人工智能視域下小學科學實驗教學發(fā)展趨勢與實踐創(chuàng)新

王勝明 張慧芳 張晨晨 彭翕成

華中師范大學教育大數(shù)據(jù)應用技術國家工程實驗室(430079) 華中師范大學國家數(shù)字化學習工程技術研究中心(430079)

1 引言

課程改革日益強調(diào)實驗教學的重要性，普及實驗教學是推進基礎教育改革和落實課程標準要求的重要保障，有效的實驗教學在加強學生對科學認知的同時，還可以提高其動手、動腦、合作與創(chuàng)新能力。但是隨著技術的變革和科學學科的發(fā)展，當前實驗教學還存在很多問題，如教學內(nèi)容和形式等缺乏創(chuàng)新、教學效率偏低、評價方式片面等問題，導致學生科學素養(yǎng)的提升不能得到真正落實。

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術的發(fā)展，人類將逐步進入智能時代，未來公民將時刻處于人工智能系統(tǒng)與產(chǎn)品的環(huán)境中，必須掌握相關技能才能適應居家、交流、娛樂、學習等方式的變化。與此同時，人工智能的發(fā)展將促使社會對數(shù)字技能人才的需求量劇增，相應對中低端技能勞動力的需求減少。為適應未來智能社會對勞動技能的新需求，培養(yǎng)適應智能社會發(fā)展的合格公民和國家戰(zhàn)略重點的從業(yè)者，美國、英國、中國等多個國家紛紛出臺相關政策，提出在中小學開展人工智能教育，重視數(shù)學、計算機、科學、數(shù)據(jù)科學等課程的學習，培養(yǎng)學生的計算思維，增強學生的數(shù)據(jù)素養(yǎng)，并掌握人工智能環(huán)境下的核心生活技能和專業(yè)素養(yǎng)。小學生是未來我國成為世界人工智能創(chuàng)新中心的生力軍，需要具備良好的“思維力”和“創(chuàng)造力”來適應社會需要，推動社會健康發(fā)展。

2 新時代科學實驗教學發(fā)展新趨勢

社會和技術的發(fā)展對科學學科的發(fā)展也產(chǎn)生了重要的影響，科學教育的目標和科學素養(yǎng)的內(nèi)涵有了新的發(fā)展，世界各國紛紛提出將工程實踐融入科學教育中，提出在中小學普及工程與科技人才發(fā)展目標。為解決科學與工程人才短缺的問題，美國于2012年和2013年相繼發(fā)布《K-12科學教育框架》和《新一代科學教育標準》(NGSS)，將科學與工程教育重心下移——科學教育領域從“科學與技術”擴展到“科學、技術與工程”，注重提升學生的工程素養(yǎng)。2017年，我國也發(fā)布了將“工程與技術”納入科學學科的《義務教育小學科學課程標準》，為學生認識人工智能世界、參與動手實踐、發(fā)展創(chuàng)新能力提供了學習平臺，為學生提供了新的教育機會。但是在一線教學中，很多教師普遍對于“融入工程實踐的科學教學”到底應該怎么教存在困惑，尤其是小學階段的科學實驗課，沒有成熟的指導建議或者報告進行支持。美國2018年發(fā)布的《以調(diào)查和設計為中心的6-12年級科學與工程》只針對初中和高中階段提出了相關實踐策略和教學指導建議，而國內(nèi)關于工程實踐融入科學教育的研究和實踐剛剛起步。

通過對中美科學課程標準中“科學與工程實踐”的維度、構成要素進行分析，我們可以看出其與國際教育技術協(xié)會所提出的“計算思維”過程性定義有很大的一致性。計算思維是使用科學工具進行抽象模擬以尋求問題解決最優(yōu)化方案的系統(tǒng)過程，其所包含的抽象、建模、問題分解等概念十分有助于培養(yǎng)學生的思考能力和問題解決能力，很多學者提出應將計算思維整合到科學教學中去。這與人工智能時代人才要求標準具有高度的一致性。人工智能時代對人的創(chuàng)造能力、邏輯思考能力和解決復雜問題能力有較高要求，能夠發(fā)現(xiàn)問題并能綜合運用多學科知識解決復雜問題的創(chuàng)新型人才是人工智能時代所急需的。而小學科學實驗課程正是鍛煉學生實踐和創(chuàng)新能力的有效途徑，所以我們認為在人工智能時代小學科學實驗教學中應整合計算思維的培養(yǎng)。

