基于项目式学习的高中人工智能课程的设计与开发

摘要：本文探讨研究了在高中人工智能课程中，如何根据教学内容，选择适合的项目式学习类型，进行项目式学习的设计与开发；如何创设真实的情境，聚焦问题的解决，促进学生知识体系的建构，进而培养学生的核心素养。

关键词：高中；人工智能课程；项目式学习

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2024）08-0049-03

项目式学习（Project-Based Learning，简称PBL）是一种以学生为中心的教学方法，它从真实世界的问题出发，构建学习环境，提供关键素材，借助信息技术手段，让学生以小组的形式，通过在一定的时间内解决一个开放式问题的经历来学习并形成成果。那么，在高中人工智能课程中，如何根据教学内容选择适合的项目式学习类型，进行项目式学习的设计与开发？如何创设真实的情境，聚焦问题的解决，促进学生知识体系的建构和核心素养的培养？对此，笔者在实践中进行了不断尝试和探索。

根据教学内容，选择项目式学习类型

1.基于某一知识点/主题的深入探究

将抽象的知识形象化，让学生对核心概念和原理进行建构，进而在特定的任务情境中进行灵活的运用、迁移和整合，这是项目式学习最基本的设计思路。以语音交互为例，教师可以围绕认识语音—语音识别—语音合成—语音理解与生成—语音交互—语音识别存在的问题和应对策略—语音交互的适用性等一系列基于语音交互的核心概念，在统整的项目背景下，通过开发一个成语接龙游戏进行探究。

基于某一知识点/主题的项目式学习可以放在人工智能课程的初级阶段，旨在让学生在真实情境中发现人工智能技术的应用，同时进一步了解人工智能技术背后的原理。

2.学科内知识的统整与延伸

在学习内容上，避免从孤立的、零散的知识点角度设计教学内容，如过分关注编程语言的语法，将人工智能课程当作编程来学习。教师要强调学科整体结构和大概念，发挥课程育人的功能，培养学生学习、认识和使用人工智能，并主动思考人工智能与人类、社会的关系。当然，并不是说编程语言的识记和理解不重要，而是可以把编程语言和语法的识记、理解等学习活动融入到对学生有意义的项目情境中。

教师可根据学科内知识体系的纵向关联，如从单元视角、整本书视角或某个学科主题视角等，进行学科内知识的统整与延伸，将孤立的、零散的知识点和概念整合成具有逻辑关系的知识体系，还可以将上述人工智能的关键技术和典型应用通过项目进行逻辑的关联和整合。

例如，在智能交通项目中，教师可以选取智能交通中的自动驾驶汽车作为项目载体（如下页图）。自动驾驶汽车依靠摄像头、雷达、陀螺仪等传感器协同工作，运用计算机视觉、机器学习、路径规划等算法，让汽车可以与人类驾驶员进行人机交互，完成人类驾驶员的指令，甚至可以在无人干预的情况下，自动、安全地驾驶车辆。这样，以自动驾驶汽车项目为载体，将机器感知、计算机视觉、智能控制、人机交互、机器学习等人工智能技术进行逻辑关联和统整，最终将零散概念整合成具有内在逻辑关系的知识体系。

学科内知识的统整与延伸的项目式学习可以放在人工智能课程的中级阶段，旨在让学生以问题为导向，利用人工智能技术解决生活中遇到的问题，让学生在做中学、用中学、创中学。

3.跨学科的问题解决

教师要给学生提供来自现实世界的整合情境，让其经历跨学科的现实问题的解决过程。跨学科的问题解决，能够打破学科之间的界限，融合多学科的知识，在问题情境中以主题的方式导入，有效拓展和延伸课堂，使学科知识与实际生活有机结合，帮助学生获得对意义世界的整体性认识，促进学生复杂问题解决能力、综合能力提升和整体人格的健全发展。

以智能交通中的自动驾驶汽车为例，除了机器感知、计算机视觉、智能控制、人机交互、机器学习等人工智能技术之外，还可以融合多学科的知识，如语言模型（语文）、概率与统计模型（数学）、传感器的工作原理（物理、化学）、人工神经网络（生物）、机器学习中数据的模式之争（政治）、技术发展的历史（历史）、高精地图（地理）等。

