融入人工智能技術(shù)在科學(xué)教育中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新力

張航

（閩江師范高等專科學(xué)校，福建 福州 350108）

早在20 世紀(jì)50 年代，人類就提出了人工智能（Artificial Intellingence，AI）這個(gè)概念。人工智能從萌芽階段到蓬勃發(fā)展階段經(jīng)歷了大半個(gè)世紀(jì)。自從2006 年智能機(jī)器人AlphaGo 戰(zhàn)勝人類職業(yè)圍棋手開始，人工智能進(jìn)入了蓬勃發(fā)展的新時(shí)期。目前，人工智能應(yīng)用的領(lǐng)域非常廣泛，教育是受人工智能影響的領(lǐng)域之一，教育界提出了教育人工智能（EAI）。2017年7 月8 日，國務(wù)院印發(fā)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》的通知，提出“廣泛開展人工智能科普活動(dòng)，并要求在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程”。人工智能在教育中促進(jìn)科學(xué)的學(xué)習(xí)，而科學(xué)學(xué)習(xí)中的人工智能教育，實(shí)現(xiàn)了人工智能在小學(xué)中的普及與應(yīng)用。本文試闡述小學(xué)科學(xué)教師如何融合人工智能的有效資源，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

一、創(chuàng)新教育模式，優(yōu)化課堂環(huán)境

人工智能作為引領(lǐng)未來的關(guān)鍵技術(shù)，培養(yǎng)能適應(yīng)未來公民及創(chuàng)新型技術(shù)人才成為教育的重大任務(wù)。人工智能教育的引入，使學(xué)習(xí)過程變?yōu)閭€(gè)性化的課堂：個(gè)性化的教學(xué)方式、個(gè)性化的學(xué)習(xí)模式和個(gè)性化的評(píng)價(jià)機(jī)制。學(xué)習(xí)者通過親身接觸、體驗(yàn)與應(yīng)用，增強(qiáng)對(duì)科學(xué)與技術(shù)的認(rèn)識(shí)，激發(fā)創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)造潛能，提高科學(xué)素養(yǎng)，培養(yǎng)思維方式、動(dòng)手實(shí)踐能力以及解決實(shí)際問題的能力。

（一）轉(zhuǎn)變教學(xué)模式

傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，教師很難全面了解學(xué)生的前概念和已有的知識(shí)，教學(xué)只能面向大部分學(xué)生，很難做到因材施教。利用人工智能的大數(shù)據(jù)收集和深度學(xué)習(xí)，教師可以制定出更適合每個(gè)學(xué)生的學(xué)習(xí)模式，把教學(xué)變成體驗(yàn)—反思—實(shí)踐—再反思的創(chuàng)新式教學(xué)過程。教師的教學(xué)模式從固定教學(xué)變成線上線下混合型，教師講解知識(shí)、解答疑問不一定要在課堂上完成，而是可以采取課堂授課和網(wǎng)絡(luò)課堂有機(jī)結(jié)合的方式。學(xué)生在預(yù)習(xí)中遇到問題時(shí)，也可以在課堂上主動(dòng)向教師請(qǐng)教，開展合作探究式學(xué)習(xí)。小學(xué)科學(xué)教育在STEAM 教育的影響下，形成一定的教育模式，筆者在此基礎(chǔ)上提出了融合教育的理念。融合教育是指學(xué)科間融合及學(xué)段間融合，站在課程開發(fā)者的角度，將學(xué)科間、不同年齡段間的課程進(jìn)行融合創(chuàng)新。人工智能課程是一門交叉性的前沿學(xué)科，符合融合教育的理念；科學(xué)也是多科學(xué)、多領(lǐng)域的融合，二者的教育理念與培養(yǎng)目標(biāo)一致。從傳統(tǒng)教育模式到融合教育，更多地照顧到不同學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和狀態(tài)，有利于學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展。

（二）提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)方式

小學(xué)階段的學(xué)生在對(duì)自然科學(xué)理論沒有完全了解的情況下，在學(xué)習(xí)方法沒有完全掌握的情況下，幾乎不可能形成完整的思維體系。學(xué)生對(duì)科學(xué)的興趣，大部分來自對(duì)生活中的模糊的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而這種實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)并不能作為學(xué)習(xí)動(dòng)力，長久地支撐學(xué)習(xí)。目前，學(xué)生的學(xué)習(xí)以課堂為主，但一周一節(jié)或幾節(jié)的科學(xué)課堂，不能持續(xù)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。而人工智能教育的引入，可以為學(xué)習(xí)者提供多種學(xué)習(xí)方式，如口袋學(xué)習(xí)、隨處學(xué)習(xí)、終生學(xué)習(xí)等。利用現(xiàn)有的查畫識(shí)圖、衛(wèi)星導(dǎo)航等人工智能工具，可隨時(shí)抓住學(xué)生對(duì)身邊事物產(chǎn)生的疑問，使短暫存在的興趣成為學(xué)生可持續(xù)性學(xué)習(xí)的動(dòng)力，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)輕松和諧的學(xué)習(xí)氣氛，激發(fā)學(xué)生探究的欲望。

