三维编程教学中项目式学习的实践与探索

【摘 要】本文以“智能垃圾分类”为项目主题，创设真实情境，指导学生利用三维编程工具，通过项目式学习激发学生的学习兴趣，在项目实践过程中培养学生的团结协作意识、计算思维和数字化学习创新的能力，创新课堂教与学模式，促进学生全面发展。

【关键词】项目式学习;三维编程;小学

【中图分类号】G434 【文献标识码】B

【论文编号】1671-7384（2022）08-032-03

2017年7月，国务院发布《新一代人工智能发展规划》明确指出，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育[1]。2019年5月，习近平总书记给国际人工智能与教育大会的贺信中明确指出：培养大批具有创新能力与合作精神的人工智能高端人才，是教育的重要使命[2]。可见，人工智能教育在国家发展中的重要性愈加突出，编程教育作为人工智能教育先导性和基础性内容，其在小学阶段的普及愈加具有关键性的意义。本文以北京市海淀区某小学五年级学生编程社团课程“智能垃圾分类”为例，系统地探析了项目式学习在三维可视化编程教学中的应用实践与创新。

核心概念解释

1.项目式学习

项目式学习（Project-Based Learning，PBL）是以项目为中心，以学习者为主体，以一定时长的小组合作为基本组织形式，按照“提出问题与假设—验证假设—解决问题—展示与分享项目成果”流程进行的，使学生的团队协作、创新发现、探究实践等综合素质与能力得到提升的一种学习模式。

2.三维图形化编程

三维图形化编程采用3D技术手段，借助图形化、积木化的编码优势，能够有效激发学生学习的动力和兴趣，增强学生学习的体验感和获得感，有助于学生计算思维、空间思维、数字化学习创新能力的培养。同时，程序界面的友好和易操作性比起语法繁琐、代码枯燥的其它编程工具更具优势，让教学能更加聚焦在问题的分析、建模及解决方案的设计上，从而更好地培养学生运用技术解决实际问题的能力，切实提升学生的信息素养[3]。

项目实施

“智能垃圾分类”项目的实施包括：确定主题、项目分析、解决问题、总结评价四个部分。实施全流程如图1所示。

1.确定项目主题—— 创设真实场景

在项目式学习中，通过师生共同确定一个好的项目主题，激发并牵引学生进行整体构思、设计、合作完成学习任务，在这个过程中，学生会主动借助各种途径，获得与主题任务相关的各类内容，通过分工与合作，最终完成项目。因此，通过创设真实情景确定项目主题是项目式学习成功的关键环节。

在确定项目主题时，教师需要依据《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》[4]中的学科核心素养，结合教学目标和班级学情，以访谈或者调查问卷等方式，充分做好学习主题的前期调研工作，以确保该主题能充分调动学生学习编程的积极性。以“智能垃圾分类”项目为例，在导入环节，教师展示了垃圾分类的生活实景图，并组织学生对于垃圾分类这一身边热点进行讨论与思考，提出问题：“为什么要进行垃圾分类？”“你认为垃圾分类还存在哪些需要解决的问题？”，经过学生头脑风暴，归纳出“垃圾分类能够有效减少环境污染;能够废物利用、变废为宝”“有些人的垃圾分类意识不足;垃圾类别多，不能有效地进行分类;垃圾桶经常由专人值守，费时费力”……经过激烈的交流讨论之后，教师设置驱动性问题“如何有效解决这些问题？”最后，师生共同梳理总结出可以通过自动识别、投放计数和语音播报等功能实现无人值守的“智能垃圾分类”作为项目主题。

学生通过头脑风暴的方式开展项目主题的讨论，实际上是鼓励学生在面对真实的、复杂的问题时，能够大胆地发现问题、剖析问题并思考如何解决问题，有助于学生高阶思维的培养。最终，在教师的引导、点拨下，解决问题的思路和方法逐渐清晰，形成内化的能力，今后在解决其他问题时，能够进行知识、方法和能力的迁移。

2.深入项目分析—— 强化逻辑思维

在确定项目主题后，教师需要引导学生进行项目分析，项目分析一般包括角色分析、角色功能分析、功能实现分析。以“智慧垃圾分类”为例，项目角色包括垃圾桶、标识牌、垃圾、背景等;角色功能包括投放识别、计数、语音播报等;功能实现方法即如何通过编程实现角色的功能。在项目分析环节，采用分组进行全量要素分析的组织形式，即各小组均对项目角色、角色功能、功能实现等全量要素进行分析，再由教师进行点拨、梳理和总结。

（1）项目角色分析

在项目角色分析过程中，教师先让各小组进行组内讨论，然后再选一组学生进行发言，其他小组学生进行补充，最后再结合垃圾分类的现实场景图进行比对、总结。经讨论分析，最后总结出本项目涉及的角色：垃圾桶（4种）、标识牌（4种）、垃圾（若干类）、背景（1幅）。

（2）角色功能分析

经讨论分析，本项目共涉及投放识别（判断垃圾投放是否正确）、计数统计（给投放次数和得分计数）、语音播报（程序运行开始时，语音播报垃圾分类宣传语;垃圾投放时，语音播报垃圾是否投放正确;程序运行结束后，语音播报最终得分）三大功能。

（3）功能实现分析

在功能实现分析环节，主要从场景维度对功能实现的逻辑关系进行深入的讨论和梳理，通过各功能之间的有效衔接和配合，实现垃圾的智能分类。

深入进行项目分析这一环节在整个项目式学习中起到承上启下的作用，一方面帮助学生从整体上把握项目的实施逻辑和流程;另一方面帮助学生通过项目问题解决中涉及的抽象、分解、建模等思维活动，注意到具体场景中应关注的现实细节，从而引导学生将知识建构、技能培养与思维发展融入到运用数字化工具解决现实问题和完成任务的过程中。

