基于CBL的學習理論模型設計與意義
——以智能聲控為例

張正富 山東省臨沂龍騰小學

人工智能教育課程是針對中小學生開展人工智能科普教育的課程，對培養創新思維有著較高的實踐價值。因此，筆者對人工智能教育中創造性思維的培養開展了探索，并以華萊士的創新思維四階段論為基礎，設計了創造性思維學習模型及教學流程。

●基于CBL的人工智能教育學習理論模型

基于CBL的人工智能教育學習理論模型由內及外分為問題層、過程層和表現層。問題層以自然、社會與個人三個方面來取向問題，引導學生面向真實世界的問題；過程層培養學生抽象思維、聯想思維、靈感思維和評估思維等四種思維，分別對應華萊士創新思維四階段論的準備、醞釀、豁朗、驗證四個過程，以此來設計創造性思維的教學流程；表現層則以發現問題、分析問題、設計編程、測試迭代四個外顯的學習活動為表現方式，串聯起整個課堂中學生的學習過程。理論模型如圖1所示。

圖1 基于CBL的學習理論模型

1.問題層：基于真實世界的核心問題設計

問題是所有研究和學習的根源，而人類世界的問題主要來源于個人、社會和自然三方面。其中，個人情境包括個體自身、工作、家庭和校園生活等，基于學生日常接觸到的環境發現問題，源于生活又高于生活，使學生嘗試從生活點滴中發現問題并嘗試解決，對學生有著較高的吸引力；社會情境關注社會上的一些熱點話題，如人口問題、食品安全、環境污染等，注重所學知識在社會上的應用，并潛移默化地對學生進行信息社會責任教育；自然情境則與當今人類面臨的挑戰相關聯，如全球變暖、病毒、自然災害等，設計開放性問題，鼓勵學生大膽思考和想象。

2.過程層：培養創造性思維的教學流程

過程層以華萊士的創造性思維四階段論為基礎，將準備、醞釀、豁朗和驗證四個階段與創造性思維的思維方式相對應，確定了以抽象思維、聯想思維、靈感思維和評估思維為指向的教學過程。

第一步，創設情境。引導學生將所要研究的問題從真實情境中抽象出來，發現問題的本質。

第二步，聯想回憶。回憶之前所學知識，將與本問題相關的內容進行提取并整理，這是解決問題前的準備階段，只有知識和思維積累到一定程度，才能進入下一步的頓悟。

第三步，靈感突現。在知識的醞釀中找到思維的線，并發現問題的解決方式，從而達到“豁朗”的階段。

第四步，驗證更新。找到解決方法后將其應用于真實情境，檢驗是否具有普適性，并根據真實情境再次迭代。

在教學流程中，教師通過問題鏈搭建學習支架，并采取小組討論、循環問診的方式促進全班學生的深度交流，通過協作探究的形式完成對問題的分析和解決。

3.表現層：指向創造性培養的外在表現

表現層是學生進行創造性活動的外在表現，筆者綜合杜威、華萊士等學者關于創造性思維的理論，結合人工智能教育特點，將學生表現歸納為發現問題、分析問題、解決問題和測試迭代四個模塊，分別對應抽象思維、聯想思維、靈感思維和評估思維四種思維方式。發現問題指學生在面對問題情境時，能夠敏銳地察覺到造成該現象的原因，并提出問題。分析問題重視學生對問題的拆解，面對一個復雜的問題，將其拆解為小問題，并用自然語言描述出解決問題的方法。解決問題關注學生利用計算思維將自然語言轉化為程序性語言，利用流程圖和編程語言分步驟解決問題。測試迭代是自我評估與生生互評的階段，通過驗證與交流展示，發現產品問題，迭代更新，泛化推廣。

●基于CBL學習理念的智能聲控系統教學實踐

1.設計背景

本節課源自《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》第三學段（5～6年級）的“過程與控制”單元，設計的主題是“小型開關系統”，涉及系統與模塊、邏輯與運算兩部分內容，是小型開關系統跨學科主題活動中的核心。

本課面向的群體為6年級學生，隨著對知識的積累和對事物體驗的深化，學生在分析問題的過程中，可以抓住事物的關鍵。該學段的學生已經接觸過圖形化編程，有一定的編程基礎；理解能力相對較強，抽象概括能力有了明顯的發展，對數學、科學、美術知識已有相應的儲備。

2.問題鏈設計

基于CBL學習理念，筆者以《智能聲控》一課為例進行問題鏈設計。核心驅動問題：如何借助人工智能技術，設計一款高效便捷的設備來解決校園噪聲？在此核心問題的引領下，又將其拆分為四個子問題，分別對應四個學習活動。在提出問題活動中對應如何解決校園中的噪聲；在分析工作流程活動中對應智能聲控系統如何工作；在創意編程環節對應智能聲控系統如何編程運行；在優化迭代活動中對應如何改進現有的聲控設備。其中，提出問題、分析工作流程、創意編程、迭代優化學習活動四個環節分別對應抽象思維、解析思維、創新思維和評估思維。幾個問題層層遞進，在解決問題的過程中推動學生思維發展（如下頁圖2）。

