基于項目式學習的高中人工智能課程的設計與開發

摘要：本文探討研究了在高中人工智能課程中，如何根據教學內容，選擇適合的項目式學習類型，進行項目式學習的設計與開發；如何創設真實的情境，聚焦問題的解決，促進學生知識體系的建構，進而培養學生的核心素養。

關鍵詞：高中；人工智能課程；項目式學習

中圖分類號：G434" 文獻標識碼：A" 論文編號：1674-2117（2024）08-0049-03

項目式學習（Project-Based Learning，簡稱PBL）是一種以學生為中心的教學方法，它從真實世界的問題出發，構建學習環境，提供關鍵素材，借助信息技術手段，讓學生以小組的形式，通過在一定的時間內解決一個開放式問題的經歷來學習并形成成果。那么，在高中人工智能課程中，如何根據教學內容選擇適合的項目式學習類型，進行項目式學習的設計與開發？如何創設真實的情境，聚焦問題的解決，促進學生知識體系的建構和核心素養的培養？對此，筆者在實踐中進行了不斷嘗試和探索。

根據教學內容，選擇項目式學習類型

1.基于某一知識點/主題的深入探究

將抽象的知識形象化，讓學生對核心概念和原理進行建構，進而在特定的任務情境中進行靈活的運用、遷移和整合，這是項目式學習最基本的設計思路。以語音交互為例，教師可以圍繞認識語音—語音識別—語音合成—語音理解與生成—語音交互—語音識別存在的問題和應對策略—語音交互的適用性等一系列基于語音交互的核心概念，在統整的項目背景下，通過開發一個成語接龍游戲進行探究。

基于某一知識點/主題的項目式學習可以放在人工智能課程的初級階段，旨在讓學生在真實情境中發現人工智能技術的應用，同時進一步了解人工智能技術背后的原理。

2.學科內知識的統整與延伸

在學習內容上，避免從孤立的、零散的知識點角度設計教學內容，如過分關注編程語言的語法，將人工智能課程當作編程來學習。教師要強調學科整體結構和大概念，發揮課程育人的功能，培養學生學習、認識和使用人工智能，并主動思考人工智能與人類、社會的關系。當然，并不是說編程語言的識記和理解不重要，而是可以把編程語言和語法的識記、理解等學習活動融入到對學生有意義的項目情境中。

教師可根據學科內知識體系的縱向關聯，如從單元視角、整本書視角或某個學科主題視角等，進行學科內知識的統整與延伸，將孤立的、零散的知識點和概念整合成具有邏輯關系的知識體系，還可以將上述人工智能的關鍵技術和典型應用通過項目進行邏輯的關聯和整合。

例如，在智能交通項目中，教師可以選取智能交通中的自動駕駛汽車作為項目載體（如下頁圖）。自動駕駛汽車依靠攝像頭、雷達、陀螺儀等傳感器協同工作，運用計算機視覺、機器學習、路徑規劃等算法，讓汽車可以與人類駕駛員進行人機交互，完成人類駕駛員的指令，甚至可以在無人干預的情況下，自動、安全地駕駛車輛。這樣，以自動駕駛汽車項目為載體，將機器感知、計算機視覺、智能控制、人機交互、機器學習等人工智能技術進行邏輯關聯和統整，最終將零散概念整合成具有內在邏輯關系的知識體系。

學科內知識的統整與延伸的項目式學習可以放在人工智能課程的中級階段，旨在讓學生以問題為導向，利用人工智能技術解決生活中遇到的問題，讓學生在做中學、用中學、創中學。

3.跨學科的問題解決

教師要給學生提供來自現實世界的整合情境，讓其經歷跨學科的現實問題的解決過程?？鐚W科的問題解決，能夠打破學科之間的界限，融合多學科的知識，在問題情境中以主題的方式導入，有效拓展和延伸課堂，使學科知識與實際生活有機結合，幫助學生獲得對意義世界的整體性認識，促進學生復雜問題解決能力、綜合能力提升和整體人格的健全發展。

以智能交通中的自動駕駛汽車為例，除了機器感知、計算機視覺、智能控制、人機交互、機器學習等人工智能技術之外，還可以融合多學科的知識，如語言模型（語文）、概率與統計模型（數學）、傳感器的工作原理（物理、化學）、人工神經網絡（生物）、機器學習中數據的模式之爭（政治）、技術發展的歷史（歷史）、高精地圖（地理）等。

