丁美榮 王同聚

[摘? ?要] 隨著人工智能時(shí)代的到來(lái)，人工智能進(jìn)學(xué)校、編程教育進(jìn)課堂已上升為國(guó)家戰(zhàn)略。設(shè)計(jì)有效的教學(xué)模型提升人工智能教學(xué)效果是當(dāng)前的重要研究課題之一，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的人才是當(dāng)今教育的重要使命。文章以知識(shí)建構(gòu)理論為核心，以STEM教育和創(chuàng)客教育為兩翼，以項(xiàng)目學(xué)習(xí)為主線，對(duì)知識(shí)建構(gòu)、STEM教育和創(chuàng)客教育三者的特征和關(guān)系進(jìn)行梳理，將知識(shí)建構(gòu)理論與STEM教育和創(chuàng)客教育進(jìn)行有機(jī)融合，構(gòu)建了“知識(shí)建構(gòu)、STEM、創(chuàng)客”三位一體教學(xué)模型。在模型的基礎(chǔ)上探討了課程的教學(xué)模式和教學(xué)評(píng)價(jià)，以培養(yǎng)學(xué)生高階思維能力和提升學(xué)生核心素養(yǎng)。該模型在中小學(xué)和高校人工智能教學(xué)中進(jìn)行了探索實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)其有助于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的計(jì)算思維、編程思維和創(chuàng)新思維等高階思維能力，能促進(jìn)復(fù)合型和創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)，能推動(dòng)人工智能進(jìn)學(xué)校、進(jìn)課堂、進(jìn)學(xué)生頭腦的進(jìn)程。

[關(guān)鍵詞] 人工智能; 知識(shí)建構(gòu); STEM教育; 創(chuàng)客教育; 教學(xué)模型; 項(xiàng)目學(xué)習(xí)

一、問(wèn)題的提出

隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G技術(shù)、人工智能、區(qū)塊鏈等新技術(shù)的快速發(fā)展，教育形態(tài)將發(fā)生深刻的變革，深度學(xué)習(xí)、模式識(shí)別、自然語(yǔ)言處理、情感計(jì)算、學(xué)習(xí)分析和人機(jī)協(xié)作等已成為“人工智能+教育”的主要表現(xiàn)形式。人工智能技術(shù)在教育中的應(yīng)用將伴隨計(jì)算智能、感知智能和認(rèn)知智能技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展和完善，人工智能與教育的融合創(chuàng)新已經(jīng)成為未來(lái)教育變革的趨勢(shì)。2017年7月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，提出“在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程、逐步推廣編程教育”[1]。人工智能進(jìn)學(xué)校、編程教育進(jìn)課堂已上升為國(guó)家戰(zhàn)略。人工智能時(shí)代的到來(lái)給教育帶來(lái)了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，一方面，人工智能對(duì)教育提出了結(jié)構(gòu)性變革的需求，另一方面，人工智能將賦能教育。郭炯等認(rèn)為：人工智能提供獲得優(yōu)質(zhì)教育內(nèi)容的機(jī)會(huì)和改善學(xué)習(xí)的環(huán)境[2]。祝智庭等提出：人工智能倡導(dǎo)培養(yǎng)具有“創(chuàng)新、溝通和深度思考”的人才[3]。因2017年以前開(kāi)設(shè)人工智能專業(yè)的高校很少，現(xiàn)在無(wú)論是高校還是中小學(xué)校，開(kāi)展人工智能教學(xué)都缺少適切的教學(xué)模式。再者，中小學(xué)人工智能師資嚴(yán)重短缺，調(diào)研發(fā)現(xiàn)：目前99%的中小學(xué)教師在大學(xué)期間均未學(xué)過(guò)人工智能課程。因此，筆者結(jié)合開(kāi)展智能機(jī)器人教育、創(chuàng)客教育和STEM教育所積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，探索和構(gòu)建適用于人工智能教學(xué)的教學(xué)模型，以解決人工智能進(jìn)入學(xué)校和課堂時(shí)缺少教學(xué)模式和師資的問(wèn)題。