（三）快速評(píng)價(jià)教與學(xué)的效果

“科學(xué)探究”是一個(gè)手腦結(jié)合的過程。學(xué)生在探究的過程中，會(huì)不斷思考和尋找解決問題的方法，在不斷試錯(cuò)的過程中，必須要有堅(jiān)持不懈的精神才能找到突破口，最終領(lǐng)悟到科學(xué)的本質(zhì)。學(xué)生構(gòu)建出解釋現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)并自主實(shí)驗(yàn)是小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)發(fā)展的趨勢(shì)。在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生驗(yàn)證自己的想法，能夠完整地表達(dá)出想法并記錄實(shí)驗(yàn)過程、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也是實(shí)驗(yàn)課程中重要的組成部分。而在實(shí)際教學(xué)中，一節(jié)科學(xué)課堂只有40 分鐘，要滿足學(xué)生提出問題—分析問題—解決問題—得出結(jié)論這四個(gè)方面的需求，時(shí)間已然很緊張，課堂上并沒有多余的時(shí)間對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。學(xué)習(xí)效果只能通過課后作業(yè)的形式來完成評(píng)價(jià)，不夠及時(shí)，也不夠準(zhǔn)確，教學(xué)效果往往也被忽略了。人工智能的云臺(tái)數(shù)據(jù)、大數(shù)據(jù)分析、交互性數(shù)據(jù)分析等的引入，解決了對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效果的即時(shí)、及時(shí)的評(píng)價(jià)，也能夠?qū)處煹慕虒W(xué)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，所得到的數(shù)據(jù)快速、真實(shí)、有效。通過評(píng)價(jià)的結(jié)果，確?？茖W(xué)課堂教學(xué)的有效性，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)水平的提高。

二、融合理念下人工智能教育學(xué)習(xí)目標(biāo)的定位

在人工智能技術(shù)的支持下，學(xué)生可以不受時(shí)空限制進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，主動(dòng)通過網(wǎng)絡(luò)預(yù)習(xí)課程，提前掌握、了解知識(shí)點(diǎn)。小學(xué)生對(duì)問題的認(rèn)識(shí)普遍還停留在表象，在實(shí)施人工智能教育時(shí)，總目標(biāo)不宜過高，主要以普及為主，人工智能課程的設(shè)計(jì)要符合學(xué)生的認(rèn)知水平。小學(xué)階段的人工智能教育，側(cè)重幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)探究的本質(zhì)和初步認(rèn)識(shí)人工智能的范疇和特點(diǎn)，明白人工智能技術(shù)的基本工作原理和發(fā)展方向，會(huì)使用模塊化的編程工具，體驗(yàn)、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人工智能應(yīng)用設(shè)計(jì)。人工智能作為一個(gè)深層次的技術(shù)，與《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版）》中的技術(shù)與工程領(lǐng)域的培養(yǎng)目標(biāo)不謀而合。根據(jù)融合理念，小學(xué)階段應(yīng)主要培養(yǎng)學(xué)生利用人工智能解決實(shí)際問題的意識(shí)；培養(yǎng)學(xué)生開發(fā)新智能的追求；讓學(xué)生體會(huì)技術(shù)魅力，了解人工智能為生活帶來的便利；具備正確的網(wǎng)絡(luò)安全觀和創(chuàng)新創(chuàng)造的能力。人工智能教育在基礎(chǔ)教育階段的普及，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，使學(xué)生在認(rèn)識(shí)中體驗(yàn)，在體驗(yàn)中熟練運(yùn)用，在運(yùn)用中開拓創(chuàng)新。

在我國，小學(xué)階段的六個(gè)年級(jí)可分為低中高三個(gè)學(xué)段，根據(jù)每個(gè)學(xué)段學(xué)生的學(xué)情，設(shè)計(jì)人工智能教育的分段目標(biāo)和內(nèi)容。