跨學科的問題解決的項目式學習可以放在人工智能課程的高級階段，旨在讓學生以更加復雜多變的真實問題為導向，利用人工智能技術和跨學科知識解決生活中遇到的問題，促進學生提升復雜問題解決能力、綜合能力，實現學科育人的目的。

創設真實情境，聚焦問題解決

1.以情境為依托，營造浸入式的環境

情境是一種沉浸式學習場景，在情境化教學中，教師可以賦予學生特定的學習身份，引導學生在特有的學習場景中解決問題，進而習得技能、提升素養。[1]所以，項目式學習的每一個環節都應該圍繞這個情境開展。如何設置有效的情境？教師要從學生的學校學習、社會生活出發，關注與人工智能關聯的典型的生活現象。

2.聚焦問題解決，引發持續性的學習

問題化學習即通過一系列的問題來引發學生持續性的學習行為，促進學生將“教材內容”轉化為“內化的知識”的學習方式。學習活動以有效的問題為起點，圍繞引導學生自主解決問題這一核心，讓學生達成知識的有效遷移，實現經驗的持續建構。[2]那么，如何設置有效的問題呢？

第一，問題要結合情境。創設基于現實的情境，情境要與學生當前經驗緊密聯系，而問題的設置也應緊扣情境。例如，在自動駕駛汽車項目中，教師可將開發智能汽車助理作為項目背景，以如何實現車主身份認證、汽車如何識別萬物、汽車如何準確感知距離、汽車如何感知自身狀態、汽車與駕駛員如何交互、完全自動駕駛如何實現六大關鍵問題為線索，緊扣自動駕駛汽車項目，使學生一直沉浸在情境中。

第二，設置結構不良的問題。讓學生不知道哪些概念、規則、原理對解決問題有用，這樣更能充分激發學生的思考。例如，對于“自動駕駛的智能汽車助理需要做什么”這一問題，學生需要結合自身經驗，分析出車輛實現自動駕駛的三個環節：感知—決策—執行。環境感知是實現自動駕駛的前提條件，起到人類駕駛員“眼睛”和“耳朵”的作用，自動駕駛系統通過各種傳感器采集環境數據；然后，自動駕駛系統根據從各傳感器中獲取的數據，分析處理，再向控制的裝置輸出車輛的控制信號；最后，自動駕駛系統依據決策層輸出的信號，讓汽車完成動作執行，即方向、油門、剎車。

第三，設置開放式問題。通過給予學生豐富的思考空間，幫助他們實現知識聯結、培養創新思維。例如，對于“如何規避交通事故，保障交通安全”這一問題，學生可以從司機的駕駛行為、車輛的安全設計、交通規則的完善、道路硬件設備的改造等角度進行思考，在每個角度下，學生又可以結合自身的生活經驗產生具有個人特色的想法和創意。

第四，問題的遞進。從學生的認知發展規律出發，設計在復雜程度上逐漸提升和演變的問題鏈，問題由易到難，由淺入深。學生最先只要根據問題從現實生活中捕捉所需的事實、資料或數據，接下來需要通過探究和思考，形成問題解決方案和行動計劃，進而解決問題；最后要能對解決方案進行評價和反思，不斷提升解決問題的效率。

第五，關注問題的有效解決。核心素養強調教學主體的學習導向，即從以教為主到以學為主的轉變。要做到以學生的學習為中心，除了要以情境為依托，營造沉浸式的環境，還要營造良好的學習氛圍，為學生提供豐富的時間和空間，使其進行自主學習，其中包括自主探究、小組合作、展示分享、討論辯論、頭腦風暴等，給予學生最大的支持和最少的干預，使其在解決問題的過程中，經歷素養的生成過程。

結語

在高中人工智能課程的設計與開發過程中，要利用好項目式學習這一教學方法，選擇適合的項目式學習類型，創設真實情境，聚焦問題的解決，促進學生知識體系的建構，培養學生的核心素養。

參考文獻：

[1]楊向東.關于核心素養若干概念和命題的辨析[J].華東師范大學學報：教育科學版，2020，38（10）：48-59.

[2]葉依薇.中小學人工智能教育的校本實施策略研究[J].中國信息技術教育，2023（02）：33-35.

本文為全國教育科學“十四五”規劃2022年度教育部重點課題“學科融合視角下中學學科課程群建設實踐研究”（編號：DHA220507）及福建省教育科學“十四五”規劃2022年度“協同創新”（含幫扶項目）專項課題“基于‘素養框架’的高中人工智能課程實踐研究”（編號：Fjxczx22-354）研究成果。