基于项目式学习的中小学人工智能教学实践

黄光宇

【摘 要】近年来，中小学人工智能教育在国内外受到广泛的关注。项目式学习教学模式与中小学人工智能教学需求相契合，本文结合笔者的教学实践，总结了中小学人工智能项目式学习的四个环节：确定主题、制定方案、创意物化、总结展示，探索如何构建高效的人工智能課堂，以期为新课程标准中人工智能模块的教学提供新的思路。

【关键词】人工智能；中小学；项目式学习

【中图分类号】G434   【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2023）08-060-03

人工智能涉及自然科学和社会科学等多个学科的交叉应用，学科综合性较强，强调以特定的思维和推理方式在实践中解决问题[1]。巴克教育研究所提出了能让学生最大程度学习和参与的项目“黄金准则”：富有挑战性的问题或困难、持续探究、真实性、学生的发言权和选择、全程反思、批判和修订、作品公开展示。项目式学习能有效地帮助学生构建综合性较强的人工智能知识，学生能得到更多的合作、实践和展示机会，达到全面培养学生能力的教学效果。本文尝试以项目式学习的方式开展中小学人工智能教学，探索如何构建高效的人工智能课堂，综合提升学生的人工智能技术和信息素养。

人工智能教学的内容选择与实施路径

中小学人工智能教学，旨在通过生活中的人工智能应用，让学生理解人工智能的特点、优势和能力边界，知道人工智能与社会的关系，以及发展人工智能应遵循的伦理道德规范[2]。虽然新课标中将“人工智能与智慧社会”模块放在九年级，但在日常的教学中，教师可以将其融合到“在线学习与生活”“数据与编码”“身边的算法”“过程与控制”“互联网应用与创新”等模块当中，从而实现人工智能的应用体验、了解机器计算与人工计算的异同、应用人工智能技术进行创作、认识人工智能伦理与安全挑战等知识循序渐进和螺旋上升的过程。

项目式学习既要关注主题内容、项目情境，也需要关注真实问题的解决、大观念的迁移，还需要关注任务完成情况、过程性评价信息等[3]。为了让学习真正发生，笔者以项目式学习的相关理论作为指导，整合人工智能课程相关内容，通过让学生深入参与具体项目的设计、实施和评估，帮助学生掌握知识和技能。在项目实施过程中，教师要强调学生的合作交流，注重解决真实问题和作品的产出。笔者在教学实践中不断探索和总结，整理出基于项目式学习的人工智能教学实施策略（图1）。

教师以组织者和指导者的身份参与到学生的项目实践过程中，指导学生以分析问题、解决问题的方法为主，强调学生的项目意识，注重项目管理和团队协作。进而帮助学生小组更好地开展项目式学习，完成人工智能知识的学习，最终形成作品并展示评价。

教学实例：校服检测系统的设计与制作

基于实际的教学情况，笔者在开展了一定图形化编程和开源硬件应用的社团班进行人工智能项目“校服检测系统的设计与制作”的教学，主要包括训练模型、Mind+编程实现算法、MaixDuino开发板实现图像识别、开源硬件实现门禁控制等技术要点。项目总共8个课时，历时4周。

1．创设情境，确定主题

人工智能的项目式学习注重使用人工智能技术解决真实的问题，学生学习到的知识和解决问题的能力最终也会反馈到真实的生活中，这要求项目式学习所产生的效果应当与真实世界产生某种实际的联系。因此，项目的启动要从学生身边真实的问题出发，激发学生项目探究的兴趣。

本项目联系学生的校园生活，引出学生的真实体验：每天都有一些学生不按学校要求穿着校服、不按要求佩戴红领巾等情况出现，这些情况也会影响班级的总体德育评分，不利于学校的管理。教师鼓励学生进行思考，每位学生可能只关注到每天自己进入校园时看到的个别现象，如果把范围扩大到全校几千名学生身上时，就会有一个突出的问题：“需要检查的学生数量大，花费时间跨度长，检查效率低”。问题提出后，很容易引起学生的共情，自然地引出了项目的需求——设计一个校服（红领巾）检测装置，帮助学校进行高效地管理。接下来的环节水到渠成，学生分小组讨论，基于已有的知识储备，充分发散思维，逐步探讨和形成项目创作的主题。

2．设计论证，制定方案

学生以小组形式开展的项目式学习，实际上是以项目作品创作的过程为载体，通过合作的形式共同完成知识的建构。本案例的项目式学习，学生要学会结合已有的知识储备，将项目的基本信息、项目实施计划、作品设计、项目汇报计划、问题预测和解决策略等内容整理出来。

项目方案是整个项目实施的基础，对于能否顺利完成项目十分重要，这是学生小组合作的开端，也是学生整体性思维和信息意识培养的重要环节。学生往往会在这个阶段产生较大的困惑，这就需要充分调动学生的合作意识，此时教师的合理指导就显得尤为重要。教师引导学生以成果为导向，逆向思考方案的设计，可以有以下类似的提问“展示作品的形式具体怎么做”“最终要呈现的作品有哪些功能”“实现作品的功能，需要用到哪些技术”等。教师根据项目实施过程中可能遇到的困难设置问题，引导学生形成合理方案框架，也要适当地加入学生方案细节修改的讨论中，一方面给予学生修改建议，另一方面可以帮助所有的小组成员适应项目式学习，打好小组合作的基础，完成本阶段项目实施方案的制定。

