AI算法平台下基于PBL的创客教学模式研究

沈伟春 肖名望

【摘 要】本文以“人脸识别门禁系统”的课堂教学为例，开展基于PBL的人工智能创客教学活动，帮助学生从真实情境中学习人脸识别技术的知识，归纳出AI算法平台支持下基于PBL的创客教学特点。

【关键词】AI算法平台；项目化学习；创客教学

【中图分类号】G434   【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2023）07-050-02

创客教育是培养具有创新意识、创新思维和创新能力的创新人才的重要途径之一。它融合了体验教育（从做中学）、基于项目的学习（以特定任务为中心）、创新教育（以培养学生创新品质为目标）以及 DIY（Do It Yourself，自己动手做）等理念中的多种元素。PBL项目式学习（Project-based Learning）是基于现实问题情景的以学生为中心的教学方式，有利于培养学生的创新能力。本研究通过构建AI算法平台支持下基于PBL的创客教学模式，促进学生人工智能素养的培养，提高学生综合素质。

AI算法平台下基于PBL的创客教学模式构建

教学模式由指导思想、教学目标、教师与学生、实现条件、教学过程和教学评价等六要素构成。本研究以AI算法平台（Genius Brain是一个用于学习人工智能的平台）为支撑环境，构建了AI算法平台支持下基于PBL的创客教学模式（图1）。该模式的指导思想主要是建构主义学习理论、实用主义学习理论以及创客教育和项目化学习相关理论，教学目标是培养学生人工智能素养，具体表现为培养学生工程思维、创新思维、协作能力和问题解决能力等方面。

教学的实现条件及人工智能创客教学环境主要包括创客硬件设备、AI算法平台、人工智能教育基地和相应的教学资源；教学过程主要从创意由来开始，利用真实的问题情境，经历“明确问题→分析问题→设计方案→交流论证→方案优化”的方案设计过程和“模型设计→材料收集→模型搭建→功能实现→分享交流”的制作体验以及知识的迁移应用；教学效果评价主要是教师在该教学模式教学实践中，对学生在其中表现出的工程思维、创新思维、协作能力和问题解决能力等方面的变化情况进行测量评价。

1.创意由来

创意的由来一般是学生通过对生活中某种现象或遇到的某个问题进行深入思考后，在其脑中形成的某种想法，这需要有真实的问题情境。

2.方案设计

明确问题：这是确定问题的过程。学生需要分析情境中的问题，明确问题的关键因素，并将问题用语言或图表提炼与表达出来。

分析问题：对表达出的问题进行拆分。学生需要联系自身的知识体系，拆分问题，将问题最终拆分为通过已有知识可以解决的多个子问题。

设计方案：即提出问题解决策略的过程。学生通过自主学习与协作学习，分析大量有关的信息和资料，生成策略，提出假设，形成初步的问题解决方案。

交流论证：这是商讨设计方案可行性的过程。学生与同学分享自己的想法，征求同学与教师等人对方案的意见，确定设计方案是否切实可行。

方案优化：这是调整与优化方案以便顺利实施的过程。学生根据他人（教师、专业人士、同学）的建议，再次完善自己的设计方案，最终形成可实施的方案。

3.制作过程

模型设计：学生根据设计方案，并借助工具（电脑绘图软件）设计与制作产品模型，包括具体的产品结构和外观效果图。

材料收集：获取相关的制作材料，为模型成“形”提供材料支撑，保障方案能够顺利实施。

模型搭建：即模型成“形”的过程，学生需将每一个零件进行组装，将所设计的模型转变为看得见摸得着的现实作品。

功能实现：将最初的创意变为现实作品的过程。学生需要将模型与相关硬件进行连接，之后经过编程，并进行试验、项目调试与修改，最终使作品实现最初的创意功能，制作出符合创意的作品。

分享交流：这是展示成果的过程。学生与同学、教师分享自己创意智造过程中的心得体会，向同学与外界介绍自己的创意智造作品的特点。

4.知识的迁移应用

对知识的迁移与应用，即学生把创意智造过程中所习得的新知识迁移应用到其他的场景中。知识迁移既是检验对知识的理解的一种手段，也是加深理解和巩固知识的重要方式；既是对制作实践的指导，同时又接受着制作实践的检验。

教学实例——“人脸识别门禁系统”

“人脸识别门禁系统”是浙江省杭州市临平区人工智能教育基地开发的系列“智慧”课程中“智能家居”模块中的内容。该模块的教学目标是使学生了解人脸识别的基本概念，熟悉门禁系统的重要组成部分，了解人脸识别算法并能举例说明人脸识别算法在生活中的应用；掌握Genius Brain平台人脸识别功能的使用方法；学会利用Mind+图形化编程控制舵机转动；掌握通过摄像头模块，完成识别人脸，控制舵机旋转等模拟人脸识别门禁系统的方法；初步了解AI技术，产生对AI技术学习的兴趣。

在本案例教学中，从“创意由来”出发，通过真实情境，激发学生的学习兴趣，明确“如何利用AI技术来解决忘带钥匙进家门困难这个问题”。之后，引导学生分析问题，将这个驱动性问题分解为四个子问题：一是人脸识别的原理是什么？二是自制人脸识别要用到哪些工具？三是人脸识别的精准度是否能够保证？四是如果遇到坏人想进门，是否有报警措施？

再根据问题分析的结果将学生引入到具体“智能门禁方案设计”中，学生在分析讨论、交流论证的过程中，构思并形成自己的最优解决方案；再通过动手实践，绘制智能门禁项目作品草图、设计与搭建模型外观结构，进行程序设计以实现项目既定的各项功能，学生分组体验整个项目的“制作过程”，并进行项目作品展示与交流；最后，引导学生对智能门禁项目化学习过程中习得的知识“迁移应用”，将所学应用到新的项目中或解决新的真实问题中，真正起到知识迁移的作用。如，有学生将人脸识别门禁迁移应用到“清北校车”项目上。

总结与展望

本研究构建了AI算法平臺支持下基于PBL的创客教学模式，并以“人脸识别门禁系统”教学为例阐述该模式怎样应用于教学实践。该案例由浅入深，由具体到抽象，引导学生慢慢梳理和构建人脸识别门禁系统的制作思路，体现了对学生核心素养的培养。本研究将不断优化教学模式，助力基于PBL的人工智能创客教育教学实践。

注：本文系淅江省杭州市2021年教师教育科研课题“中小学人工智能教师创新培养实践研究”（课题编号：JSJY2021004）研究成果之一