PBL设计促进AI教育的深度学习
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作者:黄伟祥
从对目前信息技术课堂中AI教育实践的观察可知，学生关键能力的培养没有达到预期效果，学科教师教学还是大面积进行工具性教学，在这种陈旧固化的教学模式培养下，模仿就成为学生完成作品的主要方法。久而久之，这些教学方法会造成学生批判性思维、科学精神、迁移想象、自主创新和问题解决能力的缺失。而采用项目式教学切入，可有效改变这些现状，促进学生的深度学习，实现高效课堂的三个相结合：经验与知识相结合、活动与体验相结合、迁移与应用相结合。
● 探寻PBL内涵，构建设计模型
项目式PBL是基于问题学习的教学模式，是指把学习设置于复杂的、有意义的问题情境中，通过让学生以小组合作的形式共同解决复杂的、实际的或者真实性的问题，来学习隐含于问题背后的科学知识，形成解决问题的能力，并发展自主学习和终身学习的能力。采用项目式教学能有效解决AI教学深度学习的问题，让学生亲身经历选定项目—制订计划—活动探究—作品制作—成果交流—活动评价等活动，体验学—做—创的过程，重构AI课堂教学的组织方式、实施策略、评价方式，从而促进学生的计算思维、分离、推理、建模、简约、转化等思维的发展（如图1）。
● 探索真实情境，确立项目方向
项目选择要源于生活，以现实生活情境为导向，让学生通过一系列真实的、有吸引力的和有挑战的真实问题学习，从而掌握重点知识和技能，提升学生批判性思维、问题解决、合作和自我管理的能力。本项目源自2019世界人工智能大会各种高科技产品的亮相，其中，自动驾驶汽车成为大会的焦点，并且在展馆体验场内进行了汽车上下坡、红绿灯、斑马线、遇到红灯、行人过马路等场景的测试，测试结果引起各方的热议。学生对“为什么没有人把控方向盘驾驶，汽车都会自动驾驶到指定的地点”觉得非常神奇。此项目来源于真实生活，建立于学生的兴趣，是在真实问题驱动的基础上建立的。基于以上的认识，师生共同确立研究项目为“神奇的智能小汽车”。
● 制订学习方案，明确研究计划
为了更好地完成项目，让项目切实可行地执行，制订一个详尽的研究计划至关重要，计划可以从项目工具、项目目标、项目问题、实施方案等方面进行制订。
1.项目工具
六年级学生对Scratch软件基本操作比较熟练，并且有浓厚的学习兴趣，可以自主地完成一些简单的任务。通过项目式学习来学习侦测模块指令和复合模块的搭建，来解决实际问题，引导学生感悟可视化编程的奇趣，提升学生的计算思维能力。
2.项目问题
如何使用Scratch中的侦测指令，实现虚拟无人驾驶汽车？
3.项目目标
通过Scratch编程模拟无人驾驶的过程，让学生学会侦测指令判断是否碰到某种颜色或角色，并通过自主探究，尝试完成小汽车的直线行驶;通过小组合作，实现弯道自动转向行驶和避让障碍物的方法。
4.实施方案
①查阅网络资料。通过网络了解无人驾驶技术的原理及核心技术;让学生知道无人驾驶汽车是通过车载传感器感知道路环境、车辆位置和障碍物信息，控制车辆的转向和速度，从而使车辆能够安全、可靠地在道路上行驶。②查阅模块指令功能。确定Scratch侦测指令，并区分、、三种侦测指令的功能及使用方法，为模拟无人驾驶制作提供技术支撑。③确定无人驾驶汽车线路状况，研究如何实现弯道行驶技术。④明确传感器添加位置。⑤小组分工。绘制无人驾驶汽车、绘制汽车线路、模拟生活场景绘制情境图、编写Scratch程序。⑥成果发布及评价。
● 探求项目实施，体验学做创
1.构建真实情境，联结新旧认知
教学伊始，教师播放两个视频。视频一：日常驾驶员驾驶汽车情况;视频二：无人驾驶汽车在路上行驶的情况。在学生看完视频后，教师提出问题：视频一和视频二驾驶员驾驶汽车有什么不同？从视频二里我们可以看到：驾驶员的手全程脱离方向盘，汽车依然能够根据路况自动行驶，教师顺势明确这就是无人驾驶技术。通过联结学生新旧认知，为下一步项目探究做好学习铺垫，并激发学生对人工智能学习的兴趣，明晰本项目的学习任务就是制作“神奇的智能小汽车”。
2.分析生活情境，确定行驶线路
在现实生活中，汽车路况是多样的。因此，教师启发学生：要制作出怎样的小汽车才算是成功的呢？学生在小组内进行头脑风暴，并形成共识：能让小汽车开动不算很成功，因为它没有实现“智能”，能按照要求进行运动才属于智能小汽车。虽然大家都对这个观点非常认同，但学生仍有疑问：小汽车能否智能行驶呢？怎样才能实现呢？教师顺势告诉学生，智能小汽车潜力无穷，需要大家不断学习和研究才行，这节课我们从智能小汽车基础部分做起。请以小组为单位，结合日常生活情境再次研究，小汽车运动应该有哪些路况？通过小组讨论得出的结论：小汽车运动路线应该有以下三种：直线行驶、弯道行驶、障碍物避让。
3.项目任务拆分，从易到难突破
编程对于小学生来说是比较困难的，根据学生的认知规律，教学时采取先易后难的方式进行，目的是激发起学习兴趣，避免学生畏难情绪的发生。
（1）自主探索，直线行驶，引出指令
教师向学生提问：假如你是驾驶员，在行驶过程中，你认为最理想的道路情况是怎样的？学生一致认为直线行驶是最理想化的路况，并利用Scratch自主编写程序实现沿直线行驶的小汽车（如下页图2）。
