Nowa podstawa programowa a LEGO® Education Informatyka i AI – jak połączyć nowe wymagania z praktyczną nauką?

Nowa podstawa programowa z informatyki wprowadza zmiany w sposobie nauczania programowania i sztucznej inteligencji. Większy nacisk na rozwiązywanie problemów, programowanie, pracę projektową oraz sztuczną inteligencję oznacza nowe możliwości, ale także wyzwania dla nauczycieli. Jak przełożyć wymagania podstawy programowej na angażujące, praktyczne zajęcia? Z pomocą przychodzą zestawy LEGO® Education Informatyka i AI.

SPIS TREŚCI:

1. Nowa podstawa programowa z informatyki. Co zmienia się w klasach 4-8?
2. Zestawy LEGO® Education Informatyka i AI – jak realizować podstawę programową w praktyce?
3. Scenariusze lekcji informatyki dla klasy 4, czyli 8 godzin programowania i sztucznej inteligencji
3.1. Nauka programowania w I semestrze klasy 4 – algorytmy i rozwiązywanie problemów z LEGO® Education
Misja na zamku (1 godzina lekcyjna)
Rytmiczny ratunek (1 godzina lekcyjna)
Piłka w dołku – projekt (2 godziny lekcyjne)
3.2. Nauka programowania w II semestrze klasy 4 – poznajemy i trenujemy sztuczną inteligencję
Potworkowy labirynt (1 godzina lekcyjna)
Zapozuj jak gwiazda (1 godzina lekcyjna)
Fabryka opowieści – projekt (2 godziny lekcyjne)
4. Jak uczyć dzieci sztucznej inteligencji? Trenowanie modeli AI w praktyce
5. Jak realizować pozostałe wymagania podstawy programowej z informatyki?
6. LEGO® Education Informatyka i AI jako wsparcie nauczycieli w realizacji podstawy programowej
7. Pytania i odpowiedzi

Zmiana w pierwszej kolejności dotyczy uczniów klas I oraz IV szkół podstawowych, a w kolejnych latach obejmie też uczniów wyższych klas. W zakresie programowania czy robotyki możemy mówić o raczej drobnych modyfikacjach dotychczasowej podstawy, obowiązującej od niemal 10 lat. Jednak uwagę zwraca jedna nowość, na którą wiele osób czekało – uwzględnienie w podstawie programowej pracy ze sztuczną inteligencją. Z jednej strony obejmuje to wykorzystanie dostępnych narzędzi do tworzenia treści, ich analizę, ocenę i praktyczne zastosowanie, z drugiej uwzględnione zostało faktyczne zrozumienie działania algorytmów sztucznej inteligencji. Punkty 4.4 podstawy programowej dla klas IV-VI oraz 4.3 dla klas VII-VIII obejmują bowiem trenowanie prostego modelu sztucznej inteligencji, obserwacje wyników jego pracy oraz modyfikację w celu osiągnięcia wyższej wiarygodności.

Realizacja zadań związanych z trenowaniem algorytmów AI jak i programowaniem robotów, które pojawiają się w nowej podstawie programowej, wymagają odpowiednich narzędzi oraz pomocy dydaktycznych. Kompletnym rozwiązaniem są nowe zestawy LEGO® Education Informatyka i AI, które zostały stworzone z myślą o realizacji podstawy programowej z Informatyki, w zakresie programowania, robotyki oraz wykorzystania sztucznej inteligencji.

Zestawy LEGO® Education Informatyka i AI łączą budowanie fizycznych modeli, programowanie oraz eksperymentowanie ze sztuczną inteligencją. Uczniowie nie tylko obserwują rezultaty działania programu na ekranie, lecz mogą również zobaczyć, jak napisany kod wpływa na zachowanie zbudowanego przez nich urządzenia.

Takie podejście pozwala realizować kilka celów edukacyjnych jednocześnie. Podczas jednego zadania uczniowie mogą analizować problem, programować model, sprawdzać poprawność działania i wspólnie zastanawiać się nad możliwymi ulepszeniami.

Dla nauczyciela dużym ułatwieniem są gotowe scenariusze zajęć, które można wykorzystywać jako element realizowanego programu nauczania. Wszystkie z nich oparte są ma metodyce 5W, która pozwala na efektywną realizacje wspomnianych wcześniej celów. Lekcje przeznaczone do nowych zestawów zostały podzielone na moduły tematyczne, skupiające się na konkretnych zagadnieniach związanych z programowaniem, takich jak zagadnienia związane ze sprzętem, sekwencje, pętle, instrukcje warunkowe, zmienne, funkcje oraz praca z danymi i algorytmami sztucznej inteligencji. Łącznie dostajemy do dyspozycji 30 scenariuszy dla każdego z zestawów – po 5 na każdy z działów tematycznych, wliczając w to podsumowujący każdy rozdział, otwarty projekt. Dzięki temu otrzymujemy kompletny kurs programowania i sztucznej inteligencji dla uczniów szkół podstawowych.

