AI算法平臺下基于PBL的創(chuàng)客教學模式研究

【摘要】本文以“人臉識別門禁系統(tǒng)”的課堂教學為例，開展基于PBL的人工智能創(chuàng)客教學活動，幫助學生從真實情境中學習人臉識別技術(shù)的知識，歸納出AI算法平臺支持下基于PBL的創(chuàng)客教學特點?！娟P(guān)鍵詞】AI算法平臺；項目化學習；創(chuàng)客教學創(chuàng)客教育是培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的創(chuàng)新人才的重要途徑之一。它融合了體驗教育（從做中學）、基于項目的學習（以特定任務(wù)為中心）、創(chuàng)新教育（以培養(yǎng)學生創(chuàng)新品質(zhì)為目標）以及DIY（DoItYourself，自己動手做）等理念中的多種元素。PBL項目式學習（Project-basedLearning）是基于現(xiàn)實問題情景的以學生為中心的教學方式，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。本研究通過構(gòu)建AI算法平臺支持下基于PBL的創(chuàng)客教學模式，促進學生人工智能素養(yǎng)的培養(yǎng)，提高學生綜合素質(zhì)。AI算法平臺下基于PBL的創(chuàng)客教學模式構(gòu)建教學模式由指導思想、教學目標、教師與學生、實現(xiàn)條件、教學過程和教學評價等六要素構(gòu)成。本研究以AI算法平臺（GeniusBrain是一個用于學習人工智能的平臺）為支撐環(huán)境，構(gòu)建了AI算法平臺支持下基于PBL的創(chuàng)客教學模式（圖1）。該模式的指導思想主要是建構(gòu)主義學習理論、實用主義學習理論以及創(chuàng)客教育和項目化學習相關(guān)理論，教學目標是培養(yǎng)學生人工智能素養(yǎng)，具體表現(xiàn)為培養(yǎng)學生工程思維、創(chuàng)新思維、協(xié)作能力和問題解決能力等方面。教學的實現(xiàn)條件及人工智能創(chuàng)客教學環(huán)境主要包括創(chuàng)客硬件設(shè)備、AI算法平臺、人工智能教育基地和相應(yīng)的教學資源；教學過程主要從創(chuàng)意由來開始，利用真實的問題情境，經(jīng)歷“明確問題→分析問題→設(shè)計方案→交流論證→方案優(yōu)化”的方案設(shè)計過程和“模型設(shè)計→材料收集→模型搭建→功能實現(xiàn)→分享交流”的制作體驗以及知識的遷移應(yīng)用；教學效果評價主要是教師在該教學模式教學實踐中，對學生在其中表現(xiàn)出的工程思維、創(chuàng)新思維、協(xié)作能力和問題解決能力等方面的變化情況進行測量評價。1.創(chuàng)意由來創(chuàng)意的由來一般是學生通過對生活中某種現(xiàn)象或遇到的某個問題進行深入思考后，在其腦中形成的某種想法，這需要有真實的問題情境。2.方案設(shè)計明確問題：這是確定問題的過程。學生需要分析情境中的問題，明確問題的關(guān)鍵因素，并將問題用語言或圖表提煉與表達出來。分析問題：對表達出的問題進行拆分。學生需要聯(lián)系自身的知識體系，拆分問題，將問題最終拆分為通過已有知識可以解決的多個子問題。設(shè)計方案：即提出問題解決策略的過程。學生通過自主學習與協(xié)作學習，分析大量有關(guān)的信息和資料，生成策略，提出假設(shè)，形成初步的問題解決方案。交流論證：這是商討設(shè)計方案可行性的過程。學生與同學分享自己的想法，征求同學與教師等人對方案的意見，確定設(shè)計方案是否切實可行。方案優(yōu)化：這是調(diào)整與優(yōu)化方案以便順利實施的過程。學生根據(jù)他人（教師、專業(yè)人士、同學）的建議，再次完善自己的設(shè)計方案，最終形成可實施的方案。3.制作過程模型設(shè)計：學生根據(jù)設(shè)計方案，并借助工具（電腦繪圖軟件）設(shè)計與制作產(chǎn)品模型，包括具體的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和外觀效果圖。材料收集：獲取相關(guān)的制作材料，為模型成“形”提供材料支撐，保障方案能夠順利實施。模型搭建：即模型成“形”的過程，學生需將每一個零件進行組裝，將所設(shè)計的模型轉(zhuǎn)變?yōu)榭吹靡娒弥默F(xiàn)實作品。功能實現(xiàn)：將最初的創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實作品的過程。學生需要將模型與相關(guān)硬件進行連接，之后經(jīng)過編程，并進行試驗、項目調(diào)試與修改，最終使作品實現(xiàn)最初的創(chuàng)意功能，制作出符合創(chuàng)意的作品。分享交流：這是展示成果的過程。學生與同學、教師分享自己創(chuàng)意智造過程中的心得體會，向同學與外界介紹自己的創(chuàng)意智造作品的特點。4.知識的遷移應(yīng)用對知識的遷移與應(yīng)用，即學生把創(chuàng)意智造過程中所習得的新知識遷移應(yīng)用到其他的場景中。知識遷移既是檢驗對知識的理解的一種手段，也是加深理解和鞏固知識的重要方式；既是對制作實踐的指導，同時又接受著制作實踐的檢驗。教學實例——“人臉識別門禁系統(tǒng)”“人臉識別門禁系統(tǒng)”是浙江省杭州市臨平區(qū)人工智能教育基地開發(fā)的系列“智慧”課程中“智能家居”模塊中的內(nèi)容。該模塊的教學目標是使學生了解人臉識別的基本概念，熟悉門禁系統(tǒng)的重要組成部分，了解人臉識別算法并能舉例說明人臉識別算法在生活中的應(yīng)用；掌握GeniusBrain平臺人臉識別功能的使用方法；學會利用Mind+圖形化編程控制舵機轉(zhuǎn)動；掌握通過攝像頭模塊，完成識別人臉，控制舵機旋轉(zhuǎn)等模擬人臉識別門禁系統(tǒng)的方法；初步了解AI技術(shù)，產(chǎn)生對AI技術(shù)學習的興趣。在本案例教學中，從“創(chuàng)意由來”出發(fā)，通過真實情境，激發(fā)學生的學習興趣，明確“如何利用AI技術(shù)來解決忘帶鑰匙進家門困難這個問題”。之后，引導學生分析問題，將這個驅(qū)動性問題分解為四個子問題：一是人臉識別的原理是什么？二是自制人臉識別要用到哪些工具？三是人臉識別的精準度是否能夠保證？四是如果遇到壞人想進門，是否有報警措施？再根據(jù)問題分析的結(jié)果將學生引入到具體“智能門禁方案設(shè)計”中，學生在分析討論、交流論證的過程中，構(gòu)思并形成自己的最優(yōu)解決方案；再通過動手實踐，繪制智能門禁項目作品草圖、設(shè)計與搭建模型外觀結(jié)構(gòu)，進行程序設(shè)計以實現(xiàn)項目既定的各項功能，學生分組體驗整個項目的“制作過程”，并進行項目作品展示與交流；最后，引導學生對智能門禁項目化學習過程中習得的知識“遷移應(yīng)用”，將所學應(yīng)用到新的項目中或解決新的真實問題中，真正起到知識遷移的作用。如，有學生將人臉識別門禁遷移應(yīng)用到“清北校車”項目上?？偨Y(jié)與展望本研究構(gòu)建了AI算法平臺支持下基于PBL的創(chuàng)客教學模式