《教育信息化“十三五”規(guī)劃》提出，積極探索信息技術(shù)在“眾創(chuàng)空間”、跨學(xué)科學(xué)習(xí)（STEM教育）、創(chuàng)客教育等新教育模式中的應(yīng)用[4]。人工智能時(shí)代的到來(lái)，進(jìn)一步豐富了STEM教育和創(chuàng)客教育的內(nèi)涵，也為STEM教育和創(chuàng)客教育開(kāi)啟了創(chuàng)新之門。近年來(lái)，我國(guó)大力推進(jìn)STEM教育和創(chuàng)客教育，通過(guò)跨學(xué)科學(xué)習(xí)和多學(xué)科融合，有助于培養(yǎng)學(xué)生的編程思維、計(jì)算思維和創(chuàng)新思維能力。但由于有些教師在開(kāi)展STEM教育時(shí)教學(xué)目標(biāo)定位泛化，過(guò)分模仿使用教學(xué)技術(shù)而缺乏對(duì)高階學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，學(xué)習(xí)者缺少對(duì)知識(shí)進(jìn)行深度體驗(yàn)、有效融合和創(chuàng)新應(yīng)用的機(jī)會(huì);另外，在開(kāi)展創(chuàng)客教育的過(guò)程中過(guò)分關(guān)注技術(shù)應(yīng)用和空間構(gòu)建，缺乏有效的教學(xué)情境支持。因此，學(xué)習(xí)者的批判性思維、創(chuàng)造性思維、溝通合作和高階學(xué)習(xí)等素養(yǎng)不能得到充分有效的提升[5]。筆者根據(jù)從事近20年智能機(jī)器人的研究和教學(xué)實(shí)踐，在基于智能機(jī)器人開(kāi)展STEM教育和創(chuàng)客教育探索實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，引入知識(shí)建構(gòu)理論，對(duì)知識(shí)建構(gòu)、STEM教育和創(chuàng)客教育三者的特征和關(guān)系進(jìn)行梳理，進(jìn)而以知識(shí)建構(gòu)理論為核心，以STEM教育和創(chuàng)客教育為兩翼，以項(xiàng)目學(xué)習(xí)為主線，將知識(shí)建構(gòu)理論與STEM教育和創(chuàng)客教育進(jìn)行有機(jī)融合，構(gòu)建了“知識(shí)建構(gòu)、STEM、創(chuàng)客”三位一體教學(xué)模型，并分別在中小學(xué)教師培訓(xùn)和高校軟件工程專業(yè)人工智能教學(xué)中對(duì)該教學(xué)模型進(jìn)行了探索實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該模型有助于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的編程思維、計(jì)算思維、創(chuàng)新思維等高階思維能力，能夠?qū)θ斯ぶ悄苓M(jìn)學(xué)校、編程教育進(jìn)課堂和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)發(fā)揮積極的推動(dòng)作用。

二、構(gòu)建“知識(shí)建構(gòu)、STEM、創(chuàng)客”三位一體教學(xué)模型

人工智能技術(shù)的發(fā)展，將促使未來(lái)教育發(fā)生重大的結(jié)構(gòu)性變革。人工智能與教育的融合，不僅會(huì)改變學(xué)習(xí)環(huán)境、師生關(guān)系、教學(xué)方式、學(xué)習(xí)方式和評(píng)價(jià)方式，也會(huì)推動(dòng)教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變。目前，中小學(xué)和高校都在大力推進(jìn)人工智能教育，為滿足人工智能進(jìn)學(xué)校、進(jìn)課堂的需求，應(yīng)對(duì)“人工智能+教育”時(shí)代的變化，探索人工智能教學(xué)新模式，筆者構(gòu)建了“知識(shí)建構(gòu)、STEM、創(chuàng)客”三位一體教學(xué)模型。

（一） 模型構(gòu)建以知識(shí)建構(gòu)為核心

知識(shí)建構(gòu)是以建構(gòu)主義為基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)發(fā)揮學(xué)生的主體作用，小組成員通過(guò)不同類型的對(duì)話進(jìn)行意義探究、知識(shí)建構(gòu)、作品創(chuàng)作，以促進(jìn)小組各成員對(duì)小組內(nèi)部共享的意義的內(nèi)化[6]。多倫多大學(xué)創(chuàng)新教育研究中心Scardamalia、Bereiter兩位研究者在知識(shí)建構(gòu)研究中特別區(qū)分了淺層建構(gòu)和深層建構(gòu)，并且指出知識(shí)建構(gòu)的真正意義在于深層建構(gòu)[6]。深層建構(gòu)注重知識(shí)生成的應(yīng)用和創(chuàng)新，其學(xué)習(xí)任務(wù)和學(xué)習(xí)活動(dòng)能探究到學(xué)習(xí)任務(wù)中隱含的內(nèi)涵和重要規(guī)律。在創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式下的知識(shí)建構(gòu)正是深層建構(gòu)[7]。

人工智能教育注重基于學(xué)習(xí)知識(shí)開(kāi)展高級(jí)認(rèn)知思維的過(guò)程，能有效促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)并提升創(chuàng)新能力。知識(shí)建構(gòu)的基本思想在于學(xué)習(xí)者基于問(wèn)題迭代建構(gòu)和反復(fù)推進(jìn)知識(shí)的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生高階學(xué)習(xí)能力、高階思維能力和知識(shí)創(chuàng)造能力，最直接的途徑不是通過(guò)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)任務(wù)或探究活動(dòng)讓學(xué)生掌握該領(lǐng)域的知識(shí)和技能，而是使學(xué)生成為知識(shí)的創(chuàng)造者[8]。余勝泉認(rèn)為，知識(shí)構(gòu)建以回歸人本為價(jià)值取向，具備了情境、復(fù)雜、積極、意識(shí)、建構(gòu)、合作、交流、思考等建構(gòu)性學(xué)習(xí)的八個(gè)特點(diǎn)[9]。知識(shí)建構(gòu)包括個(gè)體知識(shí)的獲得，同時(shí)也與學(xué)生對(duì)知識(shí)的細(xì)化、關(guān)聯(lián)、創(chuàng)新和發(fā)展有關(guān)[6]。謝幼如提出了知識(shí)建構(gòu)的“共享—論證—協(xié)商—?jiǎng)?chuàng)作—反思”協(xié)作學(xué)習(xí)過(guò)程模型（如圖1所示），協(xié)作知識(shí)建構(gòu)的特點(diǎn)體現(xiàn)在五個(gè)方面：學(xué)習(xí)任務(wù)情境性、學(xué)習(xí)過(guò)程探究性、學(xué)習(xí)環(huán)境協(xié)作性、學(xué)習(xí)結(jié)果生成性、學(xué)習(xí)觀點(diǎn)創(chuàng)新性[10]。因此，知識(shí)建構(gòu)理論可以作為創(chuàng)客教育和STEAM教育的理論基礎(chǔ)，也是“知識(shí)建構(gòu)、STEM、創(chuàng)客”三位一體教學(xué)模型的核心。