3.解决项目问题—— 突出分工协作

本项目涉及多个角色，多组功能，在经过项目整体分析确定项目角色和角色功能以及功能实现逻辑之后，进入解决项目问题环节。本环节主要包括问题解决的方案设计、随机实施和交叉验证三个活动。

活动一：方案设计。教师根据角色功能将学生划分为A、B、C三个小组，其中，A组负责垃圾投放识别功能的方案设计、B组负责计数统计功能的方案设计、C组负责语音播报功能的方案设计，学生根据自己的兴趣加入不同的小组，教师则按照“组内异质、组间同质”的分组原则对各组成员进行适当调整。需要指出的是，在本活动中，A、B、C三个小组虽然有各自主要负责的设计任务，但在完成自己小组指定的设计任务之后，还需要对其他两个设计方案进行讨论，为下一个活动环节做好准备。

活动二：随机实施。在各组完成各自的设计任务之后，由A、B、C三个小组进行随机抽签来确定本组的编程任务，原则是“本组对其他组的设计方案进行编码实现”，各小组需要向抽到本组设计方案的小组进行设计方案介绍并答疑。例如，B组抽到了A组的设计方案，则A组需要向B组进行垃圾投放识别功能的方案设计介绍并答疑，B组按照A组的设计方案进行投放识别功能的编码实现。这样就将工程实践中的项目实施流程场景与课堂教学活动相融合，不仅可以提高学生的表达能力和协作能力，更能体验当前科技企业产品设计与产品研发工作场景中真实的模拟演练，也体现了“产教融合”的模式和理念创新。

活动三：交叉验证。各组完成各自的编程任务之后，小组之间进行交叉验证。这是参照了目前科技企业产品测试环节的真实场景，各组交叉验证可以在一定程度上体现黑盒测试、白盒测试、系统测试、回归测试的测试理念，帮助学生进一步系统地认识编码工作的全流程、全场景。此外，通过交叉测试还可以发现在方案设计、编码实现环节中所忽视的问题，有助于项目的优化完善。经过交叉验证后，在教师的指导下，各组学生分工协作将功能进行整合，最终完成整个项目。

解决项目问题是项目式学习中最关键的环节，在这一环节中，学生的计算思维和数字化学习与创新能力将得到培养。在解决项目问题的过程中，学生能够采用计算机可以处理的方式为问题设定边界，进而在界定的问题范围内对抽象问题特征建立对应的结构模型，再根据之前的已有知识技能和生活经验，通过判断、分析以及综合各种信息资源，形成合理的解决方案。在各组学生完成项目任务的过程中，教师对于指令运用不熟的学生加以引导。学生们在“学习—实践—合作交流（反思）—实践”过程中，不断完善自身认知结构。此外，笔者团队对于本项目每个环节中运用到的指令应用方法都提供了模块化的微课，有助于学生自主学习，并将所学内容在项目中进行实践验证。

4.项目总结评价—— 引导交流分享

项目任务完成之后，教师引导各组进行成果交流，分享在制作过程中获得的经验和遇到的问题，针对问题提出解决方案等。通过学生自评、组内互评、组间互评、教师评价等多种评价方式对交流的作品进行点评。在完成项目任务的过程中不仅使学生的计算思维、数字化学习与创新能力得到了提高，还锻炼了学生协同工作的能力，提升了团队协作意识。在成果交流的过程中，提升了学生问题梳理、总结反思的内化能力，同时也培养了学生知识成果分享的良好习惯。

在本课实施的评价环节中，增加专家点评环节，笔者团队邀请区域环保单位和相关环保科技企业的专家从科技创新、节约环保角度，对学生作品进行了分析，并从项目设计、制定计划、项目实施、项目验收等角度讲述了项目管理的相关知识，对于学生今后从事新的项目提供了很好的经验借鉴案例。此外，专家还提出“如何有效进行除菌？”“垃圾桶装满之后该如何处理？”等问题作为拓展知识，供学生课后思考。

总结展望

基于项目式学习的三维编程实践选择学生感兴趣的现实场景作为项目主题，采用项目式学习的教学组织形式开展，有效激发了学生的积极性和参与度，在兴趣的牵引下和思维碰撞的火花中，程序指令不再枯燥，问题与困难转变为“游戏关卡”，知识的学习、应用与迁移达到了事半功倍的效果，不仅落实了《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》中信息意识、计算思维、数字化学习与创新、信息社会责任的核心素养要求，拓展了智能时代新型教与学的课堂范式，还通过引入社会资源，实现校内校外资源的打通，实现了校企融合、产教融合。未来，在项目设计与实践方面我们将考虑借助程序扩展功能，调用外部智能硬件设备，如AR/VR眼镜等智能穿戴设备，让学生能够在自己设计的作品中以第一视角进行体验，从而进一步提升学生的获得感和求知欲。

参考文献

国务院. 国务院关于印发新一代人工智能发展规划的通知[EB/OL]. http：//www.gov.cn/zhengce/content/2017-07/20/content_5211996.htm，2017-07-20.

新华网. 习近平向国际人工智能与教育大会致贺信[EB/OL].http：//www.xinhuanet.com/politics/leaders/2019-05/16/c_1124502111.htm，2019-05-16.

崔东伟. 基于计算思维的编程教学实践研究——以“冬奥会化学程序制作”为例[J]. 中小学信息技术教育（科技冬奥·教育专刊），2021.

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）[M]. 北京：北京师范大学出版社，2022.

作者单位：北京市海淀区教育科学研究院