“AI++”项目化教学模式赋能小学人工智能课程探究

沈晓飞

摘  要：人工智能是信息科学领域最前沿的学科之一，被称为是“连接未来的技术”。2017年，国务院印发的《新一代人工智能发展规划》明确提出：在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育，鼓励社会力量参与寓教于乐的编程教学软件、游戏的开发和推广。然而，国内的人工智能教学起步较晚，在实施过程中，难免会出现学生学习积极性不高、课堂互动方式单一、知识传授效率低下、技能实践内容相对较少等问题，这严重影响了学生的学习体验。文章分析了学生在学习人工智能课程中影响其积极学习体验的因素，介绍了一种能够让学生更好地产生积极学习体验的“AI++”项目化教学模式，力求打造出“妙趣横生”的人工智能真实课堂。

关键词：项目化学习;人工智能课程;学习体验

一、人工智能需要学习的内容

（一）重体验：体验技术发展，搭建通信渠道

“玩是学生的天性。”心理学上，美国的心理学家洛钦斯认为：“学生对一个事物的首因效应在很大程度上决定着学生的学习态度。”人工智能教育给学生留下的印象如果是一行行难懂的代码，或者是一个个冰冷的传感器，这对学生人工智能学习兴趣的打击将会是毁灭性的。目前，小学信息技术课程中，AI相关内容的编排主要是用游戏化编程工具设计AI技术小游戏，掌握AI基本知识，感受AI技术与自身学习、生活中的紧密联系，认识AI技术给生活和学习带来的便利。教师借助AI技术搭建“现实生活”与“虚拟世界”通信的“桥梁”，使学生在了解了相关理论技术的同时，还在选择自己感兴趣的方向上进一步学习。

（二）学思维：培养计算思维，建立数模链接

人工智能相关内容涉及的领域非常广泛，但无论是语音识别、图像识别还是语义理解、图像辨识，都离不开机器学习。机器学习研究计算机、感知现实世界，并尝试通过模拟的方式实现人类的一些学习行为和获取知识的技能，并能改善自我。其中解决计算机感知现实世界的问题，是连接计算机领域二进制世界与人类社会三维世界的“桥梁与纽带”。因此许多地区小学开展的STEM与创客教育中，均存在探究机器学习的相关内容，都离不开培养学生的编程能力与计算思维。学生通过编写算法、调试优化、建立模型，解决了一些简单的生活问题。对学生而言，这是他们理解技术、应用技术的必经之路，也是实现自我价值的重要方式——拥有一个更灵活、更高效的大脑，这将会成为以后研究人工智能技术的重要工具。

（三）练能力：探究技术应用，挖掘信息价值

计算思维是运用计算机科学的基础概念进行问题求解、系统设计，以及人类行为理解等涵盖计算机科学广度的一系列思维活动。在小学阶段，人工智能教育为学生解决日常生活中的各种问题提供了保障，同时启发和培养了学生利用建模、编程等工具获取有用信息、解决实际问题的意识。

例如，学生在遇到不会做的题目时，可以主动使用人工智能设备进行查询，或者在进行科学观察作业时，可以利用人工智能设备获取观察对象的信息，提高科学观察的效率，甚至可以设计简单的信息系统来监控家里植物、宠物的健康状况，防止植物枯萎、宠物捣乱等。这些情境，正是学生通过人工智能内容的系统学习后，对技术产生感性的认识下，自然、真实发生的，也是人工智能教育的魅力所在。学生能够认识到，AI不仅能够解决问题，还是自身思维和能力的延伸，蕴含着巨大的信息价值。

综上，小学阶段，AI教育主要面向的是小学生。因此AI教育应以体验为主，培养学生的学习兴趣。在掌握了基础的AI知识后，教师再指导学生学习简单的图形化编程，通过编程实现一些简单的AI技术应用，培养学生的计算思维、利用AI技术获取有价值信息的能力，以及利用人工智能技术和设备解决生活问题的意识。

二、人工智能课程面临的问题

（一）学习过程中的利与弊：积极与消极学习体验

在学生的学习过程中，积极学习体验是指学生在学习中能够通过自身努力掌握的知识，这些知识能够归纳到学生的原有认知中。学生在学习这些知识或者技能时，有很强的求知欲，也能获得很高的学习成就，由此而产生的一种积极的、持续很长一段时间的学习反馈。这样的反馈经常出现在学生的一些编程作品中。相反，消极学习体验是指学生在学习知识或者技能时，因为自身认知能力、听讲状态、心理因素等综合原因，无法内化知识和技能，产生了困惑、抵触、失望的心理体验，并在之后一段时间不再从记忆中提取，甚至遗忘的学习反馈。

