張 熾,林曉琪
(1.佛山市順德區(qū)教育發(fā)展中心,廣東佛山 528300;2.廣東省佛山市順德區(qū)成美初級(jí)中學(xué),廣東佛山 528300)
2017年,國(guó)務(wù)院《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》強(qiáng)調(diào)“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,建設(shè)和完善人工智能學(xué)科”。[1]2018年,教育部在《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》中提出,要完善課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn),充實(shí)適應(yīng)信息時(shí)代、智能時(shí)代發(fā)展需要的人工智能和編程課程內(nèi)容[2]。在此背景下,人工智能教育得到大力倡導(dǎo),已成為智能時(shí)代中小學(xué)教育的重要組成部分之一。
當(dāng)前,我國(guó)中小學(xué)的人工智能教育課程更多的是在信息技術(shù)課程、創(chuàng)客課程、STEAM課程中引入相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容,究其根本,是以人工智能教育為主題的泛在課程系列[3]。佛山市順德區(qū)成美初級(jí)中學(xué)也一直積極探索人工智能教育的新思路,引入系列教材,并購(gòu)置人工智能教學(xué)套裝以支持教學(xué)活動(dòng)的開展。為了尋找符合學(xué)生身心發(fā)展特點(diǎn)和學(xué)科特點(diǎn)的教學(xué)模式,以學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)指引人工智能的課程設(shè)計(jì)與教學(xué),將教學(xué)實(shí)踐上升至更高水平,筆者嘗試將5E教學(xué)模式引入到初中人工智能課程中,增強(qiáng)學(xué)生智能觀念,培養(yǎng)學(xué)生智能意識(shí)和思維,提高學(xué)生智能實(shí)踐力,促進(jìn)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)提升。
5E教學(xué)模式由美國(guó)生物科學(xué)課程研究中心(BSCS)在1987年提出,包含了由吸引(Engagement)、探究(Exploration)、 解 釋(Explanation)、 拓 展(Elaboration)和評(píng)價(jià)(Evaluation)五個(gè)環(huán)節(jié),是一種基于建構(gòu)主義的探究式教學(xué)模式[4],如圖1所示。
圖1 BSCS 5E教學(xué)模式
該模式的五個(gè)環(huán)節(jié)都對(duì)教師和學(xué)生提出了具體的要求。(1)吸引:也稱參與,該環(huán)節(jié)要求教師創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境,激發(fā)學(xué)生探究興趣;(2)探究:在此環(huán)節(jié)中,學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)、合作探究,教師從旁給予“支架式”指導(dǎo),為學(xué)生知識(shí)、技能的形成奠定良好基礎(chǔ),形成創(chuàng)新意識(shí)與思維;(3)解釋:該環(huán)節(jié)要求學(xué)生展示多樣化和個(gè)性化的探究結(jié)果,提出在探究階段遇到的問(wèn)題,教師組織合作交流和討論,進(jìn)行補(bǔ)充修正,引導(dǎo)學(xué)生加深理解;(4)拓展:在此環(huán)節(jié)中教師引導(dǎo)學(xué)生對(duì)知識(shí)進(jìn)行遷移,解決關(guān)聯(lián)性問(wèn)題,促使學(xué)生進(jìn)一步理解知識(shí),掌握技能,培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的核心素養(yǎng);(5)評(píng)價(jià):該環(huán)節(jié)鼓勵(lì)學(xué)生自評(píng)、同伴互評(píng),評(píng)價(jià)貫穿于整個(gè)教學(xué)活動(dòng)過(guò)程,強(qiáng)調(diào)評(píng)價(jià)形式的多元化,評(píng)價(jià)主體的多樣性,為教師掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況提供依據(jù)。
筆者將5E教學(xué)模式應(yīng)用到初中人工智能教學(xué)活動(dòng)中,同樣由五個(gè)環(huán)節(jié)組成,一般的教學(xué)應(yīng)用流程圖如圖2所示,可見(jiàn)它們之間互相聯(lián)系,互相影響。
圖2 5E教學(xué)模式在初中人工智能教學(xué)中應(yīng)用流程圖
