【摘要】文章以國家實(shí)施的人工智能賦能行動為導(dǎo)向，以信息科技新課程標(biāo)準(zhǔn)為出發(fā)點(diǎn)，全面提升人工智能素養(yǎng)，教師以“AI虛擬仿真-未來城市體驗(yàn)”主題教學(xué)為例，根據(jù)5E教學(xué)理論分五階段構(gòu)建社團(tuán)課堂，即情境吸引—設(shè)計(jì)探究—原理解釋—總結(jié)遷移—多元評價(jià)。在具體實(shí)踐中，教師以3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室為平臺，賦予學(xué)生真實(shí)問題解決過程，讓學(xué)習(xí)者以未來城市管理者角色，控制自動巡航機(jī)器人，運(yùn)用圖形化編程完成自動巡線、智能識別、機(jī)械控制和城市清潔任務(wù)，為面向素養(yǎng)培育的AI虛擬仿真學(xué)習(xí)活動探索教學(xué)模型，提供具有可行性分析的實(shí)踐依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】初中；人工智能；虛擬仿真；信息科技

【中圖分類號】G633.67【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A【文章編號】1004—0463（2024）15—0038—05

目前，將初中階段開展的人工智能教育延伸至小學(xué)高年段，培養(yǎng)適應(yīng)未來的綜合型人才已成為社會發(fā)展趨勢。人工智能作為信息科技教育的尖端領(lǐng)域，學(xué)生的學(xué)習(xí)行為、教師的教學(xué)方式都將迎來重要變革[1]。優(yōu)化后的5E教學(xué)模式在這樣的教育契機(jī)下應(yīng)運(yùn)而生，具有易操作、效率高、易控制等優(yōu)點(diǎn)?；诖?，筆者將5E教學(xué)模式應(yīng)用于小學(xué)AI虛擬仿真教學(xué)之中，分析具體學(xué)情，構(gòu)建面向人工智能素養(yǎng)培育的5E-AI教學(xué)模式，并驗(yàn)證其有效性。

一、背景分析

（一）研究背景

目前，信息科技課程、校本課程、社團(tuán)及STEM教育是人工智能教育的主陣地。其中，信息科技學(xué)科是小學(xué)高年段人工智能普及教育能否實(shí)施的關(guān)鍵學(xué)科，因此，探索人工智能教育領(lǐng)域的教師需要突破自身學(xué)段壁壘，嘗試貫通式設(shè)計(jì)[2]。這些需求指向三個(gè)問題：第一，明確小學(xué)高年段人工智能教育的總體目標(biāo)是什么，需要整合什么內(nèi)容。第二，借助怎樣的平臺并且有效整合資源。第三，如何在項(xiàng)目學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)層層遞進(jìn)，逐步驅(qū)動學(xué)生挖掘信息科技原理，培養(yǎng)學(xué)生的素養(yǎng)。

（二）研究價(jià)值

依據(jù)新課標(biāo)，查閱文獻(xiàn)、資料，在參考相關(guān)國內(nèi)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，筆者提煉出小學(xué)階段人工智能核心素養(yǎng)的內(nèi)涵，包括人工智能意識，將為學(xué)習(xí)者運(yùn)用AI思想解決問題提供核心驅(qū)動力；人工智能思維，能夠增強(qiáng)學(xué)生厘清思路、選擇合理方法的科學(xué)性和全面性；人工智能應(yīng)用創(chuàng)新，將深度探究、發(fā)現(xiàn)原理和總結(jié)規(guī)律的學(xué)習(xí)過程，轉(zhuǎn)化為學(xué)生拓寬視野、實(shí)踐創(chuàng)新的新路徑；人工智能社會責(zé)任，會使學(xué)習(xí)者形成運(yùn)用信息科技力量、改善現(xiàn)有生活模式的正向價(jià)值觀。5E教學(xué)模式正是以培養(yǎng)人工智能素養(yǎng)為宗旨，幫助學(xué)生親身探究實(shí)踐過程，這與初中人工智能教育的總體目標(biāo)銜接緊密。

