5E教学模式在初中人工智能教学中的应用研究*

张 炽，林晓琪

（1.佛山市顺德区教育发展中心，广东佛山 528300；2.广东省佛山市顺德区成美初级中学，广东佛山 528300）

2017年，国务院《新一代人工智能发展规划》强调“在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育，建设和完善人工智能学科”。[1]2018年，教育部在《教育信息化2.0行动计划》中提出，要完善课程方案和课程标准，充实适应信息时代、智能时代发展需要的人工智能和编程课程内容[2]。在此背景下，人工智能教育得到大力倡导，已成为智能时代中小学教育的重要组成部分之一。

当前，我国中小学的人工智能教育课程更多的是在信息技术课程、创客课程、STEAM课程中引入相关的教学内容，究其根本，是以人工智能教育为主题的泛在课程系列[3]。佛山市顺德区成美初级中学也一直积极探索人工智能教育的新思路，引入系列教材，并购置人工智能教学套装以支持教学活动的开展。为了寻找符合学生身心发展特点和学科特点的教学模式，以学科核心素养的培养目标指引人工智能的课程设计与教学，将教学实践上升至更高水平，笔者尝试将5E教学模式引入到初中人工智能课程中，增强学生智能观念，培养学生智能意识和思维，提高学生智能实践力，促进学生学科核心素养提升。

一、5E教学模式的内涵

5E教学模式由美国生物科学课程研究中心（BSCS）在1987年提出，包含了由吸引（Engagement）、探究（Exploration）、 解 释（Explanation）、 拓 展（Elaboration）和评价（Evaluation）五个环节，是一种基于建构主义的探究式教学模式[4]，如图1所示。

图1 BSCS 5E教学模式

该模式的五个环节都对教师和学生提出了具体的要求。（1）吸引：也称参与，该环节要求教师创设教学情境，激发学生探究兴趣；（2）探究：在此环节中，学生进行自主学习、合作探究，教师从旁给予“支架式”指导，为学生知识、技能的形成奠定良好基础，形成创新意识与思维；（3）解释：该环节要求学生展示多样化和个性化的探究结果，提出在探究阶段遇到的问题，教师组织合作交流和讨论，进行补充修正，引导学生加深理解；（4）拓展：在此环节中教师引导学生对知识进行迁移，解决关联性问题，促使学生进一步理解知识，掌握技能，培养学生综合能力的核心素养；（5）评价：该环节鼓励学生自评、同伴互评，评价贯穿于整个教学活动过程，强调评价形式的多元化，评价主体的多样性，为教师掌握学生学习情况提供依据。

笔者将5E教学模式应用到初中人工智能教学活动中，同样由五个环节组成，一般的教学应用流程图如图2所示，可见它们之间互相联系，互相影响。

图2 5E教学模式在初中人工智能教学中应用流程图

二、人工智能课程引入5E教学模式的优势

（一）有效提升人工智能课程核心素养的达成

参照2017版教育部课程方案对学科核心素养的定义，可以认为人工智能课程核心素养是学生通过人工智能课程的学习，逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力[5]。杜昌辉等构建的人工智能课程核心素养由智能意识、智能观念、智能思维与智能实践力四部分组成[6]。

将5E教学模式应用到人工智能课程中，可以多方面地帮助学生形成和发展人工智能课程核心素养。（1）吸引：教师创设情境，学生通过人工智能技术的体验或真实的应用场景，感受人工智能的魅力，激发智能意识。（2）探究：教师启发学生自主探究人工智能相关知识或学习技术，分析运用人工智能解决问题的可行性，发展学生智能意识和思维。（3）解释：学生制作、开发产品或应用，通过整合归纳呈现多元作品，教师则进行补充、纠正，培养学生的智能实践力。（4）拓展：教师引导学生进行学习迁移、内化知识，同时扩充知识内涵，进一步增强学生的智能实践力和智能观念。（5）评价：师生共同参与评价，在总结反思中提升。

（二）学生自主建构，解放学生，解放教师

5E教学模式是基于建构主义的探究式教学模式，倡导学生自主建构知识，合作交流等，有效避免传统教学模式中的教师“满堂灌”现象，既符合新课标要求，也能将教师从无限的培优扶差中解放出来，减轻教师的教学负担。而那些基础薄弱的学生也能借助教师提供的微课资源、项目活动手册等工具来辅助自主探究，减少教师个别辅导时间的同时，也满足学生自学的目的，提高课堂效率，减轻学生的学业负担。

（三）形成学习共同体，学生不再依赖教师

5E教学模式深刻地体现了“以学生为主体，教师为主导”的教学理念，教师在课前创设情境、激发学生兴趣，在课中提出问题，引导学生探究，课后拓展迁移，进行学习评价，在教学过程学生进行自主学习和合作探究，教师提供支架式指导，学生在小组间互帮互助的过程中共同进步，这在一定程度上降低了学生对教师的依赖，对培养学生的独自思考能力、自动学习意识有较大的促进作用。“吸引-探究-解释-拓展-评价”五个环节环环相扣，将小组成员组成一个个“学习共同体”，使学生通过参与团队交流、问题讨论解决、方案设计与最后的项目实施，最终达到共同提高的学习目标。因此，5E教学模式在人工智能教育课程中的优势不仅体现在解决了学生过分依赖教师的问题，也能组成有效的学习共同体，以强带弱，缩减班级学生之间的学习落差。