Lekcje informatyki w szkole to jednak nie tylko programowanie i robotyka, dlatego wybrane z gotowych zasobów lekcje musimy odpowiednio dopasować do potrzeb naszych i naszych uczniów – tak aby móc zrealizować całość przewidzianej podstawy programowej.

Aby pokazać, jak nowa podstawa programowa z informatyki może być realizowana w praktyce, przygotowaliśmy przykładowy cykl zajęć dla uczniów klasy IV z wykorzystaniem LEGO® Education Informatyka i AI. Zestaw scenariuszy przeznaczony jest dla uczniów klasy IV – i stworzony w oparciu o zestaw LEGO® Education Informatyka i AI 8+.

Cykl podzielony został na dwie części, które można przeprowadzić w kolejnych semestrach. Każda obejmuje cztery godziny lekcyjne i kończy się otwartym projektem, pozwalającym uczniom wykorzystać zdobyte umiejętności.

Łącznie osiem godzin lekcyjnych stanowi niewiele ponad jedną czwartą rocznego czasu przeznaczonego na informatykę w klasie IV. Pozostałe zajęcia można wykorzystać na realizację innych zagadnień uwzględnionych w podstawie programowej.

Pierwsza część cyklu skupia się na rozwijaniu umiejętności myślenia komputacyjnego, tworzeniu programów i poszukiwaniu błędów.

Uczniowie dzielą problem na mniejsze części, ustalają kolejność działań, a następnie tworzą program prowadzący model do wskazanego celu. Lekcja wprowadza dekompozycję problemu oraz programowanie sekwencyjne.

Realizowane wymagania (klasy IV-VI):

• 1.2. Uczeń rozwiązuje sytuacje problemowe ze swojego otoczenia, stosując podejście komputacyjne.
• 1.4. Uczeń planuje zachowanie robota fizycznego lub robota na ekranie, zmierzające do osiągnięcia przez niego określonego celu.
• 2.1. Uczeń projektuje, tworzy i zapisuje w wybranym środowisku programistycznym pomysły historyjek i rozwiązania problemów, w tym proste algorytmy z wykorzystaniem poleceń sekwencyjnych, warunkowych i iteracyjnych.
• 2.4. Uczeń programuje robota fizycznego lub robota na ekranie lub tylko nim steruje w celu wykonania określonego zadania.

Scenariusz lekcji: Misja na zamku

Uczniowie otrzymują niedziałający prawidłowo program i szukają przyczyn błędów. Testują kolejne poprawki i sprawdzają, czy zachowanie modelu odpowiada założeniom. Lekcja rozwija umiejętność debugowania, czyli wyszukiwania i poprawiania błędów w programach. Uczą się także, że niepowodzenie jest naturalnym elementem procesu projektowania.

Realizowane wymagania (klasy IV-VI):

• 2.2. Uczeń tworzy i uruchamia program w wybranym środowisku programistycznym i porównuje jego działanie z przyjętymi założeniami lub testuje na wybranych danych, poprawia zauważone błędy.
• 2.3. Uczeń uzasadnia swój sposób rozwiązania problemu, objaśnia działanie wybranych instrukcji w programie.
• 2.4. Uczeń programuje robota fizycznego lub robota na ekranie lub tylko nim steruje w celu wykonania określonego zadania.

Scenariusz lekcji: Rytmiczny ratunek

Uczniowie projektują interaktywną grę w minigolfa, programują jej działanie, testują konstrukcję i wprowadzają poprawki. Lekcja podsumowuje cykl w formie otwartego projektu oraz pozwala uczniom wyjaśnić i zaprezentować własne rozwiązania.

Ważnym elementem zajęć jest prezentacja projektu. Uczniowie wyjaśniają, w jaki sposób działa ich konstrukcja, jakie problemy napotkali i dlaczego zdecydowali się na konkretne rozwiązania.