（三）研究創(chuàng)新點(diǎn)

1. 5E教學(xué)模式及其優(yōu)勢。5E教學(xué)模式是由探究式教學(xué)形式發(fā)展演變而來，其命名來源于五個(gè)典型環(huán)節(jié)，分別是吸引（Engage）、探究（Ex？ plore）、解釋（Explain）、遷移（Elaborate）和評價(jià)（Evaluate）[3]。國外相關(guān)研究證實(shí)，把5E教學(xué)模式應(yīng)用于信息科技教學(xué)，對培養(yǎng)學(xué)生的探究學(xué)習(xí)投入度、小組討論的參與度和社會責(zé)任感的培養(yǎng)能發(fā)揮出推動作用。國內(nèi)研究則發(fā)現(xiàn)5E教學(xué)模式在不同學(xué)段人工智能模塊教學(xué)中的適用性，以及5E教學(xué)模式的五個(gè)環(huán)節(jié)都對人工智能素養(yǎng)一項(xiàng)或多項(xiàng)的培育產(chǎn)生積極影響[4]。

2.面向人工智能素養(yǎng)培育的5E-AI虛擬仿真教學(xué)模式。五個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)為課堂具體表象的5EAI虛擬仿真教學(xué)模式的主要環(huán)節(jié)，提倡學(xué)生體驗(yàn)與領(lǐng)悟，即在AI情境中實(shí)現(xiàn)人工智能意識的感知，在AI設(shè)計(jì)探究中運(yùn)用人工智能思維解決問題，在AI原理解釋和總結(jié)遷移中開展人工智能應(yīng)用創(chuàng)新，在AI多元評價(jià)中秉持人工智能的社會責(zé)任，這完整體現(xiàn)出人工智能是計(jì)算機(jī)用數(shù)據(jù)處理來模擬人類智能的技術(shù)，人工智能素養(yǎng)是人類個(gè)體運(yùn)用信息科技思想理論、在問題解決過程中形成的綜合思維活動和全面行為表現(xiàn)[5]。因此，5E-AI虛擬仿真教學(xué)模式符合人工智能素養(yǎng)培育的總體要求。

二、研究策略和教學(xué)實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)與實(shí)施

（一）研究策略

在信息科技社團(tuán)教學(xué)實(shí)踐研究中，教師要把5E-AI教學(xué)模式應(yīng)用于人工智能，要求教師剖析課程設(shè)計(jì)架構(gòu)，由學(xué)生在虛擬仿真這類數(shù)字化環(huán)境中應(yīng)對實(shí)際問題提出方案并著手解決。

（二）教學(xué)實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

以該研究策略為出發(fā)點(diǎn)，筆者大量閱讀和整理文獻(xiàn)，結(jié)合小學(xué)生的認(rèn)知水平和學(xué)習(xí)特點(diǎn)，參照新課標(biāo)中人工智能素養(yǎng)的評價(jià)分類方法，以人工智能意識、人工智能思維、人工智能應(yīng)用與創(chuàng)新和人工智能社會責(zé)任這四個(gè)維度對學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)前后人工智能素養(yǎng)的提升情況展開測評及訪談?wù){(diào)查，根據(jù)教材和學(xué)情分析設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)。教學(xué)實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)如圖1所示。

