基于PBL的小學人工智能教育實踐與思考
——以“騎行安全衛士”項目課程為例

陶鑫榮 廣東省深圳市龍華區外國語學校教育集團

●項目介紹

近年來，我國電動自行車的使用率逐年增高，隨之由電動車引發的交通事故屢見不鮮，而這些交通事故產生的一大部分原因是騎手忘記佩戴安全頭盔。于是，筆者提出“如何利用人工智能技術設計并制作一款能夠提醒騎手佩戴頭盔的智能作品”這一驅動性問題，引導學生運用PBL學習模式開展“騎行安全衛士”的項目化學習活動。

●實踐過程

項目化學習實施一般包括入項探索、知識與能力建構、合作探究、形成與修訂成果、出項和復盤五個階段。下面，筆者從這五個階段論述項目化學習的實踐過程。

1.入項探索

入項是讓學生進入到問題解決的情境中。教師利用新聞報道將學生帶入真實生活情境：“電動自行車以其快捷、經濟、環保的特點，成為現代人出行的‘新寵’。伴隨而來的是電動自行車引發的道路交通事故有增無減。公安部交管局道路交通事故統計年報顯示，2019年全國道路交通事故傷亡人員中，駕駛電動自行車導致死亡人數達8639人，受傷人數達44677人。深圳市自2020年以來（截至2021年2月28日），共發生涉電動車交通事故96起、死亡98人。交通死亡中74.8%是因顱腦損傷致死，重傷人員中80%是顱腦損傷。有研究顯示，安全頭盔能夠減少63%的頭部受傷和88%的顱腦損傷，不戴安全頭盔的電動車騎行者頭部受傷的危險是戴頭盔者的3倍。可見，佩戴頭盔是非常重要的保護措施，但是生活中常常有人騎電動車時忘記佩戴頭盔。”當學生驚嘆于電動車交通事故之頻繁和安全頭盔之重要時，教師提出驅動性問題：“如何提醒電動車騎行者佩戴頭盔？”由于此驅動性問題在人工智能社團課上提出，學生自然想到能否設計一款智能作品來提醒騎手佩戴頭盔。此時驅動性問題變為：“如何設計并制作一款能夠提醒騎手佩戴頭盔的智能作品？”為了發散學生思維，激活學生已有知識，梳理驅動性問題的解決路徑，教師提供KWH/KWL表(如下頁表1)作為思維工具，讓學生進行討論填寫。

表1

在澄清和梳理了學生對整個項目主題的已知和未知之后，教師可以利用問題解決流程圖(如下頁圖)引導學生有邏輯地思考如何完成智能作品的制作。

2.知識與能力建構

項目化學習不是學生已有知識與能力的展現，而是知識與能力的再建構。基于入項中學生暴露出的認知難點，在這一階段通過更深入的文本、工具和支架幫助學生繼續深入探索，形成新的認識和理解。通過入項活動，筆者發現學生不了解人臉識別和物體分類的原理，不知道要用什么硬件和代碼來實現識別人臉和頭盔的功能，同時也不清楚如何設計和制作智能作品的外觀。知識與能力建構的原則是先讓學生經歷對相關問題的探索和“有效失敗”，再進行有針對性的、結構性的教學，這會使學生對項目、核心知識有更深入和分化的理解，經過自己的認知加工，增強知識的深度、靈活性和持續性。因此，筆者提供了一個學習任務單，如表2所示。

表2

在學生每完成一個學習任務后，或普遍遇到較大困難時，教師進行“高結構”針對性的講解或幫助。例如，學生在自主查閱了解“人臉識別”和“物體分類”原理時，并不能真正理解技術背后的原理，此時教師進行集中講解，利用人和機器對比的方法，讓學生理解機器其實是模仿人進行學習，順勢引出人工智能的核心——“機器學習”的概念，并利用動漫微課等學習資源讓學生更輕松地理解人工智能的技術原理。在每個學習任務完成后，教師都為學生提供展示學習成果的機會，并進行點評和反思，為下一環節的合作探究打下基礎（此環節建議利用2～3個課時完成）。

