人工智能环境下的“创客作品五层塔”项目式学习教学模式的应用研究

摘 要：人工智能浪潮给“互联网+教育”带来了深刻的变革，未来人才的需求随之发生了巨大的变化，相对应的教学模式、教学方法就要有新的发展和创新。现如今，我们的教学对象将会陆续在2035年之后成为国家的栋梁和主力军，所以我们在小学开展STEM创客教学，对未来人才培养意义重大。本研究尝试将项目式学习融入Arduino创客教学中，通过项目式学习的“发现问题—设计思路—动手实践—分享成果—思维拓展”五个环节，探究新型的创客教学模式，激发学生的搭建和编程兴趣，培养学生的逻辑思维。

关键词：人工智能 项目式学习 Arduino创客教学

一、研究背景

人工智能（Artificial Intelligence）是研究、开发用于模拟和延伸人类智能的理论、方法、技术及应用系统科学。当前，人工智能技术已渗入人类生活的各个领域。现如今，我们的教学对象将会陆续在2035年之后成为国家的栋梁和主力军，社会对人才的需求正在发生改变，教育的变革也相应引发。美国《国家人工智能研究战略规划》中提到要利用人工智能技术改进教育机会，实施个性化学习和终生学习等。我国《新一代人工智能发展规划》提出要发展“智能教育”，推动人才培养模式和教学方法改革，明确规定要实施全民智能教育项目，并在中小学设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育。作为人工智能科普示范学校，合肥市郎溪路小学在原有“互联网+教育”创新教学模式的基础上，将人工智能也融入其中，形成“互联网+人工智能+教育”的新型创客教学模式。

在人工智能技术下，面向大规模的学习者群体，建立促进个性发展的教育体系，是教育发展的基本趋势。同时，新型創客教学模式应致力于培养面向人工智能时代的创新人才，培养学生的理性思维、批判质疑、勇于探究、勤于反思、问题解决、自我管理等基本能力，这样才能更好地适应未来时代的发展。但是，目前开设的人工智能课程仍然处于初级阶段，还存在很多问题。例如，教师对于人工智能课程“授课方式及学生的培养模式，尚未有更具体和深入的思考”“缺少实质性的环节，流于形式”“教师对课程和使用器材认识度不高”等问题。

本文针对这些问题，将以“电子骰子”为例，具体探讨基于人工智能的项目式学习在小学创客教学中的应用。

二、项目式学习教学模式的基本思路

项目式学习注重强调以学习者为中心，以真实情景中的问题为任务驱动，所以能使学生将学习变为一种社会体验，为未来的工作和生活做准备。在项目式学习的课程中，学生围绕真实的项目展开思考，进行硬件搭建及编程，其中包含了科学、技术、工程、数学以及艺术的融合，培养学生创新能力和逻辑思维。经过长期课程实践，总结出小学阶段创客教学的基本思路：以编程为基础，以智能硬件为载体，以PBL为导向，以解决实际问题为目的的STEM教学模式。

“创客作品五层塔”是基于每节课围绕一个真实项目展开，以PBL为指导方法，在五个层次中，逐层深入完成一件创客作品。

我们通过项目式学习的“发现问题—设计思路—动手实践—分享成果—思维拓展”五个环节，结合自己在课堂中的实践，总结出“创客作品五层塔”（图1）教学模式，按照这个五层塔教学模式，学生便可以在课堂中完成一个属于自己的创客作品。

三、人工智能环境下基于Arduino“创客作品五层塔”教学模式的构建和实践—以“电子骰子”为例

在本项目开展之前，学生学习了“SOS求救型号”“按键控制LED灯”“即使交通灯”“音乐大师”等项目，认识了LED灯、蜂鸣器、按键传感器、数码管等电子元件，了解了数码管、面包板、LED灯、蜂鸣器、按键传感器的连接和基本的电路知识;同时掌握了对“输入输出”“如果条件满足……执行”等编程语句的使用，了解了流程图编制简单程序的方法，知道基本的编程思路。在“电子骰子”项目中利用现有的开源硬件Arduino中的元件，引导学生拓宽思路、提升编程、计算及工程思维，感受人工智能在生活中的重要作用。