圖2

3.教學設計（如下頁圖3）

圖3

（1）發現問題

教師提出問題：在學校生活中，“校園噪音”已成為困擾師生正常工作學習的一大問題，雖然采取了很多措施，但成效甚微。你能否利用人工智能技術，制造一款高效便捷的設備來解決這個問題呢？

設計意圖：展示校園生活中的噪音片段，引導學生從真實情境中抽象出本課的驅動性問題——如何利用人工智能技術設計一個智能聲控系統？此問題是課堂的核心，通過這一問題引入學生的思考和討論，開啟后面的探究和學習。

（2）分析問題

問題1：智能聲控系統是如何提醒人們降低噪音的？

學生結合生活實際思考智能聲控系統可以通過哪些方式提醒人們降噪，并用自己的語言進行描述。

問題2：可能用到哪些模塊和元件？

學生回憶學過的模塊和元件，提取相關知識，鍛煉聯想思維。

問題3：系統的工作流程是怎樣的？

學生用自然語言描述系統工作流程，并通過小組合作的方式書寫流程圖。

設計意圖：在此環節，教師引導學生將一個大問題分解為幾個小問題，使學生明白一個大的系統可以分解為多個系統，每個系統也可以分為多個模塊。教師從“提醒方式”“所需模塊與元件”“工作流程”三方面提問，學生結合生活實際與所學知識思考交流，用自己的語言概括出智能聲控系統的工作流程，以及工作流程對應的三個環節——輸入－計算－輸出，并書寫流程圖。本環節重視學生對問題的分析能力和對新舊知識的聯想與回憶，在問題驅動、討論交流中積累解決問題所需知識，為下一環節的頓悟做準備。

（3）解決問題

教師提出問題：我們已經知道智能聲控系統的工作流程，可是該系統如何編程運行呢？同時，教師出示本節課需要用到的新積木，搭建學習支架。學生根據教師發布的任務小組合作，根據自己書寫的流程圖編寫程序。在編程過程中學生相互交流討論疑難點，之后教師總結答疑。

設計意圖：為學生搭建學習支架，自主編寫程序，鍛煉學生自主學習的能力。有了知識儲備，有了討論交流，學生更容易激發靈感，發現更有創造性的問題解決方式。

（4）測試迭代

教師提出問題：現在，智能聲控系統已經大致完成，你認為還有什么需要改進的嗎？

測試迭代分為兩個環節：第一環節是教師提供噪音的取值范圍，學生借助分貝儀調整程序中的數值，測試并優化程序；第二環節是學生思考如果將本系統投入使用可能會出現什么問題，小組交流尋找解決方法，討論如何推廣應用。

設計意圖：將設計的物品應用到真實場景中，發現不足，優化迭代。通過學生自評、生生互評，學生在不斷探討中評估自己的設計并迭代，發展評估思維。

●基于CBL學習模型設計教學的意義與影響

1.理論模型驗證了人工智能教育培養學生創造性思維的有效性

基于CBL的人工智能教育教學設計理論模型，通過真實情境的問題導入，經過抽象－聯想－頓悟－評估的思維過程，提升學生以創造性思維為核心的解決問題的能力，有效促進了學生創造性思維的發生和發展。

2.通過問題驅動的教學策略，促進學生創造性思維的發展

基于CBL的學習模式以問題為核心引導、建構教學流程，教學重點從基礎知識與技能的傳授轉化到思維的培養，改善了傳統教學模式的呆板固化，彰顯了思維教學的流動性。在設計問題時，教師根據問題分類選擇有現實意義的問題，關注問題的可實操性、可探究性。在分析與解決問題的過程中，將核心問題作為中心點，學生圍繞其不斷思考、討論、探究，教師充分尊重學生的想法，時刻關注學生思維發展動態，及時予以引導，確保討論圍繞核心問題進行，適時拋出子問題，引發更深入的交流，激發新舊知識間的關聯，不斷同化和順應學生的知識庫，高效提升學生的抽象、聯想、靈感思維，生成優質課堂資源。測試迭代環節展現矛盾點，促使學生不斷優化解決方案，反復評估方案內容，極大地促進評估思維的發展。

3.創設基于CBL的教學流程，促進學生問題解決能力的提升

在創造性思維的培養過程中，學生較難理解抽象、分析、評估等創造性思維概念，因而教師將其化作具體的問題和活動形式呈現。利用信息科技的技術工具作為學習支架，有效地將思維可視化和可“聽”化。

4.基于CBL的學習模型，將計算思維和創新思維有機融合

在基于CBL的學習模型中，雙線并行，一條是問題驅動下智能聲控系統設計測試的明線，一條是計算思維和創新思維交織融合的暗線。本模型將計算思維和創新思維有機融合，打通了學生從開源硬件到編程軟件基本知識和技能的學習，不是單純的技能訓練，而是深刻挖掘技術背后的科學原理和學科思維，符合新課標“科”“技”并重的學習理念。將計算思維和創新思維有機融合，可以幫助學生更加高效、精準和具有創造性地解決問題。