5E项目教学法在初中人工智能单元设计中的应用研究

[摘    要]我国中小学人工智能教育尚处于探索实践的起步阶段。人工智能课程注重学生的体验与探索，而项目式学习和5E教学法强调以学生为中心，能够较好地激发学生学习动机，有助于人工智能课程的开展。研究者以“语音识别之智能小屋”为例，尝试将项目学习法和5E教学法进行融合，通过5E项目教学法探索一种适合人工智能通识课程教学的单元设计框架，着力培养学生的计算思维和创新能力，追求有深度的生本课堂。

[关键词]5E项目教学法;人工智能;单元设计;生本课堂

2017年，国务院发布《新一代人工智能发展规划》，并在《普通高中信息技术课程标准（2017年版2020修订）》中将“人工智能初步”列为选择性必修模块。人工智能教育的发展得到了国家的重视。[1]2020年，厦门市为全面贯彻落实国务院《新一代人工智能发展规划》精神，深入实施《厦门教育信息化2.0行动计划》，促进中小学人工智能应用和普及水平稳步提升，开展了“人工智能课程进百校”教育试点工作，使人工智能课程作为科普课程（独立学科），纳入厦门市中小学必修课程。在国家政策大力支持的背景下，在新课程新课标的“双新”指导下，人工智能课程注重体验与探索的教学策略，让学生亲身参与并感受技术给人们生活带来的改变，从而激发其对人工智能的兴趣。身处科技飞速发展的时代，学生要如何认知这个世界，如何将课堂所学知识迁移到多元领域中？为此，本研究致力于生本课堂的构建，基于“大单元视角”，依托5E项目教学法，坚持以“ 学生为中心、情境为载体、探究为手段、发展为目标”，追求有深度、有生成、有意义的课堂教学。

一、核心概念界定

1.项目式学习

美国巴克教育研究所把以课程标准为核心的项目式学习（Standards-Focused PBL）定义为“一套系统的教学方法，它是对复杂、真实问题的探究过程，也是精心设计项目作品、规划和实施项目任务的过程，在这个过程中，学生能够掌握所需的知识和技能”[2]。《义务教育信息科技课程标准（2022年版）》倡导真实性学习，以真实问题或项目驱动，引导学生经历原理运用过程、计算思维过程和数字化工具应用过程，建构知识，提升问题解决能力[3]。基于项目的学习作为一种教学方法，可以充分发挥学生的主体参与性，在教师引导下，学生在一个动态、开放、多元的学习环境中，发挥小组合作的力量，借助各种信息化手段，收集、整理综合信息，在知识的探寻中找到解决问题的方法，进而培养创新精神和实践能力。

2.5E教学法

5E教学法最早起源于生物学科教学，是一种基于建构主义的教学模式，后因其完备的实用性受到教育界的高度关注，是美国科学课堂的主流教学方法。1989年，美国的生物科学课程研究（Biological Sciences Curriculum Study）项目组成员拜比（Bybee）等人对“学习环”进行了修改和完善，将其教学过程划分为5个紧密相连的阶段，依次为“参与（Engagement）、探究（Exploration）、解释（Explanation）、精细化（Elaboration）、评价（Evaluation）五个教学环节”，简称“5E”教学模式。[4]每个教学环节都有特定的功能，一方面有助于教师的连贯性教学，另一方面充分挖掘学生的主体地位，激发学生亲身参与、主动探索、建构新概念，加深对新知的理解，突出知识的创新和应用。[5]这将更有助于学生学习兴趣的激发、学科知识的理解、探究能力的提升、合作意识的养成。它与深度学习理念有着异曲同工之妙，不仅为人工智能教育提供了启发和借鉴，也促进了深度学习的落地和学科核心素养的培养（见图1）。

3.5E项目教学法

由于项目式学习是一种动态的教学方法，在具体教学过程中，有些过程比较冗余，操作起来会比较复杂，这使项目式学习在有限时间内不易开展。因此，本研究基于课时问题、人工智能课程实施的特点，借鉴生物学科的5E教学法，将一般项目学习流程进行了改进，围绕生本课堂，从“引入—探究—释疑—延伸拓展—评价”五个教学环节进行设计，形成了既具有人工智能课程特点，又具有个人教学创新的“5E项目教学法”。这样可以简化项目式学习的操作过程，实现在有限课时内围绕核心任务逐一完成子任务，提高课堂效率。重构后的“5E项目教学法”（见图2）反映了2022年版新课标的课程理念，注重以生为本，突出用信息科技解决学习、生活中的问题，为学生创设自主、合作、探究的学习情境，培养学生数字素养与技能。

4.单元设计

在课程设计时，应采用整体观点，以课标为出发点，解读教材中的单元内容，整合单元知识，与上下章节的内容建立联系，将零散的知识点以大单元、大项目活动的形式围绕同一主题串联起来，从而使知识系统化、条理化。围绕单元目标设计教学活动，有利于以更高的视角和站位，挖掘学科本质，整体把握知识结构，精准设计教学问题，开展高效教学实践活动，是渗透教学价值、发展学生核心素养的有效途径。

二、人工智能语音识别课程的单元設计框架

以厦门市海沧区所采用的威盛创造栗人工智能教学设备为例。该设备有三种主题类型，分别是语音识别、图像识别和无人驾驶。在实际教学开展过程中，先使用了语音识别套件进行教学。接下来将以“语音识别之智能小屋”进行单元设计（见图3）。