（二）模型構(gòu)建以STEM教育和創(chuàng)客教育為兩翼

STEM教育和創(chuàng)客教育都是基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)和問(wèn)題學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科知識(shí)的跨界與融合，注重動(dòng)手、實(shí)踐、過(guò)程和體驗(yàn)，體現(xiàn)了協(xié)作、整合和建構(gòu)學(xué)習(xí)實(shí)踐過(guò)程。

STEM教育強(qiáng)調(diào)“做中學(xué)”，在解決問(wèn)題的過(guò)程中，注重培養(yǎng)學(xué)習(xí)者對(duì)跨學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)和綜合應(yīng)用能力，學(xué)習(xí)內(nèi)容的設(shè)計(jì)是基于多學(xué)科知識(shí)開(kāi)展，學(xué)習(xí)成果不以最終創(chuàng)造出產(chǎn)品為導(dǎo)向，而是注重培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的工程思維、設(shè)計(jì)思維、計(jì)算思維和編程思維，但對(duì)學(xué)習(xí)者批判性思維、創(chuàng)新思維和創(chuàng)造力關(guān)注較少。STEM教育對(duì)思維能力的培養(yǎng)如圖2所示。

創(chuàng)客教育體現(xiàn)“做中創(chuàng)”，強(qiáng)調(diào)用相關(guān)的數(shù)字化工具把創(chuàng)意實(shí)踐轉(zhuǎn)化成有創(chuàng)新性的創(chuàng)客作品，關(guān)注學(xué)習(xí)者創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力和創(chuàng)造能力的培養(yǎng)[11-12]。同時(shí)注重學(xué)習(xí)者創(chuàng)新精神、工匠精神、協(xié)作精神和分享精神等創(chuàng)客精神的培養(yǎng)。通過(guò)情境問(wèn)題、知識(shí)建構(gòu)、設(shè)計(jì)方案、造物制作、測(cè)試分析、優(yōu)化迭代、成果分享、拓展創(chuàng)新等項(xiàng)目學(xué)習(xí)流程完成造物過(guò)程。創(chuàng)客教育特征及教學(xué)流程如圖3所示。

通過(guò)比較STEM教育和創(chuàng)客教育各自的育人優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)二者相互交融。二者在教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)、學(xué)習(xí)組織方式和學(xué)習(xí)活動(dòng)過(guò)程等方面基本相同。知識(shí)建構(gòu)是一種教育理念，其宗旨在于變革傳統(tǒng)教育方式，促使學(xué)生參與到知識(shí)創(chuàng)造的文化中。運(yùn)用知識(shí)建構(gòu)解決問(wèn)題需要應(yīng)用各種信息技術(shù)創(chuàng)造原型，創(chuàng)造超越心智的公共知識(shí)，迭代改進(jìn)，直到最終形成成品。根據(jù)知識(shí)建構(gòu)的核心特征可以看到：一是知識(shí)建構(gòu)解決問(wèn)題的過(guò)程必然會(huì)涉及多學(xué)科知識(shí)的交叉融合應(yīng)用，能培養(yǎng)學(xué)生多學(xué)科知識(shí)整合應(yīng)用的能力，與STEM教育理念相通;二是知識(shí)建構(gòu)理念強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者不僅僅是學(xué)習(xí)知識(shí)，而是在學(xué)習(xí)中進(jìn)行創(chuàng)新，這個(gè)特征與創(chuàng)客教育理念相通。由此可見(jiàn)，知識(shí)建構(gòu)可作為STEM教育和創(chuàng)客教育有機(jī)融合的中介，將“共享—論證—協(xié)商—?jiǎng)?chuàng)作—反思”協(xié)作學(xué)習(xí)過(guò)程模型中五個(gè)特征環(huán)節(jié)作為STEM和創(chuàng)客教育的融合點(diǎn)，根據(jù)STEM教育和創(chuàng)客教育的特征，把知識(shí)建構(gòu)協(xié)作模型中的“共享—論證”與STEM教育相結(jié)合，把“協(xié)商—?jiǎng)?chuàng)作—反思”作為與創(chuàng)客教育的融合點(diǎn)。因此，STEM教育和創(chuàng)客教育依托知識(shí)建構(gòu)理論構(gòu)成了“知識(shí)建構(gòu)、STEM、創(chuàng)客”三位一體教學(xué)模型的兩翼。

