基于項目式學習的小學人工智能課程模式研究

摘要：本文基于項目式學習理論，構建了人工智能課程“七步法”教學模式，并以“保衛AI實驗室”項目為例，開展教學實踐。研究發現，項目式學習能夠增強人工智能課程中學生的體驗和參與度，培養跨學科思維，并使其適應未來生活需要。

關鍵詞：項目式學習；人工智能；課程模式

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）19-0056-04

《義務教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）強調教育課程必須與時代同步，以培養學生對信息科技發展趨勢的敏感性和適應能力。同時，提倡采用真實性學習的方法，即通過真實問題或項目驅動的方式，引導學生經歷原理應用、計算思維以及數字化工具的使用過程，從而促進知識的建構和問題解決能力的提升。此外，新課標中還加入了人工智能教學模塊，強調學生對人工智能概念的理解和應用能力的重要性。

但目前義務教育階段的人工智能教學主要集中于對單一知識點的講解，教師圍繞這些知識點設計教學流程和任務，以確保學生能夠掌握基礎知識。然而，這種以知識點為中心的教學模式可能導致學生在綜合應用這些知識點解決實際問題時遇到困難。而借助項目式學習法，能夠顯著提升學生的學習興趣和動力，培養學生跨學科思維，并使其適應未來生活需要。因此，筆者在實踐中基于真實問題情境，依托人工智能相關技術，結合項目式學習理論，構建了人工智能課程“七步法”教學模式。該模式鼓勵學生通過小組合作和探究學習的方式，分析和解決實際問題，以此提升學生的綜合實踐能力和創新思維。

人工智能課程模式

人工智能課程“七步法”教學模式包含“項目選題—項目規劃—方案交流—學習探究—項目實施—成果分享—活動評價”七個步驟（如下頁圖1）。

項目選題：教師創設真實情境，鼓勵學生提出具有挑戰性的驅動性問題。

項目規劃：學生組建團隊，通過頭腦風暴確定項目方案，并繪制初步草圖。

方案交流：學生展示自己的方案，基于個人經驗討論其可行性。教師在此過程中提供專業指導和反饋。

學習探究：在教師的引導下，學生深入探究相關知識，為項目實施奠定理論基礎。

項目實施：學生利用已學知識，動手實踐，將方案轉化為具體作品。教師提供必要的學習資源和腳手架，支持學生的創作過程。

成果分享：通過產品發布會等形式，學生展示最終作品，并進行自評和互評。

活動評價：教師對學生的展示進行點評，強調學習過程中的亮點和需要改進的地方。

項目設計

1.項目目標

下面，筆者以“保衛AI實驗室”項目為例，談談如何在教學中實施“七步法”教學模式。根據新課標和《深圳市義務教育人工智能課程綱要》的要求，“保衛AI實驗室”項目旨在實現以下目標：

①形成人工智能意識。學會主動探索和應用人工智能技術與工具解決問題；認識到人工智能對推動國家可持續發展所起的關鍵作用。

②發展人工智能思維。通過學習了解人臉識別、圖像識別、語音識別等人工智能技術背后的原理，認識到機器感知和人機交互在解決問題中的重要性；學會如何利用人工智能技術實現保衛AI實驗室的目標，從而有效解放人力資源，提升效率。

③關注過程中的美學。通過產品的不斷迭代，學習如何在邏輯和外觀上追求卓越，培養對科技美學的敏感性和創造力。

2.項目主題選定

為了深入了解學生的真實需求，筆者面向人工智能社團的學生設計并發放了問卷，詢問他們“AI實驗室還有什么不足的地方”，旨在引導學生關注生活中的實際問題，并發現他們的興趣所在。最終確定的項目主題為：如何利用人工智能技術來解決學校放置機器人的教室無人看守、容易丟失的問題。具體來說，項目將探索和開發一種智能系統，用以限制非授權人員進出教室，從而保護機器人和其他教學設備的安全。

3.項目架構

“保衛AI實驗室”項目是筆者為所在學校六年級學生設計的人工智能課程（如圖2）。考慮到學校AI智能實驗室在非上課時間無人看守，且內部存放著大量貴重機器人的現狀，筆者引入了Magician Lite、DOBOTLAB平臺等人工智能技術，旨在通過技術手段提高實驗室的安全性。

①課程組織形式：主要以小組合作的形式進行，鼓勵學生在團隊中交流想法，協作解決問題。

②課程時長：預計7課時完成，確保學生有充足的時間進行深入探究和實踐。

③實踐場地：在學校的機器人實驗室開展課程教學，讓學生在實際環境中進行思考和操作。

4.項目內容

教學內容為Magician Lite硬件、DOBOTLAB軟件，它們是學校的校本課程內容。對本次項目式學習設計如下。

第一課時：情境創設與項目規劃

目標：通過分享真實情境，激發好奇心和探究欲，提出問題并形成初步的解決方案。

活動：學生以小組形式交流想法，繪制產品草圖。

第二課時：方案交流與可行性分析

目標：通過組間交流，鼓勵批判性思考，改進方案，并評估其可行性。

活動：各組展示初步方案，接受同伴和老師的反饋。

第三課時：學習探究——人工智能原理學習

目標：學習人臉識別、語音識別、圖像識別等人工智能原理，并將其應用于程序搭建中。

活動：通過學習支架學習人工智能原理與知識。

第四、五課時：項目實施

目標：利用可用零配件，根據草圖搭建模型，體驗從理論到實踐的過程。

活動：動手操作，實現作品的功能性，將設計轉化為實體模型。

第六課時：成果分享

目標：進一步完善作品，并制作介紹視頻，分享學習過程和成果。

活動：拍攝視頻，上傳至學習平臺，供其他小組學習，并根據反饋優化作品。

第七課時：產品發布會與活動評價

目標：通過模擬產品發布會形式展示作品，并評選出最佳“AI實驗室管理員”。

活動：進行作品展示、課程總結，評價學習過程，鼓勵學生進行反思。

5.項目資源設計與開發

本次學習活動的核心目標是培養學生的自主探究學習能力。為了適應學生的多樣化方案，筆者搭建了定制化的學習腳手架，主要有以下兩種：①學習任務單。為學生提供清晰的學習目標和步驟，引導他們通過任務驅動的方式進行學習。②微課。制作簡短、針對性強的教學視頻，幫助學生快速掌握關鍵知識點。

