巧用UMU平台创新人工智能课程教学模式*——以《智能桌椅》项目教学为例

项慧芳 陈 琦 陈 旎

（厦门市思明区观音山音乐学校，福建 厦门 361000）

《义务教育信息科技课程标准（2022 年版）》正式将“人工智能与智能社会”纳入7～9 年级的课程内容体系中。作为一线的信息科技教师，人工智能是一门新兴技术，如何在普及型大班化的课堂中开展好该课程的教学，这是我们信息科技教师亟待研究和探索的课题。2020 年厦门市启动“人工智能进百校”项目，作为试点校，我们积极开展普及型人工智能教育的实践探索。

一、人工智能课程教学模式变革缘起

《中小学人工智能课程开发标准》明确了人工智能课程目标就是要培养适应未来智能社会的关键能力，包括人工智能意识、技术应用能力、实践创新思维和智能社会责任。如果在人工智能课程教学中还是采用传统的课堂知识传授型的教学模式，必定会极大地限制学生技术应用能力和实践创新思维的培养。基于此，我校信息技术备课组面向智能时代人才培养需要，落实立德树人根本任务，聚焦课堂变革，深化科技赋能，积极探索人工智能课程教学模式的变革方向，尝试利用UMU 平台（以下简称UMU）创新人工智能课堂教学，实现“线上+线下”的新型混合式人工智能教学模式。

二、基于UMU的混合式教学模式变革的可行性

UMU 是一种网络互动教学平台。它提供空间，允许教师自建课程，可以将课堂教学的每个环节所涉及的微课、视频、图片、文档等相关学习资源添加到该网络课程中，方便学生自主学习；同时该平台还提供讨论、提问、作业、拍照上传、考试等互动功能，如果将这些互动环节设计到网络课程中，应用于课堂教学，可以使课堂教学互动形式更加多样化，学生参与的面更广，教师更加快捷地获得学生学习情况的反馈，适时调整教学进度和教学策略。

人工智能课程在专用教室上课，该教室装备了整套的人工智能相关套件，覆盖无线网络，学生们2 人一台笔记本电脑，可以保证随时访问互联网资源。同时，笔记本自带的摄像头和麦克风，也方便学生将创意设计制作的作品拍照或录像上传，及时地分享到平台上，保证每个作品都能得到展示，不因课堂时间有限而限制绝大多数同学分享展示的机会。因此在人工智能课堂上可以较好地利用UMU 实现教学模式的变革。

三、基于UMU的混合式教学模式实践

以“智能桌椅”项目为例，具体介绍基于人工智能混合式课堂教学的具体实施过程。

（一）课前准备，搭建数字学习环境

《智能桌椅》项目活动主题来源于学生实际生活情境，人工智能教室是专用教室，配置着较多的设施设备，如果学生们上完课后不及时收纳整理，不仅使整个教室看起来杂乱无章，更影响到下一个班同学的学习。激发学生是否可以使用学校提供的Ukit Explore 套件，设计一款可以自动提醒学生下课后及时做好收纳整理工作的课桌椅。在授课前，教师在UMU 中创建新课程，将Ukit Explore 套件中相关传感器的学习资源以微课、视频、课件或网站链接等多种形式按授课的流程一一呈现。同时提供Ukit Explore 积木件的基本搭建方法以及课桌椅模型的基本设计思路等资源，引导学生根据自己设计的课桌椅功能，选用合适的传感器，设计搭建课桌椅，并编写好相关的控制程序。学生在课堂授课的自主学习环节，根据自己的设计思路，自主选择所需选择合适的学习资源，有效地管理学习过程。

（二）课堂教学，构建协作学习环境

为更好地推进人工智能启蒙教育，实现教学目标，针对我校人工智能教学的环境、目的以及学情，在日常的人工智能课堂教学中，我校人工智能备课组以项目式学习为抓手，采取“吸引、探究、解释、拓展和评价”的“5E”教学法。