1.观察发现问题

在项目式学习中强调学生围绕真是生活情境中的问题展开思考，这也是项目式学习中最重要的一个步骤，而《电子骰子》这节课以故事情境为依托展开。故事情境以飞行棋作为导入，因为同学们对飞行棋大多都非常熟悉，且能够轻松说出它的游戏规则，这可以迅速拉近本课与学生的距离。故事中的一个主人翁李雷，在落后的情况下没有遵守游戏规则，趁着其他人不备，将掷出的骰子由1变为了6，而这一举动恰巧被一同玩游戏的西西发现了，并当场指出其错误行为，结果友谊的小船翻了，大家都不欢而散。由此引出本节课的问题，大家有没有什么好的办法避免今天这种矛盾的发生呢？

结合故事的情境，学生都积极思考，脑洞大开，为化解今天的矛盾做出努力。

2.功能分析，绘制程序流程图

STEM教育倡导用跨学科的方法教授科学、技术、工程、数学方面的知识，引导学生适应不断更新的专业知识和快速变化的社会生活。在找出关键性问题——骰子之后，学生们开始头脑风暴，思考自己需要一个具有什么功能的骰子。教师让学生亲自掷出骰子，分析出掷骰子的过程：开始→掷骰子→显示结果→结束。教师继续引导学生分析如何将“掷骰子”和“显示结果”用电子元器件表示出来，随后让学生选择自己所需要的硬件设备并将其连接。

在设计好自己的骰子之后，教师引导学生思考在绘制程序流程图是，如何表示“掷骰子”和“显示结果”这两个动作。在讨论中得出：“掷骰子”—“判断按键是否按下”“显示结果”—先要“判断产生的随机数是几？”。最终学生在自己的课程学习单上绘制自己的流程图，并上台展示说明。

3.构建理论模型

学生在有了自己的程序流程图之后，属于自己创客作品的大体框架就已经出来了，有的学生选择使用led灯来实现骰子上不同的六个数字，有的同学选择使用蜂鸣器响声的数量来对应骰子上不同的六个数字，还有的同学利用上节课学习的数码管来显示骰子上的数字。这些好的想法距离最终作品的实现就只剩下程序编写和上传了。在这时候教师再加以适当引导，告诉学生此程序需要有两个“如果条件满足……执行……”的判断语句，分别判断“按键是否被按下”和“判断随机数为几”，以及产生随机数的程序模块，学生在教师的一步一步地引导下最终可以将自己的创客作品呈现在大家面前。完成到这里，学生的信心得到了很大提升，学生探索的热情也在课堂中被激发出来。

4.完善作品

学生在完成创客作品之后都会测试自己的作品，教师利用学生这一心理特征，让学生在测试作品过程中发现问题，从而修改、完善作品。最后，学生进行汇报分享，并进行自评和互评，这样做可以让学生收到更多的改进意见，发现自己作品的不足之处，同时也认清自己作品与其他作品相比的优势。教师根据本项目的评价量表对小组项目进行评价。见表1所列。

结语

人工智能环境下的创客教育作为STEM教育的一个分支，着重培养学生的创新力、创造力和各方面综合能力。将创客教育利用项目式学习 “创客作品五层塔”的教学模式开展，在学生依照层次完成教师展开的项目式任务的同时，也将自己的创客作品制作出来，在教师的发散思维引导下，学生可以利用课余时间继续完善创客作品，为之后参加科技创新大赛以及各类级别的创客大赛打下基础。

参考文献

[1]刘清堂，毛刚等.智能教学技术的发展与展望[J].中国电化教育，2016.

[2]刘清堂，何皓怡等.基于人工智能的课堂教学行为分析方法及其应用[J].2019.

作者简介

孙浩泉（1988.08—），男，汉族，籍贯：安徽合肥，职称：一级教师，中共党员，学历：大学本科，研究方向：信息技术，创客教育。