基于项目式学习的人工智能教学模式应用研究

北京市第八中学怡海分校 徐启发

一、项目式学习和人工智能教育

（一）项目式学习

“项目式学习”（Project-based Learning，简称PBL），也称“基于项目的学习”“基于专题（课题）式学习”，是典型的建构主义理论指导的多元学习模式。项目式学习最初被美国的巴克教育研究所以课程标准为核心进行界定：“一套系统的教学方法，它是对复杂、真实问题的探究过程，也是精心设计项目作品、规划和实施项目任务的过程，在这个过程中，学生能够掌握所需的知识和技能。”美国学者托马斯博士认为，“项目式学习首要特征是向心性，即项目是课程的中心”。

项目式学习是指课前精心从现实生活中选取和发掘项目，引导同学们通过选择和优化学习资源，进行深入的分析研究方案、动手实施、方案优化修改、完成项目的一种探究活动，项目式学习一般还包括展示和评价。我们通常所说“项目”，是指具有一定探究价值和意义、能激发学生发散思维和创新思维、融合学科知识和技能的主题活动。

（二）人工智能教育

人工智能被视为影响第四次工业革命和教育革命的标志性技术，人工智能在基础教育中的重要性也已成为社会共识。随着《新一代人工智能发展规划》的颁布及国家大力发展人工智能背景下，中小学人工智能课程雨后春笋般出现。

1.对人工智能教学资源的极大需求

同学们希望在课前、课中以及课后能够看到生动活泼、趣味性强的学习资源，这些学习资源既能激发学生的学习兴趣，又能引导学生去学习人工智能。

2.亟须能够调动学习热情的教学方式

学生对现场人工教学很熟悉，但有时课堂中又会留有一些遗憾，比如，老师讲的知识点当堂课消化较慢，导致动手实践环节没有完成。如果在课前就进行人工智能原理的学习，势必节省课上理解知识所花的大量时间，给自己更多的实践机会。

3.亟须能够分析学习过程并能实现最优化学习的人工智能教学

学生在学习过程中遇到了哪些学习问题，如何用最短的时间解决这些问题，都是人工智能教学需要继续解决的重要问题。这就要用到学生的学习过程分析，探究出每名同学的学习路径，然后进行学习路径的修正，从而使学习最优化。

探寻能够解决上述问题的新型人工智能教学模式，基于项目式学习的人工智能教学模式就是一个不错的选择。

（三）基于项目式学习开展人工智能教育的可行性

项目设计需要根据学生心理特征、认知特点和日常学习生活习惯，进行巧妙设计，具备真实的情境性，强调“对一个或一系列学习事件或学习活动的综合描述”。

1.建构主义理论、多元智能理论、知识节点理论提供强有力的理论支撑

建构主义教学模式强调情境、协作、会话和意义建构四大要素。从情境基础、实施路径、效果评价等方面来看，人工智能和项目式学习有着高度的契合，项目式学习提供强劲的载体和方法。基于项目式学习的人工智能学习，以建构主义、加德纳的多元智能理论、知识节点理论作为基石，充分激发学生兴趣，提升人工智能核心素养。

2.基于项目式学习的人工智能学习模式基本环节

基本环节包括：依据情境、巧设项目，头脑风暴、生成创意，角色分配、各司其职，活动探究、工程设计，反复迭代、优化产品，成果分享、能力提升。在整个过程中，团队经理负责整个流程的设计和管理，教师只是起到引导辅助的作用，进一步贯彻“学生主体、教师主导”的新课程理念。

二、基于项目式学习开展人工智能教学的实施步骤

基于项目的人工智能教学有效激发学生的学习兴趣、探究欲望，锻炼了他们的实践探究和创新能力。下面我以基于项目的人工智能典型内容为例，分析其具体的实施步骤。

（一）依据情境、巧设项目

要想激励学生有好的创意，就必须精心设计课题。课题必须选取有典型意义，能够调动大多数同学的积极性。比如，我在讲“人工智能编程基础”的相关章节时，积极引入北师大的Mixly 软件作为同学们编程的软件。该软件是图形化界面，利用“搭积木”的方式堆叠各种图标，让同学们有一个全新的体验，并且可以和各种传感器连接互动。待同学们熟悉了人工智能开发软、硬件后，我给同学们布置研究题目：设计一个可优化城市交通体验的车载装置。