由此可见，积极的学习体验可以让学生更乐于学习知识和技能，接受并有运用于实践的主观能动性，而消极的学习体验会极大影响学生的学习积极性，打击学生的学习信心，甚至影响到学生后续的学习进程。

（二）学习体验中的苦与乐：理论知识与实践体驗

人工智能的理论知识，主要是其中涉及的人工智能发展的历史性知识、工作的原理性知识、应用人工智能技术的技术性知识等。这些知识难免都需要通过教师的讲授，或者使用一些形式单一的呈现方式系统地传授给学生。循其宗旨，更好的知识储备是为学生的实践提供保障。但学生在学习这部分知识时，学习动机、学习成就、学习兴趣普遍较低，其知识的接受程度也与学生自身能力水平有着很大的关联。

人工智能的技术实践，通常是使用智能套件，通过通用数据交换端口接驳传感器与主控板。在主控板中编写算法，主要使用图形化编程，通过拖放事先设计好的基础程序模块实现更加复杂的算法。学生在使用人脸识别软件、图像识别工具、人机交互套件等进行实践时，有较强的学习动机、学习成就和学习兴趣，教师教授的方式也是灵活的、多样的。但是这样的形式存在很大的不确定性：学习能力强的学生可以“无师自通”，主动探究，动手实践，从中获得学习的快乐，达到很高的学习成就;学习能力低的学生可能“不知所措”，由于缺乏基础的操作知识和实践能力，其学习道路上“荆棘重重”“困难层层”，容易灰心丧气、一蹶不振。

（三）学习反馈中的扬与抑：促成积极学习体验的有利条件与不利条件

对教师而言，选用合适的教学手段是促成学生进行积极学习体验的关键，尤其是对那些比较难懂的通识原理知识。教师应善于将这些知识用学生喜闻乐见的形式呈现给学生，或者将知识进行分解、重组、创编、精细化，以降低学生的学习门槛，提高学生的学习接受能力。一堂人工智能课并不总是充满积极学习体验的，一旦学生产生了消极学习体验，并被其所支配，对学生而言，这堂课就成了“噩梦”。首先，一旦学生的原有认知没有达到接受人工智能基础知识的水平，学生就会“手足无措”。其次，一旦学生对教师教授的内容产生了质疑或者困惑，得不到解答，学生就会“开小差”“窃窃私语”，产生诸如课堂低语等不利于课堂开展的行为。最后，一旦教师对人工智能知识缺乏深刻的认识，或者没有使用合适的教学手段，学生就容易“乱作一团”“无所适从”。

综上，相比其他学生有一定的知识储备和基础内容，人工智能的教学更依赖学生产生积极的学习体验，只有解决这些矛盾，人工智能课堂才能“妙趣横生”。

三、“AI++”项目化教学模式的教授内容

在人工智能发展的今天，对人工智能的教学，应“追本溯源”，从人工智能背后起到支撑作用的计算思维、编程能力学起。“AI++”从学生的计算思维出发，鼓励学生进行创意实践，从以下几个方面促使学生进行积极学习体验。

（一）项目化教授与知觉型学习，助力计算思维的培养

学习者的学习方式不是单一的，不同学生接受知识的途径也不相同。解决学生在知识获取上的矛盾，关键就是能否让学习真实有效。美国的小学普遍推行了一种学习模式——项目化学习，这可以使学生主动探索现实世界的问题和挑战，让学生领会到更深刻的知识和技能。

以下课例可以实现上述技能：教学内容是教师设计一个人脸识别仪。例如，图书馆需要统计不同年级的学生人数，教师先让学生体验快速记忆“学生和年级”的小游戏，学生体验游戏，得出结论：关键是记住这个人的长相特征。接着，教师呈现AI识别人脸的工作流程，学生绘制出流程图，并在流程图中加入对图形化编程模块的认识。学生以小组为单位进行分布设计，应用人脸注册算法、人脸识别算法、人数统计算法。教师再针对性地指导学生优化算法：通过对学生年级的学号编码优化识别算法;通过建立列表优化识别过程等。整堂课，学生体验到的是当堂学习的知识和工具，可以高效解生活中的实际问题。知识是螺旋上升的，体验是循序渐进的，因此项目化教学可以帮助学生在思考复杂问题前，停一停，想清楚再前行，试一试，探寻最优解，跳一跳，建立模型，让学生的思维由点到面、由窄变宽。