參照2017版教育部課程方案對(duì)學(xué)科核心素養(yǎng)的定義,可以認(rèn)為人工智能課程核心素養(yǎng)是學(xué)生通過(guò)人工智能課程的學(xué)習(xí),逐步形成的正確價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力[5]。杜昌輝等構(gòu)建的人工智能課程核心素養(yǎng)由智能意識(shí)、智能觀念、智能思維與智能實(shí)踐力四部分組成[6]。
將5E教學(xué)模式應(yīng)用到人工智能課程中,可以多方面地幫助學(xué)生形成和發(fā)展人工智能課程核心素養(yǎng)。(1)吸引:教師創(chuàng)設(shè)情境,學(xué)生通過(guò)人工智能技術(shù)的體驗(yàn)或真實(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景,感受人工智能的魅力,激發(fā)智能意識(shí)。(2)探究:教師啟發(fā)學(xué)生自主探究人工智能相關(guān)知識(shí)或?qū)W習(xí)技術(shù),分析運(yùn)用人工智能解決問(wèn)題的可行性,發(fā)展學(xué)生智能意識(shí)和思維。(3)解釋:學(xué)生制作、開發(fā)產(chǎn)品或應(yīng)用,通過(guò)整合歸納呈現(xiàn)多元作品,教師則進(jìn)行補(bǔ)充、糾正,培養(yǎng)學(xué)生的智能實(shí)踐力。(4)拓展:教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)遷移、內(nèi)化知識(shí),同時(shí)擴(kuò)充知識(shí)內(nèi)涵,進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的智能實(shí)踐力和智能觀念。(5)評(píng)價(jià):師生共同參與評(píng)價(jià),在總結(jié)反思中提升。
5E教學(xué)模式是基于建構(gòu)主義的探究式教學(xué)模式,倡導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)知識(shí),合作交流等,有效避免傳統(tǒng)教學(xué)模式中的教師“滿堂灌”現(xiàn)象,既符合新課標(biāo)要求,也能將教師從無(wú)限的培優(yōu)扶差中解放出來(lái),減輕教師的教學(xué)負(fù)擔(dān)。而那些基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生也能借助教師提供的微課資源、項(xiàng)目活動(dòng)手冊(cè)等工具來(lái)輔助自主探究,減少教師個(gè)別輔導(dǎo)時(shí)間的同時(shí),也滿足學(xué)生自學(xué)的目的,提高課堂效率,減輕學(xué)生的學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)。
5E教學(xué)模式深刻地體現(xiàn)了“以學(xué)生為主體,教師為主導(dǎo)”的教學(xué)理念,教師在課前創(chuàng)設(shè)情境、激發(fā)學(xué)生興趣,在課中提出問(wèn)題,引導(dǎo)學(xué)生探究,課后拓展遷移,進(jìn)行學(xué)習(xí)評(píng)價(jià),在教學(xué)過(guò)程學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和合作探究,教師提供支架式指導(dǎo),學(xué)生在小組間互幫互助的過(guò)程中共同進(jìn)步,這在一定程度上降低了學(xué)生對(duì)教師的依賴,對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)自思考能力、自動(dòng)學(xué)習(xí)意識(shí)有較大的促進(jìn)作用。“吸引-探究-解釋-拓展-評(píng)價(jià)”五個(gè)環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣,將小組成員組成一個(gè)個(gè)“學(xué)習(xí)共同體”,使學(xué)生通過(guò)參與團(tuán)隊(duì)交流、問(wèn)題討論解決、方案設(shè)計(jì)與最后的項(xiàng)目實(shí)施,最終達(dá)到共同提高的學(xué)習(xí)目標(biāo)。因此,5E教學(xué)模式在人工智能教育課程中的優(yōu)勢(shì)不僅體現(xiàn)在解決了學(xué)生過(guò)分依賴教師的問(wèn)題,也能組成有效的學(xué)習(xí)共同體,以強(qiáng)帶弱,縮減班級(jí)學(xué)生之間的學(xué)習(xí)落差。
5E教學(xué)模式摒棄了傳統(tǒng)教學(xué)模式中的“輕過(guò)程重結(jié)果”的弊端,評(píng)價(jià)更加多元化,且貫穿于整個(gè)教學(xué)活動(dòng)過(guò)程。學(xué)生開展自我評(píng)價(jià),總結(jié)學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn),同時(shí)從“自我反思”中查漏補(bǔ)缺;同伴互評(píng)、小組互評(píng)等也豐富了評(píng)價(jià)的方式,學(xué)生能在合作交流中發(fā)現(xiàn)同伴的閃光點(diǎn),取長(zhǎng)補(bǔ)短,相互影響,共同提高;教師除了根據(jù)學(xué)生項(xiàng)目成果進(jìn)行評(píng)價(jià)外,還在教學(xué)過(guò)程中通過(guò)觀察學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用和遷移情況、問(wèn)題分析和解決情況,動(dòng)手實(shí)踐情況,對(duì)學(xué)生進(jìn)行過(guò)程性評(píng)價(jià),這對(duì)學(xué)生的發(fā)展很有幫助。
