基于CBL的学习理论模型设计与意义——以智能声控为例

张正富 山东省临沂龙腾小学

人工智能教育课程是针对中小学生开展人工智能科普教育的课程，对培养创新思维有着较高的实践价值。因此，笔者对人工智能教育中创造性思维的培养开展了探索，并以华莱士的创新思维四阶段论为基础，设计了创造性思维学习模型及教学流程。

●基于CBL的人工智能教育学习理论模型

基于CBL的人工智能教育学习理论模型由内及外分为问题层、过程层和表现层。问题层以自然、社会与个人三个方面来取向问题，引导学生面向真实世界的问题；过程层培养学生抽象思维、联想思维、灵感思维和评估思维等四种思维，分别对应华莱士创新思维四阶段论的准备、酝酿、豁朗、验证四个过程，以此来设计创造性思维的教学流程；表现层则以发现问题、分析问题、设计编程、测试迭代四个外显的学习活动为表现方式，串联起整个课堂中学生的学习过程。理论模型如图1所示。

图1 基于CBL的学习理论模型

1.问题层：基于真实世界的核心问题设计

问题是所有研究和学习的根源，而人类世界的问题主要来源于个人、社会和自然三方面。其中，个人情境包括个体自身、工作、家庭和校园生活等，基于学生日常接触到的环境发现问题，源于生活又高于生活，使学生尝试从生活点滴中发现问题并尝试解决，对学生有着较高的吸引力；社会情境关注社会上的一些热点话题，如人口问题、食品安全、环境污染等，注重所学知识在社会上的应用，并潜移默化地对学生进行信息社会责任教育；自然情境则与当今人类面临的挑战相关联，如全球变暖、病毒、自然灾害等，设计开放性问题，鼓励学生大胆思考和想象。

2.过程层：培养创造性思维的教学流程

过程层以华莱士的创造性思维四阶段论为基础，将准备、酝酿、豁朗和验证四个阶段与创造性思维的思维方式相对应，确定了以抽象思维、联想思维、灵感思维和评估思维为指向的教学过程。

第一步，创设情境。引导学生将所要研究的问题从真实情境中抽象出来，发现问题的本质。

第二步，联想回忆。回忆之前所学知识，将与本问题相关的内容进行提取并整理，这是解决问题前的准备阶段，只有知识和思维积累到一定程度，才能进入下一步的顿悟。

第三步，灵感突现。在知识的酝酿中找到思维的线，并发现问题的解决方式，从而达到“豁朗”的阶段。

第四步，验证更新。找到解决方法后将其应用于真实情境，检验是否具有普适性，并根据真实情境再次迭代。

在教学流程中，教师通过问题链搭建学习支架，并采取小组讨论、循环问诊的方式促进全班学生的深度交流，通过协作探究的形式完成对问题的分析和解决。

3.表现层：指向创造性培养的外在表现

表现层是学生进行创造性活动的外在表现，笔者综合杜威、华莱士等学者关于创造性思维的理论，结合人工智能教育特点，将学生表现归纳为发现问题、分析问题、解决问题和测试迭代四个模块，分别对应抽象思维、联想思维、灵感思维和评估思维四种思维方式。发现问题指学生在面对问题情境时，能够敏锐地察觉到造成该现象的原因，并提出问题。分析问题重视学生对问题的拆解，面对一个复杂的问题，将其拆解为小问题，并用自然语言描述出解决问题的方法。解决问题关注学生利用计算思维将自然语言转化为程序性语言，利用流程图和编程语言分步骤解决问题。测试迭代是自我评估与生生互评的阶段，通过验证与交流展示，发现产品问题，迭代更新，泛化推广。

●基于CBL学习理念的智能声控系统教学实践

1.设计背景

本节课源自《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》第三学段（5～6年级）的“过程与控制”单元，设计的主题是“小型开关系统”，涉及系统与模块、逻辑与运算两部分内容，是小型开关系统跨学科主题活动中的核心。

本课面向的群体为6年级学生，随着对知识的积累和对事物体验的深化，学生在分析问题的过程中，可以抓住事物的关键。该学段的学生已经接触过图形化编程，有一定的编程基础；理解能力相对较强，抽象概括能力有了明显的发展，对数学、科学、美术知识已有相应的储备。

2.问题链设计

基于CBL学习理念，笔者以《智能声控》一课为例进行问题链设计。核心驱动问题：如何借助人工智能技术，设计一款高效便捷的设备来解决校园噪声？在此核心问题的引领下，又将其拆分为四个子问题，分别对应四个学习活动。在提出问题活动中对应如何解决校园中的噪声；在分析工作流程活动中对应智能声控系统如何工作；在创意编程环节对应智能声控系统如何编程运行；在优化迭代活动中对应如何改进现有的声控设备。其中，提出问题、分析工作流程、创意编程、迭代优化学习活动四个环节分别对应抽象思维、解析思维、创新思维和评估思维。几个问题层层递进，在解决问题的过程中推动学生思维发展（如下页图2）。

