基于PBL的中学人工智能校本课程开发与实践研究

摘要：提升我国中学生的人工智能素养是教育改革的重要任务之一，但相配套的人工智能课程开发仍处于探索阶段。因此，本研究采用项目式学习方式，探究中学人工智能校本课程开发设计及实施流程，通过在七、八年级开展一学期的三个项目学习实践，发现项目式学习模式适合于中学人工智能课程教学，有助于学生编程能力和人工智能素养的提升。

关键词：项目式学习；人工智能；校本课程；实践研究

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2025）05-0000-04

随着物联网、大数据、云计算等新兴技术的迅速发展，人类社会已逐渐步入人工智能时代，提升全民人工智能素养已成为智能时代的重要课题。[1]因此，在中小学探索人工智能课程建设对提升中小学生人工智能教育水平和促进我国人工智能教育的发展具有重要意义。然而，我国义务教育阶段的人工智能教育发展相对较晚，且受学校环境、设备、教师能力等诸多因素影响，目前的人工智能教育课程建设仍处于探索阶段。[2]

近年来，项目式学习（project based learning，PBL）作为一种综合性的学习方式受到学界普遍关注。大量实践研究表明，项目式学习有助于学生高阶思维能力的培养和跨学科素养的形成[3]，而人工智能课程正是一门将知识建构、技能培养与思维发展深度融合的综合性跨学科课程，有丰富多样的人工智能应用场景案例。[4]因此，本研究从项目式学习理念出发，将人工智能技术方法融入完成任务的项目式主题学习过程中，探究基于PBL的中学人工智能校本课程开发及实施流程，以期为中学阶段开展面向人工智能素养发展的课程教学提供参考。

课程设计

1.课程目标

知识与技能目标：了解什么是人工智能和成为一名创客的基本要素，初识人工智能技术；学习慧编程的基本编程技能和电学基础知识，培养编程思维；掌握一些常见传感器的原理知识和应用方法，锻炼动手实践能力。

过程与方法目标：通过不断地参与动手实践体验活动锻炼问题解决能力和思维分析能力；通过不断地编程实践掌握编程知识和技能；通过小组协作和相互评价交流，学会在分享和评价反思中提升人工智能素养。

情感态度与价值观目标：通过不断地试错磨砺意志品格；通过不断地解决实践问题提升自我效能感和动手解决问题的能力，体验解决问题的成就感；在小组协作交流中，学会与他人沟通和合作，并能接纳他人的批评与建议。

2.课程内容教学设计

该课程分为模拟交通灯、闯出迷宫和极速巡线三个项目，共七节课。第一个项目作为一个适应性项目，安排三节课，另外两个项目则分别安排两节课。每个项目均设计了基本任务和挑战性任务，以适应不同能力的学生，其中第一个项目的基本任务是设计和建造交通灯，第二个项目的任务是使用自己的方式探索如何使mBot机器人驶出迷宫，第三个项目是使用巡线传感器，让机器人完成固定路线的行驶任务，记录行驶时间，并在组间进行比赛，以提高学生的兴趣。每个项目的教学过程及资源设计如图1所示。每个项目均配有学习手册、项目记录表、项目所需的工具和材料、组间项目评估表和项目学习反馈单。其中，学习手册包含项目介绍与要求，及完成本项目可能需要学习的编程技能等；项目记录单包括项目情况、配对和问题解决记录及自我评价；项目学习反馈单包括项目学习情况反馈和课程意见建议反馈。

3.教学方法

本课程主要依照合作探究、建构、脚手架三个教学原则开展教学，分别对应的教学方法是配对学习模式、鼓励最优化和创新、提供学习手册。其中，配对学习模式是指小组两名学生分别扮演“领航员”和“司机”两个角色。“领航员”坐在司机旁边，提供建议和建议纠正，并协助设计决策，同时还需要填写学习表格和其他材料来记录学习过程，而“司机”则主要负责编程和硬件处理。在配对学习的过程中，学生自己决定自己的角色分配，一个项目要求学生至少交换一次角色。

4.课程评价

本课程评价采用过程性评价和终结性评价相结合的方式，其中过程性评价包括考勤、工具材料准备和正确使用、阶段任务完成情况等方面的评价，终结性评价包括知识测试和终极任务完成与展示等方面。

课程实施

1.实施环境及参与对象

本课程在笔者所在学校利用每周一次的校本课程时间实施，参与者为学校七、八年级自愿选修本课程的学生。共有学生42人，七、八年级各一个班，其中七年级班学生22人，八年级班学生20人。学校提供mBot机器人及传感器设备，但需要学生携带笔记本电脑上课。本课程在人工智能教室上课，桌子是四张六边形桌子，可以自由移动，方便学生的合作和交流。在第一次上课时，学生被随机分为七年级的11个组和八年级的10个组，均两人一组。

2.课程实施与效果分析

（1）第一个项目——模拟交通灯

项目实施：先让学生观看视频引出项目的主题——交通灯，再用另一个视频引出红、黄、绿的交通灯。教师讲解基本的编程知识和硬件相关知识，布置基本任务。在这个过程中，学生需要自己探索编程界面，积极沟通，并填写教师发放的表单，学有余力的团队可以做一些创新。在项目结束时，学生展示和评估项目任务完成结果。教师提出教学过程中发现的问题，并进行重点解释。

