基于PBL教学模式的人工智能课程设计研究

廖培城

【摘要】我校创客课程引入了人工智能课程，如何更好地指导学生开展学习，培养学生创新思维，我们尝试运用PBL教学模式，通过问题产生，讨论方案，作品设计，制作及测试作品，展示与评价几个步骤对人工智能课程进行研究，能够成为我校特色课程。

【关键词】PBL教学模式;人工智能课程

2017年，国务院印发《新一代人工智能发展规划》，提出“实施全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育”。2018年，教育部进一步明确，要“构建人工智能多层次教育体系，在中小学阶段引入人工智能普及教育”。2019年，教育部发布《中小学人工智能教育》，将北京、广州、深圳、武汉、西安5个城市作为第一批试点落地城市，全面试点学习人工智能与编程的课程。

PBL是一套设计学习情境的完整方法，可以译为“问题式学习”、“项目式学习”等。其核心是通过“以学生为中心”的理念去优化传统教育中的被动学习模式，激发出学生的创造力和潜能，让学生从被动学习者转变为主动学习。

我校设计的基于PBL教学模式的人工智能课程，是根据不同的问题，运用二哈识图（HuskyLens）人工智能视觉传感器、掌控板、语音合成模块等完成对应功能的设计制作。以基于项目式学习和小组合作的学习方式，融合信息技术、数学、艺术、工程等多学科知识。围绕主题，各小组经历问题产生，讨论方案——作品设计——制作及测试作品——展示与评价，4大环节完成各主题学习。在问题产生，讨论方案环节中，通过引导学生调查、观察、查阅资料等途径，了解生活中的一些难题，构思、设计、制作视觉识别的作品，形成责任感和公德意识;在作品设计、制作及测试作品环节通过设计思维和工程思维的碰撞，落实审辨思维素养和创新素养培养，通过小组集思广益进行方案构思，作品展示等，落实沟通素养、合作素养的培养。

人工智能课程做为一门新兴的学科，也是国家发展的重点项目课程，怎么样在教学中开展人工智能课程？笔者以我校开展的项目《基于视觉识别的幼儿监护及早教互动熊猫》为例，阐述如何在在人工智能课程教学中运用“基于PBL教学模式”开展人工智能课程。

一、问题产生，讨论方案

在人工智能项目设计课程中，问题的产生是整个课程开展的基础。教师可以提前抛出一些案例，引导学生思考发现问题，也可以让学生通过讨论，课前运用QQ、微信等即时通讯工具进行讨论沟通，课堂中运用头脑风暴等方式，思考、分析问题，最终使用“项目解决方案”表完成方案设计。在项目中通过与同伴进行头脑风暴，学会高效地与他人分析问题及归纳观点的方法;通过讨论、分析问题，设计解决问题方案，形成运用所学知识解决身边实际问题的意识;引导学生关注身边的问题，关心特殊群体的需求，增强同理心。

在本项目中，教师提前让学生观看“宝宝学习视频”引发学生思考，让学生通过头脑风暴，讨论问题的解决方案，运用思维导图分析问题。在分析问题的过程中，完善“项目解决方案”。

二、作品设计

作品的设计包括硬件设计和外观设计。学生在第一环节完成项目解决方案中，基本上定下来整个项目的解决方案，在这里根据要解决的问题，去完成作品的设计，这个时候就要求学生对开源硬件和激光切割设计软件非常熟练，而根据学生对知识的掌握水平，把学生进行分组完成。同时给予学生充分的空间，让学生充分发挥想象的空间。

在做硬件的选择首先根据要实现的功能来选择相对应的硬件，有时候能实现同样功能的硬件有不同的类型，最终以简单易用，当前手头有的硬件做为第一选择，有时候要用到的硬件手头没有的话，可以考虑通过转换思路的方式来实现所要的功能，比如发音这里也可以考虑使用MP3模块，但使用稍微麻烦一点，需要提前把声音录制好。选择完硬件之后，同时完成程序流程图的设计。

外观的设计上，可以考虑使用激光切割机或者3D打印机的数字工具，激光切割机相对于3D打印机来说，成型快速，方便迭代修改，也能制作较大型的外观，3D打印机能够很好的完成一体成型，能创作一些较为精美的模型，但是相对激光切割机来说，速度相对比较慢，不利于学生在课堂中快速迭代。这两种工具各有优缺点，根据设计外观，可以选择合适的工具。学校如果没有这些数字加工工具，也可以采取直接采用纸皮、戒刀等手工创作。

三、制作及测试作品

制作及测试作品环节是整个项目的关键环节，根据第二节课的作品设计，分组完成小组的任务，每个小组成员都有自己明确的分工，同时他们又协作完成项目。在这一环节中，学生亲历硬件的连接测试过程，培养学生的动手实践能力;通过编写和调试程序，培养学生的计算思维。运用激光切割和3D打印等工具完成作品外观的设计，也让学生体会了数字化工具在实际应用中的强大魅力。

在硬件连接和程序设计的小组的同学，提前了解相关硬件的接线连接方式，根据硬件的相关特性，细心大胆的完成硬件的连接，并根据前面的流程图设计完成程序设计。结构件的搭建，要注意各部件的吻合度，元器件安装到结构件上面，注意对元器件进行封装，把不需要裸露在外面的主控板以及各种线尽量的藏好。

作品的制作是一个不断完善的过程，在作品制作过程中，可能会遇到前面设计方案的时候没有遇到的问题，这就需要对作品不断迭代完善。在不断的迭代完善作品的过程，学生对知识有了批判思维，在设计意识、动手操作上，慢慢地达到一定的深度，对作品进行进一步的完善，对设计思维会产生新的理解。

四、展示与评价

组织学生对小组的作品进行展示，运用3W1H路演方式进行项目展示，给学生们一个展示舞台，有利于老师和同学了解作者对作品的表达内容，更增强了学生在课堂上的主人翁意识，同时通过路演收集反馈信息，改进作品，培养学生的迭代思维。

在这一个环节中，学生们需要制作项目展示PPT，梳理整个项目的制作過程，在路演的时候认真听取老师和同学的改进意见，收集反馈信息，总结迭代改进的方法，填写改进方案，培养学生反思的习惯。

我校设计的基于PBL教学模式的人工智能课程，以PBL这一先进的课程设计理念，融合人工智能课程的特点，形成了以四个主要环节来推进课程的教学模式，以创新、实践、合作、分享为理念，培养学生的创新创造能力，注重团队协作与作品循环迭代，强调学生的参与式学习以及理解、迁移应用和创造性解决问题的深度学习。这一教学模式已经很好的应用在我校的人工智能校本课程中，得到了学生的喜爱、教师的认可。

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