“AI++”項目化教學模式賦能小學人工智能課程探究

沈曉飛

摘? 要：人工智能是信息科學領域最前沿的學科之一，被稱為是“連接未來的技術”。2017年，國務院印發的《新一代人工智能發展規劃》明確提出：在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育，鼓勵社會力量參與寓教于樂的編程教學軟件、游戲的開發和推廣。然而，國內的人工智能教學起步較晚，在實施過程中，難免會出現學生學習積極性不高、課堂互動方式單一、知識傳授效率低下、技能實踐內容相對較少等問題，這嚴重影響了學生的學習體驗。文章分析了學生在學習人工智能課程中影響其積極學習體驗的因素，介紹了一種能夠讓學生更好地產生積極學習體驗的“AI++”項目化教學模式，力求打造出“妙趣橫生”的人工智能真實課堂。

關鍵詞：項目化學習;人工智能課程;學習體驗

一、人工智能需要學習的內容

（一）重體驗：體驗技術發展，搭建通信渠道

“玩是學生的天性?！毙睦韺W上，美國的心理學家洛欽斯認為：“學生對一個事物的首因效應在很大程度上決定著學生的學習態度?！比斯ぶ悄芙逃o學生留下的印象如果是一行行難懂的代碼，或者是一個個冰冷的傳感器，這對學生人工智能學習興趣的打擊將會是毀滅性的。目前，小學信息技術課程中，AI相關內容的編排主要是用游戲化編程工具設計AI技術小游戲，掌握AI基本知識，感受AI技術與自身學習、生活中的緊密聯系，認識AI技術給生活和學習帶來的便利。教師借助AI技術搭建“現實生活”與“虛擬世界”通信的“橋梁”，使學生在了解了相關理論技術的同時，還在選擇自己感興趣的方向上進一步學習。

（二）學思維：培養計算思維，建立數模鏈接

人工智能相關內容涉及的領域非常廣泛，但無論是語音識別、圖像識別還是語義理解、圖像辨識，都離不開機器學習。機器學習研究計算機、感知現實世界，并嘗試通過模擬的方式實現人類的一些學習行為和獲取知識的技能，并能改善自我。其中解決計算機感知現實世界的問題，是連接計算機領域二進制世界與人類社會三維世界的“橋梁與紐帶”。因此許多地區小學開展的STEM與創客教育中，均存在探究機器學習的相關內容，都離不開培養學生的編程能力與計算思維。學生通過編寫算法、調試優化、建立模型，解決了一些簡單的生活問題。對學生而言，這是他們理解技術、應用技術的必經之路，也是實現自我價值的重要方式——擁有一個更靈活、更高效的大腦，這將會成為以后研究人工智能技術的重要工具。

（三）練能力：探究技術應用，挖掘信息價值

計算思維是運用計算機科學的基礎概念進行問題求解、系統設計，以及人類行為理解等涵蓋計算機科學廣度的一系列思維活動。在小學階段，人工智能教育為學生解決日常生活中的各種問題提供了保障，同時啟發和培養了學生利用建模、編程等工具獲取有用信息、解決實際問題的意識。

例如，學生在遇到不會做的題目時，可以主動使用人工智能設備進行查詢，或者在進行科學觀察作業時，可以利用人工智能設備獲取觀察對象的信息，提高科學觀察的效率，甚至可以設計簡單的信息系統來監控家里植物、寵物的健康狀況，防止植物枯萎、寵物搗亂等。這些情境，正是學生通過人工智能內容的系統學習后，對技術產生感性的認識下，自然、真實發生的，也是人工智能教育的魅力所在。學生能夠認識到，AI不僅能夠解決問題，還是自身思維和能力的延伸，蘊含著巨大的信息價值。

綜上，小學階段，AI教育主要面向的是小學生。因此AI教育應以體驗為主，培養學生的學習興趣。在掌握了基礎的AI知識后，教師再指導學生學習簡單的圖形化編程，通過編程實現一些簡單的AI技術應用，培養學生的計算思維、利用AI技術獲取有價值信息的能力，以及利用人工智能技術和設備解決生活問題的意識。

