三維編程教學中項目式學習的實踐與探索

【摘 要】本文以“智能垃圾分類”為項目主題，創設真實情境，指導學生利用三維編程工具，通過項目式學習激發學生的學習興趣，在項目實踐過程中培養學生的團結協作意識、計算思維和數字化學習創新的能力，創新課堂教與學模式，促進學生全面發展。

【關鍵詞】項目式學習;三維編程;小學

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】B

【論文編號】1671-7384（2022）08-032-03

2017年7月，國務院發布《新一代人工智能發展規劃》明確指出，在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育[1]。2019年5月，習近平總書記給國際人工智能與教育大會的賀信中明確指出：培養大批具有創新能力與合作精神的人工智能高端人才，是教育的重要使命[2]。可見，人工智能教育在國家發展中的重要性愈加突出，編程教育作為人工智能教育先導性和基礎性內容，其在小學階段的普及愈加具有關鍵性的意義。本文以北京市海淀區某小學五年級學生編程社團課程“智能垃圾分類”為例，系統地探析了項目式學習在三維可視化編程教學中的應用實踐與創新。

核心概念解釋

1.項目式學習

項目式學習（Project-Based Learning，PBL）是以項目為中心，以學習者為主體，以一定時長的小組合作為基本組織形式，按照“提出問題與假設—驗證假設—解決問題—展示與分享項目成果”流程進行的，使學生的團隊協作、創新發現、探究實踐等綜合素質與能力得到提升的一種學習模式。

2.三維圖形化編程

三維圖形化編程采用3D技術手段，借助圖形化、積木化的編碼優勢，能夠有效激發學生學習的動力和興趣，增強學生學習的體驗感和獲得感，有助于學生計算思維、空間思維、數字化學習創新能力的培養。同時，程序界面的友好和易操作性比起語法繁瑣、代碼枯燥的其它編程工具更具優勢，讓教學能更加聚焦在問題的分析、建模及解決方案的設計上，從而更好地培養學生運用技術解決實際問題的能力，切實提升學生的信息素養[3]。

項目實施

“智能垃圾分類”項目的實施包括：確定主題、項目分析、解決問題、總結評價四個部分。實施全流程如圖1所示。

1.確定項目主題—— 創設真實場景

在項目式學習中，通過師生共同確定一個好的項目主題，激發并牽引學生進行整體構思、設計、合作完成學習任務，在這個過程中，學生會主動借助各種途徑，獲得與主題任務相關的各類內容，通過分工與合作，最終完成項目。因此，通過創設真實情景確定項目主題是項目式學習成功的關鍵環節。

在確定項目主題時，教師需要依據《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》[4]中的學科核心素養，結合教學目標和班級學情，以訪談或者調查問卷等方式，充分做好學習主題的前期調研工作，以確保該主題能充分調動學生學習編程的積極性。以“智能垃圾分類”項目為例，在導入環節，教師展示了垃圾分類的生活實景圖，并組織學生對于垃圾分類這一身邊熱點進行討論與思考，提出問題：“為什么要進行垃圾分類？”“你認為垃圾分類還存在哪些需要解決的問題？”，經過學生頭腦風暴，歸納出“垃圾分類能夠有效減少環境污染;能夠廢物利用、變廢為寶”“有些人的垃圾分類意識不足;垃圾類別多，不能有效地進行分類;垃圾桶經常由專人值守，費時費力”……經過激烈的交流討論之后，教師設置驅動性問題“如何有效解決這些問題？”最后，師生共同梳理總結出可以通過自動識別、投放計數和語音播報等功能實現無人值守的“智能垃圾分類”作為項目主題。

學生通過頭腦風暴的方式開展項目主題的討論，實際上是鼓勵學生在面對真實的、復雜的問題時，能夠大膽地發現問題、剖析問題并思考如何解決問題，有助于學生高階思維的培養。最終，在教師的引導、點撥下，解決問題的思路和方法逐漸清晰，形成內化的能力，今后在解決其他問題時，能夠進行知識、方法和能力的遷移。

2.深入項目分析—— 強化邏輯思維

在確定項目主題后，教師需要引導學生進行項目分析，項目分析一般包括角色分析、角色功能分析、功能實現分析。以“智慧垃圾分類”為例，項目角色包括垃圾桶、標識牌、垃圾、背景等;角色功能包括投放識別、計數、語音播報等;功能實現方法即如何通過編程實現角色的功能。在項目分析環節，采用分組進行全量要素分析的組織形式，即各小組均對項目角色、角色功能、功能實現等全量要素進行分析，再由教師進行點撥、梳理和總結。

（1）項目角色分析

在項目角色分析過程中，教師先讓各小組進行組內討論，然后再選一組學生進行發言，其他小組學生進行補充，最后再結合垃圾分類的現實場景圖進行比對、總結。經討論分析，最后總結出本項目涉及的角色：垃圾桶（4種）、標識牌（4種）、垃圾（若干類）、背景（1幅）。

（2）角色功能分析

經討論分析，本項目共涉及投放識別（判斷垃圾投放是否正確）、計數統計（給投放次數和得分計數）、語音播報（程序運行開始時，語音播報垃圾分類宣傳語;垃圾投放時，語音播報垃圾是否投放正確;程序運行結束后，語音播報最終得分）三大功能。

（3）功能實現分析

在功能實現分析環節，主要從場景維度對功能實現的邏輯關系進行深入的討論和梳理，通過各功能之間的有效銜接和配合，實現垃圾的智能分類。

深入進行項目分析這一環節在整個項目式學習中起到承上啟下的作用，一方面幫助學生從整體上把握項目的實施邏輯和流程;另一方面幫助學生通過項目問題解決中涉及的抽象、分解、建模等思維活動，注意到具體場景中應關注的現實細節，從而引導學生將知識建構、技能培養與思維發展融入到運用數字化工具解決現實問題和完成任務的過程中。