三、5E项目教学法

在单元设计思想指导下，以5E项目教学法指导人工智能课程的具体实施，形成“以学生为主体，以教师为主导”的5E项目教学流程图（见图4）。教师通过创设问题情境，吸引学生进入课堂，协助学生进行任务探索，引导学生形成解决问题的思路，启发学生追求更有创意的设计，最后通过多元评价的方式，帮助学生进行自我反思和提升。

四、5E项目教学法指导下的智能门铃实践过程

根据上述构建的“人工智能5E项目教学法实施流程图”指导单元课时的落实，确保每个课时的子任务内容围绕核心任务逐步深入并逐渐完善，使学生既能完成整体项目，又能获得连贯性的知识与技能（见图5）。

1.情境引入，学习激趣

在起始环节，通过介绍生活中的门铃视频案例创设生活情境，贴切生活实际，让学生说说自家门铃的实现效果，使学生参与到活动中。紧接着根据学生的介绍对门铃所需的硬件设备及其功能进行追问，使教学任务和原有知识建立联系，引导学生对当前活动内容进行思考。再用人工智能硬件对思考内容逐一进行匹配，用程序进行演绎，由此激发学生的探究热情。

2.问题探究，尝试制作

在中心环节，从“快速完成简要拼装，实现门铃效果”直接且简单的探究任务入手，并以此为教学主线，通过依次设置有层次、有梯度的探究任务展开学习。在探究过程中，学生会产生认知冲突，教师要鼓励学生主动发现问题、提出问题，从而培养学生的自主学习能力和探究精神。

3.探究释疑，深度互动

在关键环节，要基于探究任务存在的问题，进行难点突破。在该环节，教师鼓励学生说出发现的问题，阐述解决问题的思路和想法，以此为基点，带领学生一起分析问题，借助流程图找到问题的源头，进行真相揭秘，解析学生程序设计存在的问题，突破本节课的重难点——条件语句结构，引导学生用流程图将问题具体化，从而培养学生的计算思维，形成解决问题的思路，知其然而后再知其所以然。本环节还涉及程序优化，即本节课的重点知识循环语句结构。教师以进阶任务“如何实现按1次按钮响3次门铃的效果”，促进学生掌握并巩固旧知。

4.创意拓展，分层挑战

在延伸环节，由于学生的智力发展水平和个体特征不同，对同一事物的理解程度也存在差异。因此，教师通过进阶挑战项目“特色智能门铃”实现分层，鼓励学生对新知识进行迁移或扩展，通过深度学习理解学科本质。进阶挑战项目的设置为学生提供了挑战自我的机会，可满足学生个性化学习，激发学生内驱力，实现与任务的深度互动。

5.多元评价，学习诊断

总结评价可以发生在教学的各个环节，方式也应该多种多样。[6]本例的教学评价发生在教学结尾，学生通过评价量规完成自评，通过实验报告完成小组评价，这有助于学生自主学习、反思和改进，建立新旧知识的连结（见表1）。评价环节使教师能够从宏观到微观地全面了解学生学习目标达成情况。

五、总结

在人工智能课程教学中，教师容易陷入“以活动为中心”的陷阱，如只是简单堆叠活动而缺乏整体性和系統性，这可能导致学生知识零散、思维不连贯、解决问题缺乏逻辑性等问题。而单元设计可以通过始终关注学生对问题理解层面的深化，关注学生解决实际问题的思维过程而避免这样的陷阱。为了帮助学生解决核心任务中的问题，本研究设计了相应的子任务，五个子任务逐步让学生深刻掌握三种常见的程序结构，从而建立基础编程思维。单元设计是对整个课程的把握，而教学方法的应用则可以更好地助力单元学习目标的达成。因此在“智能门铃”案例中，依托“5E项目教学法”，将项目学习冗余的活动环节简约化至每一节课都能应用的教学模式，有清楚的教学环节与阶段可循，不仅让教学者能遵循每个阶段的特点，完成教学设计并进行反思，还以学习者为中心，使人工智能课程的学习目标更明确，学习效率更高效，在保证通识教育的基础上，更好地培养学生创新性解决问题的能力。

参考文献

[1]褚金岭，谢忠新.面向素养培育的中小学人工智能教育实践探索[J].中小学数字化教学，2021，（04）：10-13.

[2][美]巴克教育研究所.项目学习教师指南——21世纪的中学教学法（第2版）[M].任伟，译.北京：科学教育出版社，2008：9.

[3]中华人民共和国教育部.义务教育信息科技课程标准（2022年版）[M].北京：北京师范大学出版社，2022：2-3.

[4]Bybee，R.W.，Taylor，J.A.et al.The BSCS 5E Instructional Model： Origins， Effectiveness， and Applications[J].Colorado Springs BSCS，2006：1-67.

[5]LawsonA E.Using the learning cycle to teach biology concepts and reasoning patterns[J].Journal of Biological Science Education，2001，35 （4）：165-169.

[6]宣艳红.运用5E教学模式培养高中生生物学科学思维的实践研究[D].哈尔滨：哈尔滨师范大学，2021.

作者简介：苏秀萍，福建省厦门市海沧中学教师，E-mail：695922347@qq.com（福建厦门，361026）

基金项目：厦门市教育科学“十四五”规划2021年度课题“深度学习视域下信息技术大概念单元设计研究”（编号：21018）;厦门市名师工作室课题“基于核心素养的综合实践STEM课例研究”（编号：XMMS2020023）