此外，在整個學習過程中，筆者還鼓勵學生使用網絡收集資料，使用思維導圖與流程圖軟件整理思路、規劃項目流程。

6.項目評價

本次項目式學習評價分為過程性評價和總結性評價，采用自評、互評、師評等多元主題評價方式。過程性評價從知識理解與掌握、技能操作與運用、分析與解決問題的能力、團隊合作與溝通、項目管理與時間規劃、學習態度與自我反思、創新思維與實踐多個維度開展。總結性評價從項目完成情況、文稿與PPT制作情況、總體表現與態度等幾個方面進行。

項目實踐

1.真實情境，項目選題

為了迅速激發學生的積極性，教師以學校信息科技教師的身份向學生發出邀請信，正式賦予他們AI實驗室管理員的身份，并引導他們提出關鍵問題：如何有效管理AI實驗室？

2.小組合作，項目規劃

學生分成小組，通過實地考察教室布局，開展頭腦風暴，對提出的問題進行深入思考。學生需要理順產品的功能、所需零部件和相關人工智能技術，并填寫規劃表格，制訂詳細方案，進行組內分工，繪制搭建模型。在此過程中，教師作為引導者，幫助學生評估方案的可行性。

在項目式學習過程中，學生提出了以下三個方向的方案：說出“暗號”，進行語音識別開門；佩戴手環，通過圖像識別開門；錄入人臉信息，通過人臉識別開門。本文介紹通過人臉識別開門的方案。

①小組合作，方案交流。通過組間的分享和討論，學生不僅可以展示自己的方案，還可以從其他組的方案中獲得新的靈感。這種交流有助于學生相互學習，更新迭代自己的方案，提高其可行性。

②學習交流，分享探究。教師提前將相關的學習支架上傳至精準教學平臺，學生通過學習對應組別的微課資料，深入了解想要制作的產品背后的人工智能原理。例如，人臉識別組的學生通過類比人類識別人臉的過程來理解機器識別人臉的原理，從而把握課程的核心內容。

在理解了人臉識別的基本原理之后，小組成員將這一復雜的概念轉化為具體的編程任務——建立人臉信息數據庫、讓攝像頭采集人臉、讓有權限的同學進入AI實驗室。

3.編程搭建，項目實施

在本項目中，人工智能軟件與硬件緊密結合，使學生能夠根據自己的前期規劃和設計目標，靈活選擇并應用不同的人工智能模塊，從而個性化地構建項目。

為了支持學生的自主學習，教師在精準教學平臺上提供了相關的學習單和腳手架，旨在引導學生通過自我探索來理解復雜概念。同時，鼓勵學生提出問題，并通過這些問題來識別和突破學習過程中的難點。

另外，教師要求學生以小組為單位，錄制自己組內作品的介紹視頻及搭建步驟、方法，并上傳至精準教學平臺，鼓勵不同小組之間相互學習、借鑒，改進作品。

4.匯報展示，成果分享

在班級中開展“產品發布會”，每個小組圍繞產品的外觀、功能和潛在應用進行演講，其他小組通過使用虛擬幣“購買”產品的方式來評選出心目中最好的產品，并選出最佳“AI實驗室管理員”。這種互動形式不僅讓學生獲得了成就感，還再次激發了他們的學習積極性。

5.總結評價

在項目完成過程中，學生可以通過精準教學平臺隨時進行在線學習、上傳和下載相關的活動資料。教師可以上傳學習支架，監測學生的學習過程，并根據學生的學習成果調整教學策略。最終，學生在平臺上填寫評價量規，通過自評、小組互評和教師點評的方式，完成項目式學習的評價。

實施效果與總結

1.實施效果

本次項目式學習共回收了178份評價量表。通過評價量表可知，學生的團隊合作意識有了很大提升，且能更好地綜合運用知識。

（1）技能掌握與提升

學生在項目中不僅掌握了人臉識別、語音識別、圖像識別等人工智能技術，還學會了Magician Lite硬件、DOBOTLAB軟件、Xmind思維導圖等工具的使用。他們能夠巧妙地將這些技術融合，以實現項目目標。在項目結束后，學生們在面對真實問題時，能夠主動思考并應用人工智能技術，顯示出了顯著提升的人工智能意識。

（2）創新思維與實踐能力的提升

項目式學習成為了學生發揮創新思維和實踐能力的舞臺。面對“保衛AI實驗室”的挑戰，學生提出了多種解決方案，并通過不斷的實踐、試錯和迭代來優化方案。在最終的“產品發布會”上，他們展示了精彩的創意和成果，充分體現了他們的創新能力和解決問題能力。

2.總結

在“保衛AI實驗室”項目框架下，學生通過應用人臉識別、圖像識別、語音識別等人工智能技術，顯著增強了對AI領域的認識，并掌握了利用AI技術解決現實問題的方法。本研究的實證分析表明，基于項目的學習模式對培育具備創新精神和實踐技能的人工智能領域專業人才具有顯著的積極作用。

參考文獻：

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