（一）低年級(jí)：以興趣為導(dǎo)向

低年級(jí)學(xué)生對(duì)世界有了初步認(rèn)識(shí)，但都停留在表面。他們的形象思維十分活躍，語言和行為都具備鮮明的特點(diǎn)，可以熟練地做自己想做的事，并能把自己的想法簡(jiǎn)單地記下來。這時(shí)，應(yīng)著重以興趣為導(dǎo)向，激發(fā)他們對(duì)智能技術(shù)的興趣。比如，通過一些編程類游戲，開啟智能教育的大門。低年級(jí)學(xué)生的學(xué)習(xí)可塑性較強(qiáng)，易接受直觀、具體、形象的事物，其抽象思維普遍比較弱。針對(duì)人工智能教育的內(nèi)容設(shè)計(jì)，要從學(xué)生的興趣出發(fā)，通過形象生動(dòng)的方式，比如人工智能實(shí)驗(yàn)室的參觀和切身體驗(yàn)，幫助學(xué)生初步了解三個(gè)問題：人工智能是什么？人工智能能做什么？不能做什么？

（二）中年級(jí)：傾向?qū)嵺`體驗(yàn)活動(dòng)

中年級(jí)的學(xué)生，大腦發(fā)育處在內(nèi)部結(jié)構(gòu)飛速發(fā)展的階段，開始具備一定的抽象和邏輯思維能力，會(huì)產(chǎn)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的意愿，此時(shí)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)能力和精神的關(guān)鍵時(shí)期。中年級(jí)學(xué)生可以在教師的引導(dǎo)下，發(fā)現(xiàn)生活中的問題，并能找出一種或者幾種方案來解決。此時(shí)，人工智能教育的內(nèi)容，傾向提供一些人工智能方面的實(shí)踐體驗(yàn)活動(dòng)，加深學(xué)生對(duì)人工智能概念及應(yīng)用領(lǐng)域的了解。比如，可具體介紹某個(gè)簡(jiǎn)單容易入門的編程軟件，介紹其使用的語言邏輯特點(diǎn)等，讓學(xué)生感受人工智能技術(shù)，在活動(dòng)中思考：未來的人工智能可能是什么？

（三）高年級(jí)：分析具體實(shí)例

高年級(jí)的學(xué)生有更多自主的能力，開始具有自我的意識(shí)。他們大腦的發(fā)育進(jìn)入到抽象思維階段，具備一定的空間思考和跳躍思維能力，可以通過觀察歸納，對(duì)已知的信息進(jìn)行分類和加工處理，并且具有一定的批判和質(zhì)疑的能力。本階段可結(jié)合具體實(shí)例進(jìn)行分析，比如一些具體的編程類軟件的編寫，利用思維工具呈現(xiàn)問題解決思路，鼓勵(lì)學(xué)生自主嘗試，使用某個(gè)簡(jiǎn)單的編程語言，實(shí)現(xiàn)人工智能應(yīng)用體驗(yàn)，了解人工智能的基本工作原理。

人工智能教育對(duì)學(xué)生的發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。在各階段的規(guī)劃中，應(yīng)有意識(shí)的滲透?jìng)惱砑胺梢庾R(shí)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)安全等，幫助學(xué)生樹立正確的科學(xué)觀和道德觀。

三、人工智能在科學(xué)課堂的融合路徑

目前，小學(xué)科學(xué)課的人工智能教育，更多的只是一筆帶過，在短期之內(nèi)以獨(dú)立課程形態(tài)出現(xiàn)的可能性極小，那么在科學(xué)課程中普及人工智能就顯得尤為重要。人工智能與小學(xué)科學(xué)的有機(jī)融合，主要有以下幾方面內(nèi)容。

（一）人工智能與技術(shù)與工程領(lǐng)域融合

把科學(xué)知識(shí)進(jìn)行發(fā)明再造就是技術(shù)，而運(yùn)用技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的生活進(jìn)行更加便利舒適的建造就是工程，人工智能也是運(yùn)用技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的生活進(jìn)行改造。在小學(xué)科學(xué)技術(shù)與工程領(lǐng)域的學(xué)習(xí)過程中，用人工智能的一個(gè)研究領(lǐng)域或關(guān)鍵技術(shù)來進(jìn)行教學(xué)單元設(shè)計(jì)，或是用一個(gè)主題情境連接多個(gè)相關(guān)的人工智能應(yīng)用，引導(dǎo)學(xué)生了解人工智能的相關(guān)理論和技術(shù)。還可以圍繞人工智能，以時(shí)下熱門的創(chuàng)客或STEAM 融合課程為設(shè)計(jì)理念開展教學(xué)。人工智能技術(shù)在機(jī)械工程領(lǐng)域中最大的應(yīng)用價(jià)值就是優(yōu)化了電氣設(shè)備。傳統(tǒng)電氣設(shè)備對(duì)于工作人員的要求較高，要求他們必須具備充分的專業(yè)知識(shí)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但實(shí)際上并不能符合這一要求，常常造成優(yōu)化方案無法得到有效的落實(shí)，從而無法實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的最優(yōu)化處理。而通過人工智能技術(shù)的應(yīng)用，能夠提高電氣設(shè)備的優(yōu)化質(zhì)量，并將遺傳算法等智能型研究方法融入電氣設(shè)備的優(yōu)化計(jì)劃中，從而解決以往無法解決的技術(shù)問題，以此提升電氣設(shè)備的使用性能。

