AI算法平臺下基于PBL的創(chuàng)客教學(xué)模式研究

【摘要】本文以“人臉識別門禁系統(tǒng)”的課堂教學(xué)為例，開展基于PBL的人工智能創(chuàng)客教學(xué)活動，幫助學(xué)生從真實(shí)情境中學(xué)習(xí)人臉識別技術(shù)的知識，歸納出AI算法平臺支持下基于PBL的創(chuàng)客教學(xué)特點(diǎn)。【關(guān)鍵詞】AI算法平臺；項(xiàng)目化學(xué)習(xí)；創(chuàng)客教學(xué)創(chuàng)客教育是培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的創(chuàng)新人才的重要途徑之一。它融合了體驗(yàn)教育（從做中學(xué)）、基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)（以特定任務(wù)為中心）、創(chuàng)新教育（以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新品質(zhì)為目標(biāo)）以及DIY（DoItYourself，自己動手做）等理念中的多種元素。PBL項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（Project-basedLearning）是基于現(xiàn)實(shí)問題情景的以學(xué)生為中心的教學(xué)方式，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。本研究通過構(gòu)建AI算法平臺支持下基于PBL的創(chuàng)客教學(xué)模式，促進(jìn)學(xué)生人工智能素養(yǎng)的培養(yǎng)，提高學(xué)生綜合素質(zhì)。AI算法平臺下基于PBL的創(chuàng)客教學(xué)模式構(gòu)建教學(xué)模式由指導(dǎo)思想、教學(xué)目標(biāo)、教師與學(xué)生、實(shí)現(xiàn)條件、教學(xué)過程和教學(xué)評價(jià)等六要素構(gòu)成。本研究以AI算法平臺（GeniusBrain是一個(gè)用于學(xué)習(xí)人工智能的平臺）為支撐環(huán)境，構(gòu)建了AI算法平臺支持下基于PBL的創(chuàng)客教學(xué)模式（圖1）。該模式的指導(dǎo)思想主要是建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論、實(shí)用主義學(xué)習(xí)理論以及創(chuàng)客教育和項(xiàng)目化學(xué)習(xí)相關(guān)理論，教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生人工智能素養(yǎng)，具體表現(xiàn)為培養(yǎng)學(xué)生工程思維、創(chuàng)新思維、協(xié)作能力和問題解決能力等方面。教學(xué)的實(shí)現(xiàn)條件及人工智能創(chuàng)客教學(xué)環(huán)境主要包括創(chuàng)客硬件設(shè)備、AI算法平臺、人工智能教育基地和相應(yīng)的教學(xué)資源；教學(xué)過程主要從創(chuàng)意由來開始，利用真實(shí)的問題情境，經(jīng)歷“明確問題→分析問題→設(shè)計(jì)方案→交流論證→方案優(yōu)化”的方案設(shè)計(jì)過程和“模型設(shè)計(jì)→材料收集→模型搭建→功能實(shí)現(xiàn)→分享交流”的制作體驗(yàn)以及知識的遷移應(yīng)用；教學(xué)效果評價(jià)主要是教師在該教學(xué)模式教學(xué)實(shí)踐中，對學(xué)生在其中表現(xiàn)出的工程思維、創(chuàng)新思維、協(xié)作能力和問題解決能力等方面的變化情況進(jìn)行測量評價(jià)。1.創(chuàng)意由來創(chuàng)意的由來一般是學(xué)生通過對生活中某種現(xiàn)象或遇到的某個(gè)問題進(jìn)行深入思考后，在其腦中形成的某種想法，這需要有真實(shí)的問題情境。2.方案設(shè)計(jì)明確問題：這是確定問題的過程。學(xué)生需要分析情境中的問題，明確問題的關(guān)鍵因素，并將問題用語言或圖表提煉與表達(dá)出來。分析問題：對表達(dá)出的問題進(jìn)行拆分。學(xué)生需要聯(lián)系自身的知識體系，拆分問題，將問題最終拆分為通過已有知識可以解決的多個(gè)子問題。設(shè)計(jì)方案：即提出問題解決策略的過程。學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)與協(xié)作學(xué)習(xí)，分析大量有關(guān)的信息和資料，生成策略，提出假設(shè)，形成初步的問題解決方案。交流論證：這是商討設(shè)計(jì)方案可行性的過程。