3．合作探究，创意物化

学生创作项目作品，是对已习得的人工智能知识和技能的实践和验证。项目作品的创作实际上是解决具体问题的过程，学生在解决问题的过程中完成人工智能课程内容的学习和巩固。“校服检测系统的设计与制作”项目作品的物化过程，大体解决了四个关键问题：如何判断是否有学生经过、如何识别学生是否穿了校服、识别到未穿校服后如何处理和作品能否在真实环境中部署。

以问题为驱动，学生很容易把握住作品设计的要点，将项目进行模块化分解，逐个击破关键问题，再进行整合，从而不断优化算法设计和作品制作，最后体现在代码的模块化和作品的整体性上，有利于培养学生的计算思维，深化人工智能技术在解决真实问题方面的应用。上述的几个问题将项目的主要技术和原理巧妙地融入其中，以第二个问题“如何识别学生是否穿了校服”为例，教师授课时主要通过以下策略解决关键知识点的学习。

一是人工智能实现的一般过程。教师先给学生展示一个从来没见过的动物“鼠兔”的图片，让学生说出鼠兔的特点。在学生对鼠兔有了一定的猜想后，在众多的老鼠和兔子等动物的图片中找出鼠兔的图片，所有学生都能很快地找出鼠兔。教师引导学生思考他们是通过“观察图片认识鼠兔→判断鼠兔→选择鼠兔图片”三个步骤挑选出鼠兔的，进而总结出人工智能实现的一般过程：感知→学习和决策→付诸行动。

二是校服识别模型训练。此环节主要通过MaixHub模型训练平台完成校服识别模型的训练，学生在教师的示范讲解下，掌握模型训练的四个步骤：创建数据集、配置训练参数、模型训练、模型部署。最终学生通过平台协作，对数百张图片进行标注，并完成了模型的训练。该模型可以直接通过摄像头线上部署，也可以下载为kmodel文件供MaixDuino开发板部署使用。

三是MaixDuino开发板的使用。教师提供参考代码，讲解如何使用Mind+编程软件在MaixDuino開发板中运行kmodel模型，对代码中的变量、锚点、模型初始化等主要内容进行详细的讲解，以便学生能理解算法运行的内在逻辑，为学生后续的创作和优化打好基础。教师基于活动过程适时地采用学习支架策略创设或改变学习情境、氛围，持续维持学生的学习积极性和活跃性[4]。项目的实施过程中教师有意识地强调项目作品的创作是一个不断验证和改进的过程，针对典型的问题进行讲解，引导学生对作品存在的问题开展后续的改造。

4．总结展示，知识迁移

完成项目作品的物化创作不是项目式学习的终点，学生需要总结和梳理项目实施的整个过程，进行思维迁移，提炼项目实践的过程、经验和思维方式，并应用到新的项目学习和创作中。

作品完成后，各小组要完成项目设计书、展示PPT、演示最终作品等，用以汇报项目的设计思路和创作过程，分享创作经验。教师根据学生小组的汇报对他们的项目成果做出综合评价，鼓励学生以批判性思维对自己作品的设计进行论证，找出优点和缺陷，并给出作品改进的思路，如能否同时识别校服和红领巾、能否实现多人同时检测、能否添加语音提示、不穿校服的数据如何统计等。同时，教师鼓励有能力的学生进一步优化作品的设计，或者尝试使用人工智能知识解决其他真实问题，激发学生后续创作的热情。

教学评价和效果分析

案例中对学生的评价，主要从个人评价和小组评价两个方面进行。个人评价以学生自评、组内互评和教师评价三个方式进行，主要关注的是学生个人知识技能、合作沟通、思维情感等方面的评价。小组评价以组间互评、教师评价为主，主要关注项目式学习过程中小组的团队协作、作品质量、汇报效果等方面的评价。教师在评价中，要同时关注学生项目式学习的过程和结果，既要重视最终作品的完成质量，也要重视学生在项目实施过程中的合作、沟通和动手实践能力。

随着项目实施的深入，学生的学习主动性有所改善，合作解决问题的能力得到提升，每位学生都能在项目式学习的过程中展现自己的闪光点，学生基本都能根据自己的能力特长负责相应的项目内容，最终的作品完成度都比较高。学生在解决问题的过程中逐步收获成功，建立了学习人工智能的自信心。

人工智能是一门新兴学科，其相关的教学内容第一次在课标中出现，目前中小学信息科技教师大多没有人工智能知识背景，缺少系统地开展人工智能课程教学的能力。本文结合笔者的教学实践，总结了中小学人工智能项目式学习的四个环节“确定主题、制定方案、创意物化、总结展示”，探索如何构建高效的人工智能课堂，以期为新课程标准中人工智能模块的教学提供新的思路。

注：本文系广东省教育科学规划2021年度中小学教师教育科研能力提升计划重点项目“‘轻人工智能课程在中小学教育的实践研究”（课题批准号：2021ZQJK059）研究成果

参考文献

中央电化教育馆. 中小学人工智能技术与工程素养框架[EB/OL].（2011-11-30）[2023-05-17]. https：//www.ncet.edu.cn/zhuzhan/tztgao1/20211130/5505.html.

中华人民共和国教育部. 义务教育信息科技课程标准（2022年版）[S]. 北京：北京师范大学出版社，2022：2.

张丰. 重新定义学习：项目化学习15例[M]. 北京：教育科学出版社. 2020： 2-3.

段波. 面向计算思维发展的中学人工智能课程活动设计[J]. 天津师范大学学报（基础教育版），2022，23（1）： 53-58.

编   辑：冯艳艳