丁美荣 王同聚

[摘   要] 随着人工智能时代的到来，人工智能进学校、编程教育进课堂已上升为国家战略。设计有效的教学模型提升人工智能教学效果是当前的重要研究课题之一，培养具有创新能力的人才是当今教育的重要使命。文章以知识建构理论为核心，以STEM教育和创客教育为两翼，以项目学习为主线，对知识建构、STEM教育和创客教育三者的特征和关系进行梳理，将知识建构理论与STEM教育和创客教育进行有机融合，构建了“知识建构、STEM、创客”三位一体教学模型。在模型的基础上探讨了课程的教学模式和教学评价，以培养学生高阶思维能力和提升学生核心素养。该模型在中小学和高校人工智能教学中进行了探索实践，发现其有助于培养学习者的计算思维、编程思维和创新思维等高阶思维能力，能促进复合型和创新型人才的培养，能推动人工智能进学校、进课堂、进学生头脑的进程。

[关键词] 人工智能; 知识建构; STEM教育; 创客教育; 教学模型; 项目学习

一、问题的提出

随着物联网、5G技术、人工智能、区块链等新技术的快速发展，教育形态将发生深刻的变革，深度学习、模式识别、自然语言处理、情感计算、学习分析和人机协作等已成为“人工智能+教育”的主要表现形式。人工智能技术在教育中的应用将伴随计算智能、感知智能和认知智能技术的发展而不断发展和完善，人工智能与教育的融合创新已经成为未来教育变革的趋势。2017年7月，国务院印发《新一代人工智能发展规划》，提出“在中小学阶段设置人工智能相关课程、逐步推广编程教育”[1]。人工智能进学校、编程教育进课堂已上升为国家战略。人工智能时代的到来给教育带来了新的机遇和挑战，一方面，人工智能对教育提出了结构性变革的需求，另一方面，人工智能将赋能教育。郭炯等认为：人工智能提供获得优质教育内容的机会和改善学习的环境[2]。祝智庭等提出：人工智能倡导培养具有“创新、沟通和深度思考”的人才[3]。因2017年以前开设人工智能专业的高校很少，现在无论是高校还是中小学校，开展人工智能教学都缺少适切的教学模式。再者，中小学人工智能师资严重短缺，调研发现：目前99%的中小学教师在大学期间均未学过人工智能课程。因此，笔者结合开展智能机器人教育、创客教育和STEM教育所积累的实践经验，探索和构建适用于人工智能教学的教学模型，以解决人工智能进入学校和课堂时缺少教学模式和师资的问题。

《教育信息化“十三五”规划》提出，积极探索信息技术在“众创空间”、跨学科学习（STEM教育）、创客教育等新教育模式中的应用[4]。人工智能时代的到来，进一步丰富了STEM教育和创客教育的内涵，也为STEM教育和创客教育开启了创新之门。近年来，我国大力推进STEM教育和创客教育，通过跨学科学习和多学科融合，有助于培养学生的编程思维、计算思维和创新思维能力。但由于有些教师在开展STEM教育时教学目标定位泛化，过分模仿使用教学技术而缺乏对高阶学习能力的培养，学习者缺少对知识进行深度体验、有效融合和创新应用的机会;另外，在开展创客教育的过程中过分关注技术应用和空间构建，缺乏有效的教学情境支持。因此，学习者的批判性思维、创造性思维、沟通合作和高阶学习等素养不能得到充分有效的提升[5]。笔者根据从事近20年智能机器人的研究和教学实践，在基于智能机器人开展STEM教育和创客教育探索实验的基础上，引入知识建构理论，对知识建构、STEM教育和创客教育三者的特征和关系进行梳理，进而以知识建构理论为核心，以STEM教育和创客教育为两翼，以项目学习为主线，将知识建构理论与STEM教育和创客教育进行有机融合，构建了“知识建构、STEM、创客”三位一体教学模型，并分别在中小学教师培训和高校软件工程专业人工智能教学中对该教学模型进行了探索实验，发现该模型有助于培养学习者的编程思维、计算思维、创新思维等高阶思维能力，能够对人工智能进学校、编程教育进课堂和创新型人才培养发挥积极的推动作用。

二、构建“知识建构、STEM、创客”三位一体教学模型

人工智能技术的发展，将促使未来教育发生重大的结构性变革。人工智能与教育的融合，不仅会改变学习环境、师生关系、教学方式、学习方式和评价方式，也会推动教学模式的转变。目前，中小学和高校都在大力推进人工智能教育，为满足人工智能进学校、进课堂的需求，应对“人工智能+教育”时代的变化，探索人工智能教学新模式，笔者构建了“知识建构、STEM、创客”三位一体教学模型。