跨学科的问题解决的项目式学习可以放在人工智能课程的高级阶段，旨在让学生以更加复杂多变的真实问题为导向，利用人工智能技术和跨学科知识解决生活中遇到的问题，促进学生提升复杂问题解决能力、综合能力，实现学科育人的目的。

创设真实情境，聚焦问题解决

1.以情境为依托，营造浸入式的环境

情境是一种沉浸式学习场景，在情境化教学中，教师可以赋予学生特定的学习身份，引导学生在特有的学习场景中解决问题，进而习得技能、提升素养。[1]所以，项目式学习的每一个环节都应该围绕这个情境开展。如何设置有效的情境？教师要从学生的学校学习、社会生活出发，关注与人工智能关联的典型的生活现象。

2.聚焦问题解决，引发持续性的学习

问题化学习即通过一系列的问题来引发学生持续性的学习行为，促进学生将“教材内容”转化为“内化的知识”的学习方式。学习活动以有效的问题为起点，围绕引导学生自主解决问题这一核心，让学生达成知识的有效迁移，实现经验的持续建构。[2]那么，如何设置有效的问题呢？

第一，问题要结合情境。创设基于现实的情境，情境要与学生当前经验紧密联系，而问题的设置也应紧扣情境。例如，在自动驾驶汽车项目中，教师可将开发智能汽车助理作为项目背景，以如何实现车主身份认证、汽车如何识别万物、汽车如何准确感知距离、汽车如何感知自身状态、汽车与驾驶员如何交互、完全自动驾驶如何实现六大关键问题为线索，紧扣自动驾驶汽车项目，使学生一直沉浸在情境中。

第二，设置结构不良的问题。让学生不知道哪些概念、规则、原理对解决问题有用，这样更能充分激发学生的思考。例如，对于“自动驾驶的智能汽车助理需要做什么”这一问题，学生需要结合自身经验，分析出车辆实现自动驾驶的三个环节：感知—决策—执行。环境感知是实现自动驾驶的前提条件，起到人类驾驶员“眼睛”和“耳朵”的作用，自动驾驶系统通过各种传感器采集环境数据；然后，自动驾驶系统根据从各传感器中获取的数据，分析处理，再向控制的装置输出车辆的控制信号；最后，自动驾驶系统依据决策层输出的信号，让汽车完成动作执行，即方向、油门、刹车。

第三，设置开放式问题。通过给予学生丰富的思考空间，帮助他们实现知识联结、培养创新思维。例如，对于“如何规避交通事故，保障交通安全”这一问题，学生可以从司机的驾驶行为、车辆的安全设计、交通规则的完善、道路硬件设备的改造等角度进行思考，在每个角度下，学生又可以结合自身的生活经验产生具有个人特色的想法和创意。

第四，问题的递进。从学生的认知发展规律出发，设计在复杂程度上逐渐提升和演变的问题链，问题由易到难，由浅入深。学生最先只要根据问题从现实生活中捕捉所需的事实、资料或数据，接下来需要通过探究和思考，形成问题解决方案和行动计划，进而解决问题；最后要能对解决方案进行评价和反思，不断提升解决问题的效率。

第五，关注问题的有效解决。核心素养强调教学主体的学习导向，即从以教为主到以学为主的转变。要做到以学生的学习为中心，除了要以情境为依托，营造沉浸式的环境，还要营造良好的学习氛围，为学生提供丰富的时间和空间，使其进行自主学习，其中包括自主探究、小组合作、展示分享、讨论辩论、头脑风暴等，给予学生最大的支持和最少的干预，使其在解决问题的过程中，经历素养的生成过程。

结语

在高中人工智能课程的设计与开发过程中，要利用好项目式学习这一教学方法，选择适合的项目式学习类型，创设真实情境，聚焦问题的解决，促进学生知识体系的建构，培养学生的核心素养。

参考文献：

[1]杨向东.关于核心素养若干概念和命题的辨析[J].华东师范大学学报：教育科学版，2020，38（10）：48-59.

[2]叶依薇.中小学人工智能教育的校本实施策略研究[J].中国信息技术教育，2023（02）：33-35.

本文为全国教育科学“十四五”规划2022年度教育部重点课题“学科融合视角下中学学科课程群建设实践研究”（编号：DHA220507）及福建省教育科学“十四五”规划2022年度“协同创新”（含帮扶项目）专项课题“基于‘素养框架’的高中人工智能课程实践研究”（编号：Fjxczx22-354）研究成果。