面向人工智能素养培育的5E-AI虚拟仿真教学实践

【摘要】文章以国家实施的人工智能赋能行动为导向，以信息科技新课程标准为出发点，全面提升人工智能素养，教师以“AI虚拟仿真-未来城市体验”主题教学为例，根据5E教学理论分五阶段构建社团课堂，即情境吸引—设计探究—原理解释—总结迁移—多元评价。在具体实践中，教师以3D虚拟仿真实验室为平台，赋予学生真实问题解决过程，让学习者以未来城市管理者角色，控制自动巡航机器人，运用图形化编程完成自动巡线、智能识别、机械控制和城市清洁任务，为面向素养培育的AI虚拟仿真学习活动探索教学模型，提供具有可行性分析的实践依据。

【关键词】初中；人工智能；虚拟仿真；信息科技

【中图分类号】G633.67【文献标志码】A【文章编号】1004—0463（2024）15—0038—05

目前，将初中阶段开展的人工智能教育延伸至小学高年段，培养适应未来的综合型人才已成为社会发展趋势。人工智能作为信息科技教育的尖端领域，学生的学习行为、教师的教学方式都将迎来重要变革[1]。优化后的5E教学模式在这样的教育契机下应运而生，具有易操作、效率高、易控制等优点。基于此，笔者将5E教学模式应用于小学AI虚拟仿真教学之中，分析具体学情，构建面向人工智能素养培育的5E-AI教学模式，并验证其有效性。

一、背景分析

（一）研究背景

目前，信息科技课程、校本课程、社团及STEM教育是人工智能教育的主阵地。其中，信息科技学科是小学高年段人工智能普及教育能否实施的关键学科，因此，探索人工智能教育领域的教师需要突破自身学段壁垒，尝试贯通式设计[2]。这些需求指向三个问题：第一，明确小学高年段人工智能教育的总体目标是什么，需要整合什么内容。第二，借助怎样的平台并且有效整合资源。第三，如何在项目学习环节层层递进，逐步驱动学生挖掘信息科技原理，培养学生的素养。

（二）研究价值

依据新课标，查阅文献、资料，在参考相关国内外学者研究的基础上，笔者提炼出小学阶段人工智能核心素养的内涵，包括人工智能意识，将为学习者运用AI思想解决问题提供核心驱动力；人工智能思维，能够增强学生厘清思路、选择合理方法的科学性和全面性；人工智能应用创新，将深度探究、发现原理和总结规律的学习过程，转化为学生拓宽视野、实践创新的新路径；人工智能社会责任，会使学习者形成运用信息科技力量、改善现有生活模式的正向价值观。5E教学模式正是以培养人工智能素养为宗旨，帮助学生亲身探究实践过程，这与初中人工智能教育的总体目标衔接紧密。

（三）研究创新点

1. 5E教学模式及其优势。5E教学模式是由探究式教学形式发展演变而来，其命名来源于五个典型环节，分别是吸引（Engage）、探究（Ex？ plore）、解释（Explain）、迁移（Elaborate）和评价（Evaluate）[3]。国外相关研究证实，把5E教学模式应用于信息科技教学，对培养学生的探究学习投入度、小组讨论的参与度和社会责任感的培养能发挥出推动作用。国内研究则发现5E教学模式在不同学段人工智能模块教学中的适用性，以及5E教学模式的五个环节都对人工智能素养一项或多项的培育产生积极影响[4]。

2.面向人工智能素养培育的5E-AI虚拟仿真教学模式。五个教学环节为课堂具体表象的5EAI虚拟仿真教学模式的主要环节，提倡学生体验与领悟，即在AI情境中实现人工智能意识的感知，在AI设计探究中运用人工智能思维解决问题，在AI原理解释和总结迁移中开展人工智能应用创新，在AI多元评价中秉持人工智能的社会责任，这完整体现出人工智能是计算机用数据处理来模拟人类智能的技术，人工智能素养是人类个体运用信息科技思想理论、在问题解决过程中形成的综合思维活动和全面行为表现[5]。因此，5E-AI虚拟仿真教学模式符合人工智能素养培育的总体要求。

二、研究策略和教学实验流程设计与实施

（一）研究策略

在信息科技社团教学实践研究中，教师要把5E-AI教学模式应用于人工智能，要求教师剖析课程设计架构，由学生在虚拟仿真这类数字化环境中应对实际问题提出方案并着手解决。