（三）模型構(gòu)建以項(xiàng)目學(xué)習(xí)為主線

項(xiàng)目學(xué)習(xí)注重實(shí)踐性和參與性，強(qiáng)調(diào)以問(wèn)題解決為中心、多種學(xué)習(xí)途徑相整合[13]。鐘志賢等認(rèn)為，項(xiàng)目學(xué)習(xí)的流程分為選定項(xiàng)目、制定計(jì)劃、活動(dòng)探究、作品制作、成果交流和活動(dòng)評(píng)價(jià)等六個(gè)基本步驟[14]。閆寒冰認(rèn)為，項(xiàng)目學(xué)習(xí)分為設(shè)計(jì)項(xiàng)目、分組分工、制定計(jì)劃、探究協(xié)作、制作作品、匯報(bào)演示和總結(jié)評(píng)價(jià)等七個(gè)基本步驟[15]。2017年版《普通高中信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》強(qiáng)調(diào)學(xué)科核心素養(yǎng)、增強(qiáng)信息意識(shí)、倡導(dǎo)項(xiàng)目學(xué)習(xí)、培養(yǎng)計(jì)算思維、體驗(yàn)知識(shí)建構(gòu)，提升信息社會(huì)責(zé)任[16]。項(xiàng)目學(xué)習(xí)將成為普通高中新課程標(biāo)準(zhǔn)背景下開(kāi)展信息技術(shù)教學(xué)的一種主要教學(xué)模式，因此，模型的構(gòu)建也需要以項(xiàng)目學(xué)習(xí)為主線。

（四）模型要體現(xiàn)“學(xué)、做、創(chuàng)”三者融合的理念

筆者根據(jù)從事多年智能機(jī)器人教育的經(jīng)驗(yàn)所凝煉形成的教學(xué)成果“智能機(jī)器人‘學(xué)、做、創(chuàng)教學(xué)模式的創(chuàng)新實(shí)踐”，曾獲得2017年廣東省教育教學(xué)成果（基礎(chǔ)教育）特等獎(jiǎng)和2018年基礎(chǔ)教育國(guó)家級(jí)教學(xué)成果二等獎(jiǎng)[17]。利用該成果在基于智能機(jī)器人開(kāi)展創(chuàng)客教育和STEM教育實(shí)踐應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，以STEM教育理念引導(dǎo)學(xué)生“學(xué)中做、做中學(xué)”，集中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)和能力的擴(kuò)展和延伸，系統(tǒng)化學(xué)習(xí)多學(xué)科知識(shí)，提升信息化工具應(yīng)用、跨學(xué)科知識(shí)融合的能力。但是在學(xué)生知識(shí)遷移、高階學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新思維能力培養(yǎng)方面還需強(qiáng)化培養(yǎng)，把知識(shí)建構(gòu)理念貫穿STEM教育和創(chuàng)客教育中，有利于促進(jìn)學(xué)生知識(shí)遷移擴(kuò)展，有利于強(qiáng)化學(xué)生在“玩中做、做中學(xué)、學(xué)中做、做中創(chuàng)”[18]的過(guò)程中，通過(guò)“學(xué)、做、創(chuàng)”三者融合，提升學(xué)生的高階學(xué)習(xí)能力和高階思維能力，實(shí)現(xiàn)“知識(shí)建構(gòu)、STEM、創(chuàng)客”三位一體教學(xué)模型的互通交融。

（五）“知識(shí)建構(gòu)、STEM、創(chuàng)客”三位一體教學(xué)模型的構(gòu)建

“知識(shí)建構(gòu)、STEM、創(chuàng)客”三位一體教學(xué)模型的構(gòu)建以知識(shí)建構(gòu)理論為核心，以STEM教育和創(chuàng)客教育為兩翼，將“共享—論證—協(xié)商—?jiǎng)?chuàng)作—反思”協(xié)作學(xué)習(xí)過(guò)程模型中五個(gè)特征環(huán)節(jié)與STEM和創(chuàng)客教育進(jìn)行有機(jī)融合;對(duì)真實(shí)情境問(wèn)題進(jìn)行知識(shí)建構(gòu)，以項(xiàng)目學(xué)習(xí)為主線，在項(xiàng)目學(xué)習(xí)過(guò)程中設(shè)計(jì)項(xiàng)目、分組協(xié)作、活動(dòng)探究、遷移拓展、創(chuàng)新應(yīng)用;依托“學(xué)、做、創(chuàng)”教學(xué)模式，豐富和拓展美國(guó)教育家杜威提出的“在做中學(xué)”和我國(guó)著名教育家陶行知提出的“教學(xué)做合一”教育思想的內(nèi)涵，讓學(xué)習(xí)者通過(guò)“做中學(xué)、學(xué)中做、做中創(chuàng)”，形成初步研究成果，再將初步研究成果在“分享—反思—評(píng)價(jià)—改進(jìn)—迭代—再造”的過(guò)程中進(jìn)行打磨提升，最終形成精品;課程教學(xué)采用線下面授課程教學(xué)與線上網(wǎng)絡(luò)課程研修相融合的方法;教學(xué)評(píng)價(jià)采用過(guò)程性評(píng)價(jià)與終結(jié)性評(píng)價(jià)相結(jié)合、定量評(píng)價(jià)與定性評(píng)價(jià)相結(jié)合、自我評(píng)價(jià)與相互評(píng)價(jià)相結(jié)合、多形式評(píng)價(jià)與多元化評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式[19]。所構(gòu)建的“知識(shí)建構(gòu)、STEM、創(chuàng)客”三位一體教學(xué)模型如圖4所示。