（一） 模型构建以知识建构为核心

知识建构是以建构主义为基础，强调发挥学生的主体作用，小组成员通过不同类型的对话进行意义探究、知识建构、作品创作，以促进小组各成员对小组内部共享的意义的内化[6]。多伦多大学创新教育研究中心Scardamalia、Bereiter两位研究者在知识建构研究中特别区分了浅层建构和深层建构，并且指出知识建构的真正意义在于深层建构[6]。深层建构注重知识生成的应用和创新，其学习任务和学习活动能探究到学习任务中隐含的内涵和重要规律。在创新人才培养模式下的知识建构正是深层建构[7]。

人工智能教育注重基于学习知识开展高级认知思维的过程，能有效促进学生深度学习并提升创新能力。知识建构的基本思想在于学习者基于问题迭代建构和反复推进知识的过程中培养学生高阶学习能力、高阶思维能力和知识创造能力，最直接的途径不是通过设计学习任务或探究活动让学生掌握该领域的知识和技能，而是使學生成为知识的创造者[8]。余胜泉认为，知识构建以回归人本为价值取向，具备了情境、复杂、积极、意识、建构、合作、交流、思考等建构性学习的八个特点[9]。知识建构包括个体知识的获得，同时也与学生对知识的细化、关联、创新和发展有关[6]。谢幼如提出了知识建构的“共享—论证—协商—创作—反思”协作学习过程模型（如图1所示），协作知识建构的特点体现在五个方面：学习任务情境性、学习过程探究性、学习环境协作性、学习结果生成性、学习观点创新性[10]。因此，知识建构理论可以作为创客教育和STEAM教育的理论基础，也是“知识建构、STEM、创客”三位一体教学模型的核心。

（二）模型构建以STEM教育和创客教育为两翼

STEM教育和创客教育都是基于项目学习和问题学习，强调多学科知识的跨界与融合，注重动手、实践、过程和体验，体现了协作、整合和建构学习实践过程。

STEM教育强调“做中学”，在解决问题的过程中，注重培养学习者对跨学科知识的学习和综合应用能力，学习内容的设计是基于多学科知识开展，学习成果不以最终创造出产品为导向，而是注重培养学习者的工程思维、设计思维、计算思维和编程思维，但对学习者批判性思维、创新思维和创造力关注较少。STEM教育对思维能力的培养如图2所示。

创客教育体现“做中创”，强调用相关的数字化工具把创意实践转化成有创新性的创客作品，关注学习者创新思维、创新能力和创造能力的培养[11-12]。同时注重学习者创新精神、工匠精神、协作精神和分享精神等创客精神的培养。通过情境问题、知识建构、设计方案、造物制作、测试分析、优化迭代、成果分享、拓展创新等项目学习流程完成造物过程。创客教育特征及教学流程如图3所示。

通过比较STEM教育和创客教育各自的育人优势，进而实现二者相互交融。二者在教学内容设计、学习组织方式和学习活动过程等方面基本相同。知识建构是一种教育理念，其宗旨在于变革传统教育方式，促使学生参与到知识创造的文化中。运用知识建构解决问题需要应用各种信息技术创造原型，创造超越心智的公共知识，迭代改进，直到最终形成成品。根据知识建构的核心特征可以看到：一是知识建构解决问题的过程必然会涉及多学科知识的交叉融合应用，能培养学生多学科知识整合应用的能力，与STEM教育理念相通;二是知识建构理念强调学习者不仅仅是学习知识，而是在学习中进行创新，这个特征与创客教育理念相通。由此可见，知识建构可作为STEM教育和创客教育有机融合的中介，将“共享—论证—协商—创作—反思”协作学习过程模型中五个特征环节作为STEM和创客教育的融合点，根据STEM教育和创客教育的特征，把知识建构协作模型中的“共享—论证”与STEM教育相结合，把“协商—创作—反思”作为与创客教育的融合点。因此，STEM教育和创客教育依托知识建构理论构成了“知识建构、STEM、创客”三位一体教学模型的两翼。

（三）模型构建以项目学习为主线

项目学习注重实践性和参与性，强调以问题解决为中心、多种学习途径相整合[13]。钟志贤等认为，项目学习的流程分为选定项目、制定计划、活动探究、作品制作、成果交流和活动评价等六个基本步骤[14]。闫寒冰认为，项目学习分为设计项目、分组分工、制定计划、探究协作、制作作品、汇报演示和总结评价等七个基本步骤[15]。2017年版《普通高中信息技术课程标准》强调学科核心素养、增强信息意识、倡导项目学习、培养计算思维、体验知识建构，提升信息社会责任[16]。项目学习将成为普通高中新课程标准背景下开展信息技术教学的一种主要教学模式，因此，模型的构建也需要以项目学习为主线。