學(xué)生與同學(xué)分享自己的想法，征求同學(xué)與教師等人對方案的意見，確定設(shè)計(jì)方案是否切實(shí)可行。方案優(yōu)化：這是調(diào)整與優(yōu)化方案以便順利實(shí)施的過程。學(xué)生根據(jù)他人（教師、專業(yè)人士、同學(xué)）的建議，再次完善自己的設(shè)計(jì)方案，最終形成可實(shí)施的方案。3.制作過程模型設(shè)計(jì)：學(xué)生根據(jù)設(shè)計(jì)方案，并借助工具（電腦繪圖軟件）設(shè)計(jì)與制作產(chǎn)品模型，包括具體的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和外觀效果圖。材料收集：獲取相關(guān)的制作材料，為模型成“形”提供材料支撐，保障方案能夠順利實(shí)施。模型搭建：即模型成“形”的過程，學(xué)生需將每一個(gè)零件進(jìn)行組裝，將所設(shè)計(jì)的模型轉(zhuǎn)變?yōu)榭吹靡娒弥默F(xiàn)實(shí)作品。功能實(shí)現(xiàn)：將最初的創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)作品的過程。學(xué)生需要將模型與相關(guān)硬件進(jìn)行連接，之后經(jīng)過編程，并進(jìn)行試驗(yàn)、項(xiàng)目調(diào)試與修改，最終使作品實(shí)現(xiàn)最初的創(chuàng)意功能，制作出符合創(chuàng)意的作品。分享交流：這是展示成果的過程。學(xué)生與同學(xué)、教師分享自己創(chuàng)意智造過程中的心得體會，向同學(xué)與外界介紹自己的創(chuàng)意智造作品的特點(diǎn)。4.知識的遷移應(yīng)用對知識的遷移與應(yīng)用，即學(xué)生把創(chuàng)意智造過程中所習(xí)得的新知識遷移應(yīng)用到其他的場景中。知識遷移既是檢驗(yàn)對知識的理解的一種手段，也是加深理解和鞏固知識的重要方式；既是對制作實(shí)踐的指導(dǎo)，同時(shí)又接受著制作實(shí)踐的檢驗(yàn)。教學(xué)實(shí)例——“人臉識別門禁系統(tǒng)”“人臉識別門禁系統(tǒng)”是浙江省杭州市臨平區(qū)人工智能教育基地開發(fā)的系列“智慧”課程中“智能家居”模塊中的內(nèi)容。該模塊的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生了解人臉識別的基本概念，熟悉門禁系統(tǒng)的重要組成部分，了解人臉識別算法并能舉例說明人臉識別算法在生活中的應(yīng)用；掌握GeniusBrain平臺人臉識別功能的使用方法；學(xué)會利用Mind+圖形化編程控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動；掌握通過攝像頭模塊，完成識別人臉，控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)等模擬人臉識別門禁系統(tǒng)的方法；初步了解AI技術(shù)，產(chǎn)生對AI技術(shù)學(xué)習(xí)的興趣。在本案例教學(xué)中，從“創(chuàng)意由來”出發(fā)，通過真實(shí)情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，明確“如何利用AI技術(shù)來解決忘帶鑰匙進(jìn)家門困難這個(gè)問題”。之后，引導(dǎo)學(xué)生分析問題，將這個(gè)驅(qū)動性問題分解為四個(gè)子問題：一是人臉識別的原理是什么？二是自制人臉識別要用到哪些工具？三是人臉識別的精準(zhǔn)度是否能夠保證？四是如果遇到壞人想進(jìn)門，是否有報(bào)警措施？再根據(jù)問題分析的結(jié)果將學(xué)生引入到具體“智能門禁方案設(shè)計(jì)”中，學(xué)生在分析討論、交流論證的過程中，構(gòu)思并形成自己的最優(yōu)解決方案；再通過動手實(shí)踐，繪制智能門禁項(xiàng)目作品草圖、設(shè)計(jì)與搭建模型外觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)行程序設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目既定的各項(xiàng)功能，學(xué)生分組體驗(yàn)整個(gè)項(xiàng)目的“制作過程”，并進(jìn)行項(xiàng)目作品展示與交流；最后，引導(dǎo)學(xué)生對智能門禁項(xiàng)目化學(xué)習(xí)過程中習(xí)得的知識“遷移應(yīng)用”，將所學(xué)應(yīng)用到新的項(xiàng)目中或解決新的真實(shí)問題中，真正起到知識遷移的作用。如，有學(xué)生將人臉識別門禁遷移應(yīng)用到“清北校車”項(xiàng)目上。總結(jié)與展望本研究構(gòu)建了AI算法平臺支持下基于PBL的創(chuàng)客教學(xué)模式