基于项目式学习的人工智能课堂教学模式

钟慧峰

【摘要】自2017年7月，国家战略要求在中小学开设人工智能相关课程以来，我国的中小学人工智能教育取得了长足进步。但是同时，我们还必须看到，中小学的人工智能教育仍然存在很多问题，例如缺乏统一的课程标准、学校资金困难，不能提供良好的配套设施、课程体系的不够完善、教师没有足够的专业经验等。如果这些问题不能得到及时有效的解决，将不可避免地制约我国中小學人工智能教育的发展。

【关键词】项目式学习;人工智能教育;机器人教育

在2018 年 4 月教育部制定了《教育信息化 2.0 行动计划》，其中明确指出 需要完善人工智能课程方案和课程标准，充实适应信息时代、智能时代发展需要的人工智能和编程课程内容。推动落实各级各类学校的信息技术课程，并将信息技术纳入初、高中学业水平考试。智能机器人作为人工智能的重要组成部分，在中小学取得了迅速发展。 但由于机器人的学科综合性和实践性的特点，传统的机器人教学方式难以凸显出学生利用机器人知识解决学科问题的能力。

本文以我校校本课程《科学探索机器人》为例，阐述基于项目式学习的人工智能课堂——乐高WEDO2.0机器人教学模式进行探讨。

一、人工智能教育项目式学习的基础与优势

1.人工智能教育的全面普及

除了国家的政策倾向，人工智能教育的普及趋势，我校还是“广东智能教育实践共同体”创始学校之一、深圳市中小学人工智能教育示范学校，校园整体规划倾向人工智能教育领域，结合广东省、深圳市人工智能教育项目的实施进展需求和本校自身特点，搭建了人工智能装备体系（机器人、编程平台、教学管理云平台、3D打印机）。

2.项目式学习的优势

PBL（Project-Based Learning）是一种基于真实情境，通过调查、观察、探究、 展示、分享等形式进行的跨学科的教学活动，非常契合人工智能机器人等STEAM类学科的教学。风靡全球的PBL项目式学习已在我校生根发芽，并且我校提出了以概念为向导的C-PBL项目式学习理念。

二、机器人教学中的项目式教学模式

下面以校本课程《科学探索机器人》（二、三年级适用）项目之一《坚固的建筑结构》为例阐述机器人教学中的项目式教学模式——五段教学法。

1.项目选题阶段

首先从真实生活经验入手，再从问题开始，最后在真实背景下初步确定本次主题。这样既能最大化地激发学生的学习兴趣，又能充分发挥学生的想象力。例如，在进行《坚固的建筑结构》之初，从“汶川大地震”文献资料引入，从问题开始：同一地方，为什么有的房子能在地震中屹立不倒，为什么有的房子在地震中轰然倒塌，发挥学生的想象力——“什么样的建筑最坚固”。最后提出设想：房子的高度、地基的大小与房子的抗震性有关。

2.项目探究阶段

在探究阶段学生以学习核心知识为主。以学生为主体展开自主探究式学习，教师提供资源，创造环境，及时帮助指导。

（1）学科知识学习

在探究中我们需要学习一些自然科学知识，比如，地震的分类、形成、如何表示地震的大小、地震的横波及纵波等。还要学习数学知识，比如，自变量、因变量、平均值等。当然还有机器人的搭建与编程知识，比如，电机如何连接推动物体，多次循环结构程序、数字累加等模块。在这一环节中，提供专业的网站（地震网）和文字视频等资料供学生自主学习各类知识，教师适时指导、交流。

（2）进行科学探究

引入模型概念，学生讨论利用乐高WEDO2.0能否设计模型，模拟地震环境下来验证各种结构房子的抗震性，教师提供参考，然后学生设计草图。学生在这一阶段体验了科学探究的基本过程;假设-模型-验证-成立。

3.项目实施阶段

在项目实施阶段学生以工程师、科学家的职业身份投入机器人的学习当中，以科学家严谨的科学态度进行实验，获得数据，以工程师精益求精的精神来搭建完善作品。

（1）搭建地震模拟器并编程

学生以2-3人为一团队，利用乐高WEDO2.0开始自主搭建地震模拟器，并为其编程调试。学生通过反复修改测试搭建出比较完美的房屋抗震测试模型。

（2）设计科学实验

学生以小组为单位设计科学实验：

实验一：改变高度的实验

使用两个基盘一样小，高度不同的建筑，比较谁更抗震。

实验二：改变地基的宽度实验

采用同样的方式测试两个高度相同、基盘一大一小的建筑，比较谁更抗震。

（3）分析数据验证假设

学生通过利用乐高WEDO搭建的地震模拟器结合设计的两个实验，最后得出结论基盘相同的建筑，矮层的建筑抗震性更好。高度相同的建筑，基盘较大的建筑抗震性更好，也就是建筑的抗震性跟高低、基盘大小是有关的。

4.产品展示阶段

考虑学生的低年龄特点，汇报展示主要有汇报演讲与比赛两种形式。汇报演讲的内容包括，团队组成、创造过程、设计思路、创造内容说明、作品演示等。比赛主要是针对作品，比如跑得最快的汽车、最抗震的建筑物等等。

5.评价反思阶段

一改传统的机器人教学评价方式，采用机器人教学评价方式与项目学习评价方式相结合，过程性评价与终结性评价两者缺一不可。比如，本项目的评价方式，在平常教学中有教师对学生的日常评估，在项目后期，有对作品展示环节及作品本身的自我评价、同学评价、教师评价等多维评价。

中小学人工智能教育任重而道远，在目前没有统一课程标准，没有统一教材的环境下，走出一条适合本校的道路，因材施教选择适合本校学生的教学模式显得尤为重要。传统机器人课程基本上是对机器人结构以及它们的运动进行探索，而在CPBL项目制学习中，机器人成为探索的工具，在项目背景下帮助学生进行实验，获得数据，并且和新的设计进行结合，完成知识的迁移，作品的创新。我校的《科学探索机器人》课程将继续践行项目式学习+人工智能课堂教学模式，以学生为主体，探索科学世界，学习科学、工程等核心知识，体验科学探究的基本过程，发展科学探究能力;发展学生的学习、思维、实践和创新能力，发展学生的数学运算能力;以及用科学语言与他人交流和沟通的能力，具有创新意识、保护环境的意识和社会责任。

【参考文献】

[1]钟 柏 昌，张 禄.我国中小学机器人教育的现状调查与分析[J].中国电化教育，2015（7）：101-107

[2]田木兰，秦 健.基于项目式学习的小学机器人教学实践研究[J]. 中国教育信息化，2019（22）：40-43