總的來(lái)說(shuō),在人工智能課程中引入5E教學(xué)模式,能有效地培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng),提高課堂效率,促進(jìn)合作學(xué)習(xí),豐富評(píng)價(jià)機(jī)制。
筆者將5E教學(xué)模式應(yīng)用到初中人工智能教學(xué)活動(dòng)中,設(shè)計(jì)了具體的教學(xué)案例,本文將以“視覺(jué)智能”這一主題為例,闡述該教學(xué)模式在初中人工智能教學(xué)中的實(shí)踐方法。
“視覺(jué)智能”教學(xué)主題是在學(xué)生已經(jīng)了解人工智能的基礎(chǔ)知識(shí)和語(yǔ)音功能的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步探究人工智能領(lǐng)域中的計(jì)算機(jī)視覺(jué)。筆者遴選了“垃圾分類”這一與學(xué)生生活息息相關(guān)的情境,從現(xiàn)實(shí)問(wèn)題引出本主題的內(nèi)容,將問(wèn)題情境與將要學(xué)習(xí)的知識(shí)緊密結(jié)合起來(lái),提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。
課堂上,筆者提出“你知道生活垃圾應(yīng)該如何分類嗎?”的問(wèn)題,引發(fā)師生互動(dòng),在介紹了生活垃圾分類的標(biāo)準(zhǔn)之后,將提前準(zhǔn)備好的垃圾卡片分發(fā)給學(xué)習(xí)小組,學(xué)生將垃圾卡片按照干垃圾、濕垃圾、有害垃圾、可回收物這四類進(jìn)行分類,教師再通過(guò)展示、反饋分類結(jié)果,引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)面對(duì)垃圾分類問(wèn)題時(shí),人類很難準(zhǔn)確分辨所有垃圾的類型,而人工智能則比人類更擅長(zhǎng)這種工作,從而引出人工智能在這方面的優(yōu)勢(shì)。
在此過(guò)程中,教師將學(xué)生引入緊貼生活實(shí)際的人工智能項(xiàng)目情境中,并以問(wèn)題為導(dǎo)向,促使學(xué)生思考進(jìn)而激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,形成智能意識(shí)。
探究環(huán)節(jié)是5E模式的中心環(huán)節(jié),在此環(huán)節(jié)中需要給學(xué)生充分的時(shí)間空間,確保學(xué)生的主體地位,鼓勵(lì)學(xué)生采用自主、合作探究的方式參與活動(dòng)。教師則要發(fā)揮在探究活動(dòng)中的主導(dǎo)作用,對(duì)學(xué)生進(jìn)行啟發(fā)式教學(xué),提供“支架式”支持。
筆者在“視覺(jué)智能”這一教學(xué)主題的探究環(huán)節(jié),引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)場(chǎng)景模擬分解如何利用機(jī)器垃圾分類的問(wèn)題。首先,筆者通過(guò)提問(wèn)的方式讓學(xué)生思考人分辨垃圾類型的過(guò)程是怎樣的?為了探究這一問(wèn)題,在課堂上現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了情境模擬,學(xué)生明晰了人在分辨垃圾時(shí),經(jīng)歷了從認(rèn)識(shí)垃圾到給垃圾分類到說(shuō)出分類結(jié)果的過(guò)程。筆者再進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考“機(jī)器需要具備哪些能力才能幫助人們識(shí)別垃圾類型”,學(xué)生在小組討論中得出了結(jié)論,機(jī)器需要具備垃圾識(shí)別功能、垃圾分類功能、輸出分類結(jié)果的功能。接著,在教師的指導(dǎo)下,學(xué)生動(dòng)手體驗(yàn)機(jī)器識(shí)別垃圾的過(guò)程,筆者對(duì)比人和人工智能識(shí)別羊奶果的例子(如圖3、圖4),學(xué)生則需要通過(guò)觀察、討論、總結(jié),去理解圖像識(shí)別的過(guò)程并熟悉計(jì)算機(jī)視覺(jué)的概念。同時(shí),學(xué)生進(jìn)一步利用開發(fā)人員已經(jīng)建立好的垃圾分類模型,加強(qiáng)理解機(jī)器識(shí)別垃圾的過(guò)程。
圖3 人識(shí)別羊奶果的過(guò)程
圖4 人工智能識(shí)別羊奶果的過(guò)程