图2

3.教学设计（如下页图3）

图3

（1）发现问题

教师提出问题：在学校生活中，“校园噪音”已成为困扰师生正常工作学习的一大问题，虽然采取了很多措施，但成效甚微。你能否利用人工智能技术，制造一款高效便捷的设备来解决这个问题呢？

设计意图：展示校园生活中的噪音片段，引导学生从真实情境中抽象出本课的驱动性问题——如何利用人工智能技术设计一个智能声控系统？此问题是课堂的核心，通过这一问题引入学生的思考和讨论，开启后面的探究和学习。

（2）分析问题

问题1：智能声控系统是如何提醒人们降低噪音的？

学生结合生活实际思考智能声控系统可以通过哪些方式提醒人们降噪，并用自己的语言进行描述。

问题2：可能用到哪些模块和元件？

学生回忆学过的模块和元件，提取相关知识，锻炼联想思维。

问题3：系统的工作流程是怎样的？

学生用自然语言描述系统工作流程，并通过小组合作的方式书写流程图。

设计意图：在此环节，教师引导学生将一个大问题分解为几个小问题，使学生明白一个大的系统可以分解为多个系统，每个系统也可以分为多个模块。教师从“提醒方式”“所需模块与元件”“工作流程”三方面提问，学生结合生活实际与所学知识思考交流，用自己的语言概括出智能声控系统的工作流程，以及工作流程对应的三个环节——输入－计算－输出，并书写流程图。本环节重视学生对问题的分析能力和对新旧知识的联想与回忆，在问题驱动、讨论交流中积累解决问题所需知识，为下一环节的顿悟做准备。

（3）解决问题

教师提出问题：我们已经知道智能声控系统的工作流程，可是该系统如何编程运行呢？同时，教师出示本节课需要用到的新积木，搭建学习支架。学生根据教师发布的任务小组合作，根据自己书写的流程图编写程序。在编程过程中学生相互交流讨论疑难点，之后教师总结答疑。

设计意图：为学生搭建学习支架，自主编写程序，锻炼学生自主学习的能力。有了知识储备，有了讨论交流，学生更容易激发灵感，发现更有创造性的问题解决方式。

（4）测试迭代

教师提出问题：现在，智能声控系统已经大致完成，你认为还有什么需要改进的吗？

测试迭代分为两个环节：第一环节是教师提供噪音的取值范围，学生借助分贝仪调整程序中的数值，测试并优化程序；第二环节是学生思考如果将本系统投入使用可能会出现什么问题，小组交流寻找解决方法，讨论如何推广应用。

设计意图：将设计的物品应用到真实场景中，发现不足，优化迭代。通过学生自评、生生互评，学生在不断探讨中评估自己的设计并迭代，发展评估思维。

●基于CBL学习模型设计教学的意义与影响

1.理论模型验证了人工智能教育培养学生创造性思维的有效性

基于CBL的人工智能教育教学设计理论模型，通过真实情境的问题导入，经过抽象－联想－顿悟－评估的思维过程，提升学生以创造性思维为核心的解决问题的能力，有效促进了学生创造性思维的发生和发展。

2.通过问题驱动的教学策略，促进学生创造性思维的发展

基于CBL的学习模式以问题为核心引导、建构教学流程，教学重点从基础知识与技能的传授转化到思维的培养，改善了传统教学模式的呆板固化，彰显了思维教学的流动性。在设计问题时，教师根据问题分类选择有现实意义的问题，关注问题的可实操性、可探究性。在分析与解决问题的过程中，将核心问题作为中心点，学生围绕其不断思考、讨论、探究，教师充分尊重学生的想法，时刻关注学生思维发展动态，及时予以引导，确保讨论围绕核心问题进行，适时抛出子问题，引发更深入的交流，激发新旧知识间的关联，不断同化和顺应学生的知识库，高效提升学生的抽象、联想、灵感思维，生成优质课堂资源。测试迭代环节展现矛盾点，促使学生不断优化解决方案，反复评估方案内容，极大地促进评估思维的发展。

3.创设基于CBL的教学流程，促进学生问题解决能力的提升

在创造性思维的培养过程中，学生较难理解抽象、分析、评估等创造性思维概念，因而教师将其化作具体的问题和活动形式呈现。利用信息科技的技术工具作为学习支架，有效地将思维可视化和可“听”化。

4.基于CBL的学习模型，将计算思维和创新思维有机融合

在基于CBL的学习模型中，双线并行，一条是问题驱动下智能声控系统设计测试的明线，一条是计算思维和创新思维交织融合的暗线。本模型将计算思维和创新思维有机融合，打通了学生从开源硬件到编程软件基本知识和技能的学习，不是单纯的技能训练，而是深刻挖掘技术背后的科学原理和学科思维，符合新课标“科”“技”并重的学习理念。将计算思维和创新思维有机融合，可以帮助学生更加高效、精准和具有创造性地解决问题。