这个题目非常利于同学们发散思维：什么样的装置可以优化交通体验？同学们都有自己的创意。有的同学创意为：在出行时，经常会经历各种堵车慢行，这时候人们的心情非常烦躁。如果能够设计出蓝牙点歌系统或红外线点歌系统，可以让人们在等待的同时，有歌曲的陪伴，利于消除烦躁。同时，产品的屏幕还要能显示歌曲的名字。另外一些同学的创意为：为汽车设计一个超声波装置，当遇到障碍时，能够自动停下来，并且发出报警声音和在司机面前闪烁红灯，提醒司机注意前方，这样可以避免很多的交通事故，优化司机的出行体验，可以更放心地开车。可以说大家的思维充分发散，都很有创意。

很明显，一个好的项目选题非常重要，能够瞬时点燃同学们探究学习的热情，开启同学们的创造力和想象力。

（二）头脑风暴、生成创意

人工智能教育是培养学生创新精神的重要途径之一，通过创新可以让同学们生成好的产品创意。好的创意一般来自同学们对现实生活细致入微的观察，观察已有的事物并洞悉其工作原理，然后把这种原理迁移到新的事物或物品上去，就完成了一次创意。那么该如何培养同学们捕获瞬间灵感，生成好的创意呢？北师大黄荣怀教授认为，通过设计实践在一定程度上能训练学习者发散思维、聚敛思维、形象思维、直觉思维等，进而促进创新思维的发展。我通过发散和收敛的方法来引导同学们进行创意的初阶训练。

（三）角色分配、各司其职

项目需要一个团队完成，而不是单人独立完成。北师大余胜泉教授认为，知识是学习者之间通过互动对话共同建构的，最终的目的就是实现共同体知识的增长。

项目成员分工：项目共由3～5 人组成，分为团队经理、硬件工程师、软件工程师、文档工程师等角色。每人完成自己的工作并使其最优化。

1.团队经理

负责带领团队利用头脑风暴、创意投票等方法生成产品创意，并进行分工协调，遇到困难及时解决。组织产品功能测试和再修改，直至产品完美。

2.硬件工程师

硬件工程师掌握着各种材料（如金属、塑料、木棒、纸张、电子元件等）性质方面的相关知识，当团队生成好创意时，他们就会运用已有知识结合材料去创新，创造出新物品来解决问题。

3.软件工程师

能够按照产品创意，结合控制板、连接件等器材尺寸设计软件程序，使产品运行稳定且软件性能最优化。

4.文档工程师

能够按照创意进行图纸的绘制，鼓励手绘，也可以在电脑上作图，画出作品的俯视图、侧视图等三视图，并且能够对整个制作过程进行拍照记录、文字日志记录，并最终整理生成产品开发PPT 和产品制作手册。

（四）活动探究、工程设计

1.编写程序

有了好的创意以后，就要进一步实现，用人工智能技术制作出来。如果说，创意阶段还是概念的话，设计阶段就要制作产品模型。同学们首先在Mixly 软件上找到相应的传感器，进行连接和程序的编制。连接时，要注意和程序的各种结构结合，比如，顺序结构、分支结构和循环结构，每种结构的适用条件一定要设置好。例如，有时候发现小灯一直在闪，无法停下来，就可能误入死循环。

不仅要会编程，还要会调试程序。比如，加入断点或打印语句进行调试，细心观察打印语句是否成功输出，跟踪到同学们编写的程序是否正确。如果不正确，是哪里出现了问题？同学们经过进一步理顺概念图、关系图，终于把程序编写调试出来。有的同学编程非常快，半小时就完成一件初步的作品。

