人工智能環境下的“創客作品五層塔”項目式學習教學模式的應用研究

摘?要：人工智能浪潮給“互聯網+教育”帶來了深刻的變革，未來人才的需求隨之發生了巨大的變化，相對應的教學模式、教學方法就要有新的發展和創新?，F如今，我們的教學對象將會陸續在2035年之后成為國家的棟梁和主力軍，所以我們在小學開展STEM創客教學，對未來人才培養意義重大。本研究嘗試將項目式學習融入Arduino創客教學中，通過項目式學習的“發現問題—設計思路—動手實踐—分享成果—思維拓展”五個環節，探究新型的創客教學模式，激發學生的搭建和編程興趣，培養學生的邏輯思維。

關鍵詞：人工智能?項目式學習?Arduino創客教學

一、研究背景

人工智能（Artificial Intelligence）是研究、開發用于模擬和延伸人類智能的理論、方法、技術及應用系統科學。當前，人工智能技術已滲入人類生活的各個領域?，F如今，我們的教學對象將會陸續在2035年之后成為國家的棟梁和主力軍，社會對人才的需求正在發生改變，教育的變革也相應引發。美國《國家人工智能研究戰略規劃》中提到要利用人工智能技術改進教育機會，實施個性化學習和終生學習等。我國《新一代人工智能發展規劃》提出要發展“智能教育”，推動人才培養模式和教學方法改革，明確規定要實施全民智能教育項目，并在中小學設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育。作為人工智能科普示范學校，合肥市郎溪路小學在原有“互聯網+教育”創新教學模式的基礎上，將人工智能也融入其中，形成“互聯網+人工智能+教育”的新型創客教學模式。

在人工智能技術下，面向大規模的學習者群體，建立促進個性發展的教育體系，是教育發展的基本趨勢。同時，新型創客教學模式應致力于培養面向人工智能時代的創新人才，培養學生的理性思維、批判質疑、勇于探究、勤于反思、問題解決、自我管理等基本能力，這樣才能更好地適應未來時代的發展。但是，目前開設的人工智能課程仍然處于初級階段，還存在很多問題。例如，教師對于人工智能課程“授課方式及學生的培養模式，尚未有更具體和深入的思考”“缺少實質性的環節，流于形式”“教師對課程和使用器材認識度不高”等問題。

本文針對這些問題，將以“電子骰子”為例，具體探討基于人工智能的項目式學習在小學創客教學中的應用。

二、項目式學習教學模式的基本思路

項目式學習注重強調以學習者為中心，以真實情景中的問題為任務驅動，所以能使學生將學習變為一種社會體驗，為未來的工作和生活做準備。在項目式學習的課程中，學生圍繞真實的項目展開思考，進行硬件搭建及編程，其中包含了科學、技術、工程、數學以及藝術的融合，培養學生創新能力和邏輯思維。經過長期課程實踐，總結出小學階段創客教學的基本思路：以編程為基礎，以智能硬件為載體，以PBL為導向，以解決實際問題為目的的STEM教學模式。

“創客作品五層塔”是基于每節課圍繞一個真實項目展開，以PBL為指導方法，在五個層次中，逐層深入完成一件創客作品。

我們通過項目式學習的“發現問題—設計思路—動手實踐—分享成果—思維拓展”五個環節，結合自己在課堂中的實踐，總結出“創客作品五層塔”（圖1）教學模式，按照這個五層塔教學模式，學生便可以在課堂中完成一個屬于自己的創客作品。

三、人工智能環境下基于Arduino“創客作品五層塔”教學模式的構建和實踐—以“電子骰子”為例

在本項目開展之前，學生學習了“SOS求救型號”“按鍵控制LED燈”“即使交通燈”“音樂大師”等項目，認識了LED燈、蜂鳴器、按鍵傳感器、數碼管等電子元件，了解了數碼管、面包板、LED燈、蜂鳴器、按鍵傳感器的連接和基本的電路知識;同時掌握了對“輸入輸出”“如果條件滿足……執行”等編程語句的使用，了解了流程圖編制簡單程序的方法，知道基本的編程思路。在“電子骰子”項目中利用現有的開源硬件Arduino中的元件，引導學生拓寬思路、提升編程、計算及工程思維，感受人工智能在生活中的重要作用。