知觉型学习是学生能够对外在的环境做出快速判断，在繁杂的信息中提取出关键信息的能力，可以理解为学生统整信息的能力。在“AI++”人工智能课堂上，思维本身也可以是处理和统整信息的一套机制。

例如，社团课在学习“智能自动驾驶汽车”时，教师将所有的传感器和对应的算法都摆在一起，让学生挑选感兴趣的部分进行分组教学。具体而言，教师组织一场“智能驾驶汽车招标会”，让每个团队交流自己设计出的自动模块，即如何将不同的设计用到整个自动驾驶控制系统中。学生在学习和实践的过程中，明白了使用通用变量，规范应用接口，要根据实际情况灵活调整设计等知识。“AI++”培养了学生的知觉型学习能力，这种统整信息能力可以帮助学生在面对复杂的问题时，统整信息，寻找突破，获得更积极的学习体验。

（二）实用价值导向与工程逆向思维，助力创意实践的升华

人工智能的课堂，如果不稍加引导，学生的创意实践很有可能变为技术价值导向——一种一味堆技术，盲目增加科技感的创意实践。“AI++”倡导实用价值导向的创意实践。如在设计一个“智能床”时，学生对智能床的认识就是智能床要安装足够多的传感器，监控使用者的一切;造型要足够酷炫，有未来感，才能称得上是智能床，以及安装机械手臂后，智能床能够实现更多的功能……在发现学生的技术性创意实践为技术导向后，教师提出了讨论主题：“智能床的意义在哪里，从使用者的角度去思考。”最后，学生将床的功能重新定义为：符合使用者的日常习惯，帮助使用者了解舒适环境，辅助使用者简易起居活动的床。由此看出，创意实践应该是有范围的，不能一味地“输出技术”，应当有知觉、有方向，这样的创意才能迸发出思维的力量。

工程逆向是指在不能獲得必要的生产信息的情况下，直接从成品推导出产品的设计原理。在“AI++”的课堂上，教师鼓励学生进行这样的工程逆向：通过观察一种智能产品，分析它们可能使用到的AI技术，可以一定程度上规范对这类产品的使用。

例如，在《你的计步器是否准确》一课中，教师给每个小组分发摄像头，请学生自己注册人脸，然后再到教师的电脑上进行识别。学生发现，人脸的识别率不高，并自己去研究原因，规范使用摄像头采集图像信息的细则。教师让学生进行工程逆向的尝试，并不是为了“复制”产品，而是让学生更好地理解设备的使用局限，更规范地使用设备，以培养学生在调试时敏锐发现偶发性错误的能力，大大减少高失败率带来的消极学习体验。

综上，“AI++”的项目化教学模式能够帮助学生轻松获得积极的学习体验，让学生获得更多探究的机会;教师要在体验中引领学生的数字化学习，打造出高效的信息技术课堂。

参考文献：

[1] 陈凯泉，何瑶，仲国强. 人工智能视域下的信息素养内涵转型及AI教育目标定位：兼论基础教育阶段AI课程与教学实施路径[J]. 远程教育杂志，2018，36（01）：61-71.

[2] 范洁. 义务教育阶段人工智能课程开发的思考与探索[J]. 中国信息技术教育，2018（19）：93-94.

[3] 张勇. 推进有路“巧”为径小学人工智能教学探索[J]. 中国现代教育装备，2022（06）：50-52.

[4] 陈凯泉，沙俊宏，何瑶，等. 人工智能2.0重塑学习的技术路径与实践探索：兼论智能教学系统的功能升级[J]. 远程教育杂志，2017，35（05）：40-53.

[5] 钱斌. 智慧教室环境下小学信息技术课程体验式学习策略：以“调整图形”一课为例[J]. 中小学电教：教学，2021（03）：17-18.

[6] 孙月琴. 浅谈现代信息技术在小学科学教学中的应用：以科教版小学科学教学为例[J]. 天天爱科学：教育前沿，2023（12）：60-62.

[7] 张冠付. “双减”政策下应用信息技术助力小学数学分层作业的探索[J]. 天天爱科学：教育前沿，2023（11）：129-131.

[8] 林尚锋. STEAM教育下小学信息技术课堂教学分析[J]. 试题与研究，2023（35）：191-193.

（责任编辑：张涵淋）