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3.合作探究

項目化學習中的合作探究是生生在教師支持下共同解決問題的過程。學生帶著先前習得的知識與能力，組成2～3人的項目小組。團隊組建的原則是多元而異質和男女生組合。在團隊中三個學生分別負責編程、硬件搭建和外觀美化，同時一個學生兼任組長，起到督促項目進度的作用。此外，項目化學習的團隊合作探究離不開項目管理。利用團隊日志，可以對合作探究過程進行監控，也可以讓教師和其他團隊了解項目進展，進而獲得同學和教師的監督和建議，以提升團隊合作效率。

在完成項目團隊組建后，可以根據入項環節確定的智能作品制作流程圖，進行合作探究。最終將作品功能確定為：利用AI視覺傳感器檢測騎手人臉，檢測到人臉后，開始檢測騎手是否佩戴頭盔（利用AI視覺傳感器的物體分類功能進行學習）。如果騎手沒戴頭盔，就發出警報，并禁止騎手啟動電動車；如果騎手正確佩戴了頭盔，則可順利啟動電動車。在編程和硬件搭建的過程中，讓學生利用已有的知識與能力進行討論探究，在反復修改程序、調試硬件的過程中，逐步實現作品的功能。教師則密切關注各組的探究情況，適時給予指導和糾正，起到答疑解惑和推動項目進程的作用。在外觀美化環節，可請美術教師進行指導。在試用改進環節，可進行組內的作品測試，排除可能存在的問題，最終形成第一代作品——“騎行安全衛士”（此環節根據項目完成進度安排4～6個課時完成）。

4.形成與修訂成果

在完成初代“騎行安全衛士”后，就可以進行成果的修訂。通過組間作品展示和自評、互評，引導學生進行反思和改進。例如，除了發出警報音，有沒有更人性化、更清楚準確的方法提醒騎手佩戴頭盔？教師引導學生吸納并記錄同伴的評價。通過對功能和外觀的改進，學生完成了第二代“騎行安全衛士”。

5.出項與復盤

出項是指學生向公眾展示自己和同伴對項目的理解與成果。此次的項目化學習的出項分為兩個部分：①在校內進行智能作品的微型發布會，可邀請課程以外的同學、教師、家長參與，學生按照小組依次講述自己的探究過程，展示作品成果，分享學習感觸，參與出項的師生、家長則進行提問，展示小組學生記錄他人意見和觀點并進行回應；②組織學生帶著項目作品參加區、市級科創競賽，在賽場上與專家們對話，促進學生對項目過程和成果的再思考。出項的過程既是對學生學習成果的總結性評價，又是綜合、多元地展現學生各方面成長的機會，全方位調動了學生的口才、表現力、勇氣、隨機應變能力等，也反映了學生的團隊凝聚力和溝通協作能力。

出項后還需對項目進行整體復盤。在教師的引導下，學生對項目的總體設計、自我參與度、學習目標的達成、項目成果的價值進行高度結構性的反思，聚焦項目過程中的失誤、經驗和教訓，并撰寫反思筆記。

●總結與展望

通過項目化學習的方法開展人工智能教育，筆者認為有以下優勢：①創設真實情境，使學習內容與學生的生活息息相關，增加了學生學習的內驅力。在分解驅動性問題形成項目計劃的過程中，鍛煉了學生的計算思維，培養了學生利用人工智能技術解決問題的意識。②根據既定項目成果的目標，以終為始形成學習目標，在教師提供的腳手架的幫助下學生先進行低結構的自主探究，主動建構知識與能力，在學生陷入僵局或探究失敗時，教師再進行高結構的講解或指導，更有利于學生學習的遷移。③采用過程性評價與總結性評價相結合的方式對學習效果進行評價。在項目進行的過程中，利用項目管理的方式，在每個節點都進行相應的教師評價和小組反思，不斷迭代項目進程，在出項環節通過展示作品，評價學生的學習效果。

當然，此次項目化學習也存在一些問題：①驅動性問題的“理性價值”還不夠，沒有體現更為深切的社會關懷，應該在入項時讓學生調查研究部分騎手忘戴頭盔的真實原因，從多角度探尋解決問題的方法，拓寬學生的眼界和格局，延伸項目的深度；②在項目化學習的過程中，教師的引導偏多，導致學生的項目成果趨同性較高，不利于發展學生的創新能力；③項目化學習的課堂管理也對教師提出了較高的挑戰，當班額較大時，需要更多師資的投入。另外，項目化學習的課時量較大，關于項目的性價比問題也值得深入探討。