5E項目教學(xué)法在初中人工智能單元設(shè)計中的應(yīng)用研究

[摘? ? 要]我國中小學(xué)人工智能教育尚處于探索實踐的起步階段。人工智能課程注重學(xué)生的體驗與探索，而項目式學(xué)習(xí)和5E教學(xué)法強調(diào)以學(xué)生為中心，能夠較好地激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動機，有助于人工智能課程的開展。研究者以“語音識別之智能小屋”為例，嘗試將項目學(xué)習(xí)法和5E教學(xué)法進行融合，通過5E項目教學(xué)法探索一種適合人工智能通識課程教學(xué)的單元設(shè)計框架，著力培養(yǎng)學(xué)生的計算思維和創(chuàng)新能力，追求有深度的生本課堂。

[關(guān)鍵詞]5E項目教學(xué)法;人工智能;單元設(shè)計;生本課堂

2017年，國務(wù)院發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，并在《普通高中信息技術(shù)課程標準（2017年版2020修訂）》中將“人工智能初步”列為選擇性必修模塊。人工智能教育的發(fā)展得到了國家的重視。[1]2020年，廈門市為全面貫徹落實國務(wù)院《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》精神，深入實施《廈門教育信息化2.0行動計劃》，促進中小學(xué)人工智能應(yīng)用和普及水平穩(wěn)步提升，開展了“人工智能課程進百校”教育試點工作，使人工智能課程作為科普課程（獨立學(xué)科），納入廈門市中小學(xué)必修課程。在國家政策大力支持的背景下，在新課程新課標的“雙新”指導(dǎo)下，人工智能課程注重體驗與探索的教學(xué)策略，讓學(xué)生親身參與并感受技術(shù)給人們生活帶來的改變，從而激發(fā)其對人工智能的興趣。身處科技飛速發(fā)展的時代，學(xué)生要如何認知這個世界，如何將課堂所學(xué)知識遷移到多元領(lǐng)域中？為此，本研究致力于生本課堂的構(gòu)建，基于“大單元視角”，依托5E項目教學(xué)法，堅持以“ 學(xué)生為中心、情境為載體、探究為手段、發(fā)展為目標”，追求有深度、有生成、有意義的課堂教學(xué)。

一、核心概念界定

1.項目式學(xué)習(xí)

美國巴克教育研究所把以課程標準為核心的項目式學(xué)習(xí)（Standards-Focused PBL）定義為“一套系統(tǒng)的教學(xué)方法，它是對復(fù)雜、真實問題的探究過程，也是精心設(shè)計項目作品、規(guī)劃和實施項目任務(wù)的過程，在這個過程中，學(xué)生能夠掌握所需的知識和技能”[2]。《義務(wù)教育信息科技課程標準（2022年版）》倡導(dǎo)真實性學(xué)習(xí)，以真實問題或項目驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷原理運用過程、計算思維過程和數(shù)字化工具應(yīng)用過程，建構(gòu)知識，提升問題解決能力[3]。基于項目的學(xué)習(xí)作為一種教學(xué)方法，可以充分發(fā)揮學(xué)生的主體參與性，在教師引導(dǎo)下，學(xué)生在一個動態(tài)、開放、多元的學(xué)習(xí)環(huán)境中，發(fā)揮小組合作的力量，借助各種信息化手段，收集、整理綜合信息，在知識的探尋中找到解決問題的方法，進而培養(yǎng)創(chuàng)新精神和實踐能力。

2.5E教學(xué)法

5E教學(xué)法最早起源于生物學(xué)科教學(xué)，是一種基于建構(gòu)主義的教學(xué)模式，后因其完備的實用性受到教育界的高度關(guān)注，是美國科學(xué)課堂的主流教學(xué)方法。1989年，美國的生物科學(xué)課程研究（Biological Sciences Curriculum Study）項目組成員拜比（Bybee）等人對“學(xué)習(xí)環(huán)”進行了修改和完善，將其教學(xué)過程劃分為5個緊密相連的階段，依次為“參與（Engagement）、探究（Exploration）、解釋（Explanation）、精細化（Elaboration）、評價（Evaluation）五個教學(xué)環(huán)節(jié)”，簡稱“5E”教學(xué)模式。[4]每個教學(xué)環(huán)節(jié)都有特定的功能，一方面有助于教師的連貫性教學(xué)，另一方面充分挖掘?qū)W生的主體地位，激發(fā)學(xué)生親身參與、主動探索、建構(gòu)新概念，加深對新知的理解，突出知識的創(chuàng)新和應(yīng)用。[5]這將更有助于學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的激發(fā)、學(xué)科知識的理解、探究能力的提升、合作意識的養(yǎng)成。它與深度學(xué)習(xí)理念有著異曲同工之妙，不僅為人工智能教育提供了啟發(fā)和借鑒，也促進了深度學(xué)習(xí)的落地和學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)（見圖1）。