二、人工智能課程面臨的問題

（一）學習過程中的利與弊：積極與消極學習體驗

在學生的學習過程中，積極學習體驗是指學生在學習中能夠通過自身努力掌握的知識，這些知識能夠歸納到學生的原有認知中。學生在學習這些知識或者技能時，有很強的求知欲，也能獲得很高的學習成就，由此而產生的一種積極的、持續很長一段時間的學習反饋。這樣的反饋經常出現在學生的一些編程作品中。相反，消極學習體驗是指學生在學習知識或者技能時，因為自身認知能力、聽講狀態、心理因素等綜合原因，無法內化知識和技能，產生了困惑、抵觸、失望的心理體驗，并在之后一段時間不再從記憶中提取，甚至遺忘的學習反饋。

由此可見，積極的學習體驗可以讓學生更樂于學習知識和技能，接受并有運用于實踐的主觀能動性，而消極的學習體驗會極大影響學生的學習積極性，打擊學生的學習信心，甚至影響到學生后續的學習進程。

（二）學習體驗中的苦與樂：理論知識與實踐體驗

人工智能的理論知識，主要是其中涉及的人工智能發展的歷史性知識、工作的原理性知識、應用人工智能技術的技術性知識等。這些知識難免都需要通過教師的講授，或者使用一些形式單一的呈現方式系統地傳授給學生。循其宗旨，更好的知識儲備是為學生的實踐提供保障。但學生在學習這部分知識時，學習動機、學習成就、學習興趣普遍較低，其知識的接受程度也與學生自身能力水平有著很大的關聯。

人工智能的技術實踐，通常是使用智能套件，通過通用數據交換端口接駁傳感器與主控板。在主控板中編寫算法，主要使用圖形化編程，通過拖放事先設計好的基礎程序模塊實現更加復雜的算法。學生在使用人臉識別軟件、圖像識別工具、人機交互套件等進行實踐時，有較強的學習動機、學習成就和學習興趣，教師教授的方式也是靈活的、多樣的。但是這樣的形式存在很大的不確定性：學習能力強的學生可以“無師自通”，主動探究，動手實踐，從中獲得學習的快樂，達到很高的學習成就;學習能力低的學生可能“不知所措”，由于缺乏基礎的操作知識和實踐能力，其學習道路上“荊棘重重”“困難層層”，容易灰心喪氣、一蹶不振。

（三）學習反饋中的揚與抑：促成積極學習體驗的有利條件與不利條件

對教師而言，選用合適的教學手段是促成學生進行積極學習體驗的關鍵，尤其是對那些比較難懂的通識原理知識。教師應善于將這些知識用學生喜聞樂見的形式呈現給學生，或者將知識進行分解、重組、創編、精細化，以降低學生的學習門檻，提高學生的學習接受能力。一堂人工智能課并不總是充滿積極學習體驗的，一旦學生產生了消極學習體驗，并被其所支配，對學生而言，這堂課就成了“噩夢”。首先，一旦學生的原有認知沒有達到接受人工智能基礎知識的水平，學生就會“手足無措”。其次，一旦學生對教師教授的內容產生了質疑或者困惑，得不到解答，學生就會“開小差”“竊竊私語”，產生諸如課堂低語等不利于課堂開展的行為。最后，一旦教師對人工智能知識缺乏深刻的認識，或者沒有使用合適的教學手段，學生就容易“亂作一團”“無所適從”。

綜上，相比其他學生有一定的知識儲備和基礎內容，人工智能的教學更依賴學生產生積極的學習體驗，只有解決這些矛盾，人工智能課堂才能“妙趣橫生”。

三、“AI++”項目化教學模式的教授內容

在人工智能發展的今天，對人工智能的教學，應“追本溯源”，從人工智能背后起到支撐作用的計算思維、編程能力學起?！癆I++”從學生的計算思維出發，鼓勵學生進行創意實踐，從以下幾個方面促使學生進行積極學習體驗。

（一）項目化教授與知覺型學習，助力計算思維的培養

學習者的學習方式不是單一的，不同學生接受知識的途徑也不相同。解決學生在知識獲取上的矛盾，關鍵就是能否讓學習真實有效。美國的小學普遍推行了一種學習模式——項目化學習，這可以使學生主動探索現實世界的問題和挑戰，讓學生領會到更深刻的知識和技能。