（四）模型要体现“学、做、创”三者融合的理念

笔者根据从事多年智能机器人教育的经验所凝炼形成的教学成果“智能机器人‘学、做、创教学模式的创新实践”，曾获得2017年广东省教育教学成果（基础教育）特等奖和2018年基础教育国家级教学成果二等奖[17]。利用该成果在基于智能机器人开展创客教育和STEM教育实践应用中发现，以STEM教育理念引导学生“学中做、做中学”，集中引导学生进行知识和能力的扩展和延伸，系统化学习多学科知识，提升信息化工具应用、跨学科知识融合的能力。但是在学生知识迁移、高阶学习能力和创新思维能力培养方面还需强化培养，把知识建构理念贯穿STEM教育和创客教育中，有利于促进学生知识迁移扩展，有利于强化学生在“玩中做、做中学、学中做、做中创”[18]的过程中，通过“学、做、创”三者融合，提升学生的高阶学习能力和高阶思维能力，实现“知识建构、STEM、创客”三位一体教学模型的互通交融。

（五）“知识建构、STEM、创客”三位一体教学模型的构建

“知识建构、STEM、创客”三位一体教学模型的构建以知识建构理论为核心，以STEM教育和创客教育为两翼，将“共享—论证—协商—创作—反思”协作学习过程模型中五个特征环节与STEM和创客教育进行有机融合;对真实情境问题进行知识建构，以项目学习为主线，在项目学习过程中设计项目、分组协作、活动探究、迁移拓展、创新应用;依托“学、做、创”教学模式，丰富和拓展美国教育家杜威提出的“在做中学”和我国著名教育家陶行知提出的“教学做合一”教育思想的内涵，让学习者通过“做中学、学中做、做中创”，形成初步研究成果，再将初步研究成果在“分享—反思—评价—改进—迭代—再造”的过程中进行打磨提升，最终形成精品;课程教学采用线下面授课程教学与线上网络课程研修相融合的方法;教学评价采用过程性评价与终结性评价相结合、定量评价与定性评价相结合、自我评价与相互评价相结合、多形式评价与多元化评价相结合的方式[19]。所构建的“知识建构、STEM、创客”三位一体教学模型如图4所示。

三、“知识建构、STEM、创客”三位一体教学模型在人工智能教学中的应用

近年来，研究团队将该教学模型分别在中小学教师继续教育系列人工智能课程培训和高校软件工程专业人工智能课程教学中进行了探索实验，取得了良好的教学效果。

（一）在中小学教师继续教育系列人工智能课程培训中的应用

目前，中小学人工智能师资匮乏，由于人工智能涉及面广，很多内容都是新领域、新技术、新知识，对教师的综合素质、跨学科融合、知识迁移、开拓创新等能力要求较高，为解决中小学人工智能师资短缺问题，笔者利用“知识建构、STEM、创客”三位一体教学模型在中小学教师继续教育系列人工智能课程培训中进行了实验和验证。与高校、科研院所和企业合作开设了中小学教师继续教育系列人工智能面授课程，分别是“积木式图形化软件与智能机器人创意编程”“App Inventor与智能机器人创意编程”“无人机（空中机器人）编程入门与实践”“人工智能编程入门与实践（Python版）”“人工智能编程入门与实践（积木式图形化软件版）”“VR编程入门与实践（积木式图形化软件版）”，已培训教师661人次。以上开设的中小学教师继续教育系列人工智能培训课程都涉及软件编程和硬件设备操作。以“人工智能编程入门与实践（Python版）”课程为例，教学采用的教程是一套应用Python语言编程、基于物聯网设备开发的《人工智能》（高中版）[20]，开展教师培训教学时，每人一台计算机、两人共用一套物联网实验箱，实验箱中配备了主控器、通过无线网络连接的各种传感器和多种电机。授课教师教学时，通过案例演示创设情境、布置项目活动任务，传授人工智能项目所涉及的STEM知识，参训教师在学习过程中对自己需要设计的物联网创意作品进行知识建构，融入自己的经验，使用教学中提供的物联网智能硬件设备进行结构搭建、Python编程、软硬件调试等，两人小组互助协作最终完成一件具有语音识别、人脸识别、自动避障、温度调节等多种智能感知功能的智能家居系统;在作品的分享展示环节，通过组内评价、组间评价和授课教师点评，找出作品存在的问题，再进行迭代升级，最后制作完成一件基于物联网的人工智能项目作品。