下面以主题为“智能桌椅”的项目教学为例进行说明。

1.吸引：创设真实情境，引入项目主题

照片导入：人工智能教室上课前后状况对比，提醒学生要养成及时收纳整理的卫生习惯。

驱动性问题：如何帮助教师设计一款“智能桌椅”，使它可以及时提醒学生上完课后及时收纳整理？

UMU 平台使用：学生在上课初始先登录UMU 平台，查看本节课的学习目标，了解本节课的学习内容和项目成果的评价标准，做到有的放矢。

人工智能课程是实践性极强的课程，通过该课程的学习培养学生技术应用能力和创新思维能力。只有将所学知识和技能用于解决生活中的实际问题，才能更好地激发学生探究欲望和学习兴趣。因此本项目以学生日常生活学习中经常见到的问题作为驱动，基于真实情境开展学习活动，在实际问题的解决过程中激发学生创新意识和问题解决能力。

2.探究：问题链驱动，激发学生深度学习

教师提出一系列的层层递进的探究问题链，激发学生深入思考并培养主动学习的精神。

探究问题1：如何感知设备或椅子没有正常归位？需要用到什么传感器？

探究问题2：该“智能桌椅”要使用到哪个执行器或装置实现提醒功能？

探究问题3：该“智能桌椅”在什么情况下发出提醒？如何设计程序？

探究问题4：该“智能桌椅”如何搭建，在结构设计上应注意哪些问题？

UMU 平台使用：在UMU 提供课程中添加“讨论”的互动环节，创设“如何感知设备或椅子没有归位？”“可以采取什么方式进行提醒？”“桌椅搭建应注意什么？”等探究问题进行讨论，使用线上讨论的方式，可以让更多的学生参与到问题的思考过程中，而不是传统课堂教学中，因时间有限，仅一两个学生阐述观点的弊端。同时，通过实时呈现学生观点并及时反馈，激发学生的好胜心理和表现欲望。

3.解释：检验是否真正理解所学内容

环节一：眼灯的工作原理，如何编程驱动其使用。

环节二：为什么红外传感器和超声波传感器都可以测距？

环节三：红外传感器和超声波传感器的区别。

UMU 平台使用：学生通过自主学习UMU 中微课视频和课件，掌握相关传感器的工作原理、课桌椅结构设计要求以及积木件搭建的基本技能技巧。教师针对学生自学中提出的疑问和困惑进行实时解答。引导学生结合自己对智能桌椅功能的设计，选择合适的传感器，并动手搭建课桌椅模型。

这一阶段是课堂教学的中心环节，采取线上自主学习和线下教师及时点拨释疑的方式，让学生获取知识，掌握技能。在实践过程中，学生是主体，教师的作用是引导和帮助。学生根据自己的学习节奏和认知特点以及作品功能设计，利用UMU，合理地筛选需要的学习资源，进而有效地解决问题，实现数字化学习。

4.拓展：学以致用促进知识和概念转化

教师展示个别小组的作品，引导学生分析同伴的创意设计，并提出拓展问题：“智能桌椅除了具有桌椅收纳提醒功能以外，还可以增加哪些智能功能？”在学有余力的情况下，可以对自己的作品进行改造提升。

UMU 平台使用：学生在完成作品之后，利用笔记本电脑的“相机”功能将本组作品以视频的形式录制并且上传提交到UMU 平台。同时可以在平台上查看其他小组的创意作品。利用线上提交作品的方式，可以让每组作品都能得到展示，解决因课堂授课时间有限而无法展示所有作品的问题，激发学生的学习热情，充分体验了学习的挑战性和成就感。

5.评价：多维评价，多人评价

知识技能评价：如何通过编程实现红外传感器、超声波传感器获取数据结果的条件判断，如何驱动眼灯或蜂鸣器使用？

思维提升评价：总结完成“智能桌椅”项目的主要步骤？

情感态度评价：小组是如何分工？每个人分别擅长什么工作？

UMU 平台使用：教师组织学生通过UMU 的“评价”功能来对提交的项目成果做出评价。引导学生对自己的作品从知识技能、思维提升、情感态度等维度进行自评，对其他小组的作品从功能实现、创意设计、结构稳定等维度进行互评。