效果分析：大部分小组完成了项目的基本任务——模拟红绿灯的变化，但任务的进展却很缓慢，且很少有团队完成具有挑战性的任务。在配对方面，有些组没有改变角色，所有的任务都由一个人完成。另外，八年级的学生更喜欢使用重复语句编程，而七年级的学生更喜欢使用顺语句编程。

项目反思：进展缓慢的原因主要是学生对整个项目没有整体的规划和清晰详细的了解。因此，在编程过程中经常存在句子倒置、非逻辑性等问题。

（2）第二个项目——闯出迷宫

项目实施：教师使用mBot工具包的盒子建造了四个“S”形迷宫，并在每个迷宫的出口粘贴黑色胶带。机器人需要从入口进入，用超声波传感器探测出迷宫路线，最后通过黑线停车。在第一个项目中已经使用了超声波传感器。本项目的难点在于编程设计，要求学生设计出一条好的路线，并使用程序来控制汽车左右轮的转向，以实现正确的转向。因此，在解释项目的要求时，把重点放在绘制流程图上。根据第一个项目的反馈，交换了几个小组的合作伙伴。同时，将本项目分成几个小任务，小组每完成一项任务，进度就会实时投屏展示。最后，教师对学生的项目完成情况进行评价和总结。

效果分析：从项目完成的角度来看，该项目的总体情况并不令人满意，只有少数几组完成了最后的任务。结合学生的反馈和教师观察到的情况，项目在完成的过程中出现了以下新问题：第一，存在很多硬件问题，如超声波传感器无法感知“墙”，巡线传感器无法检测黑线；第二，学生不会绘制流程图，即使是八年级学生也不能准确描述编程中的转弯行为。配对学习的情况比项目一更差。许多团体在面对困难时表现出强烈的不耐烦。

项目反思：在本项目结束时，教师使用现有硬件做了一些测试，大多数的硬件都没有故障，而学生们不能使用该硬件的原因是，传感器的响应时间太短，无法显示出来。

（3）第三个项目——极速巡线

项目实施：本项目使用线路巡逻传感器来驱动指定的路线。在第二个项目中，学生虽然对巡线传感器有了基本的了解，但都不能正确地使用巡线传感器。因此，在解释部分，教师重点介绍了巡线传感器的原理。为了让本项目更有趣，笔者在进度条的末尾增加了一个时间记录模块，以激发学生的竞争精神。此外，经过两次改进后，学习清单也变得更加简洁和有效。

效果分析：与第二个项目相比，本项目相对简单，许多小组至少能跑完一个圈，尽管非常慢。一些小组取得了突破——提高赛车的速度。小组之间也有比赛，以刷新进度条上的时间记录。在本项目中，学生的配对学习情况是最好的，但也有很多问题。在实验设计中，笔者希望学生们能够完全交换角色，即当一个学生完成任务后，另一个学生能从初始阶段完成任务，但观察到的是，在角色交换后，另一个学生倾向于改变第一个学生的工作来改进项目。

（4）编程知识前后测和配对融合度结果分析

在本研究中，笔者收集了学生的编程知识前后测数据。在前测中，编程知识测试共有15道题，七年级平均得分为9.30（SD=1.743），八年级平均得分为9.38（SD=2.179），这两个班的成绩大致相同，可以看作是同一水平。从图2可以看出，在三个项目学习中，两个班的成绩都在持续升高，说明学生的编程知识在不断提升，但八年级的成绩普遍高于七年级，这可能和八年级学生中部分学生同步在科技社团学习编程知识，且相较七年级已有一年的编程知识积累有关。此外，从收集的定性数据中发现，在第三个项目中，学生的配对情况很好，这与观察结果一致。

结论与讨论

本研究通过在七、八年级开展一学期12课时的基于项目式学习的人工智能校本课程实践，发现基于项目的配对学习模式用于人工智能课堂教学，能有效促进学生人工智能素养和编程能力的提升，并且由于小组两人明确分工，能更充分和有效地利用设备和教师提供的脚手架进行协作探究学习。但本课程设计的人工智能课程属于学校的兴趣课程，因此实验结果有一定的局限性，且课程学习时间相对较短，并只开展了三个项目的学习。因此，在未来进一步的研究中可以重点关注以下问题。

1.完善和发展校本课程

人工智能课程是一门跨学科课程，而目前的校本课程仅开发了三个活动项目，后期可以根据教学时长、教学设备、教学环境、学生对象等的不同综合考虑进行进一步完善，如增加语音识别、舵机、电机等人工智能常见设备，开发更丰富的项目活动，拓展学生的人工智能视野，并可将这样的项目式学习模式推广应用到大班式教学中。

2.探究人工智能课程中的项目式学习协作模式

基于项目的协作学习是人工智能课程的一种常见学习模式。因此，在项目学习之前，可对学生进行一些测试，再进行分组，以获得更好的配对学习效果；在项目学习中，设计的项目式学习任务的难度应满足学生的学习水平，角色的任务分配也需要进行调整。

参考文献：

[1]陈凯泉，何瑶，仲国强.人工智能视域下的信息素养内涵转型及AI教育目标定位——兼论基础教育阶段AI课程与教学实施路径[J].远程教育杂志，2018（01）：61-71.

[2][4]中小学人工智能课程指南课题组，江波.中小学人工智能课程指南[J].华东师范大学学报：教育科学版，2023，41（03）：121-134.

[3]丁世强，王平升，赵可云，等.面向计算思维能力发展的项目式教学研究[J].现代教育技术，2020，30（09）：49-55.