基于PBL的中學人工智能校本課程開發與實踐研究

摘要：提升我國中學生的人工智能素養是教育改革的重要任務之一，但相配套的人工智能課程開發仍處于探索階段。因此，本研究采用項目式學習方式，探究中學人工智能校本課程開發設計及實施流程，通過在七、八年級開展一學期的三個項目學習實踐，發現項目式學習模式適合于中學人工智能課程教學，有助于學生編程能力和人工智能素養的提升。

關鍵詞：項目式學習；人工智能；校本課程；實踐研究

中圖分類號：G434" 文獻標識碼：A" 論文編號：1674-2117（2025）05-0000-04

隨著物聯網、大數據、云計算等新興技術的迅速發展，人類社會已逐漸步入人工智能時代，提升全民人工智能素養已成為智能時代的重要課題。[1]因此，在中小學探索人工智能課程建設對提升中小學生人工智能教育水平和促進我國人工智能教育的發展具有重要意義。然而，我國義務教育階段的人工智能教育發展相對較晚，且受學校環境、設備、教師能力等諸多因素影響，目前的人工智能教育課程建設仍處于探索階段。[2]

近年來，項目式學習（project based learning，PBL）作為一種綜合性的學習方式受到學界普遍關注。大量實踐研究表明，項目式學習有助于學生高階思維能力的培養和跨學科素養的形成[3]，而人工智能課程正是一門將知識建構、技能培養與思維發展深度融合的綜合性跨學科課程，有豐富多樣的人工智能應用場景案例。[4]因此，本研究從項目式學習理念出發，將人工智能技術方法融入完成任務的項目式主題學習過程中，探究基于PBL的中學人工智能校本課程開發及實施流程，以期為中學階段開展面向人工智能素養發展的課程教學提供參考。

課程設計

1.課程目標

知識與技能目標：了解什么是人工智能和成為一名創客的基本要素，初識人工智能技術；學習慧編程的基本編程技能和電學基礎知識，培養編程思維；掌握一些常見傳感器的原理知識和應用方法，鍛煉動手實踐能力。

過程與方法目標：通過不斷地參與動手實踐體驗活動鍛煉問題解決能力和思維分析能力；通過不斷地編程實踐掌握編程知識和技能；通過小組協作和相互評價交流，學會在分享和評價反思中提升人工智能素養。

情感態度與價值觀目標：通過不斷地試錯磨礪意志品格；通過不斷地解決實踐問題提升自我效能感和動手解決問題的能力，體驗解決問題的成就感；在小組協作交流中，學會與他人溝通和合作，并能接納他人的批評與建議。

2.課程內容教學設計

該課程分為模擬交通燈、闖出迷宮和極速巡線三個項目，共七節課。第一個項目作為一個適應性項目，安排三節課，另外兩個項目則分別安排兩節課。每個項目均設計了基本任務和挑戰性任務，以適應不同能力的學生，其中第一個項目的基本任務是設計和建造交通燈，第二個項目的任務是使用自己的方式探索如何使mBot機器人駛出迷宮，第三個項目是使用巡線傳感器，讓機器人完成固定路線的行駛任務，記錄行駛時間，并在組間進行比賽，以提高學生的興趣。每個項目的教學過程及資源設計如圖1所示。每個項目均配有學習手冊、項目記錄表、項目所需的工具和材料、組間項目評估表和項目學習反饋單。其中，學習手冊包含項目介紹與要求，及完成本項目可能需要學習的編程技能等；項目記錄單包括項目情況、配對和問題解決記錄及自我評價；項目學習反饋單包括項目學習情況反饋和課程意見建議反饋。

3.教學方法

本課程主要依照合作探究、建構、腳手架三個教學原則開展教學，分別對應的教學方法是配對學習模式、鼓勵最優化和創新、提供學習手冊。其中，配對學習模式是指小組兩名學生分別扮演“領航員”和“司機”兩個角色。“領航員”坐在司機旁邊，提供建議和建議糾正，并協助設計決策，同時還需要填寫學習表格和其他材料來記錄學習過程，而“司機”則主要負責編程和硬件處理。在配對學習的過程中，學生自己決定自己的角色分配，一個項目要求學生至少交換一次角色。

4.課程評價

本課程評價采用過程性評價和終結性評價相結合的方式，其中過程性評價包括考勤、工具材料準備和正確使用、階段任務完成情況等方面的評價，終結性評價包括知識測試和終極任務完成與展示等方面。

課程實施

1.實施環境及參與對象

本課程在筆者所在學校利用每周一次的校本課程時間實施，參與者為學校七、八年級自愿選修本課程的學生。共有學生42人，七、八年級各一個班，其中七年級班學生22人，八年級班學生20人。學校提供mBot機器人及傳感器設備，但需要學生攜帶筆記本電腦上課。本課程在人工智能教室上課，桌子是四張六邊形桌子，可以自由移動，方便學生的合作和交流。在第一次上課時，學生被隨機分為七年級的11個組和八年級的10個組，均兩人一組。

2.課程實施與效果分析

（1）第一個項目——模擬交通燈

項目實施：先讓學生觀看視頻引出項目的主題——交通燈，再用另一個視頻引出紅、黃、綠的交通燈。教師講解基本的編程知識和硬件相關知識，布置基本任務。在這個過程中，學生需要自己探索編程界面，積極溝通，并填寫教師發放的表單，學有余力的團隊可以做一些創新。在項目結束時，學生展示和評估項目任務完成結果。教師提出教學過程中發現的問題，并進行重點解釋。