3 整合計算思維的小學科學實驗教學創(chuàng)新

計算思維起源于計算機學科，近年來一些計算機領域的學者試圖將計算思維整合到科學教學中，但是由于缺乏科學教育的相關背景，很多人直接用計算機領域的術語來描述科學課程中的計算思維。真正的整合應該充分考慮計算和科學之間的本質聯(lián)系，再探求整合的關鍵點與路徑。目前國內(nèi)外有專家就整合計算思維的科學實踐進行了研究，如Cary Sneider(NGSS的編者之一)列舉了模擬、數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)自動收集與分析三項實踐。西北大學計算機系David Weintrop等人根據(jù)NGSS等文獻以及課堂觀察，提出了數(shù)據(jù)、建模與模擬、計算問題解決和系統(tǒng)性思考四大實踐類型。華東師范大學的周佳偉、王祖浩提出融合計算思維特征的科學實踐包括建模與模擬和數(shù)據(jù)收集與分析兩大類。本文在前人研究的基礎上，分析對比工程設計核心概念和計算思維核心要素，并參考《以調(diào)查和設計為中心的6—12年級科學與工程》中的相關實踐策略，結合小學科學實驗教學特點和當前人工智能教育重點，認為應該在小學科學實驗教學中著重培養(yǎng)學生的抽象、模擬、批判等思維，并培養(yǎng)學生建模、設計、模擬、數(shù)據(jù)收集與分析等實踐能力，并從課程資源、課程設計和課程評價等方面探討整合計算思維的小學科學實驗教學。

3.1 課程資源

現(xiàn)在的學生有“數(shù)字原生代”之稱，他們在生活中已經(jīng)并將持續(xù)應用各種信息技術和智能技術。在進行課程資源開發(fā)時，建議教師能夠借鑒或創(chuàng)建體現(xiàn)工程設計思路和計算思維實踐的數(shù)字資源，一方面可以克服傳統(tǒng)實驗教學資源安全性低、效率低、可重用性低等約束，另一方面也可更好將計算思維實踐融入到科學實驗教學中去。由于整合計算思維的科學課程的開發(fā)理念較新、技術門檻也較高，建議教師們采用“外部引入+本土化升級”的方式進行。以往的科學實驗課程中的實物模型、實驗器材等可以往計算思維實踐的方向進行升級，如掌上實驗室、科學模擬探究軟件等已經(jīng)在科學實驗教學中有大量的嘗試。在教學過程中，教師可以設計基于計算思維實踐的教學活動，進行相關改進與升級。目前國際上有一些科研機構和高校也在進行相關實踐，如美國麻省理工學院的Project GUTS項目、西北大學的CT-STEM項目和新墨西哥州立大學的GK-12 DISSECT項目等，由高校的課程研究人員發(fā)起，并召集當?shù)氐目茖W教師成立工作坊，一起開發(fā)相關課程資源。教師們可以借鑒此類教學資源，并模仿、吸收和學習此類課程教學與設計的方法，結合自身實際進行改進。

3.2 課程設計

基于將科學教學內(nèi)容與計算思維實踐進行有效整合的總體理念，教師可以從以下兩個維度來進行課程設計。一是從計算思維實踐出發(fā)來選擇可以體現(xiàn)建模、設計、模擬、數(shù)據(jù)收集與分析等實踐能力的科學內(nèi)容進行設計，如選擇課程中關于氣候、氣象、地質、化學反應等涵蓋學生模擬、建模等實踐的實驗教學內(nèi)容來培養(yǎng)學生相關實踐能力。二是借助計算思維實踐來解決科學領域中的問題，教師呈現(xiàn)一個具體的生活實例或者生活問題，引導學生通過抽象、建模、數(shù)據(jù)分析等相關實踐從而解決相關問題。同時，在進行課程設計時，從學生的學習認知規(guī)律出發(fā)來設計教學內(nèi)容，處理好計算思維內(nèi)容與科學內(nèi)容之間的編排次序和呈現(xiàn)形式。此外，在實施教學時候，可以借鑒涵蓋工程設計和科學探究的經(jīng)典“科學-工程”教學方法。如通過設計的學習(LBD教學法)、基于設計的學習(DBL教學法)和基于設計的科學(DBS)。

3.3 課程評價

傳統(tǒng)的實驗教學對過程性評價重視不夠，很多教師對學生進行課程終結性評價時，往往會選擇紙筆測試，而忽視學生在實驗中的表現(xiàn)(動手、觀察、設計、合作等能力)，只把理論知識水平作為衡量標準，是存在局限性的。科學實驗課程倡導學生親身經(jīng)歷探究為主的學習活動，同時，整合計算思維的科學實驗教學評價應該兼顧科學與計算，比較理想的方式是讓學生通過計算工具進行科學創(chuàng)作，對學生實驗過程中的行為和作品進行評價。這些作品可以是學生對自然現(xiàn)象進行模擬所制作的科學模型，也可以是對大量數(shù)據(jù)進行挖掘和分析之后得到的某個科學發(fā)現(xiàn)。這些待評價行為和作品既能展示學生對科學內(nèi)容和本質的理解，又能體現(xiàn)學生的計算思維實踐能力。此外，由于一般作品創(chuàng)作都會經(jīng)歷“設計—創(chuàng)造—應用—修改—再創(chuàng)造”的過程，對學生進行評價的時候應該基于不同的階段進行必要的評價和反饋，即重視過程性評價。