AI算法平臺(tái)下基于PBL的創(chuàng)客教學(xué)模式研究

沈偉春 肖名望

【摘 要】本文以“人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)”的課堂教學(xué)為例，開展基于PBL的人工智能創(chuàng)客教學(xué)活動(dòng)，幫助學(xué)生從真實(shí)情境中學(xué)習(xí)人臉識(shí)別技術(shù)的知識(shí)，歸納出AI算法平臺(tái)支持下基于PBL的創(chuàng)客教學(xué)特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】AI算法平臺(tái)；項(xiàng)目化學(xué)習(xí)；創(chuàng)客教學(xué)

【中圖分類號(hào)】G434 ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2023）07-050-02

創(chuàng)客教育是培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的創(chuàng)新人才的重要途徑之一。它融合了體驗(yàn)教育（從做中學(xué)）、基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)（以特定任務(wù)為中心）、創(chuàng)新教育（以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新品質(zhì)為目標(biāo)）以及 DIY（Do It Yourself，自己動(dòng)手做）等理念中的多種元素。PBL項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（Project-based Learning）是基于現(xiàn)實(shí)問(wèn)題情景的以學(xué)生為中心的教學(xué)方式，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。本研究通過(guò)構(gòu)建AI算法平臺(tái)支持下基于PBL的創(chuàng)客教學(xué)模式，促進(jìn)學(xué)生人工智能素養(yǎng)的培養(yǎng)，提高學(xué)生綜合素質(zhì)。

AI算法平臺(tái)下基于PBL的創(chuàng)客教學(xué)模式構(gòu)建

教學(xué)模式由指導(dǎo)思想、教學(xué)目標(biāo)、教師與學(xué)生、實(shí)現(xiàn)條件、教學(xué)過(guò)程和教學(xué)評(píng)價(jià)等六要素構(gòu)成。本研究以AI算法平臺(tái)（Genius Brain是一個(gè)用于學(xué)習(xí)人工智能的平臺(tái)）為支撐環(huán)境，構(gòu)建了AI算法平臺(tái)支持下基于PBL的創(chuàng)客教學(xué)模式（圖1）。該模式的指導(dǎo)思想主要是建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論、實(shí)用主義學(xué)習(xí)理論以及創(chuàng)客教育和項(xiàng)目化學(xué)習(xí)相關(guān)理論，教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生人工智能素養(yǎng)，具體表現(xiàn)為培養(yǎng)學(xué)生工程思維、創(chuàng)新思維、協(xié)作能力和問(wèn)題解決能力等方面。

教學(xué)的實(shí)現(xiàn)條件及人工智能創(chuàng)客教學(xué)環(huán)境主要包括創(chuàng)客硬件設(shè)備、AI算法平臺(tái)、人工智能教育基地和相應(yīng)的教學(xué)資源；教學(xué)過(guò)程主要從創(chuàng)意由來(lái)開始，利用真實(shí)的問(wèn)題情境，經(jīng)歷“明確問(wèn)題→分析問(wèn)題→設(shè)計(jì)方案→交流論證→方案優(yōu)化”的方案設(shè)計(jì)過(guò)程和“模型設(shè)計(jì)→材料收集→模型搭建→功能實(shí)現(xiàn)→分享交流”的制作體驗(yàn)以及知識(shí)的遷移應(yīng)用；教學(xué)效果評(píng)價(jià)主要是教師在該教學(xué)模式教學(xué)實(shí)踐中，對(duì)學(xué)生在其中表現(xiàn)出的工程思維、創(chuàng)新思維、協(xié)作能力和問(wèn)題解決能力等方面的變化情況進(jìn)行測(cè)量評(píng)價(jià)。

1.創(chuàng)意由來(lái)

創(chuàng)意的由來(lái)一般是學(xué)生通過(guò)對(duì)生活中某種現(xiàn)象或遇到的某個(gè)問(wèn)題進(jìn)行深入思考后，在其腦中形成的某種想法，這需要有真實(shí)的問(wèn)題情境。

2.方案設(shè)計(jì)

明確問(wèn)題：這是確定問(wèn)題的過(guò)程。學(xué)生需要分析情境中的問(wèn)題，明確問(wèn)題的關(guān)鍵因素，并將問(wèn)題用語(yǔ)言或圖表提煉與表達(dá)出來(lái)。

分析問(wèn)題：對(duì)表達(dá)出的問(wèn)題進(jìn)行拆分。學(xué)生需要聯(lián)系自身的知識(shí)體系，拆分問(wèn)題，將問(wèn)題最終拆分為通過(guò)已有知識(shí)可以解決的多個(gè)子問(wèn)題。

設(shè)計(jì)方案：即提出問(wèn)題解決策略的過(guò)程。學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)與協(xié)作學(xué)習(xí)，分析大量有關(guān)的信息和資料，生成策略，提出假設(shè)，形成初步的問(wèn)題解決方案。

交流論證：這是商討設(shè)計(jì)方案可行性的過(guò)程。學(xué)生與同學(xué)分享自己的想法，征求同學(xué)與教師等人對(duì)方案的意見，確定設(shè)計(jì)方案是否切實(shí)可行。

方案優(yōu)化：這是調(diào)整與優(yōu)化方案以便順利實(shí)施的過(guò)程。學(xué)生根據(jù)他人（教師、專業(yè)人士、同學(xué)）的建議，再次完善自己的設(shè)計(jì)方案，最終形成可實(shí)施的方案。