以下課例可以實現上述技能：教學內容是教師設計一個人臉識別儀。例如，圖書館需要統計不同年級的學生人數，教師先讓學生體驗快速記憶“學生和年級”的小游戲，學生體驗游戲，得出結論：關鍵是記住這個人的長相特征。接著，教師呈現AI識別人臉的工作流程，學生繪制出流程圖，并在流程圖中加入對圖形化編程模塊的認識。學生以小組為單位進行分布設計，應用人臉注冊算法、人臉識別算法、人數統計算法。教師再針對性地指導學生優化算法：通過對學生年級的學號編碼優化識別算法;通過建立列表優化識別過程等。整堂課，學生體驗到的是當堂學習的知識和工具，可以高效解生活中的實際問題。知識是螺旋上升的，體驗是循序漸進的，因此項目化教學可以幫助學生在思考復雜問題前，停一停，想清楚再前行，試一試，探尋最優解，跳一跳，建立模型，讓學生的思維由點到面、由窄變寬。

知覺型學習是學生能夠對外在的環境做出快速判斷，在繁雜的信息中提取出關鍵信息的能力，可以理解為學生統整信息的能力。在“AI++”人工智能課堂上，思維本身也可以是處理和統整信息的一套機制。

例如，社團課在學習“智能自動駕駛汽車”時，教師將所有的傳感器和對應的算法都擺在一起，讓學生挑選感興趣的部分進行分組教學。具體而言，教師組織一場“智能駕駛汽車招標會”，讓每個團隊交流自己設計出的自動模塊，即如何將不同的設計用到整個自動駕駛控制系統中。學生在學習和實踐的過程中，明白了使用通用變量，規范應用接口，要根據實際情況靈活調整設計等知識?！癆I++”培養了學生的知覺型學習能力，這種統整信息能力可以幫助學生在面對復雜的問題時，統整信息，尋找突破，獲得更積極的學習體驗。

（二）實用價值導向與工程逆向思維，助力創意實踐的升華

人工智能的課堂，如果不稍加引導，學生的創意實踐很有可能變為技術價值導向——一種一味堆技術，盲目增加科技感的創意實踐?！癆I++”倡導實用價值導向的創意實踐。如在設計一個“智能床”時，學生對智能床的認識就是智能床要安裝足夠多的傳感器，監控使用者的一切;造型要足夠酷炫，有未來感，才能稱得上是智能床，以及安裝機械手臂后，智能床能夠實現更多的功能……在發現學生的技術性創意實踐為技術導向后，教師提出了討論主題：“智能床的意義在哪里，從使用者的角度去思考?！弊詈?，學生將床的功能重新定義為：符合使用者的日常習慣，幫助使用者了解舒適環境，輔助使用者簡易起居活動的床。由此看出，創意實踐應該是有范圍的，不能一味地“輸出技術”，應當有知覺、有方向，這樣的創意才能迸發出思維的力量。

工程逆向是指在不能獲得必要的生產信息的情況下，直接從成品推導出產品的設計原理。在“AI++”的課堂上，教師鼓勵學生進行這樣的工程逆向：通過觀察一種智能產品，分析它們可能使用到的AI技術，可以一定程度上規范對這類產品的使用。

例如，在《你的計步器是否準確》一課中，教師給每個小組分發攝像頭，請學生自己注冊人臉，然后再到教師的電腦上進行識別。學生發現，人臉的識別率不高，并自己去研究原因，規范使用攝像頭采集圖像信息的細則。教師讓學生進行工程逆向的嘗試，并不是為了“復制”產品，而是讓學生更好地理解設備的使用局限，更規范地使用設備，以培養學生在調試時敏銳發現偶發性錯誤的能力，大大減少高失敗率帶來的消極學習體驗。

綜上，“AI++”的項目化教學模式能夠幫助學生輕松獲得積極的學習體驗，讓學生獲得更多探究的機會;教師要在體驗中引領學生的數字化學習，打造出高效的信息技術課堂。

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（責任編輯：張涵淋）