（四）评价多样性使得课堂教学评价更加合理

5E教学模式摒弃了传统教学模式中的“轻过程重结果”的弊端，评价更加多元化，且贯穿于整个教学活动过程。学生开展自我评价，总结学习经验，同时从“自我反思”中查漏补缺；同伴互评、小组互评等也丰富了评价的方式，学生能在合作交流中发现同伴的闪光点，取长补短，相互影响，共同提高；教师除了根据学生项目成果进行评价外，还在教学过程中通过观察学生的知识应用和迁移情况、问题分析和解决情况，动手实践情况，对学生进行过程性评价，这对学生的发展很有帮助。

总的来说，在人工智能课程中引入5E教学模式，能有效地培养学生的学科核心素养，提高课堂效率，促进合作学习，丰富评价机制。

三、5E教学模式在初中人工智能教学中的实践

笔者将5E教学模式应用到初中人工智能教学活动中，设计了具体的教学案例，本文将以“视觉智能”这一主题为例，阐述该教学模式在初中人工智能教学中的实践方法。

（一）教师创设教学情境，激发学生探究兴趣

“视觉智能”教学主题是在学生已经了解人工智能的基础知识和语音功能的基础上，进一步探究人工智能领域中的计算机视觉。笔者遴选了“垃圾分类”这一与学生生活息息相关的情境，从现实问题引出本主题的内容，将问题情境与将要学习的知识紧密结合起来，提高了学生的学习兴趣。

课堂上，笔者提出“你知道生活垃圾应该如何分类吗？”的问题，引发师生互动，在介绍了生活垃圾分类的标准之后，将提前准备好的垃圾卡片分发给学习小组，学生将垃圾卡片按照干垃圾、湿垃圾、有害垃圾、可回收物这四类进行分类，教师再通过展示、反馈分类结果，引导学生自主发现面对垃圾分类问题时，人类很难准确分辨所有垃圾的类型，而人工智能则比人类更擅长这种工作，从而引出人工智能在这方面的优势。

在此过程中，教师将学生引入紧贴生活实际的人工智能项目情境中，并以问题为导向，促使学生思考进而激发学习兴趣，形成智能意识。

（二）学生进行探究，教师“支架式”指导

探究环节是5E模式的中心环节，在此环节中需要给学生充分的时间空间，确保学生的主体地位，鼓励学生采用自主、合作探究的方式参与活动。教师则要发挥在探究活动中的主导作用，对学生进行启发式教学，提供“支架式”支持。

笔者在“视觉智能”这一教学主题的探究环节，引导学生通过场景模拟分解如何利用机器垃圾分类的问题。首先，笔者通过提问的方式让学生思考人分辨垃圾类型的过程是怎样的？为了探究这一问题，在课堂上现场进行了情境模拟，学生明晰了人在分辨垃圾时，经历了从认识垃圾到给垃圾分类到说出分类结果的过程。笔者再进一步引导学生思考“机器需要具备哪些能力才能帮助人们识别垃圾类型”，学生在小组讨论中得出了结论，机器需要具备垃圾识别功能、垃圾分类功能、输出分类结果的功能。接着，在教师的指导下，学生动手体验机器识别垃圾的过程，笔者对比人和人工智能识别羊奶果的例子（如图3、图4），学生则需要通过观察、讨论、总结，去理解图像识别的过程并熟悉计算机视觉的概念。同时，学生进一步利用开发人员已经建立好的垃圾分类模型，加强理解机器识别垃圾的过程。

图3 人识别羊奶果的过程

图4 人工智能识别羊奶果的过程

在学生探究学习的过程中，教师全程监控指导学生学习过程，及时帮助学生解决碰到的问题，确保探究活动的顺利展开，提高学生自主思考能力和探究能力，发展学生智能观念、培养智能思维。

（三）学生整合归纳，教师补充纠正

人工智能5E教学模式的解释阶段不是简单地重复探究，而是由学生将学科知识整合理解之后，通过合作交流、讨论，发挥创意，最终呈现出多样化和个性化的作品，学生在此过程中形成一定的问题解决能力，教师先是引领学生进行项目制作，再对学生的成果进行补充、纠正、完善。

学生体验了垃圾识别的功能，了解了人工智能识别图像的原理之后，在“视觉智能”这一主题的环节中，学生的任务是要让机器完成垃圾分类和输出分类结果。学生通过观摩教师演示硬件连接方法，在理解垃圾分类的编程逻辑基础上，进行程序设计；教师则引领学生不断进行程序优化，从顺序结构到使用分支结构的嵌套，实现程序从简单到简洁，到运行更快的目标，考察学生对程序运行效率的理解。

