科技劳动视角下智慧城市项目主题AI课程设计与实践

摘要：近年来，中小学人工智能教育以及劳动教育开展得如火如荼，那么，这两个领域是否有相互融合、创新教学的契合点？本文以项目式教学理念为依托，围绕新课标核心素养培养目标，创新“做中学、学中创、评价引领”教学模式，详细阐述了智慧城市项目主题下的人工智能与劳动教育融合创新的课程设计与实施。

关键词：人工智能；科技劳动；融合创新；“学—创—评”一体化

“劳动教育应依据劳动形态的演进而与时俱进，创造条件让学生参加服务形态的劳动、创造性劳动等，形成当代劳动教育的新方向”。笔者所在学校开设的“人工智能+劳动教育”创新课程教学的主旨是，基于创造性劳动，围绕学生核心素养提升要求，落实培养全面发展的社会主义科技劳动建设者的教育目标。课程设计的立足点是充分发挥项目式学习在落实核心素养培养上的优势，围绕智慧城市设计与实施主题，开展“做中学、学中创、评价引领”的人工智能科技劳动教学活动，引导学生掌握机器学习算法思维，开发简易人工智能系统，正确使用科技力量开展劳动，培养良好的科技劳动习惯和品质。

基于建构主义学习理论，开展智慧城市项目设计

根据建构主义学习理论，无论是人工智能教育还是劳动教育，通过真实情境的创设，以问题和评价为导向，应用多样化的信息和工具，组织学生积极运用学习平台、劳动工具等开展与外界的相互作用，体悟“五进”要求的实际意义，强化思维和技能的培养，是落实学生核心素养培养的优化策略。因此，基于智慧城市设计与实施主题的项目式学习，是本课程创新设计的基石。

1.借助项目式学习流程设计教学模式

项目式学习一般要求师生基于真实情境共同经历“选题”“规划”“探究”“实施”“交流”“评价”六个环节，符合学生认知发展规律，很大程度上还原了学习的本质。在本课程的项目设计中，六个环节被分为三个阶段，分别是：“项目准备阶段”，包括基于问题情境的主题选择、基于学业评价理解的项目规划、基于目标达成的知识（技能）储备；“项目实施阶段”，包括基于认知目标的小组探究、基于问题解决的简易系统开发、实施过程表现性评价、成果物化展示与答辩；“项目评价阶段”，包括基于交流反思的作品创造性改良、项目报告及答辩环节的思维评价（基于SOLO分类理论）、基于成果展示的结果性评价以及面向情感态度价值观的组内互评。项目式学习三阶段设计如下页图所示，三个阶段的协同，为“做中学、学中创、评价引领”教学活动的开展搭建了优质支架，为学生人工智能素养和劳动素养的提升铺设了优质路径。

2.围绕“未来智慧城市”主题规划单元架构

课程分为“研学”“产创”两个阶段，共16课时。智慧城市系列化课程体系设计如下表所示。

（1）“研学”阶段

围绕“未来城市”相关主题，学生在AI仿真平台中创建三维智慧城市，通过机器学习训练模型、编程等实现各种人工智能仿真应用场景，完成虚拟智慧城市的建设。本阶段划分为三个科技劳动研学单元，共12课时。学生在每个单元中均要经历三个阶段共六个环节的学习活动，即每个单元学习都是完整的项目式学习流程。学生利用自主学习平台、趣味探究活动、智能编程实施等手段，直观理解人工智能核心技术的基本原理，辩证认识人工智能及其在科技劳动中的应用，提升人工智能核心素养与劳动素养，培养问题解决高阶思维。在项目准备阶段，学生利用教师提供的学习平台开展知识储备活动，并根据项目方向开展小组合作，选定单元项目中的研究方向，制订学习和实施规划，安排1课时；在项目实施阶段，学生应用人工智能思维，开展机器感知应用、机器学习训练、智能系统开发活动，安排2课时；在项目评价阶段，各小组利用课外时间制作展示视频，由其他小组利用智能学习平台观摩学习并根据评价量规开展评价，安排1课时。

（2）“产创”阶段

基于上一个阶段学习的知识以及对智慧城市的设计、仿真实验，各小组学生在本阶段根据自选的项目方向，自主学习包括二哈识图、掌控板、Mind+编程等创作工具在内的应用技巧，共3课时。同时，利用上个阶段研学的成果，在课外或假期时间，借助机器人结构件、开源AI创客硬件等装备，开展物化创作，并在项目地图上完成“超市”“物流”“管理”跨小组合作的智慧城市项目整合作品。最后1课时是智慧城市项目答辩总评环节，由教师主导，各组组长组成评审团，对智慧城市整合作品开展学习成果答辩。