在中小学教师继续教育系列人工智能课程培训的应用过程中发现，该教学模型为人工智能教学提供了一种新的教学范式。目前，95%以上中小学教师继续教育培训课程是以在线网络课程形式呈现，网络课程虽然具有学习方式灵活、学习不受时空限制、覆盖面广等优势，但也存在诸多弊端。例如：有些教师参加网络课程培训的目的不是为了学习知识而是为了拿到继续教育学分;有的教师请他人代其上网学习;有的教师为了赶进度，在上网课的同时打开多台计算机播放视频，让“机器学习”而不是“真人学习”，走过场、流于形式、浪费资源，完全失去了开展继续教育课程培训的意义。再者，在线网络课程虽然覆盖面广，但也有不足之处，因为实操性强的课程就不太适用于在线网络课程教学。而人工智能课程不但涉及理论知识，还有计算机编程和软硬件实操，是实操性较强的课程，因此，纯网络课程已不适应人工智能课程的继续教育培训。采用该教学模型开展中小学教师继续教育系列人工智能课程培训试验取得了较满意的效果，教学采用线上网络课程（蓝墨云班课）和线下面授课培训相结合、理论与实践相结合、现场实操与网上研讨相结合、线下评价与线上评价相结合的方式，参加培训的教师能全程投入学习，亲自动手实践，参加学习不是为了拿学分，而是为了掌握人工智能课程知识、按课程要求完成项目作品的设计而认真学习，培训结束都满载而归。参加培训的教师回到学校后，在自己的课堂教学中采用该教学模型进行实验和验证后表示，该教学模型同样适合中小学生的人工智能课程教学。通过中小学教师继续教育课程和中小学生人工智能課程教学实践验证，该教学模型在人工智能课程教学中均取得了较好的实验效果。因此，该教学模型对中小学开展人工智能课程教学具有一定的指导意义和实用价值。

（二）在高校软件工程专业语音交互微信小程序设计教学中的应用

笔者与教学团队在高校软件工程本科专业课程、大创项目、各类比赛项目教学中利用该模型进行探索实验与应用实践发现，学生各类创新成果转化数量有明显提高，能有效促进创新人才的培养。以下以语音交互微信小程序设计教学为例来阐释该模型的应用成效。

语音交互微信小程序设计是一个集科技前沿知识和多学科知识于一体的程序设计项目，也是人工智能课程编程教育的一个典型教学案例，开发过程涉及人工智能相关技术，如深度学习、机器学习、多种算法、编程语言（Python Flask、C++、JavaScript、CSS、HTML等多种）、语音识别等多种技术，微信小程序因应用环境、面向的群体、提供的功能等不同，还涉及STEM领域的跨学科知识。教师在教学前需要按照该模型的教学核心来设计和组织教学活动。首先是创设情境，从实际生活、工作中发现问题和需求，并针对问题和需求提出挑战性的任务或复杂性的问题，引导各组学生基于问题和需求拟定微信小程序项目主题;各组在开始各自的项目主题讨论时发表各自观点和解决问题。由于项目来自实际生活，并且是集中解决生活中的某类问题或功能需求，因此，在项目目标实现的过程中必然涉及到多学科知识。如在微信小程序开发过程中，从小程序注册、信息完善、程序编写、程序调试、发布授权等多个环节都会用到STEM知识，让学生通过多学科融合、知识建构、开拓创新、挑战自我，能够解决具有创新性、挑战性的各种难题。因此，这个语音交互微信小程序项目设计既具有真实情境性，又隐含复杂挑战性的问题或任务，能激励学生在运用多学科知识解决问题的过程中积极建构新知识、新观点和新方法，引导学生探究前沿科技以解决创作过程中的复杂问题，基于创客理念，从作品交互界面、功能、技术、意义价值等方面建构和创新，整个学习实践过程以知识建构理念来引领，最终完成一件具有创新性的作品。

项目完成后，进入再创造阶段，也是知识再迁移拓展阶段。教师组织开展小组作品分享活动，并且对作品进行反思评价。在反思评价的基础上再对作品进行探究实践、改进再造和迭代更新，形成更高阶的循环学习模式，学生知识和技能在实践中得到反复扩展和迁移，创新思维和创新能力得以反复强化。近几年来，笔者教学团队指导学生开发了一系列语音交互微信小程序设计作品，学生作品在“2019年中国高校计算机大赛——微信小程序比赛”中获得多项省级和国家级奖项。由此可见，利用该模型在语音交互微信小程序教学中不但让学生取得了较好的成绩，而且学生通过作品设计和参加竞赛，还提高了学生的高阶思维能力、动手实践能力和团队协作能力。同时，该模型也开始在软件工程的其他相关课程教学中进行推广应用，以期通过更多的实验对模型进行不断改进和完善，进而提升该教学模型的应用效果。