3.制作過(guò)程

模型設(shè)計(jì)：學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)方案，并借助工具（電腦繪圖軟件）設(shè)計(jì)與制作產(chǎn)品模型，包括具體的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和外觀效果圖。

材料收集：獲取相關(guān)的制作材料，為模型成“形”提供材料支撐，保障方案能夠順利實(shí)施。

模型搭建：即模型成“形”的過(guò)程，學(xué)生需將每一個(gè)零件進(jìn)行組裝，將所設(shè)計(jì)的模型轉(zhuǎn)變?yōu)榭吹靡娒弥默F(xiàn)實(shí)作品。

功能實(shí)現(xiàn)：將最初的創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)作品的過(guò)程。學(xué)生需要將模型與相關(guān)硬件進(jìn)行連接，之后經(jīng)過(guò)編程，并進(jìn)行試驗(yàn)、項(xiàng)目調(diào)試與修改，最終使作品實(shí)現(xiàn)最初的創(chuàng)意功能，制作出符合創(chuàng)意的作品。

分享交流：這是展示成果的過(guò)程。學(xué)生與同學(xué)、教師分享自己創(chuàng)意智造過(guò)程中的心得體會(huì)，向同學(xué)與外界介紹自己的創(chuàng)意智造作品的特點(diǎn)。

4.知識(shí)的遷移應(yīng)用

對(duì)知識(shí)的遷移與應(yīng)用，即學(xué)生把創(chuàng)意智造過(guò)程中所習(xí)得的新知識(shí)遷移應(yīng)用到其他的場(chǎng)景中。知識(shí)遷移既是檢驗(yàn)對(duì)知識(shí)的理解的一種手段，也是加深理解和鞏固知識(shí)的重要方式；既是對(duì)制作實(shí)踐的指導(dǎo)，同時(shí)又接受著制作實(shí)踐的檢驗(yàn)。

教學(xué)實(shí)例——“人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)”

“人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)”是浙江省杭州市臨平區(qū)人工智能教育基地開發(fā)的系列“智慧”課程中“智能家居”模塊中的內(nèi)容。該模塊的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生了解人臉識(shí)別的基本概念，熟悉門禁系統(tǒng)的重要組成部分，了解人臉識(shí)別算法并能舉例說(shuō)明人臉識(shí)別算法在生活中的應(yīng)用；掌握Genius Brain平臺(tái)人臉識(shí)別功能的使用方法；學(xué)會(huì)利用Mind+圖形化編程控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；掌握通過(guò)攝像頭模塊，完成識(shí)別人臉，控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)等模擬人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)的方法；初步了解AI技術(shù)，產(chǎn)生對(duì)AI技術(shù)學(xué)習(xí)的興趣。

在本案例教學(xué)中，從“創(chuàng)意由來(lái)”出發(fā)，通過(guò)真實(shí)情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，明確“如何利用AI技術(shù)來(lái)解決忘帶鑰匙進(jìn)家門困難這個(gè)問(wèn)題”。之后，引導(dǎo)學(xué)生分析問(wèn)題，將這個(gè)驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題分解為四個(gè)子問(wèn)題：一是人臉識(shí)別的原理是什么？二是自制人臉識(shí)別要用到哪些工具？三是人臉識(shí)別的精準(zhǔn)度是否能夠保證？四是如果遇到壞人想進(jìn)門，是否有報(bào)警措施？

再根據(jù)問(wèn)題分析的結(jié)果將學(xué)生引入到具體“智能門禁方案設(shè)計(jì)”中，學(xué)生在分析討論、交流論證的過(guò)程中，構(gòu)思并形成自己的最優(yōu)解決方案；再通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐，繪制智能門禁項(xiàng)目作品草圖、設(shè)計(jì)與搭建模型外觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)行程序設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目既定的各項(xiàng)功能，學(xué)生分組體驗(yàn)整個(gè)項(xiàng)目的“制作過(guò)程”，并進(jìn)行項(xiàng)目作品展示與交流；最后，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)智能門禁項(xiàng)目化學(xué)習(xí)過(guò)程中習(xí)得的知識(shí)“遷移應(yīng)用”，將所學(xué)應(yīng)用到新的項(xiàng)目中或解決新的真實(shí)問(wèn)題中，真正起到知識(shí)遷移的作用。如，有學(xué)生將人臉識(shí)別門禁遷移應(yīng)用到“清北校車”項(xiàng)目上。

總結(jié)與展望

本研究構(gòu)建了AI算法平臺(tái)支持下基于PBL的創(chuàng)客教學(xué)模式，并以“人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)”教學(xué)為例闡述該模式怎樣應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐。該案例由淺入深，由具體到抽象，引導(dǎo)學(xué)生慢慢梳理和構(gòu)建人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)的制作思路，體現(xiàn)了對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。本研究將不斷優(yōu)化教學(xué)模式，助力基于PBL的人工智能創(chuàng)客教育教學(xué)實(shí)踐。

注：本文系淅江省杭州市2021年教師教育科研課題“中小學(xué)人工智能教師創(chuàng)新培養(yǎng)實(shí)踐研究”（課題編號(hào)：JSJY2021004）研究成果之一