效果分析：大部分小組完成了項目的基本任務——模擬紅綠燈的變化，但任務的進展卻很緩慢，且很少有團隊完成具有挑戰性的任務。在配對方面，有些組沒有改變角色，所有的任務都由一個人完成。另外，八年級的學生更喜歡使用重復語句編程，而七年級的學生更喜歡使用順語句編程。

項目反思：進展緩慢的原因主要是學生對整個項目沒有整體的規劃和清晰詳細的了解。因此，在編程過程中經常存在句子倒置、非邏輯性等問題。

（2）第二個項目——闖出迷宮

項目實施：教師使用mBot工具包的盒子建造了四個“S”形迷宮，并在每個迷宮的出口粘貼黑色膠帶。機器人需要從入口進入，用超聲波傳感器探測出迷宮路線，最后通過黑線停車。在第一個項目中已經使用了超聲波傳感器。本項目的難點在于編程設計，要求學生設計出一條好的路線，并使用程序來控制汽車左右輪的轉向，以實現正確的轉向。因此，在解釋項目的要求時，把重點放在繪制流程圖上。根據第一個項目的反饋，交換了幾個小組的合作伙伴。同時，將本項目分成幾個小任務，小組每完成一項任務，進度就會實時投屏展示。最后，教師對學生的項目完成情況進行評價和總結。

效果分析：從項目完成的角度來看，該項目的總體情況并不令人滿意，只有少數幾組完成了最后的任務。結合學生的反饋和教師觀察到的情況，項目在完成的過程中出現了以下新問題：第一，存在很多硬件問題，如超聲波傳感器無法感知“墻”，巡線傳感器無法檢測黑線；第二，學生不會繪制流程圖，即使是八年級學生也不能準確描述編程中的轉彎行為。配對學習的情況比項目一更差。許多團體在面對困難時表現出強烈的不耐煩。

項目反思：在本項目結束時，教師使用現有硬件做了一些測試，大多數的硬件都沒有故障，而學生們不能使用該硬件的原因是，傳感器的響應時間太短，無法顯示出來。

（3）第三個項目——極速巡線

項目實施：本項目使用線路巡邏傳感器來驅動指定的路線。在第二個項目中，學生雖然對巡線傳感器有了基本的了解，但都不能正確地使用巡線傳感器。因此，在解釋部分，教師重點介紹了巡線傳感器的原理。為了讓本項目更有趣，筆者在進度條的末尾增加了一個時間記錄模塊，以激發學生的競爭精神。此外，經過兩次改進后，學習清單也變得更加簡潔和有效。

效果分析：與第二個項目相比，本項目相對簡單，許多小組至少能跑完一個圈，盡管非常慢。一些小組取得了突破——提高賽車的速度。小組之間也有比賽，以刷新進度條上的時間記錄。在本項目中，學生的配對學習情況是最好的，但也有很多問題。在實驗設計中，筆者希望學生們能夠完全交換角色，即當一個學生完成任務后，另一個學生能從初始階段完成任務，但觀察到的是，在角色交換后，另一個學生傾向于改變第一個學生的工作來改進項目。

（4）編程知識前后測和配對融合度結果分析

在本研究中，筆者收集了學生的編程知識前后測數據。在前測中，編程知識測試共有15道題，七年級平均得分為9.30（SD=1.743），八年級平均得分為9.38（SD=2.179），這兩個班的成績大致相同，可以看作是同一水平。從圖2可以看出，在三個項目學習中，兩個班的成績都在持續升高，說明學生的編程知識在不斷提升，但八年級的成績普遍高于七年級，這可能和八年級學生中部分學生同步在科技社團學習編程知識，且相較七年級已有一年的編程知識積累有關。此外，從收集的定性數據中發現，在第三個項目中，學生的配對情況很好，這與觀察結果一致。

結論與討論

本研究通過在七、八年級開展一學期12課時的基于項目式學習的人工智能校本課程實踐，發現基于項目的配對學習模式用于人工智能課堂教學，能有效促進學生人工智能素養和編程能力的提升，并且由于小組兩人明確分工，能更充分和有效地利用設備和教師提供的腳手架進行協作探究學習。但本課程設計的人工智能課程屬于學校的興趣課程，因此實驗結果有一定的局限性，且課程學習時間相對較短，并只開展了三個項目的學習。因此，在未來進一步的研究中可以重點關注以下問題。

1.完善和發展校本課程

人工智能課程是一門跨學科課程，而目前的校本課程僅開發了三個活動項目，后期可以根據教學時長、教學設備、教學環境、學生對象等的不同綜合考慮進行進一步完善，如增加語音識別、舵機、電機等人工智能常見設備，開發更豐富的項目活動，拓展學生的人工智能視野，并可將這樣的項目式學習模式推廣應用到大班式教學中。

2.探究人工智能課程中的項目式學習協作模式

基于項目的協作學習是人工智能課程的一種常見學習模式。因此，在項目學習之前，可對學生進行一些測試，再進行分組，以獲得更好的配對學習效果；在項目學習中，設計的項目式學習任務的難度應滿足學生的學習水平，角色的任務分配也需要進行調整。

參考文獻：

[1]陳凱泉，何瑤，仲國強.人工智能視域下的信息素養內涵轉型及AI教育目標定位——兼論基礎教育階段AI課程與教學實施路徑[J].遠程教育雜志，2018（01）：61-71.

[2][4]中小學人工智能課程指南課題組，江波.中小學人工智能課程指南[J].華東師范大學學報：教育科學版，2023，41（03）：121-134.

[3]丁世強，王平升，趙可云，等.面向計算思維能力發展的項目式教學研究[J].現代教育技術，2020，30（09）：49-55.