基于項目式學習的中小學人工智能教學實踐

【摘要】近年來，中小學人工智能教育在國內外受到廣泛的關注。項目式學習教學模式與中小學人工智能教學需求相契合，本文結合筆者的教學實踐，總結了中小學人工智能項目式學習的四個環(huán)節(jié)：確定主題、制定方案、創(chuàng)意物化、總結展示，探索如何構建高效的人工智能課堂，以期為新課程標準中人工智能模塊的教學提供新的思路?！娟P鍵詞】人工智能；中小學；項目式學習人工智能涉及自然科學和社會科學等多個學科的交叉應用，學科綜合性較強，強調以特定的思維和推理方式在實踐中解決問題[1]。巴克教育研究所提出了能讓學生最大程度學習和參與的項目“黃金準則”：富有挑戰(zhàn)性的問題或困難、持續(xù)探究、真實性、學生的發(fā)言權和選擇、全程反思、批判和修訂、作品公開展示。項目式學習能有效地幫助學生構建綜合性較強的人工智能知識，學生能得到更多的合作、實踐和展示機會，達到全面培養(yǎng)學生能力的教學效果。本文嘗試以項目式學習的方式開展中小學人工智能教學，探索如何構建高效的人工智能課堂，綜合提升學生的人工智能技術和信息素養(yǎng)。人工智能教學的內容選擇與實施路徑中小學人工智能教學，旨在通過生活中的人工智能應用，讓學生理解人工智能的特點、優(yōu)勢和能力邊界，知道人工智能與社會的關系，以及發(fā)展人工智能應遵循的倫理道德規(guī)范[2]。雖然新課標中將“人工智能與智慧社會”模塊放在九年級，但在日常的教學中，教師可以將其融合到“在線學習與生活”“數(shù)據(jù)與編碼”“身邊的算法”“過程與控制”“互聯(lián)網應用與創(chuàng)新”等模塊當中，從而實現(xiàn)人工智能的應用體驗、了解機器計算與人工計算的異同、應用人工智能技術進行創(chuàng)作、認識人工智能倫理與安全挑戰(zhàn)等知識循序漸進和螺旋上升的過程。項目式學習既要關注主題內容、項目情境，也需要關注真實問題的解決、大觀念的遷移，還需要關注任務完成情況、過程性評價信息等[3]。為了讓學習真正發(fā)生，筆者以項目式學習的相關理論作為指導，整合人工智能課程相關內容，通過讓學生深入?yún)⑴c具體項目的設計、實施和評估，幫助學生掌握知識和技能。在項目實施過程中，教師要強調學生的合作交流，注重解決真實問題和作品的產出。筆者在教學實踐中不斷探索和總結，整理出基于項目式學習的人工智能教學實施策略（圖1）。教師以組織者和指導者的身份參與到學生的項目實踐過程中，指導學生以分析問題、解決問題的方法為主，強調學生的項目意識，注重項目管理和團隊協(xié)作。進而幫助學生小組更好地開展項目式學習，完成人工智能知識的學習，最終形成作品并展示評價。教學實例：校服檢測系統(tǒng)的設計與制作基于實際的教學情況，筆者在開展了一定圖形化編程和開源硬件應用的社團班進行人工智能項目“校服檢測系統(tǒng)的設計與制作”的教學，主要包括訓練模型、Mind+編程實現(xiàn)算法、MaixDuino開發(fā)板實現(xiàn)圖像識別、開源硬件實現(xiàn)門禁控制等技術要點。項目總共8個課時，歷時4周。1．創(chuàng)設情境，確定主題人工智能的項目式學習注重使用人工智能技術解決真實的問題，學生學習到的知識和解決問題的能力最終也會反饋到真實的生活中，這要求項目式學習所產生的效果應當與真實世界產生某種實際的聯(lián)系。因此，項目的啟動要從學生身邊真實的問題出發(fā)，激發(fā)學生項目探究的興趣。本項目聯(lián)系學生的校園生活，引出學生的真實體驗：每天都有一些學生不按學校要求穿著校服、不按要求佩戴紅領巾等情況出現(xiàn)，這些情況也會影響班級的總體德育評分，不利于學校的管理。教師鼓勵學生進行思考，每位學生可能只關注到每天自己進入校園時看到的個別現(xiàn)象，如果把范圍擴大到全校幾千名學生身上時，就會有一個突出的問題：“需要檢查的學生數(shù)量大，花費時間跨度長，檢查效率低”。問題提出后，很容易引起學生的共情，自然地引出了項目的需求——設計一個校服（紅領巾）檢測裝置，幫助學校進行高效地管理。接下來的環(huán)節(jié)水到渠成，學生分小組討論，基于已有的知識儲備，充分發(fā)散思維，逐步探討和形成項目創(chuàng)作的主題。2．設計論證，制定方案學生以小組形式開展的項目式學習，實際上是以項目作品創(chuàng)作的過程為載體，通過合作的形式共同完成知識的建構。本案例的項目式學習，學生要學會結合已有的知識儲備，將項目的基本信息、項目實施計劃、作品設計、項目匯報計劃、問題預測和解決策略等內容整理出來。項目方案是整個項目實施的基礎，對于能否順利完成項目十分重要，這是學生小組合作的開端，也是學生整體性思維和信息意識培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。學生往往會在這個階段產生較大的困惑，這就需要充分調動學生的合作意識，此時教師的合理指導就顯得尤為重要。