三、“知識(shí)建構(gòu)、STEM、創(chuàng)客”三位一體教學(xué)模型在人工智能教學(xué)中的應(yīng)用

近年來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)將該教學(xué)模型分別在中小學(xué)教師繼續(xù)教育系列人工智能課程培訓(xùn)和高校軟件工程專業(yè)人工智能課程教學(xué)中進(jìn)行了探索實(shí)驗(yàn)，取得了良好的教學(xué)效果。

（一）在中小學(xué)教師繼續(xù)教育系列人工智能課程培訓(xùn)中的應(yīng)用

目前，中小學(xué)人工智能師資匱乏，由于人工智能涉及面廣，很多內(nèi)容都是新領(lǐng)域、新技術(shù)、新知識(shí)，對(duì)教師的綜合素質(zhì)、跨學(xué)科融合、知識(shí)遷移、開(kāi)拓創(chuàng)新等能力要求較高，為解決中小學(xué)人工智能師資短缺問(wèn)題，筆者利用“知識(shí)建構(gòu)、STEM、創(chuàng)客”三位一體教學(xué)模型在中小學(xué)教師繼續(xù)教育系列人工智能課程培訓(xùn)中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證。與高校、科研院所和企業(yè)合作開(kāi)設(shè)了中小學(xué)教師繼續(xù)教育系列人工智能面授課程，分別是“積木式圖形化軟件與智能機(jī)器人創(chuàng)意編程”“App Inventor與智能機(jī)器人創(chuàng)意編程”“無(wú)人機(jī)（空中機(jī)器人）編程入門與實(shí)踐”“人工智能編程入門與實(shí)踐（Python版）”“人工智能編程入門與實(shí)踐（積木式圖形化軟件版）”“VR編程入門與實(shí)踐（積木式圖形化軟件版）”，已培訓(xùn)教師661人次。以上開(kāi)設(shè)的中小學(xué)教師繼續(xù)教育系列人工智能培訓(xùn)課程都涉及軟件編程和硬件設(shè)備操作。以“人工智能編程入門與實(shí)踐（Python版）”課程為例，教學(xué)采用的教程是一套應(yīng)用Python語(yǔ)言編程、基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備開(kāi)發(fā)的《人工智能》（高中版）[20]，開(kāi)展教師培訓(xùn)教學(xué)時(shí)，每人一臺(tái)計(jì)算機(jī)、兩人共用一套物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)箱，實(shí)驗(yàn)箱中配備了主控器、通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接的各種傳感器和多種電機(jī)。授課教師教學(xué)時(shí)，通過(guò)案例演示創(chuàng)設(shè)情境、布置項(xiàng)目活動(dòng)任務(wù)，傳授人工智能項(xiàng)目所涉及的STEM知識(shí)，參訓(xùn)教師在學(xué)習(xí)過(guò)程中對(duì)自己需要設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)意作品進(jìn)行知識(shí)建構(gòu)，融入自己的經(jīng)驗(yàn)，使用教學(xué)中提供的物聯(lián)網(wǎng)智能硬件設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)搭建、Python編程、軟硬件調(diào)試等，兩人小組互助協(xié)作最終完成一件具有語(yǔ)音識(shí)別、人臉識(shí)別、自動(dòng)避障、溫度調(diào)節(jié)等多種智能感知功能的智能家居系統(tǒng);在作品的分享展示環(huán)節(jié)，通過(guò)組內(nèi)評(píng)價(jià)、組間評(píng)價(jià)和授課教師點(diǎn)評(píng)，找出作品存在的問(wèn)題，再進(jìn)行迭代升級(jí)，最后制作完成一件基于物聯(lián)網(wǎng)的人工智能項(xiàng)目作品。