3.5E項目教學(xué)法

由于項目式學(xué)習(xí)是一種動態(tài)的教學(xué)方法，在具體教學(xué)過程中，有些過程比較冗余，操作起來會比較復(fù)雜，這使項目式學(xué)習(xí)在有限時間內(nèi)不易開展。因此，本研究基于課時問題、人工智能課程實施的特點，借鑒生物學(xué)科的5E教學(xué)法，將一般項目學(xué)習(xí)流程進行了改進，圍繞生本課堂，從“引入—探究—釋疑—延伸拓展—評價”五個教學(xué)環(huán)節(jié)進行設(shè)計，形成了既具有人工智能課程特點，又具有個人教學(xué)創(chuàng)新的“5E項目教學(xué)法”。這樣可以簡化項目式學(xué)習(xí)的操作過程，實現(xiàn)在有限課時內(nèi)圍繞核心任務(wù)逐一完成子任務(wù)，提高課堂效率。重構(gòu)后的“5E項目教學(xué)法”（見圖2）反映了2022年版新課標的課程理念，注重以生為本，突出用信息科技解決學(xué)習(xí)、生活中的問題，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)自主、合作、探究的學(xué)習(xí)情境，培養(yǎng)學(xué)生數(shù)字素養(yǎng)與技能。

4.單元設(shè)計

在課程設(shè)計時，應(yīng)采用整體觀點，以課標為出發(fā)點，解讀教材中的單元內(nèi)容，整合單元知識，與上下章節(jié)的內(nèi)容建立聯(lián)系，將零散的知識點以大單元、大項目活動的形式圍繞同一主題串聯(lián)起來，從而使知識系統(tǒng)化、條理化。圍繞單元目標設(shè)計教學(xué)活動，有利于以更高的視角和站位，挖掘?qū)W科本質(zhì)，整體把握知識結(jié)構(gòu)，精準設(shè)計教學(xué)問題，開展高效教學(xué)實踐活動，是滲透教學(xué)價值、發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的有效途徑。

二、人工智能語音識別課程的單元設(shè)計框架

以廈門市海滄區(qū)所采用的威盛創(chuàng)造栗人工智能教學(xué)設(shè)備為例。該設(shè)備有三種主題類型，分別是語音識別、圖像識別和無人駕駛。在實際教學(xué)開展過程中，先使用了語音識別套件進行教學(xué)。接下來將以“語音識別之智能小屋”進行單元設(shè)計（見圖3）。

三、5E項目教學(xué)法

在單元設(shè)計思想指導(dǎo)下，以5E項目教學(xué)法指導(dǎo)人工智能課程的具體實施，形成“以學(xué)生為主體，以教師為主導(dǎo)”的5E項目教學(xué)流程圖（見圖4）。教師通過創(chuàng)設(shè)問題情境，吸引學(xué)生進入課堂，協(xié)助學(xué)生進行任務(wù)探索，引導(dǎo)學(xué)生形成解決問題的思路，啟發(fā)學(xué)生追求更有創(chuàng)意的設(shè)計，最后通過多元評價的方式，幫助學(xué)生進行自我反思和提升。

四、5E項目教學(xué)法指導(dǎo)下的智能門鈴實踐過程

根據(jù)上述構(gòu)建的“人工智能5E項目教學(xué)法實施流程圖”指導(dǎo)單元課時的落實，確保每個課時的子任務(wù)內(nèi)容圍繞核心任務(wù)逐步深入并逐漸完善，使學(xué)生既能完成整體項目，又能獲得連貫性的知識與技能（見圖5）。

1.情境引入，學(xué)習(xí)激趣

在起始環(huán)節(jié)，通過介紹生活中的門鈴視頻案例創(chuàng)設(shè)生活情境，貼切生活實際，讓學(xué)生說說自家門鈴的實現(xiàn)效果，使學(xué)生參與到活動中。緊接著根據(jù)學(xué)生的介紹對門鈴所需的硬件設(shè)備及其功能進行追問，使教學(xué)任務(wù)和原有知識建立聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生對當(dāng)前活動內(nèi)容進行思考。再用人工智能硬件對思考內(nèi)容逐一進行匹配，用程序進行演繹，由此激發(fā)學(xué)生的探究熱情。

2.問題探究，嘗試制作

在中心環(huán)節(jié)，從“快速完成簡要拼裝，實現(xiàn)門鈴效果”直接且簡單的探究任務(wù)入手，并以此為教學(xué)主線，通過依次設(shè)置有層次、有梯度的探究任務(wù)展開學(xué)習(xí)。在探究過程中，學(xué)生會產(chǎn)生認知沖突，教師要鼓勵學(xué)生主動發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，從而培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和探究精神。