（三）课后拓展，促进知识巩固提升

人工智能是多学科融合的课程，在课堂上，教师不可能将相关知识都讲透讲细。因此，放在平台上的相关资源就可以让学生在课后深入学习和探究，这些资源会长期保存在UMU 上，便于学生随时调用进行个性化学习。UMU 能自动、精准、完整地记录学生参与各项内容的学习情况，以便教师及时了解学生的学习。UMU 提供“课程积分榜”“课程达成榜”“卓越学习榜”和“积极学习榜”等排行榜，教师只要在下一次课堂教学前，展示各积分榜情况，就能很好地促进绝大多数的学生进一步地参与到相关课程的学习中，推动和保持学生持续学习和探究的热情。

四、实施效果

运用UMU 将“线上+线下”学习有效地融合，整堂课既保留了传统人工智能课堂中师生互动的热烈气氛又有线上自主探究学习能力的提升，学生对于人工智能学习的积极性大幅度提高，取得了良好的教学效果。

1.解决个性化教学的需要

个性化教学就是要根据学生的兴趣和偏好，以及所掌握的知识程度来设计针对性的教学方案，包括课程设计、课程表现形式、课后作业、课外知识补充等方方面面的内容。原来教师资源过于失衡，教师完全不可能针对众多的学生来个性化设计课程。运用UMU 互动学习平台能够获取足够多的课堂教学中的学生数据，甚至校外生活的数据，方便教师针对每个学生设计一个个性化的教学方案。这给教学带来巨大的变革，给每个个体带来适合自身成长的教育之路，也为教学公平铺平了道路。

2.满足多学科多层次知识问答需要

当代学生被称为智能一代，同时，由于数字媒体信息传播的丰富、全面和快速的特点，也造就了这一代学生的学习渠道多样及知识面广泛的特点。而相对年龄差距较大的教师则由于先天的成长经历造成的知识结构，很难满足这一代学生的知识需求。运用UMU 互动学习平台，把学生课程及所延伸的知识，按照所涉及的人、事、地、物和组织来构建知识图谱。同时结合其他人工智能技术，形成智能问答，智能推荐和智能引导的智能学习辅助体系，从而满足学生的数字化学习，以及多学科、多层次的知识问答和学习的需要。

3.精准掌握学生学业成长

传统的学生档案记录是片面的和断点的，未能反应一个学生的真实学习情况，更无法真实掌握学生的生理和心理成长情况。为此，运用UMU 互动学习平台可搜集学生全过程学习数据。通过人工智能对各方面样本数据进行训练，形成多维度的人工智能识别能力，从而有效解释与预测学生的学习表现。同时，教师也能根据掌握的学生状况来确定学科教学目标，优化教学过程，调整教学策略。当然，除了学业数据，如果能利用各种智能穿戴设备、语音识别设备和眼球追踪设备来收集更多学生的生理和心理行为数据，那么就能掌握学生的情感状态和心理状态，挖掘学生深层次的行为数据，从而更全面地掌握学生的学业和生活，有效促进学生的成长。

五、结束语

经过近两年的实践探索，学生人工智能的意识和能力都有极大的提高,特别是在创意物化上，学生搭建人工智能的应用模型，尝试解决生活中存在的问题，创新思维得到提升。学生们全国、省、市、区各级人工智能相关赛事中均取得一、二、三等奖的好成绩。因参赛人数多，获奖奖项高，学校还多次获得优秀组织奖。学校备课组在教学过程中积累了一套较完整的人工智能课堂教学资源。教师得到快速成长，备课组成员多次在省、市、区开设主题讲座，发表多篇CN 论文。学校科创教育案例《智能桌椅》也在中国教育学会年会上展示推广。

实践证明，传统的课堂教学模式已经不能适应信息时代背景下学生的需求，而一味地像疫情期间那样完全实施线上教学，因无法实时关注到学生的学习状态，也让一线教师深感其局限性。因此，线上和线下两种教学模式结合的混合式教学模式，可充分挖潜各自教学方式的优势，必将成为未来学校教育教学的主要模式。在这种新的教学模式下，师生的信息素养得到不断提升。