教师在教学时注意启发学生思考，而不是一味灌输，要注意培养学生的独立思考能力、问题解决能力、计算思维和创新能力，在项目制作的过程中培养学生的智能实践力。

（四）学生迁移知识，完成拓展任务

拓展环节，教师要启发学生利用所学知识解决具有关联性的新问题或者新现象，引导学生通过小组共同讨论、探究得出结果，进行归纳总结。

笔者在拓展阶段，要求学生利用已学知识，完成“通过语音播报垃圾分类结果”和“设计独特外观造型垃圾桶”的任务，学生进行创意拓展，按要求进行相应的改造，最后学生将各自作品展示和分享，教师做点评。同时通过观看视频的方式，学生了解了计算机视觉在生活中的应用，包括美颜相机、人脸识别闸机、无人停车场、动植物识别等等，教师则要求学生课后以学习小组为单位，选择图像识别的一个应用方向，通过“提出问题、问题调研、设想方案、实施计划、构建原型、测试功能、改进优化”的过程，制作多样化和个性化的作品。学生发挥创意，最终创作出各种各样的创意作品，如“人脸识别闸机”“情绪识别机器”“分拣机械臂”等。

因此，人工智能5E教育模式中的拓展环节是对新知识不断内化的过程，可以促进新知识的迁移运用。在此过程中，教师引导学生将新知识不断内化吸收，并培养其问题探究、科学创新能力，进一步增强学生的智能实践力和智能观念。

（五）多元评价，贯穿教学

评价应体现多样化特征，包括评价主体多样化、评价方式多样化。将学生自评、同伴互评与教师评价相结合，使评价活动贯穿于整个教学过程，其中学生的知识掌握和能力提升是重点考核指标。

在“视觉智能”这一主题教学中，笔者设计了主题学习自评表（如表1），组织学生开展自我评价，总结学习经验，同时从“自我反思”中查漏补缺。

表1 《视觉智能》主题学习自评表

同时，笔者除了根据学生项目成果进行评价外，还在教学过程中通过观察学生的知识应用和迁移情况、问题分析和解决情况，动手实践情况，设计了主题学习师评表（如表2），当学生完成学习后，在对应的评价观察点中进行选择完成打钩，对学生进行过程性评价，这对学生的发展很有帮助。

表2 《视觉智能》主题学习师评表

四、教学效果

佛山市顺德区成美初级中学开展基于5E教学模式的人工智能教学活动时，始终坚持“以学生为主体，教师为主导”，并且非常注重提升学生的学习内驱力，通过问卷调查法、访谈法发现，5E教学模式在教学实践中取得了良好的教学效果。

（一）激发了学生的学习兴趣

5E教学模式提升了学生课堂学习的参与感与获得感，学生在自主学习和合作探究中得到了成长，原本基础薄弱的学生在团队的合作学习中得到了提高，学习兴趣和热情越来越高。

（二）提升了学生的核心素养

在学习中，学生通过体验人工智能技术、探究人工智能相关知识，再进行人工智能产品项目开发，最终制作出一个个小作品，如智能分类垃圾桶、人脸识别闸机、分拣机械臂、智能光感灯等，并能进行产品优化。在此过程中，学生的智能观念、智能意识、智能思维、智能实践力得到了有效提升。

（三）竞赛成绩优异

我校在开展人工智能教育同时，近三年指导学生参加省市区各类科技创新比赛，获奖达到15人次。其中学生参加2021年广东省中小学科技劳动教育实践活动“人工智能-优创未来”“AI劳动实践案例”项目均获得广东省一等奖；参加佛山市中小学人工智能教学成果展示交流活动“人工智能编程（大数分解）”项目获佛山市一等奖；制作创意作品“智能分类垃圾桶”参加顺德区第五届顺德教育科创节活动“智能家具作品赛”获一等奖。

五、结语

笔者在探索5E教学模式在初中人工智能教学中的应用时，融合了学生为主体的教育理念，基于探究的学习方式、多元化的评价方式等多种现代教育教学元素，能有效激发学生学习兴趣，帮助其实现对知识的构建、加工、生成和迁移，形成多样性、个性化的学习成果，对提升学生的计算思维能力、合作探究能力、创新实践能力有明显优势，同时在培养学生智能观念、智能意识、智能思维、智能实践力等学科核心素养上取得良好效果。当然，学校在人工智能教育中应用5E教学模式仍处于初步探讨阶段，存在一定的局限性，如那些操作性强、概念清晰明了的内容，就不太适合这种教学模式。笔者将继续改进教学策略，将理论与实践相结合，不断完善与优化5E教学模式在初中人工智能教学中的应用。希望本文起到抛砖引玉的作用，与教育工作者共同提高人工智能教育水平，为学生发展核心素养打下坚实基础。