在學(xué)生探究學(xué)習(xí)的過(guò)程中,教師全程監(jiān)控指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程,及時(shí)幫助學(xué)生解決碰到的問(wèn)題,確保探究活動(dòng)的順利展開,提高學(xué)生自主思考能力和探究能力,發(fā)展學(xué)生智能觀念、培養(yǎng)智能思維。
人工智能5E教學(xué)模式的解釋階段不是簡(jiǎn)單地重復(fù)探究,而是由學(xué)生將學(xué)科知識(shí)整合理解之后,通過(guò)合作交流、討論,發(fā)揮創(chuàng)意,最終呈現(xiàn)出多樣化和個(gè)性化的作品,學(xué)生在此過(guò)程中形成一定的問(wèn)題解決能力,教師先是引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目制作,再對(duì)學(xué)生的成果進(jìn)行補(bǔ)充、糾正、完善。
學(xué)生體驗(yàn)了垃圾識(shí)別的功能,了解了人工智能識(shí)別圖像的原理之后,在“視覺(jué)智能”這一主題的環(huán)節(jié)中,學(xué)生的任務(wù)是要讓機(jī)器完成垃圾分類和輸出分類結(jié)果。學(xué)生通過(guò)觀摩教師演示硬件連接方法,在理解垃圾分類的編程邏輯基礎(chǔ)上,進(jìn)行程序設(shè)計(jì);教師則引領(lǐng)學(xué)生不斷進(jìn)行程序優(yōu)化,從順序結(jié)構(gòu)到使用分支結(jié)構(gòu)的嵌套,實(shí)現(xiàn)程序從簡(jiǎn)單到簡(jiǎn)潔,到運(yùn)行更快的目標(biāo),考察學(xué)生對(duì)程序運(yùn)行效率的理解。
教師在教學(xué)時(shí)注意啟發(fā)學(xué)生思考,而不是一味灌輸,要注意培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力、問(wèn)題解決能力、計(jì)算思維和創(chuàng)新能力,在項(xiàng)目制作的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的智能實(shí)踐力。
拓展環(huán)節(jié),教師要啟發(fā)學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)解決具有關(guān)聯(lián)性的新問(wèn)題或者新現(xiàn)象,引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)小組共同討論、探究得出結(jié)果,進(jìn)行歸納總結(jié)。
筆者在拓展階段,要求學(xué)生利用已學(xué)知識(shí),完成“通過(guò)語(yǔ)音播報(bào)垃圾分類結(jié)果”和“設(shè)計(jì)獨(dú)特外觀造型垃圾桶”的任務(wù),學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)意拓展,按要求進(jìn)行相應(yīng)的改造,最后學(xué)生將各自作品展示和分享,教師做點(diǎn)評(píng)。同時(shí)通過(guò)觀看視頻的方式,學(xué)生了解了計(jì)算機(jī)視覺(jué)在生活中的應(yīng)用,包括美顏相機(jī)、人臉識(shí)別閘機(jī)、無(wú)人停車場(chǎng)、動(dòng)植物識(shí)別等等,教師則要求學(xué)生課后以學(xué)習(xí)小組為單位,選擇圖像識(shí)別的一個(gè)應(yīng)用方向,通過(guò)“提出問(wèn)題、問(wèn)題調(diào)研、設(shè)想方案、實(shí)施計(jì)劃、構(gòu)建原型、測(cè)試功能、改進(jìn)優(yōu)化”的過(guò)程,制作多樣化和個(gè)性化的作品。學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)意,最終創(chuàng)作出各種各樣的創(chuàng)意作品,如“人臉識(shí)別閘機(jī)”“情緒識(shí)別機(jī)器”“分揀機(jī)械臂”等。
因此,人工智能5E教育模式中的拓展環(huán)節(jié)是對(duì)新知識(shí)不斷內(nèi)化的過(guò)程,可以促進(jìn)新知識(shí)的遷移運(yùn)用。在此過(guò)程中,教師引導(dǎo)學(xué)生將新知識(shí)不斷內(nèi)化吸收,并培養(yǎng)其問(wèn)題探究、科學(xué)創(chuàng)新能力,進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的智能實(shí)踐力和智能觀念。
評(píng)價(jià)應(yīng)體現(xiàn)多樣化特征,包括評(píng)價(jià)主體多樣化、評(píng)價(jià)方式多樣化。將學(xué)生自評(píng)、同伴互評(píng)與教師評(píng)價(jià)相結(jié)合,使評(píng)價(jià)活動(dòng)貫穿于整個(gè)教學(xué)過(guò)程,其中學(xué)生的知識(shí)掌握和能力提升是重點(diǎn)考核指標(biāo)。