小A同学很快就通过运动模块中的坐标指令和实现了小汽车直线行驶（如图3）;小B同学用侦测模块中的碰到颜色指令和运动模块中的移动指令也实现了小汽车直线行驶（如图4）。此时，教师提出这两种方法都可以让小汽车直线行驶，哪一种会更符合我们现实生活中的情境呢？经过小组头脑风暴和全班思辨后，大家都认为用小B同学方法好一些，因为小A同学的方法有局限性，如果遇到复杂的路况就没法实现。这样的设计既把经验与知识结合起来，又把舊知与新知联结起来，从而明确小汽车复杂路况行驶要用侦测模块来解决，为下一步突破弯道行驶技术指明了方向，促进了学生批判性思维的发展。 （2）分解任务，弯道行驶，突破难点
为了突破弯道行驶的难点，教师播放视频让学生了解现实中的无人驾驶是怎么实现的。学生通过视频学习，知道无人驾驶汽车通过车载传感器感知道路环境、车辆位置和障碍物信息，控制车辆的转向和速度，使车辆能够安全、可靠地在道路上行驶，从而明确关键部件就是传感器，并提出问题：在模拟的小汽车中，传感器应该添加在哪里？有什么作用呢？学生通过小组讨论认为，传感器应该用两种不同颜色添加在小汽车车轮的位置处，根据颜色不同的特性，可以用侦测模块中的“”指令来判断是否压线，如果碰到就要旋转。也就是说，小汽车在行驶过程中遇到右转弯道时，右轮会压线，这时如果右轮位置有一个传感器，判断是否压线，如果压线就要提示小汽车右转。以此类推，如果小汽车遇到左转弯道，左轮会压线，左轮位置的传感器，判断压线提示小汽车左转。这样，就能实现神奇智能小汽车自动转向了。
对于核心问题的分析，小组汇报都是你一言我一语完成的，是零散的、碎片化的，对于小汽车何时直行、何时左转及何时右转，没有整体的认知，所以，通过规范的语言重述、画图重现思维及思维导图重现要点都是对学习非常有必要的。
这个环节是本课时的教学难点和重点，学生理解有一定的难度。教学时，教师可以就地取材，在黑板上画出轨道，并用粉刷模拟小汽车在轨道上行驶，通过动态模拟演示，让学生知道小汽车何时应该直行、何时应该左转、何时应该右转。让问题联系生活实际，从模拟生活情境中明白原理，并归纳解决问题的方法，从而培养学生概括、抽象和分解的能力。
（3）实践体验，搭建程序，解决问题
在师生思辨原理后，教师提供基础的程序搭建范式供学生参考（如下页图5），让学生完成程序编写，并要求学生制作小汽车能在线路1（如下页图6）和线路2（如下页图7）上智能行驶。大部分学生编写的程序都能实现小汽车在线路1上的智能行驶。但用同样的程序在线路2上行驶时，小汽车出现了翻车或脱离了原定轨道的事故，这究竟是怎么回事呢？通过日常生活经验和程序调试经验得知，事故的原因是车速太快以及旋转角度、路线设置不合理。这个环节，让学生通过实践体验搭建程序，并在程序测试中发现问题、分析问题、解决问题，渗透了“做中学、学中做”的教育理念。
在项目实践体验过程中，学生不仅要自主搭建程序，更要小组协作讨论学习中遇到的困难，形成学习共同体，与老师、同学共同解决问题，在学习知识与技能的过程中培养学生团队合作的意识及协作关系，提升学生的合作力。
（4）拓展提升，避开路障，鼓励创新
学生创新能力的培养不是一朝一夕就可以完成的，需要我们在教学中不断积累与践行。为了激发学生创新的欲望，教师鼓励学生用“画笔”设计一些独特的路线，让小汽车能够安全平稳驾驶，这样既强化了路线设置的合理性，又增强了学习的主动性与趣味性。同时，为了进一步模拟路况实景，教师提出：如果路上有障碍物，小汽车遇到障碍物怎样才能自动调头，避免撞上去？通过师生的讨论，引出“”指令判断，这个拓展问题是给学有余力的学生一个发挥的空间与平台，实现让能飞的孩子飞起来，让能跑的孩子跑起来，让能走的孩子走起来，最大限度满足不同层次的学生的成长需要。
● 作品展示交流，项目评价反思
项目化学习的最终成果展示可以通过作品展览或交流的方式进行。公开自己的作品，不仅可以让学生变得更有学习动力，让学生再次回顾自己项目制作历程，促进学生反思，而且可以让所学的知识变得可视和易于讨论，让整个项目制作具有真实性。在“智能神奇小汽车”制作完成后，教师组织进行小组与小组、同学与同学之间的交流展示，既分享成功的喜悦又可以畅谈失败的收获，激发学生求知的欲望和实践的激情。
项目化評价是伴随着成果展示产生的，它指向学习目标，具有目标—实践—成果—评价的一致性。评价过程中多元主体参与，运用过程性评价和总结性评价策略，让评价促进学生真正投入到项目式学习中。在教学实施过程中，教师可以对每个学生的表现进行评价，各小组也要对其他小组作品进行评价，每个学生也要针对自己在解决问题过程中的表现进行评价。这是对学生勇于实践的一种认可，能充分调动学生的创作激情和坚持下去的勇气。
● 结束语
人工智能教育作为面向未来教育的一个新起点，引导着孩子们自信、从容、理性地迎接即将到来的科技新时代。本项目通过真实情境选定项目、制订计划、活动探究、作品制作、成果交流和活动评价等环节，促进了学生计算思维的深度学习，提升了学生对人工智能的认知，培养了其设计能力、逻辑思维能力、动手能力、项目协作能力及科学探究精神。.
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