（二）人工智能與各類科技活動(dòng)融合

目前，有許多面向中小學(xué)生的全國性競(jìng)賽中的科技創(chuàng)新類比賽，如青少年科技創(chuàng)新大賽、青少年機(jī)器人競(jìng)賽、青少年創(chuàng)意編程與智能設(shè)計(jì)大賽、青少年人工智能創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽、青少年電子信息智能創(chuàng)新大賽、中小學(xué)信息技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐大賽等，這些項(xiàng)目大多以人工智能為基礎(chǔ)?？梢曰谀硞€(gè)具體的賽事，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)人工智能技術(shù)，體驗(yàn)人工智能的應(yīng)用。比如，在2021 年4 月10 日、11 日，由福州市科協(xié)和福州市教育局主辦的第十六屆福州市青少年機(jī)器人競(jìng)賽，在福州科技館開賽。福州134 所中小學(xué)的500 名選手組成230 多支隊(duì)伍參賽。比賽為期兩天，選手們分別參加機(jī)器人創(chuàng)意比賽、機(jī)器人綜合技能比賽、FLL 機(jī)器人工程挑戰(zhàn)賽、VEX 機(jī)器人工程挑戰(zhàn)賽、REL 機(jī)器人AI挑戰(zhàn)賽和RIC 機(jī)器人創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽等6 大項(xiàng)目的角逐。各參賽隊(duì)的選手根據(jù)主題和規(guī)則要求，在現(xiàn)場(chǎng)自行拼裝機(jī)器人、編制機(jī)器人運(yùn)行程序、調(diào)試并操作機(jī)器人完成指定任務(wù)。

（三）人工智能教育的相關(guān)教材研發(fā)

鑒于目前人工智能教育中課程形態(tài)的匱乏，讓每位教師都實(shí)現(xiàn)課堂與人工智能教育融合的難度較大。為了方便人工智能教育的普及，筆者與一線教師共同開發(fā)了《“AI 來了”人工智能系列》叢書，著眼于身邊的AI，直擊生活經(jīng)驗(yàn)，旨在讓學(xué)生用融合的理念來認(rèn)識(shí)AI，以達(dá)到培養(yǎng)思維方式、普及人工智能的目的。比如，低年級(jí)的《去航?！贰肚稍\療》《蓋房子》《玩音效》，中年級(jí)的《辨化石》《調(diào)飲食》《當(dāng)花匠》《解謎案》，高年級(jí)的《測(cè)天氣》《秀燈光》《建橋梁》《開餐廳》等，這些內(nèi)容以生活中的職業(yè)為原型，在了解職業(yè)中的科學(xué)道理的同時(shí)，認(rèn)識(shí)人臉識(shí)別、圖像識(shí)別、智能燈光、無人駕駛、萬物互聯(lián)、衛(wèi)星導(dǎo)航等生活中常見的人工智能的應(yīng)用，以達(dá)到利用科學(xué)知識(shí)和人工智能解決生活中的實(shí)際問題。

四、結(jié)語

小學(xué)階段進(jìn)行人工智能普及教育，是社會(huì)發(fā)展對(duì)教育的必然要求。融合是STEAM 教育的有效途徑，在STEAM 教育理念的框架下重新審視人工智能，會(huì)發(fā)現(xiàn)STEAM-AI 就是融合教育。人工智能時(shí)代，社會(huì)需要的是創(chuàng)新型的人才，需要的是引領(lǐng)未來的人才，未來教育以STEAM 為依托，以人工智能為導(dǎo)向，做到真正的融合。既學(xué)習(xí)科學(xué)，又了解人工智能，真正普及人工智能，為更高級(jí)的專業(yè)型人才的培養(yǎng)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。