四、“知识建构、STEM、创客”三位一体教学模型在人工智能教学中的应用成效与特征

知识建构具有发展学生深度学习、提升高阶思维能力、开展协作学习活动的优越性，既能促进STEM教育的学习深度和质量，又能加强创客学习的广度和深度。因此，基于项目学习，知识建构理念能促进STEM教育和创客教育相互融合以发挥更大的教学育人优势。“知识建构、STEM、创客”三位一体教学模型的应用成效和特征如下：

（一）适用于实操型课程教学

该教学模型是以知识建构为核心，融合了创客教育、STEM教育理念，实施过程不仅需要掌握基本知识、基本原理，更重要的是学习者要动手实践、造物创新，通过“学、做、创”完成作品的创作和展示等，该教学模型适用于动手实践较强的实操型课程的教学。人工智能课程既需要用计算机编程，又要对硬件设备进行安装并根据所编程序进行调试，属于实操性强的课程。因此，该教学模型适用于人工智能课程教学。

（二）有助于学习者高级思维能力的培养

知识建构是该教学模型的核心，学习者通过项目探究学习多学科知识，在学习过程中解决有潜在价值的问题，项目目标的完成具有复杂性、创新性和挑战度，能引导学习者洞悉学科前沿，掌握未知领域的知识，在解决项目问题的过程中掌握新技能和建构新知识，同时又把获得的知识转化成一种获取新知识的能力、水平和方式。整个学习过程是持续进行知识建构和知识创新的高阶学习过程。因此，该教学模型在人工智能教学中有助于培养学习者的编程思维、计算思维、智能思维等高阶思维能力。

（三）有助于培养学习者的创新思维能力和沟通协作能力

此教学模型以STEM教育理念引导学生“做中学”，集中引导学生进行知识和能力的扩展和延伸，系统化学习多学科知识，提升跨学科知识融合和信息化工具的应用能力;以创客教育理念引导学生“做中创”，独立思考、协作探究，创新性地解决问题，积极应对具有挑战性的问题，最终创造出具有创新性的成果。学习者在整个学习过程中对项目中的问题和观点进行持续改进、迭代更新、改造创新，体现了“情境”“协作”“沟通”“建构”“创新”的特征，并在项目学习过程中需要团队成员充分沟通、精诚合作、携手共赢。因此，利用该教学模型开展教学有助于培养学习者的创新思维能力和沟通协作能力。

（四）注重教学评价与教学反思

在成果分享和反思环节，需要对完成的项目成果进行综合评价、迭代改造和拓展创新。评价环节既是第一轮创作的终点，也是下轮创作的起点，评价目的是为了激发学生的学习热情并促进学生的全面发展。在该模型应用中，评价原则的设计要以学生为中心，基于教学内容、培养目标、教学模式等与其相匹配的评价原则，进行多形式和多元化评价。由于该模型基于知识建构理论进行设计构建，评价首先要遵循知识建构的评价原则：评价中既要看到知识建构的过程，又要看到知识建构的结果。因此，评价中特别关注到学习者分享了什么观点，建构了什么知识，创造了什么作品，依据评价量规对学生所创作的作品进行多元评价。通过教学反思，发现学生的新需求和新问题，教师引导和鼓励学生进行迭代循环改造与作品拓展创新，以进一步強化和提升学生的高阶学习能力和高阶思维能力。

五、结   语

随着人工智能时代的到来，人工智能进学校、编程教育进课堂、培养人工智能高端人才已成为大、中、小学教育发展的新趋势，人类教师的知识性授课角色将逐渐被人工智能教师替代，人类教师的育人角色将会更加凸显，人机协同教学将把学生创新能力培养放在首位。“知识建构、STEM、创客”三位一体教学模型在实践过程中集中体现了以学生为中心，以“授之以渔”的创新教育理念为导向，具有涵盖知识丰富性、思维培养高阶性、自主学习积极性、协作探究严谨性等特征，能有效培养和提升21世纪创新人才的核心素养，在高校和中小学编程教育课程教学中有实际应用价值，同时在智能机器人、人工智能等实操性强的课程中也值得借鉴和应用推广。但该模型仍然有需要改进的地方，将在后续研究中进一步修改和完善。

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