虚拟实验平台促进信息技术课堂深度学习的有效应用

林翔

福州第四中学桔园洲中学

摘要：深度学习是以对原有知识的理解为基础，学习者批判性地学习和理解新知识、新思想，并能将它们与原有的认知结构相联系，把知识运用到复杂情境中解决问题的学习，最终促进学习者高阶思维能力的发展。在初中《机器人与人工智能基础》课程中，以虚拟实验平台和实体机结合的形式，创造具有情境性、交互性、沉浸性、有意义的学习模式，探讨虚拟平台从多角度实现对深度学习的有效促进。

关键词：深度学习；虚拟实验平台；人工智能

随着人工智能技术日趋成熟，无人驾驶汽车、扫地机器人、自动送餐机等智能机器人在学生的生活中越来越常见。于是，一批集教育与仿真实践功能与一身的智能机器人纷纷涌现在一线课堂中。笔者以大疆机甲大师为例，探讨其在实现深度学习，提升认知水平方面的有效性。受客观条件制约，初等学校在机器人设备配置上通常采取小范围试点，很难做到全面覆盖。因此在开设校本课程《机器人与人工智能基础》过程中笔者以虚拟实验平台和实体机结合的形式，创造具有情境性、交互性、沉浸性、有意义的学习模式，结合深度学习的内涵，探索如何利用以DJI Education Hub为代表的虚拟实验教育平台发挥高效的情境创设和沉浸式体验，构建深度学习的课堂。

深度学习是以对原有知识的理解为基础，学习者批判性地学习和理解新知识、新思想，并能将它们与原有的认知结构相联系，把知识运用到复杂情境中解决问题的学习。[1]《机器人与人工智能》对中学生而言是“熟悉的陌生人”：对机器人外形功能有直观感觉，但对机器学习陌生；对感觉器官有认识，但对传感器很陌生。在新知旧知之间创建关联是构建深度学习的关键，利用DJI Education Hub身临其境于生活场景中感受智能控制原理,在促进深度学习的有效应用方面具有明显优势。在情境创设方面，DJI Education Hub提供机器人仿真软件，有多种实验场地虚拟调试程序，真实、生动。在学习过程中虚实结合，提高了学生学习的主动性。在交互探究方面，通过师生交互、生生交互、人机交互等多种方式让学生在多元评价的环境中完成了学习任务，增添互动的趣味性。

笔者在开展《机器人与人工智能基础》课程过程中，探索虚拟实验辅助平台促进深度学习的有效性，在具体实践中得到了充分的验证。

（一）沉浸式情景创建破冰抽象概念，激发深度学习的愿望

深度学习强调自主学习与基于情境的合作式学习结合。提高学习自主性是深度学习的重要目标之一，机器人这门课程因其前沿、新潮的特性能够吸引到一部分学生的兴趣，但也有学生会对此产生畏惧，认为人工智能过于高深。而DJI Education Hub虚拟实验平台具有丰富的应用场景，把技术热点通过情景模拟，让学生有更直观更浅显的知觉感受，帮助学生更好得融入实验场景，实现工程思维的启发渗透，通过情景模拟创建把抽象、庞大、复杂的人工智能技术拆解成具体、集中、单一的一个个任务场景，从而让学生感受其平易近人，产生学习的自信心和主动性。

以《无人驾驶》这堂课为例，如此前沿技术，中学生也能研究吗？大部分学生展现出浓厚的兴趣，在随堂的问卷调查中有80%学生表示愿意体验无人驾驶汽车，我们首先引导学生发挥想象力畅想，未来，城市交通能够自主导航、停站，识别红绿灯等高度自动化能力的场景。接着启发学生关注细节提出问题：无人驾驶的汽车是怎么准确停在白线上的？这里我们利用虚拟平台构建场景进行落脚，设计具体而微的问题聚焦研究方向。无人驾驶技术涉及知识体系庞大，教师仅抓住精准停靠这一知识点展开相关场景的工程实践，利用虚拟场景构建具体任务。在AI场景中挑选了可以模拟无人驾驶汽车遇到红灯时需要准确停靠在马路白线上的场景，利用DJI Education Hub中的基础训练场景，把大疆S1机甲大师模拟为无人驾驶的汽车，要求S1在识别到场景中的信号灯后停靠在白线上。这个虚拟场景的创建帮助学生把复杂多元的现实问题抽丝剥茧，抓住其中一方面的子问题进行讨论。