Realizowane wymagania (klasy IV-VI):

• 1.2. Uczeń rozwiązuje sytuacje problemowe ze swojego otoczenia, stosując podejście komputacyjne.
• 1.4. Uczeń planuje zachowanie robota fizycznego lub robota na ekranie, zmierzające do osiągnięcia przez niego określonego celu.
• 2.1. Uczeń projektuje, tworzy i zapisuje w wybranym środowisku programistycznym pomysły historyjek i rozwiązania problemów, w tym proste algorytmy z wykorzystaniem poleceń sekwencyjnych, warunkowych i iteracyjnych.
• 2.2. Uczeń tworzy i uruchamia program w wybranym środowisku programistycznym i porównuje jego działanie z przyjętymi założeniami lub testuje na wybranych danych, poprawia zauważone błędy.
• 2.3. Uczeń uzasadnia swój sposób rozwiązania problemu, objaśnia działanie wybranych instrukcji w programie.
• 2.4. Uczeń programuje robota fizycznego lub robota na ekranie lub tylko nim steruje w celu wykonania określonego zadania.

Scenariusz lekcji: Piłka w dołku

Druga część cyklu wprowadza uczniów w świat algorytmów sztucznej inteligencji. Punktem wyjścia jest wykorzystanie gotowego modelu AI, a kolejnym krokiem samodzielne przygotowywanie danych treningowych i uczenie własnych klasyfikatorów. Co ważne, nie korzystamy tutaj ze znanych nam algorytmów generatywnej AI czy modeli językowych.

Uczniowie sterują potworem za pomocą zdarzeń uruchamianych przez gotowy klasyfikator AI. Poznają zależność między obrazem z kamery, wynikiem klasyfikacji a działaniem robota.

Jest to wprowadzenie do zagadnień związanych z AI. Ponieważ wykorzystywany klasyfikator został wcześniej wytrenowany, lekcja pozwala przede wszystkim zrozumieć jego działanie. Samodzielne trenowanie modelu następuje podczas kolejnych zajęć.

Realizowane wymagania (klasy IV-VI):

• 1.4. Uczeń planuje zachowanie robota fizycznego lub robota na ekranie, zmierzające do osiągnięcia przez niego określonego celu.
• 2.1. Uczeń projektuje, tworzy i zapisuje w wybranym środowisku programistycznym pomysły historyjek i rozwiązania problemów, w tym proste algorytmy z wykorzystaniem poleceń sekwencyjnych, warunkowych i iteracyjnych.

Scenariusz lekcji: Potworkowy labirynt

• 2.2. Uczeń tworzy i uruchamia program w wybranym środowisku programistycznym i porównuje jego działanie z przyjętymi założeniami lub testuje na wybranych danych, poprawia zauważone błędy.
• 2.4. Uczeń programuje robota fizycznego lub robota na ekranie lub tylko nim steruje w celu wykonania określonego zadania.
• Wprowadzenie do 4.4. Uczeń trenuje prosty model sztucznej inteligencji i obserwuje, jak dane wpływają na jego wyniki.

Podczas kolejnej lekcji uczniowie stają się trenerami sztucznej inteligencji.

Uczniowie tworzą własne klasy danych, wykonują przykładowe pozy i trenują klasyfikator rozpoznający ruchy ciała. Następnie wykorzystują wyniki klasyfikacji do sterowania modelem LEGO. Lekcja pokazuje, że system AI uczy się na podstawie przykładów dostarczonych przez człowieka.

To doskonała okazja, aby zaobserwować, jak liczba i różnorodność przykładów wpływają na działanie systemu. Co stanie się, gdy model otrzyma zbyt mało danych? Dlaczego może pomylić dwa podobne gesty? Jak poprawić jego skuteczność?

Uczniowie mogą samodzielnie znaleźć odpowiedzi na te pytania, eksperymentując z przygotowanym modelem.

Realizowane wymagania (klasy IV-VI):

• 1.2. Uczeń rozwiązuje sytuacje problemowe ze swojego otoczenia, stosując podejście komputacyjne.

Scenariusz lekcji: Zapozuj jak gwiazda

• 2.1. Uczeń projektuje, tworzy i zapisuje w wybranym środowisku programistycznym pomysły historyjek i rozwiązania problemów, w tym proste algorytmy z wykorzystaniem poleceń sekwencyjnych, warunkowych i iteracyjnych.
• 2.2. Uczeń tworzy i uruchamia program w wybranym środowisku programistycznym i porównuje jego działanie z przyjętymi założeniami lub testuje na wybranych danych, poprawia zauważone błędy.
• 2.4. Uczeń programuje robota fizycznego lub robota na ekranie lub tylko nim steruje w celu wykonania określonego zadania.
• 4.4. Uczeń trenuje prosty model sztucznej inteligencji i obserwuje, jak dane wpływają na jego wyniki.

Uczniowie wspólnie przygotowują dane treningowe dla klasyfikatora, a następnie wykorzystują sztuczną inteligencję do stworzenia i przedstawienia interaktywnej opowieści. Testują rozpoznawanie poszczególnych elementów historii i sprawdzają, jak dobór oraz jakość przykładów treningowych wpływają na działanie modelu. Lekcja łączy trenowanie AI z kreatywnym opowiadaniem historii, programowaniem i pracą zespołową.

