實生活中選取和發掘項目，引導同學們通過選擇和優化學習資源，進行深入的分析研究方案、動手實施、方案優化修改、完成項目的一種探究活動，項目式學習一般還包括展示和評價。我們通常所說“項目”，是指具有一定探究價值和意義、能激發學生發散思維和創新思維、融合學科知識和技能的主題活動。

（二）人工智能教育

人工智能被視為影響第四次工業革命和教育革命的標志性技術，人工智能在基礎教育中的重要性也已成為社會共識。隨著《新一代人工智能發展規劃》的頒布及國家大力發展人工智能背景下，中小學人工智能課程雨后春筍般出現。

1.對人工智能教學資源的極大需求

同學們希望在課前、課中以及課后能夠看到生動活潑、趣味性強的學習資源，這些學習資源既能激發學生的學習興趣，又能引導學生去學習人工智能。

2.亟須能夠調動學習熱情的教學方式

學生對現場人工教學很熟悉，但有時課堂中又會留有一些遺憾，比如，老師講的知識點當堂課消化較慢，導致動手實踐環節沒有完成。如果在課前就進行人工智能原理的學習，勢必節省課上理解知識所花的大量時間，給自己更多的實踐機會。

3.亟須能夠分析學習過程并能實現最優化學習的人工智能教學

學生在學習過程中遇到了哪些學習問題，如何用最短的時間解決這些問題，都是人工智能教學需要繼續解決的重要問題。這就要用到學生的學習過程分析，探究出每名同學的學習路徑，然后進行學習路徑的修正，從而使學習最優化。

探尋能夠解決上述問題的新型人工智能教學模式，基于項目式學習的人工智能教學模式就是一個不錯的選擇。

（三）基于項目式學習開展人工智能教育的可行性

項目設計需要根據學生心理特征、認知特點和日常學習生活習慣，進行巧妙設計，具備真實的情境性，強調“對一個或一系列學習事件或學習活動的綜合描述”。

1.建構主義理論、多元智能理論、知識節點理論提供強有力的理論支撐

建構主義教學模式強調情境、協作、會話和意義建構四大要素。從情境基礎、實施路徑、效果評價等方面來看，人工智能和項目式學習有著高度的契合，項目式學習提供強勁的載體和方法。基于項目式學習的人工智能學習，以建構主義、加德納的多元智能理論、知識節點理論作為基石，充分激發學生興趣，提升人工智能核心素養。

2.基于項目式學習的人工智能學習模式基本環節

基本環節包括：依據情境、巧設項目，頭腦風暴、生成創意，角色分配、各司其職，活動探究、工程設計，反復迭代、優化產品，成果分享、能力提升。在整個過程中，團隊經理負責整個流程的設計和管理，教師只是起到引導輔助的作用，進一步貫徹“學生主體、教師主導”的新課程理念。

二、基于項目式學習開展人工智能教學的實施步驟

基于項目的人工智能教學有效激發學生的學習興趣、探究欲望，鍛煉了他們的實踐探究和創新能力。下面我以基于項目的人工智能典型內容為例，分析其具體的實施步驟。

（一）依據情境、巧設項目

要想激勵學生有好的創意，就必須精心設計課題。課題必須選取有典型意義，能夠調動大多數同學的積極性。比如，我在講“人工智能編程基礎”的相關章節時，積極引入北師大的Mixly 軟件作為同學們編程的軟件。該軟件是圖形化界面，利用“搭積木”的方式堆疊各種圖標，讓同學們有一個全新的體驗，并且可以和各種傳感器連接互動。待同學們熟悉了人工智能開發軟、硬件后，我給同學們布置研究題目：設計一個可優化城市交通體驗的車載裝置。