（二）交互式平台增强学生深度学习参与度

学习是社会性、情境性的互动过程。深度学习强调对已有知识经验的聚合、碰撞迁移形成新的认知体系。在人工智能的课堂上实践活动中我们鼓励学习者树立协同发展的群体观念，加强交互，包括生生之间、师生之间以及人机之间。以项目学习、任务探究、竞赛活动等为载体，在探究过程中分享经验，学会承担责任，在互动中分享集体的智慧、感受合作的力量，从而从单纯的知识学习走向意义生成基础上的能力发展。[2]对于这一代被称为互联网原住民的学生而言，在DJI Education Hub课程广场开放的平台下进行讨论和交流，发弹幕评论、点赞其他用户发布的实例是他们所擅长的交互途径。在任务解决的训练场景中，教师不是在课堂发布指令的唯一中心，而是下场和学生一起探究的合作者，以“参与者”的身份和学生一起进入学习过程，实现人机共教。

例如，在《机甲巡逻》这节课的开展过程中，学生已有巡线控制、视觉识别的知识做铺垫，教师利用DJI平台发布的线上挑战赛《云上小镇》来贯穿本节课的教学目标。与其说是比赛，不如说是一场综合能力的考量。赛前，教师根据差异化原则将学生组成小队，旨在促进小组内的学习能力互补。竞赛任务一发布，学生们兴致勃勃，进行方案讨论。教师引导学生突破难点，比赛任务和之前项目的最大区别就是两个动作需要同时进行，射击和巡逻同步，需要避免冲突。赛中，小组成员身份切换为“操作手”“观察手”“计时员”，在行进过程中问题随处而生，动态变化，考察了成员的应变能力。全员角色配合作战缺一不可，改善了传统小组讨论中只有个别积极成员有展示机会的局限性。赛后，利用平台的记录功能，教师播放精彩回顾，针对要点动作反复重播探究过程，学生也可以通过平台进行回顾、反思。细致真实的场景提供了情境上、情感上的交互体验，突破了时间空间的局限性，调动每个学生的积极参与，转变被动的知识接收者为主动的知识建构者和问题解决者，提高学习效率。

（三）大数据收集提供深度学习的个性化推荐

与传统教师讲、学生接受的课堂不同，深度学习要求学习者在意义构建过程中，根据自己的情况及时回顾、反思、修正、重构已有的想法。个体的差异性让课堂的进程灵活多样，虚拟平台收集用户数据并进行课程推荐提供具有针对性的学习任务以及课后拓展，为教师实现差异化教学提供了支持。AI训练平台如图1-1所示，记录了使用者学习期间的所有访问课程和练习实验数据，使得教师的指导更具有针对性，学生也可以在平台的课程广场中选择相应的适应性练习，如图1-2。

例如，在完成在《自动控制》这节课后，可以解锁《城市指挥交通》线上场景，感兴趣的学生即可在线上完成练习，教师可以做出针对性的评价，并可以通过课程的推送精准化的课前知识梳理以及课后拓展提高了学生的学习效率。

（四）主题场景多样化促进深度学习的知识迁移

传统课堂将知识符号化以提高教学效率，知识和知识、知识和生活之间存在着厚厚的壁垒，接收式的学习导致学习者主动性不强。深度学习强调挖掘知识点之间的关联，达到融会贯通综合应用的教学目标，通过设计贴合学生生活情境的主题式教学活动来感受知识点在现实生活中的应用，促使学生主动将知识进行梳理，为知识迁移重构提供基本条件。

协同学习是主题式活动的核心环节，促进知识的迁移应用。在主题式活动中，小组成员共同分析问题、解决问题，实现了以学生为主体的教学目标，在主题选择上，应当充分考虑问题的实际性，综合性，挑战性。DJI Education Hub平台发布有多种主题活动，《智慧城市》《疯狂打字员》《云上小镇》等等，以《智慧仓储》主题活动为例，该主题活动开放性强，教师可以设计相关任务并引导学生对感兴趣的子任务展开研究。针对该主题可以由学生讨论、教师引导总结出“最佳路径规划”、“自动识别分配”“运行效率”等子研究课题，巧妙利用虚拟实验平台设计出以知识的关联为线索，具有内在联系的驱动性学习任务，将学生置于真实情境展开思维。拓展已知与未知之间的张力，引导学生学思结合，推进学习持续深入。在解决真实、复杂的问题过程中实现核心知识结构化。

总而言之，在信息技术课堂上，利用虚拟实验平台有效弥补了人工智能课程开展过程中的不足，促进了深度学习的发生。教师在教学过程中应积极发挥虚拟实验平台的优势，结合学科的特点，通过情境创设提高兴趣、深度交互增强参与、加深感悟丰富体验促进自主建构式的学习迁移实现课堂深度学习的目标。

【1】康淑敏.教育生态视域下的外语教学设计[J].外语界,2012,(5).

【2】王天容，徐谊. 有效学习设计——问题化、图示化、信息化［M］. 北京：教育科学出版社，2010.

注：本文系福州市教育信息技术研究课题 2020 年立项课题“智能环境下构建深度课堂的实践研究” （FZDJ2020A22）主要成果之一。