Projekt pozwala utrwalić zdobyte umiejętności, a jednocześnie rozwija kreatywność, współpracę i umiejętność prezentowania własnych pomysłów.

Realizowane wymagania (klasy IV-VI):

• 1.2. Uczeń rozwiązuje sytuacje problemowe ze swojego otoczenia, stosując podejście komputacyjne.
• 2.1. Uczeń projektuje, tworzy i zapisuje w wybranym środowisku programistycznym pomysły historyjek i rozwiązania problemów, w tym proste algorytmy z wykorzystaniem poleceń sekwencyjnych, warunkowych i iteracyjnych.
• 2.2. Uczeń tworzy i uruchamia program w wybranym środowisku programistycznym i porównuje jego działanie z przyjętymi założeniami lub testuje na wybranych danych, poprawia zauważone błędy.
• 2.3. Uczeń uzasadnia swój sposób rozwiązania problemu, objaśnia działanie wybranych instrukcji w programie.
• 4.4. Uczeń trenuje prosty model sztucznej inteligencji i obserwuje, jak dane wpływają na jego wyniki.

Scenariusz lekcji: Fabryka opowieści

Jednym z największych wyzwań związanych z edukacją o sztucznej inteligencji jest jej pozorna nieomylność. Uczniowie korzystający z gotowych narzędzi mogą odnieść wrażenie, że komputer zawsze zna właściwą odpowiedź.

Samodzielne trenowanie prostych modeli pozwala spojrzeć na tę technologię z zupełnie innej perspektywy.

Kiedy przygotowany przez uczniów klasyfikator nie rozpoznaje poprawnie gestu lub myli dwie kategorie, pojawia się okazja do dyskusji. Czy problem wynika z nieprawidłowego programu, zbyt małej liczby przykładów, a może niewystarczającego zróżnicowania danych?

Uczniowie odkrywają, że skuteczność AI zależy między innymi od jakości dostarczonych informacji, a wyniki działania modelu wymagają weryfikacji.

To ważna lekcja krytycznego myślenia, która może pomóc im w bardziej świadomym korzystaniu z technologii również poza szkołą.

Jak wspomnieliśmy wcześniej, informatyka w szkole podstawowej to nie tylko programowanie, robotyka i AI. W podstawie programowej znajdziemy też zagadnienia związane z tworzeniem grafik, plików tekstowych oraz innych treści multimedialnych. Możemy oczywiście realizować te zagadnienia na pozostałych lekcjach, tak, jak robiliśmy to do tej pory, jednak scenariusze LEGO Education dają nam dodatkowe możliwości. Po pierwsze, wiele z nich zawiera sugestie rozszerzenia i pogłębienia ich tematyki. Jeszcze więcej okazji do realizacji tych zagadnień w ramach zajęć z LEGO® Education dają nam otwarte projekty. Możemy poprosić uczniów o przygotowanie prezentacji ich modelu w formie multimedialnej, lub o przygotowanie jasnej instrukcji obsługi opracowanego przez nich modelu. W trakcie pracy nad takim rozwiązaniem pomocą uczniom może służyć też arkusz kalkulacyjny, a uczniów klas starszych (VII-VIII), możemy poprosić o stworzenie prostej strony prezentującej ich zespół projektowy.

Takie podejście pozwala na uatrakcyjnienie lekcji dotyczących zagadnień, które często mogą być uznane przez uczniów za mniej ciekawe, poprzez powiązanie tego z pomysłami samych uczniów oraz pokazanie praktycznego zastosowania takich narzędzi.

Przedstawiony cykl jest jedynie przykładem wykorzystania zestawu LEGO® Education Informatyka i AI 8+ na lekcjach informatyki.

Największą wartością takiego podejścia jest możliwość połączenia wielu umiejętności w jednym praktycznym zadaniu. Zamiast oddzielać naukę algorytmów od programowania i sztucznej inteligencji, uczniowie mogą dostrzegać związki pomiędzy tymi zagadnieniami.

Nowa podstawa programowa z informatyki to okazja do wprowadzenia większej liczby praktycznych projektów, dzięki którym uczniowie uczą się programowania, eksperymentują ze sztuczną inteligencją i rozwijają kompetencje cyfrowe. Zestawy LEGO® Education Informatyka i AI mogą być jednym z narzędzi wspierających ten proces – pozwalając uczniom nie tylko korzystać z technologii, ale także rozumieć jej działanie, eksperymentować i samodzielnie tworzyć rozwiązania.