這個題目非常利于同學們發散思維：什么樣的裝置可以優化交通體驗？同學們都有自己的創意。有的同學創意為：在出行時，經常會經歷各種堵車慢行，這時候人們的心情非常煩躁。如果能夠設計出藍牙點歌系統或紅外線點歌系統，可以讓人們在等待的同時，有歌曲的陪伴，利于消除煩躁。同時，產品的屏幕還要能顯示歌曲的名字。另外一些同學的創意為：為汽車設計一個超聲波裝置，當遇到障礙時，能夠自動停下來，并且發出報警聲音和在司機面前閃爍紅燈，提醒司機注意前方，這樣可以避免很多的交通事故，優化司機的出行體驗，可以更放心地開車。可以說大家的思維充分發散，都很有創意。

很明顯，一個好的項目選題非常重要，能夠瞬時點燃同學們探究學習的熱情，開啟同學們的創造力和想象力。

（二）頭腦風暴、生成創意

人工智能教育是培養學生創新精神的重要途徑之一，通過創新可以讓同學們生成好的產品創意。好的創意一般來自同學們對現實生活細致入微的觀察，觀察已有的事物并洞悉其工作原理，然后把這種原理遷移到新的事物或物品上去，就完成了一次創意。那么該如何培養同學們捕獲瞬間靈感，生成好的創意呢？北師大黃榮懷教授認為，通過設計實踐在一定程度上能訓練學習者發散思維、聚斂思維、形象思維、直覺思維等，進而促進創新思維的發展。我通過發散和收斂的方法來引導同學們進行創意的初階訓練。

（三）角色分配、各司其職

項目需要一個團隊完成，而不是單人獨立完成。北師大余勝泉教授認為，知識是學習者之間通過互動對話共同建構的，最終的目的就是實現共同體知識的增長。

項目成員分工：項目共由3～5 人組成，分為團隊經理、硬件工程師、軟件工程師、文檔工程師等角色。每人完成自己的工作并使其最優化。

1.團隊經理

負責帶領團隊利用頭腦風暴、創意投票等方法生成產品創意，并進行分工協調，遇到困難及時解決。組織產品功能測試和再修改，直至產品完美。

2.硬件工程師

硬件工程師掌握著各種材料（如金屬、塑料、木棒、紙張、電子元件等）性質方面的相關知識，當團隊生成好創意時，他們就會運用已有知識結合材料去創新，創造出新物品來解決問題。

3.軟件工程師

能夠按照產品創意，結合控制板、連接件等器材尺寸設計軟件程序，使產品運行穩定且軟件性能最優化。

4.文檔工程師

能夠按照創意進行圖紙的繪制，鼓勵手繪，也可以在電腦上作圖，畫出作品的俯視圖、側視圖等三視圖，并且能夠對整個制作過程進行拍照記錄、文字日志記錄，并最終整理生成產品開發PPT 和產品制作手冊。

（四）活動探究、工程設計

1.編寫程序

有了好的創意以后，就要進一步實現，用人工智能技術制作出來。如果說，創意階段還是概念的話，設計階段就要制作產品模型。同學們首先在Mixly 軟件上找到相應的傳感器，進行連接和程序的編制。連接時，要注意和程序的各種結構結合，比如，順序結構、分支結構和循環結構，每種結構的適用條件一定要設置好。例如，有時候發現小燈一直在閃，無法停下來，就可能誤入死循環。

不僅要會編程，還要會調試程序。比如，加入斷點或打印語句進行調試，細心觀察打印語句是否成功輸出，跟蹤到同學們編寫的程序是否正確。如果不正確，是哪里出現了問題？同學們經過進一步理順概念圖、關系圖，終于把程序編寫調試出來。有的同學編程非常快，半小時就完成一件初步的作品。