在中小學(xué)教師繼續(xù)教育系列人工智能課程培訓(xùn)的應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，該教學(xué)模型為人工智能教學(xué)提供了一種新的教學(xué)范式。目前，95%以上中小學(xué)教師繼續(xù)教育培訓(xùn)課程是以在線網(wǎng)絡(luò)課程形式呈現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)課程雖然具有學(xué)習(xí)方式靈活、學(xué)習(xí)不受時(shí)空限制、覆蓋面廣等優(yōu)勢(shì)，但也存在諸多弊端。例如：有些教師參加網(wǎng)絡(luò)課程培訓(xùn)的目的不是為了學(xué)習(xí)知識(shí)而是為了拿到繼續(xù)教育學(xué)分;有的教師請(qǐng)他人代其上網(wǎng)學(xué)習(xí);有的教師為了趕進(jìn)度，在上網(wǎng)課的同時(shí)打開(kāi)多臺(tái)計(jì)算機(jī)播放視頻，讓“機(jī)器學(xué)習(xí)”而不是“真人學(xué)習(xí)”，走過(guò)場(chǎng)、流于形式、浪費(fèi)資源，完全失去了開(kāi)展繼續(xù)教育課程培訓(xùn)的意義。再者，在線網(wǎng)絡(luò)課程雖然覆蓋面廣，但也有不足之處，因?yàn)閷?shí)操性強(qiáng)的課程就不太適用于在線網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)。而人工智能課程不但涉及理論知識(shí)，還有計(jì)算機(jī)編程和軟硬件實(shí)操，是實(shí)操性較強(qiáng)的課程，因此，純網(wǎng)絡(luò)課程已不適應(yīng)人工智能課程的繼續(xù)教育培訓(xùn)。采用該教學(xué)模型開(kāi)展中小學(xué)教師繼續(xù)教育系列人工智能課程培訓(xùn)試驗(yàn)取得了較滿意的效果，教學(xué)采用線上網(wǎng)絡(luò)課程（藍(lán)墨云班課）和線下面授課培訓(xùn)相結(jié)合、理論與實(shí)踐相結(jié)合、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)操與網(wǎng)上研討相結(jié)合、線下評(píng)價(jià)與線上評(píng)價(jià)相結(jié)合的方式，參加培訓(xùn)的教師能全程投入學(xué)習(xí)，親自動(dòng)手實(shí)踐，參加學(xué)習(xí)不是為了拿學(xué)分，而是為了掌握人工智能課程知識(shí)、按課程要求完成項(xiàng)目作品的設(shè)計(jì)而認(rèn)真學(xué)習(xí)，培訓(xùn)結(jié)束都滿載而歸。參加培訓(xùn)的教師回到學(xué)校后，在自己的課堂教學(xué)中采用該教學(xué)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證后表示，該教學(xué)模型同樣適合中小學(xué)生的人工智能課程教學(xué)。通過(guò)中小學(xué)教師繼續(xù)教育課程和中小學(xué)生人工智能課程教學(xué)實(shí)踐驗(yàn)證，該教學(xué)模型在人工智能課程教學(xué)中均取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果。因此，該教學(xué)模型對(duì)中小學(xué)開(kāi)展人工智能課程教學(xué)具有一定的指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。

（二）在高校軟件工程專業(yè)語(yǔ)音交互微信小程序設(shè)計(jì)教學(xué)中的應(yīng)用

筆者與教學(xué)團(tuán)隊(duì)在高校軟件工程本科專業(yè)課程、大創(chuàng)項(xiàng)目、各類比賽項(xiàng)目教學(xué)中利用該模型進(jìn)行探索實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，學(xué)生各類創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化數(shù)量有明顯提高，能有效促進(jìn)創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。以下以語(yǔ)音交互微信小程序設(shè)計(jì)教學(xué)為例來(lái)闡釋該模型的應(yīng)用成效。

語(yǔ)音交互微信小程序設(shè)計(jì)是一個(gè)集科技前沿知識(shí)和多學(xué)科知識(shí)于一體的程序設(shè)計(jì)項(xiàng)目，也是人工智能課程編程教育的一個(gè)典型教學(xué)案例，開(kāi)發(fā)過(guò)程涉及人工智能相關(guān)技術(shù)，如深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)、多種算法、編程語(yǔ)言（Python Flask、C++、JavaScript、CSS、HTML等多種）、語(yǔ)音識(shí)別等多種技術(shù)，微信小程序因應(yīng)用環(huán)境、面向的群體、提供的功能等不同，還涉及STEM領(lǐng)域的跨學(xué)科知識(shí)。教師在教學(xué)前需要按照該模型的教學(xué)核心來(lái)設(shè)計(jì)和組織教學(xué)活動(dòng)。首先是創(chuàng)設(shè)情境，從實(shí)際生活、工作中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和需求，并針對(duì)問(wèn)題和需求提出挑戰(zhàn)性的任務(wù)或復(fù)雜性的問(wèn)題，引導(dǎo)各組學(xué)生基于問(wèn)題和需求擬定微信小程序項(xiàng)目主題;各組在開(kāi)始各自的項(xiàng)目主題討論時(shí)發(fā)表各自觀點(diǎn)和解決問(wèn)題。由于項(xiàng)目來(lái)自實(shí)際生活，并且是集中解決生活中的某類問(wèn)題或功能需求，因此，在項(xiàng)目目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中必然涉及到多學(xué)科知識(shí)。如在微信小程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中，從小程序注冊(cè)、信息完善、程序編寫、程序調(diào)試、發(fā)布授權(quán)等多個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)用到STEM知識(shí)，讓學(xué)生通過(guò)多學(xué)科融合、知識(shí)建構(gòu)、開(kāi)拓創(chuàng)新、挑戰(zhàn)自我，能夠解決具有創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)性的各種難題。因此，這個(gè)語(yǔ)音交互微信小程序項(xiàng)目設(shè)計(jì)既具有真實(shí)情境性，又隱含復(fù)雜挑戰(zhàn)性的問(wèn)題或任務(wù)，能激勵(lì)學(xué)生在運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)解決問(wèn)題的過(guò)程中積極建構(gòu)新知識(shí)、新觀點(diǎn)和新方法，引導(dǎo)學(xué)生探究前沿科技以解決創(chuàng)作過(guò)程中的復(fù)雜問(wèn)題，基于創(chuàng)客理念，從作品交互界面、功能、技術(shù)、意義價(jià)值等方面建構(gòu)和創(chuàng)新，整個(gè)學(xué)習(xí)實(shí)踐過(guò)程以知識(shí)建構(gòu)理念來(lái)引領(lǐng)，最終完成一件具有創(chuàng)新性的作品。