1.觀察發現問題

在項目式學習中強調學生圍繞真是生活情境中的問題展開思考，這也是項目式學習中最重要的一個步驟，而《電子骰子》這節課以故事情境為依托展開。故事情境以飛行棋作為導入，因為同學們對飛行棋大多都非常熟悉，且能夠輕松說出它的游戲規則，這可以迅速拉近本課與學生的距離。故事中的一個主人翁李雷，在落后的情況下沒有遵守游戲規則，趁著其他人不備，將擲出的骰子由1變為了6，而這一舉動恰巧被一同玩游戲的西西發現了，并當場指出其錯誤行為，結果友誼的小船翻了，大家都不歡而散。由此引出本節課的問題，大家有沒有什么好的辦法避免今天這種矛盾的發生呢？

結合故事的情境，學生都積極思考，腦洞大開，為化解今天的矛盾做出努力。

2.功能分析，繪制程序流程圖

STEM教育倡導用跨學科的方法教授科學、技術、工程、數學方面的知識，引導學生適應不斷更新的專業知識和快速變化的社會生活。在找出關鍵性問題——骰子之后，學生們開始頭腦風暴，思考自己需要一個具有什么功能的骰子。教師讓學生親自擲出骰子，分析出擲骰子的過程：開始→擲骰子→顯示結果→結束。教師繼續引導學生分析如何將“擲骰子”和“顯示結果”用電子元器件表示出來，隨后讓學生選擇自己所需要的硬件設備并將其連接。

在設計好自己的骰子之后，教師引導學生思考在繪制程序流程圖是，如何表示“擲骰子”和“顯示結果”這兩個動作。在討論中得出：“擲骰子”—“判斷按鍵是否按下”“顯示結果”—先要“判斷產生的隨機數是幾？”。最終學生在自己的課程學習單上繪制自己的流程圖，并上臺展示說明。

3.構建理論模型

學生在有了自己的程序流程圖之后，屬于自己創客作品的大體框架就已經出來了，有的學生選擇使用led燈來實現骰子上不同的六個數字，有的同學選擇使用蜂鳴器響聲的數量來對應骰子上不同的六個數字，還有的同學利用上節課學習的數碼管來顯示骰子上的數字。這些好的想法距離最終作品的實現就只剩下程序編寫和上傳了。在這時候教師再加以適當引導，告訴學生此程序需要有兩個“如果條件滿足……執行……”的判斷語句，分別判斷“按鍵是否被按下”和“判斷隨機數為幾”，以及產生隨機數的程序模塊，學生在教師的一步一步地引導下最終可以將自己的創客作品呈現在大家面前。完成到這里，學生的信心得到了很大提升，學生探索的熱情也在課堂中被激發出來。

4.完善作品

學生在完成創客作品之后都會測試自己的作品，教師利用學生這一心理特征，讓學生在測試作品過程中發現問題，從而修改、完善作品。最后，學生進行匯報分享，并進行自評和互評，這樣做可以讓學生收到更多的改進意見，發現自己作品的不足之處，同時也認清自己作品與其他作品相比的優勢。教師根據本項目的評價量表對小組項目進行評價。見表1所列。

結語

人工智能環境下的創客教育作為STEM教育的一個分支，著重培養學生的創新力、創造力和各方面綜合能力。將創客教育利用項目式學習 “創客作品五層塔”的教學模式開展，在學生依照層次完成教師展開的項目式任務的同時，也將自己的創客作品制作出來，在教師的發散思維引導下，學生可以利用課余時間繼續完善創客作品，為之后參加科技創新大賽以及各類級別的創客大賽打下基礎。

參考文獻

[1]劉清堂，毛剛等.智能教學技術的發展與展望[J].中國電化教育，2016.

[2]劉清堂，何皓怡等.基于人工智能的課堂教學行為分析方法及其應用[J].2019.

作者簡介

孫浩泉（1988.08—），男，漢族，籍貫：安徽合肥，職稱：一級教師，中共黨員，學歷：大學本科，研究方向：信息技術，創客教育。