3.依托主动学习模型优化师生角色

学习金字塔中提出主动学习的三种模型：讨论、实践、教授他人。通过师生角色优化设计，有利于促进主动型学习的发生。学生的角色有三种：首先是学习与实践的主体，组建小组参与项目学习的全过程；其次是讨论与互评的主体，深入理解项目评价规则，既作用于自己小组的学习导引，又在项目评价阶段，在参与对其他小组成果展示的评价中发挥作用；部分学生还具备“导师”的角色，在最后的成果答辩环节要承担向其他小组组长提问和（在教师引导下）点评的职责。三种角色的相互渗透，有利于学生在项目式学习中充分发挥主观能动性，促成学生进入“交流、评价、教授他人”的主动高效学习状态，切实提升学生核心素养中的思维能力。而教师在教学活动中是项目策划者、项目监督者、项目指导者，其主要工作是为学生的主动学习提供支架，并保障项目式学习能围绕学习目标顺利高效地开展。

聚焦“学—创—评”一体化，实施“人工智能+劳动教育”课程

笔者以“感知——智慧超市”单元的课程与评价为例开展课堂教学实践。

1.创设问题情境

无人超市解决了传统超市购物结算区排队长的问题，实现了便捷购物的目的。那么，无人超市是如何识别顾客、商品以及进行快速结算的呢？本主题主要是在uSim虚拟平台中进行无人超市的全流程购物设计体验，学生将以技术工程师的身份参与到问题情境中，了解人工智能图像识别技术的原理、应用及实现流程，并应用uCode4.0软件开展编程劳动，实现无人超市快速结算业务。此环节培养学生的人工智能素养和应用科技开展劳动的意识。

2.预设学习目标及评价策略

课标描述：通过案例分析，理解人工智能；根据学习与生活需要，合理选用人工智能，比较使用人工智能和不使用人工智能处理同类问题效果的异同。

目标及评价描述：学生经历项目式学习过程，能够通过对比人类识别图像的过程，正确理解并表述人工智能进行图像识别的一般原理；可以应用所学知识，应用AI实训中心训练智能模型，应用uCode4.0编写程序完成智慧超市中的“结算”劳动任务；能应用uSim虚拟仿真平台完善城市3D模式，初步完成城市规划劳动任务；思考在现代技术支撑下热爱劳动的优秀传统的价值。

在本系列课程里，评价的应用有别于普通模式。在普通模式下，评价一般被教师放置于课堂教学结束前，即最后一个环节。这种评价模式有利于对学生进行结果性评价，但弱化了过程性评价和增值性评价，而学习目标达成的判别，应该是结果性评价与过程性评价、增值性评价的综合体现。因此，上述评价量规贯穿于整个教学流程。过程性评价包含两个落实路径：一是学生在开展探究时撰写的工程笔记在交流环节得到评价；二是学生在开展探究时在仿真平台和编程平台自动生成的数据记录及分析。结果性评价在“产创”阶段的物化成果答辩中开展，增值性评价则在课程最后教师开展的社会责任及正确价值观引导中得以落实。

3.巧设项目探究活动

根据项目式学习三个阶段的设计，结合上述课程评价策略，师生在“感知——智慧超市”单元将经历如下“研学”活动：

①情境问题与评价先行（教学目标、学生角色、评价体系）。学生探索智慧超市项目，主要应用人工智能中的计算机视觉技术来感知和结算。当顾客通过扫码进入超市之后，在超市内的行为全程都会被摄像机捕捉，包括商品的选购以及是否离开超市，这就运用了计算机视觉中的人脸识别和商品识别技术。当摄像机感知到顾客已经结束购物，离开超市之后，系统就会自动推送需要结算的账单。通过情境问题，学生了解学习目标，并由教师解读评价要求和量规，学生作为评价主体得以进一步理解学习目标达成的路径。

②项目选题与规划。包括以学习小组为单位的项目进度规划与成员分工、实验或开发工具与学习资源的选用、所需储备知识的主动学习。学生在教师指导下，从智慧超市大项目中拟定研究方向（客户人脸识别、商品自动识别、购物完成预判等），制订学习需求及进度规划，小组分工合作，开展人工智能图像识别技术原理学习以及uSim虚拟仿真平台基本操作技能、uCode4.0编程基本技能等前置性学习。

上述两个环节为项目式学习准备阶段，共1课时，采用思维导图、微课等工具辅助落实“评价引领”。

③智慧超市项目探究与实施。学生根据选定的项目主题，类比人类眼睛来获取商品的图像信息以及熟知商品属性的方法（机器学习原理），应用uSim虚拟仿真平台中的“AI实训”功能开展商品识别训练，总结归纳机器学习的一般过程及其在机器感知方面的应用，理解并表述人工智能进行图像识别的一般原理，初步理解边缘检测算法在特征提取技术中的重要作用，提升计算思维素养。

④拓展：智慧超市项目开发之智能结算。学生运用问题分解思维，开展自动结算业务需求分析，在完善算法实现的流程图之后，通过uCode4.0编程，综合上个环节中训练好的人脸识别模型和商品识别模式，设定结算时机（客户完成购买行为的判断条件），开发智能结算系统，并烧录到uSim中的超市场景，进行仿真实验。本环节锻炼了学生的问题分析能力以及智能模型综合应用能力，通过解决实际问题切实提升学生的核心素养。