項(xiàng)目完成后，進(jìn)入再創(chuàng)造階段，也是知識(shí)再遷移拓展階段。教師組織開(kāi)展小組作品分享活動(dòng)，并且對(duì)作品進(jìn)行反思評(píng)價(jià)。在反思評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上再對(duì)作品進(jìn)行探究實(shí)踐、改進(jìn)再造和迭代更新，形成更高階的循環(huán)學(xué)習(xí)模式，學(xué)生知識(shí)和技能在實(shí)踐中得到反復(fù)擴(kuò)展和遷移，創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力得以反復(fù)強(qiáng)化。近幾年來(lái)，筆者教學(xué)團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)學(xué)生開(kāi)發(fā)了一系列語(yǔ)音交互微信小程序設(shè)計(jì)作品，學(xué)生作品在“2019年中國(guó)高校計(jì)算機(jī)大賽——微信小程序比賽”中獲得多項(xiàng)省級(jí)和國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)。由此可見(jiàn)，利用該模型在語(yǔ)音交互微信小程序教學(xué)中不但讓學(xué)生取得了較好的成績(jī)，而且學(xué)生通過(guò)作品設(shè)計(jì)和參加競(jìng)賽，還提高了學(xué)生的高階思維能力、動(dòng)手實(shí)踐能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。同時(shí)，該模型也開(kāi)始在軟件工程的其他相關(guān)課程教學(xué)中進(jìn)行推廣應(yīng)用，以期通過(guò)更多的實(shí)驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行不斷改進(jìn)和完善，進(jìn)而提升該教學(xué)模型的應(yīng)用效果。

四、“知識(shí)建構(gòu)、STEM、創(chuàng)客”三位一體教學(xué)模型在人工智能教學(xué)中的應(yīng)用成效與特征

知識(shí)建構(gòu)具有發(fā)展學(xué)生深度學(xué)習(xí)、提升高階思維能力、開(kāi)展協(xié)作學(xué)習(xí)活動(dòng)的優(yōu)越性，既能促進(jìn)STEM教育的學(xué)習(xí)深度和質(zhì)量，又能加強(qiáng)創(chuàng)客學(xué)習(xí)的廣度和深度。因此，基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)，知識(shí)建構(gòu)理念能促進(jìn)STEM教育和創(chuàng)客教育相互融合以發(fā)揮更大的教學(xué)育人優(yōu)勢(shì)?！爸R(shí)建構(gòu)、STEM、創(chuàng)客”三位一體教學(xué)模型的應(yīng)用成效和特征如下：

（一）適用于實(shí)操型課程教學(xué)

該教學(xué)模型是以知識(shí)建構(gòu)為核心，融合了創(chuàng)客教育、STEM教育理念，實(shí)施過(guò)程不僅需要掌握基本知識(shí)、基本原理，更重要的是學(xué)習(xí)者要?jiǎng)邮謱?shí)踐、造物創(chuàng)新，通過(guò)“學(xué)、做、創(chuàng)”完成作品的創(chuàng)作和展示等，該教學(xué)模型適用于動(dòng)手實(shí)踐較強(qiáng)的實(shí)操型課程的教學(xué)。人工智能課程既需要用計(jì)算機(jī)編程，又要對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行安裝并根據(jù)所編程序進(jìn)行調(diào)試，屬于實(shí)操性強(qiáng)的課程。因此，該教學(xué)模型適用于人工智能課程教學(xué)。

（二）有助于學(xué)習(xí)者高級(jí)思維能力的培養(yǎng)