（二）教学实验流程设计

以该研究策略为出发点，笔者大量阅读和整理文献，结合小学生的认知水平和学习特点，参照新课标中人工智能素养的评价分类方法，以人工智能意识、人工智能思维、人工智能应用与创新和人工智能社会责任这四个维度对学生实验教学前后人工智能素养的提升情况展开测评及访谈调查，根据教材和学情分析设计教学实验。教学实验流程设计如图1所示。

（三）教学实验流程

笔者对4所教育集团片区内的实验校展开研究。4所学校在甘肃省兰州市城关区教育评估中排名接近，最高排名与最低排名差距<10，各校抽取5-6年级4个编程兴趣社团，并分为1个实验组和1个对照组，实验共抽取188名学生，展开问卷测评并对数据统计分析。前测部分对两个组学生上学期社团信息开展问卷测评，结果是两组学生水平相近。对照组人数94名，并延续传统教学模式；实验组人数94名，采用5E-AI虚拟仿真教学模式教学。负责本次教学的四位教师，担任该校五、六年级的信息科技社团教学，从事专职小学信息科技教学10年左右，教学经验丰富且具备优秀的信息科技教学能力。收集实验前后测数据，导入SPSS软件开展样本t检验，反映出对照组前后测达成率接近，而实验组学生人工智能素养4个维度的前后测达成率均呈现显著性增长。参与教师的访谈结果显示，对新教学模式的接受程度，由中立态度转变为愿意继续使用这种教学模式的积极态度。因此，5E-AI虚拟仿真教学模式应用于小学高年段信息科技社团教学，能显著提升学生的人工智能素养水平。

（四）教学实践过程

自动驾驶、智能识别和机械控制是人工智能领域最热门的应用，也是科技创新社团热衷于开展的教学内容，以“AI虚拟仿真-未来城市体验”为例，结合道路巡逻安全宣传和智能城市清洁的主题任务，阐述面向人工智能素养培育的5E-AI虚拟仿真教学流程。

1. AI情境吸引，提升人工智能意识。吸引环节赋予学生科学家、决策者和执行者角色，设计完整学期课程的连贯剧情，教师以AI虚拟仿真技术，创设贴近学生现实生活的主题情境，以生动有趣的剧本串联主题任务，引导学生初步感知人工智能，知道它的使用价值和存在意义，调动他们对人工智能的探索热情，培养学习者的人工智能意识。

2. AI设计探究，运用人工智能思维。教师在探究环节可采用多种分组方式组建学习小组，实现团队成员间的优势互补，根据任务结构，加深对问题的理解，鼓励学生使用逻辑流程图等方式描述AI的实现过程。此外教师要适时反馈，了解学生现有水平与发展空间的认知距离，为推动下一环节奠定基础，在逻辑建构中培养学生的抽象思维能力，培养学生的人工智能思维。

3. AI原理解释，应用人工智能判断。在解释环节中，学生以小组为单位总结汇报探究成果，由团队成员提供数据，用客观事实阐明发现的原理和规律，在课堂中形成科研氛围。在此基础上，教师结合双方的回答，做出权威解释，并展示完善后的人工智能原理或结论，引发学生对应用该原理的深度思考。在知识迁移阶段，教师设置“基础、提高、拓展”的分层任务，提升学生的综合素养，以小组协作的方式设计出作品，再参考对照大组之间的反馈建议，进一步优化作品。解释环节和迁移环节，是相辅相成的，旨在达成人工智能应用创新层面的培养目标。

4. AI多元评价，秉持人工智能责任。一是评价环节的课中形式。评价环节在吸引、探究、解释、迁移环节的课中表现形式主要来自学生自评和生生互评，以小组协作和大组对比的形式开展，再添加教师的评价部分，使得评价量表综合、客观、科学。以上部分都由学生在教、学、评一体化下的线上数字教学系统中直接录入，平台分析个人学习数据，精准掌握学情，助力教学。平台也能展开数字化教学数据分析，包含教师上课次数、内容分析与统计，课件、作业批改相关量值分析，体现出数字课堂的即时性和高效性。