（三）教學(xué)實(shí)驗(yàn)流程

筆者對4所教育集團(tuán)片區(qū)內(nèi)的實(shí)驗(yàn)校展開研究。4所學(xué)校在甘肅省蘭州市城關(guān)區(qū)教育評估中排名接近，最高排名與最低排名差距<10，各校抽取5-6年級4個(gè)編程興趣社團(tuán)，并分為1個(gè)實(shí)驗(yàn)組和1個(gè)對照組，實(shí)驗(yàn)共抽取188名學(xué)生，展開問卷測評并對數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。前測部分對兩個(gè)組學(xué)生上學(xué)期社團(tuán)信息開展問卷測評，結(jié)果是兩組學(xué)生水平相近。對照組人數(shù)94名，并延續(xù)傳統(tǒng)教學(xué)模式；實(shí)驗(yàn)組人數(shù)94名，采用5E-AI虛擬仿真教學(xué)模式教學(xué)。負(fù)責(zé)本次教學(xué)的四位教師，擔(dān)任該校五、六年級的信息科技社團(tuán)教學(xué)，從事專職小學(xué)信息科技教學(xué)10年左右，教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富且具備優(yōu)秀的信息科技教學(xué)能力。收集實(shí)驗(yàn)前后測數(shù)據(jù)，導(dǎo)入SPSS軟件開展樣本t檢驗(yàn)，反映出對照組前后測達(dá)成率接近，而實(shí)驗(yàn)組學(xué)生人工智能素養(yǎng)4個(gè)維度的前后測達(dá)成率均呈現(xiàn)顯著性增長。參與教師的訪談結(jié)果顯示，對新教學(xué)模式的接受程度，由中立態(tài)度轉(zhuǎn)變?yōu)樵敢饫^續(xù)使用這種教學(xué)模式的積極態(tài)度。因此，5E-AI虛擬仿真教學(xué)模式應(yīng)用于小學(xué)高年段信息科技社團(tuán)教學(xué)，能顯著提升學(xué)生的人工智能素養(yǎng)水平。

（四）教學(xué)實(shí)踐過程

自動駕駛、智能識別和機(jī)械控制是人工智能領(lǐng)域最熱門的應(yīng)用，也是科技創(chuàng)新社團(tuán)熱衷于開展的教學(xué)內(nèi)容，以“AI虛擬仿真-未來城市體驗(yàn)”為例，結(jié)合道路巡邏安全宣傳和智能城市清潔的主題任務(wù)，闡述面向人工智能素養(yǎng)培育的5E-AI虛擬仿真教學(xué)流程。

1. AI情境吸引，提升人工智能意識。吸引環(huán)節(jié)賦予學(xué)生科學(xué)家、決策者和執(zhí)行者角色，設(shè)計(jì)完整學(xué)期課程的連貫劇情，教師以AI虛擬仿真技術(shù)，創(chuàng)設(shè)貼近學(xué)生現(xiàn)實(shí)生活的主題情境，以生動有趣的劇本串聯(lián)主題任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生初步感知人工智能，知道它的使用價(jià)值和存在意義，調(diào)動他們對人工智能的探索熱情，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的人工智能意識。

2. AI設(shè)計(jì)探究，運(yùn)用人工智能思維。教師在探究環(huán)節(jié)可采用多種分組方式組建學(xué)習(xí)小組，實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)成員間的優(yōu)勢互補(bǔ)，根據(jù)任務(wù)結(jié)構(gòu)，加深對問題的理解，鼓勵學(xué)生使用邏輯流程圖等方式描述AI的實(shí)現(xiàn)過程。此外教師要適時(shí)反饋，了解學(xué)生現(xiàn)有水平與發(fā)展空間的認(rèn)知距離，為推動下一環(huán)節(jié)奠定基礎(chǔ)，在邏輯建構(gòu)中培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力，培養(yǎng)學(xué)生的人工智能思維。

3. AI原理解釋，應(yīng)用人工智能判斷。在解釋環(huán)節(jié)中，學(xué)生以小組為單位總結(jié)匯報(bào)探究成果，由團(tuán)隊(duì)成員提供數(shù)據(jù)，用客觀事實(shí)闡明發(fā)現(xiàn)的原理和規(guī)律，在課堂中形成科研氛圍。在此基礎(chǔ)上，教師結(jié)合雙方的回答，做出權(quán)威解釋，并展示完善后的人工智能原理或結(jié)論，引發(fā)學(xué)生對應(yīng)用該原理的深度思考。在知識遷移階段，教師設(shè)置“基礎(chǔ)、提高、拓展”的分層任務(wù)，提升學(xué)生的綜合素養(yǎng)，以小組協(xié)作的方式設(shè)計(jì)出作品，再參考對照大組之間的反饋建議，進(jìn)一步優(yōu)化作品。解釋環(huán)節(jié)和遷移環(huán)節(jié)，是相輔相成的，旨在達(dá)成人工智能應(yīng)用創(chuàng)新層面的培養(yǎng)目標(biāo)。