在“視覺(jué)智能”這一主題教學(xué)中,筆者設(shè)計(jì)了主題學(xué)習(xí)自評(píng)表(如表1),組織學(xué)生開展自我評(píng)價(jià),總結(jié)學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn),同時(shí)從“自我反思”中查漏補(bǔ)缺。
表1 《視覺(jué)智能》主題學(xué)習(xí)自評(píng)表
同時(shí),筆者除了根據(jù)學(xué)生項(xiàng)目成果進(jìn)行評(píng)價(jià)外,還在教學(xué)過(guò)程中通過(guò)觀察學(xué)生的知識(shí)應(yīng)用和遷移情況、問(wèn)題分析和解決情況,動(dòng)手實(shí)踐情況,設(shè)計(jì)了主題學(xué)習(xí)師評(píng)表(如表2),當(dāng)學(xué)生完成學(xué)習(xí)后,在對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)觀察點(diǎn)中進(jìn)行選擇完成打鉤,對(duì)學(xué)生進(jìn)行過(guò)程性評(píng)價(jià),這對(duì)學(xué)生的發(fā)展很有幫助。
表2 《視覺(jué)智能》主題學(xué)習(xí)師評(píng)表
佛山市順德區(qū)成美初級(jí)中學(xué)開展基于5E教學(xué)模式的人工智能教學(xué)活動(dòng)時(shí),始終堅(jiān)持“以學(xué)生為主體,教師為主導(dǎo)”,并且非常注重提升學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力,通過(guò)問(wèn)卷調(diào)查法、訪談法發(fā)現(xiàn),5E教學(xué)模式在教學(xué)實(shí)踐中取得了良好的教學(xué)效果。
5E教學(xué)模式提升了學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的參與感與獲得感,學(xué)生在自主學(xué)習(xí)和合作探究中得到了成長(zhǎng),原本基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生在團(tuán)隊(duì)的合作學(xué)習(xí)中得到了提高,學(xué)習(xí)興趣和熱情越來(lái)越高。
在學(xué)習(xí)中,學(xué)生通過(guò)體驗(yàn)人工智能技術(shù)、探究人工智能相關(guān)知識(shí),再進(jìn)行人工智能產(chǎn)品項(xiàng)目開發(fā),最終制作出一個(gè)個(gè)小作品,如智能分類垃圾桶、人臉識(shí)別閘機(jī)、分揀機(jī)械臂、智能光感燈等,并能進(jìn)行產(chǎn)品優(yōu)化。在此過(guò)程中,學(xué)生的智能觀念、智能意識(shí)、智能思維、智能實(shí)踐力得到了有效提升。
我校在開展人工智能教育同時(shí),近三年指導(dǎo)學(xué)生參加省市區(qū)各類科技創(chuàng)新比賽,獲獎(jiǎng)達(dá)到15人次。其中學(xué)生參加2021年廣東省中小學(xué)科技勞動(dòng)教育實(shí)踐活動(dòng)“人工智能-優(yōu)創(chuàng)未來(lái)”“AI勞動(dòng)實(shí)踐案例”項(xiàng)目均獲得廣東省一等獎(jiǎng);參加佛山市中小學(xué)人工智能教學(xué)成果展示交流活動(dòng)“人工智能編程(大數(shù)分解)”項(xiàng)目獲佛山市一等獎(jiǎng);制作創(chuàng)意作品“智能分類垃圾桶”參加順德區(qū)第五屆順德教育科創(chuàng)節(jié)活動(dòng)“智能家具作品賽”獲一等獎(jiǎng)。
筆者在探索5E教學(xué)模式在初中人工智能教學(xué)中的應(yīng)用時(shí),融合了學(xué)生為主體的教育理念,基于探究的學(xué)習(xí)方式、多元化的評(píng)價(jià)方式等多種現(xiàn)代教育教學(xué)元素,能有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣,幫助其實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的構(gòu)建、加工、生成和遷移,形成多樣性、個(gè)性化的學(xué)習(xí)成果,對(duì)提升學(xué)生的計(jì)算思維能力、合作探究能力、創(chuàng)新實(shí)踐能力有明顯優(yōu)勢(shì),同時(shí)在培養(yǎng)學(xué)生智能觀念、智能意識(shí)、智能思維、智能實(shí)踐力等學(xué)科核心素養(yǎng)上取得良好效果。當(dāng)然,學(xué)校在人工智能教育中應(yīng)用5E教學(xué)模式仍處于初步探討階段,存在一定的局限性,如那些操作性強(qiáng)、概念清晰明了的內(nèi)容,就不太適合這種教學(xué)模式。筆者將繼續(xù)改進(jìn)教學(xué)策略,將理論與實(shí)踐相結(jié)合,不斷完善與優(yōu)化5E教學(xué)模式在初中人工智能教學(xué)中的應(yīng)用。希望本文起到拋磚引玉的作用,與教育工作者共同提高人工智能教育水平,為學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。