教師引導學生以成果為導向，逆向思考方案的設計，可以有以下類似的提問“展示作品的形式具體怎么做”“最終要呈現(xiàn)的作品有哪些功能”“實現(xiàn)作品的功能，需要用到哪些技術”等。教師根據(jù)項目實施過程中可能遇到的困難設置問題，引導學生形成合理方案框架，也要適當?shù)丶尤雽W生方案細節(jié)修改的討論中，一方面給予學生修改建議，另一方面可以幫助所有的小組成員適應項目式學習，打好小組合作的基礎，完成本階段項目實施方案的制定。3．合作探究，創(chuàng)意物化學生創(chuàng)作項目作品，是對已習得的人工智能知識和技能的實踐和驗證。項目作品的創(chuàng)作實際上是解決具體問題的過程，學生在解決問題的過程中完成人工智能課程內容的學習和鞏固?！靶７z測系統(tǒng)的設計與制作”項目作品的物化過程，大體解決了四個關鍵問題：如何判斷是否有學生經過、如何識別學生是否穿了校服、識別到未穿校服后如何處理和作品能否在真實環(huán)境中部署。以問題為驅動，學生很容易把握住作品設計的要點，將項目進行模塊化分解，逐個擊破關鍵問題，再進行整合，從而不斷優(yōu)化算法設計和作品制作，最后體現(xiàn)在代碼的模塊化和作品的整體性上，有利于培養(yǎng)學生的計算思維，深化人工智能技術在解決真實問題方面的應用。上述的幾個問題將項目的主要技術和原理巧妙地融入其中，以第二個問題“如何識別學生是否穿了校服”為例，教師授課時主要通過以下策略解決關鍵知識點的學習。一是人工智能實現(xiàn)的一般過程。教師先給學生展示一個從來沒見過的動物“鼠兔”的圖片，讓學生說出鼠兔的特點。在學生對鼠兔有了一定的猜想后，在眾多的老鼠和兔子等動物的圖片中找出鼠兔的圖片，所有學生都能很快地找出鼠兔。教師引導學生思考他們是通過“觀察圖片認識鼠兔→判斷鼠兔→選擇鼠兔圖片”三個步驟挑選出鼠兔的，進而總結出人工智能實現(xiàn)的一般過程：感知→學習和決策→付諸行動。二是校服識別模型訓練。此環(huán)節(jié)主要通過MaixHub模型訓練平臺完成校服識別模型的訓練，學生在教師的示范講解下，掌握模型訓練的四個步驟：創(chuàng)建數(shù)據(jù)集、配置訓練參數(shù)、模型訓練、模型部署。最終學生通過平臺協(xié)作，對數(shù)百張圖片進行標注，并完成了模型的訓練。該模型可以直接通過攝像頭線上部署，也可以下載為kmodel文件供MaixDuino開發(fā)板部署使用。三是MaixDuino開發(fā)板的使用。教師提供參考代碼，講解如何使用Mind+編程軟件在MaixDuino開發(fā)板中運行kmodel模型，對代碼中的變量、錨點、模型初始化等主要內容進行詳細的講解，以便學生能理解算法運行的內在邏輯，為學生后續(xù)的創(chuàng)作和優(yōu)化打好基礎。教師基于活動過程適時地采用學習支架策略創(chuàng)設或改變學習情境、氛圍，持續(xù)維持學生的學習積極性和活躍性[4]。項目的實施過程中教師有意識地強調項目作品的創(chuàng)作是一個不斷驗證和改進的過程，針對典型的問題進行講解，引導學生對作品存在的問題開展后續(xù)的改造。4．總結展示，知識遷移完成項目作品的物化創(chuàng)作不是項目式學習的終點，學生需要總結和梳理項目實施的整個過程，進行思維遷移，提煉項目實踐的過程、經驗和思維方式，并應用到新的項目學習和創(chuàng)作中。作品完成后，各小組要完成項目設計書、展示PPT、演示最終作品等，用以匯報項目的設計思路和創(chuàng)作過程，分享創(chuàng)作經驗。教師根據(jù)學生小組的匯報對他們的項目成果做出綜合評價，鼓勵學生以批判性思維對自己作品的設計進行論證，找出優(yōu)點和缺陷，并給出作品改進的思路，如能否同時識別校服和紅領巾、能否實現(xiàn)多人同時檢測、能否添加語音提示、不穿校服的數(shù)據(jù)如何統(tǒng)計等。同時，教師鼓勵有能力的學生進一步優(yōu)化作品的設計，或者嘗試使用人工智能知識解決其他真實問題，激發(fā)學生后續(xù)創(chuàng)作的熱情。教學評價和效果分析案例中對學生的評價，主要從個人評價和小組評價兩個方面進行。個人評價以學生自評、組內互評和教師評價三個方式進行，主要關注的是學生個人知識技能、合作溝通、思維情感等方面的評價。小組評價以組間互評、教師評價為主，主要關注項目式學習過程中小組的團隊協(xié)作、作品質量、匯報效果等方面的評價。教師在評價中，要同時關注學生項目式學習的過程和結果，既要重視最終作品的完成質量，也要重視學生在項目實施過程中的合作、溝通和動手實踐能力。隨著項目實施的深入，學生的學習主動性有所改善，合作解決問題的能力得到提升，每位學生都能在項目式學習的過程中展現(xiàn)自己的閃光點，學生基本都能根據(jù)自己的能力特長負責相應的項目內容，最終的作品完成度都比較高。學生在解決問題的