4. AI多元評價(jià)，秉持人工智能責(zé)任。一是評價(jià)環(huán)節(jié)的課中形式。評價(jià)環(huán)節(jié)在吸引、探究、解釋、遷移環(huán)節(jié)的課中表現(xiàn)形式主要來自學(xué)生自評和生生互評，以小組協(xié)作和大組對比的形式開展，再添加教師的評價(jià)部分，使得評價(jià)量表綜合、客觀、科學(xué)。以上部分都由學(xué)生在教、學(xué)、評一體化下的線上數(shù)字教學(xué)系統(tǒng)中直接錄入，平臺分析個(gè)人學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)掌握學(xué)情，助力教學(xué)。平臺也能展開數(shù)字化教學(xué)數(shù)據(jù)分析，包含教師上課次數(shù)、內(nèi)容分析與統(tǒng)計(jì)，課件、作業(yè)批改相關(guān)量值分析，體現(xiàn)出數(shù)字課堂的即時(shí)性和高效性。

二是評價(jià)環(huán)節(jié)的課后形式。適當(dāng)?shù)募顧C(jī)制能帶給學(xué)生持續(xù)的學(xué)習(xí)動力，維持信息科技探索動機(jī)。第一種方式是課后作業(yè)的布置和及時(shí)批閱反饋，虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺支持下發(fā)、收集學(xué)生的AI實(shí)踐作業(yè)，教師可以進(jìn)入3D虛擬環(huán)境運(yùn)行程序，檢測執(zhí)行情況對學(xué)生評分和文字反饋。學(xué)生登錄平臺，可以查閱教師評語，發(fā)現(xiàn)自己的閃光點(diǎn)和需要努力的方向，實(shí)時(shí)關(guān)注作業(yè)所體現(xiàn)的認(rèn)知發(fā)展情況。虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺能夠“以智助學(xué)”和“以智助教”。反饋評價(jià)不應(yīng)只是發(fā)生在每節(jié)課后，在完整的項(xiàng)目學(xué)習(xí)結(jié)束階段，教師可以組織學(xué)生梳理復(fù)盤本次“未來城市體驗(yàn)和管理”的全部內(nèi)容，激勵學(xué)生利用課余時(shí)間挑戰(zhàn)總體任務(wù)的機(jī)器評分紀(jì)錄，激發(fā)學(xué)生探索內(nèi)在規(guī)律的動機(jī)，改進(jìn)后續(xù)教學(xué)策略。

三是評價(jià)環(huán)節(jié)的責(zé)任屬性。主題教育教學(xué)活動指向“智能社會責(zé)任”這一最終目標(biāo)，采用5E-AI虛擬仿真教學(xué)模式，能夠引發(fā)學(xué)生對“城市管理者”社會角色的思考。虛擬仿真環(huán)境培養(yǎng)學(xué)生的暢想能力，滿足小學(xué)高年段學(xué)生對未來人工智能社會的想象，激發(fā)他們對虛擬仿真編程技術(shù)的學(xué)習(xí)積極性，能夠?yàn)橛尤斯ぶ悄苌鐣牡絹碜龊脺?zhǔn)備。

三、教學(xué)評估與反思

（一）總結(jié)評估教學(xué)

問卷測評的評分方式采用李克特五級評分法，以2-18周、每周2課時(shí)共34課時(shí)的社團(tuán)教學(xué)活動為實(shí)驗(yàn)周期，實(shí)驗(yàn)組統(tǒng)計(jì)問卷的前后測目標(biāo)顯著性差異分析，發(fā)現(xiàn)四個(gè)維度前測中“對照組與實(shí)驗(yàn)組”的評估數(shù)據(jù)均無顯著性差異（p>0.05）；四個(gè)維度后測中“對照組與實(shí)驗(yàn)組”的評估數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)顯著性差異（p<0.05），得出結(jié)論：面向人工智能素養(yǎng)培育的5E-AI虛擬仿真教學(xué)模式，可以顯著提升學(xué)生的人工智能素養(yǎng)評估目標(biāo)，如表1所示。