3.解決項目問題—— 突出分工協作

本項目涉及多個角色，多組功能，在經過項目整體分析確定項目角色和角色功能以及功能實現邏輯之后，進入解決項目問題環節。本環節主要包括問題解決的方案設計、隨機實施和交叉驗證三個活動。

活動一：方案設計。教師根據角色功能將學生劃分為A、B、C三個小組，其中，A組負責垃圾投放識別功能的方案設計、B組負責計數統計功能的方案設計、C組負責語音播報功能的方案設計，學生根據自己的興趣加入不同的小組，教師則按照“組內異質、組間同質”的分組原則對各組成員進行適當調整。需要指出的是，在本活動中，A、B、C三個小組雖然有各自主要負責的設計任務，但在完成自己小組指定的設計任務之后，還需要對其他兩個設計方案進行討論，為下一個活動環節做好準備。

活動二：隨機實施。在各組完成各自的設計任務之后，由A、B、C三個小組進行隨機抽簽來確定本組的編程任務，原則是“本組對其他組的設計方案進行編碼實現”，各小組需要向抽到本組設計方案的小組進行設計方案介紹并答疑。例如，B組抽到了A組的設計方案，則A組需要向B組進行垃圾投放識別功能的方案設計介紹并答疑，B組按照A組的設計方案進行投放識別功能的編碼實現。這樣就將工程實踐中的項目實施流程場景與課堂教學活動相融合，不僅可以提高學生的表達能力和協作能力，更能體驗當前科技企業產品設計與產品研發工作場景中真實的模擬演練，也體現了“產教融合”的模式和理念創新。

活動三：交叉驗證。各組完成各自的編程任務之后，小組之間進行交叉驗證。這是參照了目前科技企業產品測試環節的真實場景，各組交叉驗證可以在一定程度上體現黑盒測試、白盒測試、系統測試、回歸測試的測試理念，幫助學生進一步系統地認識編碼工作的全流程、全場景。此外，通過交叉測試還可以發現在方案設計、編碼實現環節中所忽視的問題，有助于項目的優化完善。經過交叉驗證后，在教師的指導下，各組學生分工協作將功能進行整合，最終完成整個項目。

解決項目問題是項目式學習中最關鍵的環節，在這一環節中，學生的計算思維和數字化學習與創新能力將得到培養。在解決項目問題的過程中，學生能夠采用計算機可以處理的方式為問題設定邊界，進而在界定的問題范圍內對抽象問題特征建立對應的結構模型，再根據之前的已有知識技能和生活經驗，通過判斷、分析以及綜合各種信息資源，形成合理的解決方案。在各組學生完成項目任務的過程中，教師對于指令運用不熟的學生加以引導。學生們在“學習—實踐—合作交流（反思）—實踐”過程中，不斷完善自身認知結構。此外，筆者團隊對于本項目每個環節中運用到的指令應用方法都提供了模塊化的微課，有助于學生自主學習，并將所學內容在項目中進行實踐驗證。

4.項目總結評價—— 引導交流分享

項目任務完成之后，教師引導各組進行成果交流，分享在制作過程中獲得的經驗和遇到的問題，針對問題提出解決方案等。通過學生自評、組內互評、組間互評、教師評價等多種評價方式對交流的作品進行點評。在完成項目任務的過程中不僅使學生的計算思維、數字化學習與創新能力得到了提高，還鍛煉了學生協同工作的能力，提升了團隊協作意識。在成果交流的過程中，提升了學生問題梳理、總結反思的內化能力，同時也培養了學生知識成果分享的良好習慣。

在本課實施的評價環節中，增加專家點評環節，筆者團隊邀請區域環保單位和相關環?？萍计髽I的專家從科技創新、節約環保角度，對學生作品進行了分析，并從項目設計、制定計劃、項目實施、項目驗收等角度講述了項目管理的相關知識，對于學生今后從事新的項目提供了很好的經驗借鑒案例。此外，專家還提出“如何有效進行除菌？”“垃圾桶裝滿之后該如何處理？”等問題作為拓展知識，供學生課后思考。

總結展望

基于項目式學習的三維編程實踐選擇學生感興趣的現實場景作為項目主題，采用項目式學習的教學組織形式開展，有效激發了學生的積極性和參與度，在興趣的牽引下和思維碰撞的火花中，程序指令不再枯燥，問題與困難轉變為“游戲關卡”，知識的學習、應用與遷移達到了事半功倍的效果，不僅落實了《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》中信息意識、計算思維、數字化學習與創新、信息社會責任的核心素養要求，拓展了智能時代新型教與學的課堂范式，還通過引入社會資源，實現校內校外資源的打通，實現了校企融合、產教融合。未來，在項目設計與實踐方面我們將考慮借助程序擴展功能，調用外部智能硬件設備，如AR/VR眼鏡等智能穿戴設備，讓學生能夠在自己設計的作品中以第一視角進行體驗，從而進一步提升學生的獲得感和求知欲。

參考文獻

國務院. 國務院關于印發新一代人工智能發展規劃的通知[EB/OL]. http：//www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm，2017-07-20.

新華網. 習近平向國際人工智能與教育大會致賀信[EB/OL].http：//www.xinhuanet.com/politics/leaders/2019-05/16/c_1124502111.htm，2019-05-16.

崔東偉. 基于計算思維的編程教學實踐研究——以“冬奧會化學程序制作”為例[J]. 中小學信息技術教育（科技冬奧·教育?？?，2021.

中華人民共和國教育部. 義務教育信息科技課程標準（2022年版）[M]. 北京：北京師范大學出版社，2022.

作者單位：北京市海淀區教育科學研究院