二是评价环节的课后形式。适当的激励机制能带给学生持续的学习动力，维持信息科技探索动机。第一种方式是课后作业的布置和及时批阅反馈，虚拟实验室平台支持下发、收集学生的AI实践作业，教师可以进入3D虚拟环境运行程序，检测执行情况对学生评分和文字反馈。学生登录平台，可以查阅教师评语，发现自己的闪光点和需要努力的方向，实时关注作业所体现的认知发展情况。虚拟实验室平台能够“以智助学”和“以智助教”。反馈评价不应只是发生在每节课后，在完整的项目学习结束阶段，教师可以组织学生梳理复盘本次“未来城市体验和管理”的全部内容，激励学生利用课余时间挑战总体任务的机器评分纪录，激发学生探索内在规律的动机，改进后续教学策略。

三是评价环节的责任属性。主题教育教学活动指向“智能社会责任”这一最终目标，采用5E-AI虚拟仿真教学模式，能够引发学生对“城市管理者”社会角色的思考。虚拟仿真环境培养学生的畅想能力，满足小学高年段学生对未来人工智能社会的想象，激发他们对虚拟仿真编程技术的学习积极性，能够为迎接人工智能社会的到来做好准备。

三、教学评估与反思

（一）总结评估教学

问卷测评的评分方式采用李克特五级评分法，以2-18周、每周2课时共34课时的社团教学活动为实验周期，实验组统计问卷的前后测目标显著性差异分析，发现四个维度前测中“对照组与实验组”的评估数据均无显著性差异（p>0.05）；四个维度后测中“对照组与实验组”的评估数据均呈现显著性差异（p<0.05），得出结论：面向人工智能素养培育的5E-AI虚拟仿真教学模式，可以显著提升学生的人工智能素养评估目标，如表1所示。

（二）亮点和研究价值

经过第九周的中期测评和第十八周的最终测评，基于这两轮教学实践验证，得出面向人工智能素养培育的5E-AI虚拟仿真教学模式繁荣创新点：一是学生在虚拟仿真教学数字化平台上开展探究实践活动，完成创意规划设计，并在合作交流、分享展示作品过程中，培养了建构知识能力，提升了逻辑思维水平。而基于人工智能素养总体目标的全新培育形式，能够助力人工智能基础教育的普及开展。二是教师在数字化教学与管理平台、教学数据可视化分析的手段加持下，精准分析学生学情，合理调控评估过程的做法，丰富了教学模式。以此为基础开展的学习活动涵盖面广、模拟性强、规范程度高，教师组织创设情境、明确分组、开展合作、指导答疑、分享展示和数字化评价等教学活动，凭借其科学性和全面性，能够助力虚拟仿真教学活动的有效实施。

（三）问题和解决途径

本次教学实验所采用的人工智能教学主题AI模块具有普适性，利用自动驾驶、智能识别和机械控制来提升话题热度。但是教学实践开展过程中，笔者发现还需结合学生个体差异性，掌握学习者对不同教学内容的兴趣点，从而优化调整教学内容以及教学环节的设计。针对不足之处，教师可在教学准备期间，设计开发更多教学资源和跨学科主题内容，以供学生自由选择。在选择过程中，学生根据兴趣选择不同内容，自发分组，探究实验发现其中所蕴含的技术原理、人工智能规律等相同点，形成社团学习中、同一主题架构下不同学习内容的内在联系。

教师应提升内容重组、活动重组、资源重组的二次开发能力，不断提升自身的人工智能素养，以便实现课程重构、智慧融入以及促进教育业态新的生长。线下教学促进师生互动，加快科学研讨氛围的形成，真正实现以智助研，借助模拟计算、数据挖掘等手段，构建数据驱动的研究新范式，不断深化规律性认识，积极引导AI技术合理应用，让技术进步服务师生。

参考文献

[1]褚金岭，谢忠新.面向素养培育的人工智能体验式学习活动设计与实践——以“人脸识别”教学为例[J].中小学数字化教学，2023（10）：35-39.

[2]魏小山，黄凌峰.中小学人工智能普及教育的贯通式设计[J].中小学数字化教学，2024（02）：81-85.

[3]路启明.基于5E教学模式的中学物理教学探究[J].学周刊，2024（06）：71-73.

[4][5]周星宇.5E模式在初中生数字化学习与创新素养培养中的应用研究[D].广州：广州大学，2022：10-19.

（本文系2023年度甘肃省“十四五”教育科学规划课题“融入虚拟科学实验的小学图形化编程教学策略研究”的研究成果，课题立项号：GS[2023]GHB0561）

编辑：宋春宇