知識(shí)建構(gòu)是該教學(xué)模型的核心，學(xué)習(xí)者通過(guò)項(xiàng)目探究學(xué)習(xí)多學(xué)科知識(shí)，在學(xué)習(xí)過(guò)程中解決有潛在價(jià)值的問(wèn)題，項(xiàng)目目標(biāo)的完成具有復(fù)雜性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，能引導(dǎo)學(xué)習(xí)者洞悉學(xué)科前沿，掌握未知領(lǐng)域的知識(shí)，在解決項(xiàng)目問(wèn)題的過(guò)程中掌握新技能和建構(gòu)新知識(shí)，同時(shí)又把獲得的知識(shí)轉(zhuǎn)化成一種獲取新知識(shí)的能力、水平和方式。整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程是持續(xù)進(jìn)行知識(shí)建構(gòu)和知識(shí)創(chuàng)新的高階學(xué)習(xí)過(guò)程。因此，該教學(xué)模型在人工智能教學(xué)中有助于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的編程思維、計(jì)算思維、智能思維等高階思維能力。

（三）有助于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新思維能力和溝通協(xié)作能力

此教學(xué)模型以STEM教育理念引導(dǎo)學(xué)生“做中學(xué)”，集中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行知識(shí)和能力的擴(kuò)展和延伸，系統(tǒng)化學(xué)習(xí)多學(xué)科知識(shí)，提升跨學(xué)科知識(shí)融合和信息化工具的應(yīng)用能力;以創(chuàng)客教育理念引導(dǎo)學(xué)生“做中創(chuàng)”，獨(dú)立思考、協(xié)作探究，創(chuàng)新性地解決問(wèn)題，積極應(yīng)對(duì)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，最終創(chuàng)造出具有創(chuàng)新性的成果。學(xué)習(xí)者在整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程中對(duì)項(xiàng)目中的問(wèn)題和觀點(diǎn)進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)、迭代更新、改造創(chuàng)新，體現(xiàn)了“情境”“協(xié)作”“溝通”“建構(gòu)”“創(chuàng)新”的特征，并在項(xiàng)目學(xué)習(xí)過(guò)程中需要團(tuán)隊(duì)成員充分溝通、精誠(chéng)合作、攜手共贏。因此，利用該教學(xué)模型開(kāi)展教學(xué)有助于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)新思維能力和溝通協(xié)作能力。

（四）注重教學(xué)評(píng)價(jià)與教學(xué)反思

在成果分享和反思環(huán)節(jié)，需要對(duì)完成的項(xiàng)目成果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)、迭代改造和拓展創(chuàng)新。評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)既是第一輪創(chuàng)作的終點(diǎn)，也是下輪創(chuàng)作的起點(diǎn)，評(píng)價(jià)目的是為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情并促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展。在該模型應(yīng)用中，評(píng)價(jià)原則的設(shè)計(jì)要以學(xué)生為中心，基于教學(xué)內(nèi)容、培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)模式等與其相匹配的評(píng)價(jià)原則，進(jìn)行多形式和多元化評(píng)價(jià)。由于該模型基于知識(shí)建構(gòu)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)構(gòu)建，評(píng)價(jià)首先要遵循知識(shí)建構(gòu)的評(píng)價(jià)原則：評(píng)價(jià)中既要看到知識(shí)建構(gòu)的過(guò)程，又要看到知識(shí)建構(gòu)的結(jié)果。因此，評(píng)價(jià)中特別關(guān)注到學(xué)習(xí)者分享了什么觀點(diǎn)，建構(gòu)了什么知識(shí)，創(chuàng)造了什么作品，依據(jù)評(píng)價(jià)量規(guī)對(duì)學(xué)生所創(chuàng)作的作品進(jìn)行多元評(píng)價(jià)。通過(guò)教學(xué)反思，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的新需求和新問(wèn)題，教師引導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行迭代循環(huán)改造與作品拓展創(chuàng)新，以進(jìn)一步強(qiáng)化和提升學(xué)生的高階學(xué)習(xí)能力和高階思維能力。

五、結(jié)? ?語(yǔ)

隨著人工智能時(shí)代的到來(lái)，人工智能進(jìn)學(xué)校、編程教育進(jìn)課堂、培養(yǎng)人工智能高端人才已成為大、中、小學(xué)教育發(fā)展的新趨勢(shì)，人類教師的知識(shí)性授課角色將逐漸被人工智能教師替代，人類教師的育人角色將會(huì)更加凸顯，人機(jī)協(xié)同教學(xué)將把學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)放在首位?！爸R(shí)建構(gòu)、STEM、創(chuàng)客”三位一體教學(xué)模型在實(shí)踐過(guò)程中集中體現(xiàn)了以學(xué)生為中心，以“授之以漁”的創(chuàng)新教育理念為導(dǎo)向，具有涵蓋知識(shí)豐富性、思維培養(yǎng)高階性、自主學(xué)習(xí)積極性、協(xié)作探究嚴(yán)謹(jǐn)性等特征，能有效培養(yǎng)和提升21世紀(jì)創(chuàng)新人才的核心素養(yǎng)，在高校和中小學(xué)編程教育課程教學(xué)中有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)在智能機(jī)器人、人工智能等實(shí)操性強(qiáng)的課程中也值得借鑒和應(yīng)用推廣。但該模型仍然有需要改進(jìn)的地方，將在后續(xù)研究中進(jìn)一步修改和完善。

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