3.探究釋疑，深度互動

在關(guān)鍵環(huán)節(jié)，要基于探究任務(wù)存在的問題，進行難點突破。在該環(huán)節(jié)，教師鼓勵學(xué)生說出發(fā)現(xiàn)的問題，闡述解決問題的思路和想法，以此為基點，帶領(lǐng)學(xué)生一起分析問題，借助流程圖找到問題的源頭，進行真相揭秘，解析學(xué)生程序設(shè)計存在的問題，突破本節(jié)課的重難點——條件語句結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生用流程圖將問題具體化，從而培養(yǎng)學(xué)生的計算思維，形成解決問題的思路，知其然而后再知其所以然。本環(huán)節(jié)還涉及程序優(yōu)化，即本節(jié)課的重點知識循環(huán)語句結(jié)構(gòu)。教師以進階任務(wù)“如何實現(xiàn)按1次按鈕響3次門鈴的效果”，促進學(xué)生掌握并鞏固舊知。

4.創(chuàng)意拓展，分層挑戰(zhàn)

在延伸環(huán)節(jié)，由于學(xué)生的智力發(fā)展水平和個體特征不同，對同一事物的理解程度也存在差異。因此，教師通過進階挑戰(zhàn)項目“特色智能門鈴”實現(xiàn)分層，鼓勵學(xué)生對新知識進行遷移或擴展，通過深度學(xué)習(xí)理解學(xué)科本質(zhì)。進階挑戰(zhàn)項目的設(shè)置為學(xué)生提供了挑戰(zhàn)自我的機會，可滿足學(xué)生個性化學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生內(nèi)驅(qū)力，實現(xiàn)與任務(wù)的深度互動。

5.多元評價，學(xué)習(xí)診斷

總結(jié)評價可以發(fā)生在教學(xué)的各個環(huán)節(jié)，方式也應(yīng)該多種多樣。[6]本例的教學(xué)評價發(fā)生在教學(xué)結(jié)尾，學(xué)生通過評價量規(guī)完成自評，通過實驗報告完成小組評價，這有助于學(xué)生自主學(xué)習(xí)、反思和改進，建立新舊知識的連結(jié)（見表1）。評價環(huán)節(jié)使教師能夠從宏觀到微觀地全面了解學(xué)生學(xué)習(xí)目標達成情況。

五、總結(jié)

在人工智能課程教學(xué)中，教師容易陷入“以活動為中心”的陷阱，如只是簡單堆疊活動而缺乏整體性和系統(tǒng)性，這可能導(dǎo)致學(xué)生知識零散、思維不連貫、解決問題缺乏邏輯性等問題。而單元設(shè)計可以通過始終關(guān)注學(xué)生對問題理解層面的深化，關(guān)注學(xué)生解決實際問題的思維過程而避免這樣的陷阱。為了幫助學(xué)生解決核心任務(wù)中的問題，本研究設(shè)計了相應(yīng)的子任務(wù)，五個子任務(wù)逐步讓學(xué)生深刻掌握三種常見的程序結(jié)構(gòu)，從而建立基礎(chǔ)編程思維。單元設(shè)計是對整個課程的把握，而教學(xué)方法的應(yīng)用則可以更好地助力單元學(xué)習(xí)目標的達成。因此在“智能門鈴”案例中，依托“5E項目教學(xué)法”，將項目學(xué)習(xí)冗余的活動環(huán)節(jié)簡約化至每一節(jié)課都能應(yīng)用的教學(xué)模式，有清楚的教學(xué)環(huán)節(jié)與階段可循，不僅讓教學(xué)者能遵循每個階段的特點，完成教學(xué)設(shè)計并進行反思，還以學(xué)習(xí)者為中心，使人工智能課程的學(xué)習(xí)目標更明確，學(xué)習(xí)效率更高效，在保證通識教育的基礎(chǔ)上，更好地培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性解決問題的能力。

參考文獻

[1]褚金嶺，謝忠新.面向素養(yǎng)培育的中小學(xué)人工智能教育實踐探索[J].中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)，2021，（04）：10-13.

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作者簡介：蘇秀萍，福建省廈門市海滄中學(xué)教師，E-mail：695922347@qq.com（福建廈門，361026）

基金項目：廈門市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2021年度課題“深度學(xué)習(xí)視域下信息技術(shù)大概念單元設(shè)計研究”（編號：21018）;廈門市名師工作室課題“基于核心素養(yǎng)的綜合實踐STEM課例研究”（編號：XMMS2020023）