上述两个环节为项目实施阶段，共2课时，采用程序流程图、uSim虚拟仿真平台、uCode4.0编程平台等工具辅助落实“做中学”。

⑤项目交流与生生互评。每组学生就前三节课开展的项目式学习进行成果汇报，其他学生依照第一课时的评价量规开展评价活动，评价结果将反馈在问卷星平台中，供各小组后续自评或学习他组经验，教师根据评价反馈调整后续教学资源支架。此环节为1课时，本单元学习结束，学生主要经历六环节中的前五个环节，进入下个单元项目流程。

师生在完成了包括“感知——智慧超市”单元在内的三个单元共12课时的项目式学习之后，进入智慧城市整体项目的“产创”阶段，完成实体作品创新与产出，同时，学生需要完成基于工程笔记的答辩材料撰写以及物化成果展示、答辩。

⑥科技劳动视角下的智慧城市项目主题AI课程的最后环节是学生开展情感态度互评，教师进行终结性评价并进行社会责任及立德树人引导。教师结合全体小组学习中的表现，依据第一课时评价量规（教师部分）对全班学习情况进行评价，总结归纳本项目学习目标，正向探讨人工智能技术应用中的社会责任，帮助学生建构新的认知结构，强化学生社会主义建设者发展目标。

科技劳动视角，建构有意义的人工智能教学

在开展科技劳动视角下的智慧城市项目主题教学后笔者进行了调查，从学情反馈数据分析可知，课堂教学效果和学生素养目标的达成效果显著：全部学习小组均完成了第一阶段“研学”的任务，实现了包含至少三个智慧情境的未来城市沙盘设计，其中60%的学习小组在课程预设的三个单元基础上提出了新的创想，包括智慧农场、智慧工厂、智慧治安的模型构想和智能模型训练，体现了学生通过学习后，能以科技工程师的思维创新设计类劳动；在“产创”阶段，所有小组的学生都能综合应用激光切割、木工技术、物理电路、电脑编程、AI开源硬件等制作相应的智慧城市模型，并实现了人工智能技术的应用，科技思维与劳动品质得到质的提升。科技劳动视角下的项目主题AI课程，为学生们建构了“以科技工程师的思维开展高效智能化劳动，可以更好地为祖国社会主义现代化建设做贡献”的育人意义，研究与实践成果主要体现在四个方面：

①教育教学活动从“学”“做”相融到“创”“产”输出，劳动教育增添了科技劳动新内涵，拓展了学生智慧产业的大视野，为学生人工智能素养和劳动素养的提升铺设了优质路径；优化后的项目化大单元课程设计与“三阶六环节”教学模式为实现智能技术支撑下的科技劳动素养培养高阶目标提供了有效实施策略参考。

②课程设计符合建构主义教育理论，围绕智慧城市规划与建设主题，突破劳动教育的传统模式，实现人工智能教育与劳动教育的深度融合以及科技劳动的教学创新，探索并验证了科技劳动教育有效实施问题的解决路径。

③课程围绕评价核心进行了逆向设计，基于核心素养目标的多元评价贯穿学习全流程，优化了项目式教学模式。单元设计从研学到产创到思辨，再到大观念提升，创设了“学—创—评”一体化的新型探究性科技劳动课堂。

④“虚”“实”双支撑降低了学生的高阶思维培养的准入门槛。AI实训、智慧城市探究、程序设计等均在网络平台上开展，而创客开源硬件、机器人结构套装以及智慧城市地图，则为学生进一步开展物化创作提供了条件。此外，虚拟平台支持的基础学习和实体硬件支持的进阶学习，为不同学校或地区的不同装备环境条件提供了因材施教的选择。

结束语

随着科技教育以及劳动教育的进一步改革与发展，教学内容与技术赋能教法学法的“双融”创新课堂必将得到深入的探索和研究。科技劳动视角下的智慧城市项目主题AI课程设计与实践，充分发挥了项目式学习的优势，在建构主义教育理论、维果斯基发展理论、表现性评价理念的支撑下，借助先进的虚拟仿真智能教学平台，切实地促进学生核心素养培养目标的达成。另外，它也是从一个新的角度思考和突破了人工智能教育和劳动教育的现有范式，为学生建构了“做中学、学中创、评价引领”的多样的情境性学习体验。

参考文献：

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[3]黎清万，钟嘉宝.AI视觉识别——人工智能项目式学习实践（PBL）设计[J].中国信息技术教育，2022（04）：16-20.

本文为广东省中小学“百千万人才培养工程”专项科研项目课题“基于教研共同体的高中人工智能专递课堂实施策略研究”（BQW2021JZN012）的研究成果；东莞市教育科研专项课题“高中人工智能教育项目学习过程评价设计与应用研究”（2022GCZ21）的阶段性成果。