2.搭建硬件

程序编好以后，还要进行实物连接。只有和实物连接并运行程序后，才能看出程序是否正确。有同学在做“跑马灯”时，本来程序效果应该是灯带中七颗灯依次闪亮，但发现实际只点亮了三颗。问题出现在哪里？于是又进行打印语句跟踪，发现程序已经成功执行完成。程序应该没有问题，那么肯定是硬件出问题了，用硬件替换法，换成其他的灯带果然好了。所以有时候，硬件问题也是经常遇到的。当软件确定没有问题时，要考虑硬件是否有问题。再比如，一名同学调试超声波自动避障装置时，怎么也得不到正确的现象。到底是哪里出了问题？她着急地把程序改来改去，以为编程不对。我发现了这一情况，引导她先逐一测试硬件，再一件一件添加。经过一段时间的测试，终于发现是双排的USBTTL 上传板有故障。问题找到后更换硬件，困难即可解决。

3.基于网络学习空间混合式学习

基于项目式学习的人工智能教学，还需要借助网络学习空间下的混合式学习。结合泛知识涟漪效应我们可以知道，教师可以通过精心设计在线教学内容和方法，查看学生处在知识涟漪的哪个位置，确定学生的知识空间状态，从而设计有效的学习路径，促进学生从低学习节点向高知识节点进步。

在制作过程中，对一些同学们难以实现的电路，我积极寻求多种方式进行引导。

（1）微课展示。把实验电路比较难的部分提前录制成微课。让同学们根据微课示范，去连接电路。这样一来，同学们省时省力，学得比较轻松，提高了学习效率。

（2）任务分层。根据同学们不同的能力，在团队中完成不同的任务，各自完成一定的电路连接，让每位同学都有收获感。

（3）实验指导书。为同学们编制合适的实验指导书，供同学们按步骤完成，这对同学们正确操作非常有帮助。

所以，在制作与实物阶段，同学们一定要厘清思路，不盲目去连接实验电路，争取把创意与实物连接做到最优化。

（五）反复迭代、优化产品

各个部件制作出来后，进行组装集成测试，测试中可能会发现产品已有的一些问题。例如，Arduino 主板成功放置在3D 打印外壳中，但是忘记打出线孔，全封闭的外壳无法伸出传感器的连线，怎么办？看看时间还够，赶紧改变3D 建模中不恰当的部分，全面修正后重新打印。之后，等所有的外壳都完美无瑕并组装后，又突然发现主板不亮了。经故障排查发现，接线不牢固，重新插牢就好了。最后，经过大家的不懈努力，人工智能产品终于成功制作出来。

（六）成果分享、能力提升

让同学们把在制作过程中获得的成就感积极分享出去，显然能让更多同学感受到成功与快乐。所以，人工智能教学应设置分享与评价的环节。通过分享与评价，让同学们能够感知彼此长处，以便学习和借鉴。而分享本身，实际上也蕴含了积极交流，互通有无，互相借鉴，积极提升人工智能素养。

三、基于项目的人工智能学习，提升学生AI 素养

（一）培养了积极的人工智能情感

我在设置人工智能项目主题时，尽量寻找那些本身就生活化、真实的任务场景做项目研究课题，这样更有利于同学在完成课题过程中，寻找贴近生活的灵感和创意。通过真实项目的制作，让同学们感受成功的乐趣、发现的乐趣、体验的乐趣，改变以往单一枯燥的学习方式。同学们积极进行交流和汇报，有利于他们培养团队精神和合作精神，以主人翁和设计者的姿态参与到人工智能制作和交流中。

（二）提高同学们的动手实践能力

基于项目的人工智能教学，极大地培养了同学们的动手能力和解决实际问题能力，并用这些能力和方法，解决学习生活中遇到的困难和难题。同时还可以锻炼同学们“自顶向下，逐步细化”项目思维，把一个宏大目标拆分成若干小任务，然后逐个完成。这种有计划、有步骤的做事能力，必将对他们的实践能力、工程思维有很大帮助，也将为他们日后的创新实践活动打下良好的基础。

总之，基于项目式学习的人工智能教学模式可以极大促进学生人工智能素养的提升。