2.搭建硬件

程序編好以后，還要進行實物連接。只有和實物連接并運行程序后，才能看出程序是否正確。有同學在做“跑馬燈”時，本來程序效果應該是燈帶中七顆燈依次閃亮，但發現實際只點亮了三顆。問題出現在哪里？于是又進行打印語句跟蹤，發現程序已經成功執行完成。程序應該沒有問題，那么肯定是硬件出問題了，用硬件替換法，換成其他的燈帶果然好了。所以有時候，硬件問題也是經常遇到的。當軟件確定沒有問題時，要考慮硬件是否有問題。再比如，一名同學調試超聲波自動避障裝置時，怎么也得不到正確的現象。到底是哪里出了問題？她著急地把程序改來改去，以為編程不對。我發現了這一情況，引導她先逐一測試硬件，再一件一件添加。經過一段時間的測試，終于發現是雙排的USBTTL 上傳板有故障。問題找到后更換硬件，困難即可解決。

3.基于網絡學習空間混合式學習

基于項目式學習的人工智能教學，還需要借助網絡學習空間下的混合式學習。結合泛知識漣漪效應我們可以知道，教師可以通過精心設計在線教學內容和方法，查看學生處在知識漣漪的哪個位置，確定學生的知識空間狀態，從而設計有效的學習路徑，促進學生從低學習節點向高知識節點進步。

在制作過程中，對一些同學們難以實現的電路，我積極尋求多種方式進行引導。

（1）微課展示。把實驗電路比較難的部分提前錄制成微課。讓同學們根據微課示范，去連接電路。這樣一來，同學們省時省力，學得比較輕松，提高了學習效率。

（2）任務分層。根據同學們不同的能力，在團隊中完成不同的任務，各自完成一定的電路連接，讓每位同學都有收獲感。

（3）實驗指導書。為同學們編制合適的實驗指導書，供同學們按步驟完成，這對同學們正確操作非常有幫助。

所以，在制作與實物階段，同學們一定要厘清思路，不盲目去連接實驗電路，爭取把創意與實物連接做到最優化。

（五）反復迭代、優化產品

各個部件制作出來后，進行組裝集成測試，測試中可能會發現產品已有的一些問題。例如，Arduino 主板成功放置在3D 打印外殼中，但是忘記打出線孔，全封閉的外殼無法伸出傳感器的連線，怎么辦？看看時間還夠，趕緊改變3D 建模中不恰當的部分，全面修正后重新打印。之后，等所有的外殼都完美無瑕并組裝后，又突然發現主板不亮了。經故障排查發現，接線不牢固，重新插牢就好了。最后，經過大家的不懈努力，人工智能產品終于成功制作出來。

（六）成果分享、能力提升

讓同學們把在制作過程中獲得的成就感積極分享出去，顯然能讓更多同學感受到成功與快樂。所以，人工智能教學應設置分享與評價的環節。通過分享與評價，讓同學們能夠感知彼此長處，以便學習和借鑒。而分享本身，實際上也蘊含了積極交流，互通有無，互相借鑒，積極提升人工智能素養。

三、基于項目的人工智能學習，提升學生AI 素養

（一）培養了積極的人工智能情感

我在設置人工智能項目主題時，盡量尋找那些本身就生活化、真實的任務場景做項目研究課題，這樣更有利于同學在完成課題過程中，尋找貼近生活的靈感和創意。通過真實項目的制作，讓同學們感受成功的樂趣、發現的樂趣、體驗的樂趣，改變以往單一枯燥的學習方式。同學們積極進行交流和匯報，有利于他們培養團隊精神和合作精神，以主人翁和設計者的姿態參與到人工智能制作和交流中。

（二）提高同學們的動手實踐能力

基于項目的人工智能教學，極大地培養了同學們的動手能力和解決實際問題能力，并用這些能力和方法，解決學習生活中遇到的困難和難題。同時還可以鍛煉同學們“自頂向下，逐步細化”項目思維，把一個宏大目標拆分成若干小任務，然后逐個完成。這種有計劃、有步驟的做事能力，必將對他們的實踐能力、工程思維有很大幫助，也將為他們日后的創新實踐活動打下良好的基礎。

總之，基于項目式學習的人工智能教學模式可以極大促進學生人工智能素養的提升。