（二）亮點(diǎn)和研究價(jià)值

經(jīng)過第九周的中期測評和第十八周的最終測評，基于這兩輪教學(xué)實(shí)踐驗(yàn)證，得出面向人工智能素養(yǎng)培育的5E-AI虛擬仿真教學(xué)模式繁榮創(chuàng)新點(diǎn)：一是學(xué)生在虛擬仿真教學(xué)數(shù)字化平臺上開展探究實(shí)踐活動，完成創(chuàng)意規(guī)劃設(shè)計(jì)，并在合作交流、分享展示作品過程中，培養(yǎng)了建構(gòu)知識能力，提升了邏輯思維水平。而基于人工智能素養(yǎng)總體目標(biāo)的全新培育形式，能夠助力人工智能基礎(chǔ)教育的普及開展。二是教師在數(shù)字化教學(xué)與管理平臺、教學(xué)數(shù)據(jù)可視化分析的手段加持下，精準(zhǔn)分析學(xué)生學(xué)情，合理調(diào)控評估過程的做法，豐富了教學(xué)模式。以此為基礎(chǔ)開展的學(xué)習(xí)活動涵蓋面廣、模擬性強(qiáng)、規(guī)范程度高，教師組織創(chuàng)設(shè)情境、明確分組、開展合作、指導(dǎo)答疑、分享展示和數(shù)字化評價(jià)等教學(xué)活動，憑借其科學(xué)性和全面性，能夠助力虛擬仿真教學(xué)活動的有效實(shí)施。

（三）問題和解決途徑

本次教學(xué)實(shí)驗(yàn)所采用的人工智能教學(xué)主題AI模塊具有普適性，利用自動駕駛、智能識別和機(jī)械控制來提升話題熱度。但是教學(xué)實(shí)踐開展過程中，筆者發(fā)現(xiàn)還需結(jié)合學(xué)生個(gè)體差異性，掌握學(xué)習(xí)者對不同教學(xué)內(nèi)容的興趣點(diǎn)，從而優(yōu)化調(diào)整教學(xué)內(nèi)容以及教學(xué)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。針對不足之處，教師可在教學(xué)準(zhǔn)備期間，設(shè)計(jì)開發(fā)更多教學(xué)資源和跨學(xué)科主題內(nèi)容，以供學(xué)生自由選擇。在選擇過程中，學(xué)生根據(jù)興趣選擇不同內(nèi)容，自發(fā)分組，探究實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其中所蘊(yùn)含的技術(shù)原理、人工智能規(guī)律等相同點(diǎn)，形成社團(tuán)學(xué)習(xí)中、同一主題架構(gòu)下不同學(xué)習(xí)內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系。

教師應(yīng)提升內(nèi)容重組、活動重組、資源重組的二次開發(fā)能力，不斷提升自身的人工智能素養(yǎng)，以便實(shí)現(xiàn)課程重構(gòu)、智慧融入以及促進(jìn)教育業(yè)態(tài)新的生長。線下教學(xué)促進(jìn)師生互動，加快科學(xué)研討氛圍的形成，真正實(shí)現(xiàn)以智助研，借助模擬計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘等手段，構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動的研究新范式，不斷深化規(guī)律性認(rèn)識，積極引導(dǎo)AI技術(shù)合理應(yīng)用，讓技術(shù)進(jìn)步服務(wù)師生。

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（本文系2023年度甘肅省“十四五”教育科學(xué)規(guī)劃課題“融入虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)的小學(xué)圖形化編程教學(xué)策略研究”的研究成果，課題立項(xiàng)號：GS[2023]GHB0561）

編輯：宋春宇