人工智能融入小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)的實(shí)踐分析

摘 要：在小學(xué)階段引入人工智能教育對(duì)提高學(xué)生素養(yǎng)、推動(dòng)教師專業(yè)發(fā)展、推進(jìn)教育形態(tài)與教育模式重構(gòu)具有重要意義。目前，國(guó)內(nèi)小學(xué)人工智能教育處在起步階段，教師在教學(xué)中存在一些錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，在將科學(xué)學(xué)科與人工智能融合的過程中遇到一些困難。文章從實(shí)踐角度出發(fā)，分析小學(xué)科學(xué)教師在人工智能融合教學(xué)中存在的常見誤區(qū)，提出人工智能和學(xué)科教學(xué)融合的基本路徑，對(duì)如何在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中有效融合人工智能進(jìn)行論述。

關(guān)鍵詞：小學(xué)科學(xué)；小學(xué)人工智能教育；學(xué)科融合；教學(xué)實(shí)踐

中圖分類號(hào)：G427? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2097-1737（2023）22-0002-04

《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確指出，人工智能已成為國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的新焦點(diǎn)，是引領(lǐng)未來的戰(zhàn)略性技術(shù)。教育部門應(yīng)逐步開展全民智能教育項(xiàng)目，在中小學(xué)階段設(shè)置人工智能相關(guān)課程，逐步推廣編程教育，建設(shè)人工智能學(xué)科。2018年教育部公布《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》，推動(dòng)各地中小學(xué)引入人工智能教育，為教師專業(yè)發(fā)展賦能，推進(jìn)教育形態(tài)與教育模式重構(gòu)。在智能時(shí)代的背景下，在小學(xué)階段開展人工智能教育對(duì)我國(guó)人工智能發(fā)展和實(shí)現(xiàn)教育現(xiàn)代化具有重要意義。

當(dāng)前，小學(xué)階段人工智能教育的開展主要有兩種方式：一是專門開設(shè)人工智能課程；二是將人工智能教育融入學(xué)科教學(xué)。目前，由于人工智能課程體系仍不完善，缺乏專業(yè)教師，難于創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)環(huán)境，許多小學(xué)不具備專門開設(shè)人工智能課程的條件[1]。因此，探索人工智能與學(xué)科教學(xué)的融合策略是在目前條件下普及人工智能教育的主要途徑。

小學(xué)科學(xué)作為一門綜合性基礎(chǔ)課程，學(xué)習(xí)內(nèi)容涉及物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球與宇宙科學(xué)及技術(shù)與工程等多個(gè)領(lǐng)域，強(qiáng)調(diào)在動(dòng)手實(shí)踐中發(fā)展學(xué)生解決問題的能力和創(chuàng)新能力，與人工智能教育有著相似的育人價(jià)值取向。人工智能通過模擬人的思維及身體結(jié)構(gòu)和功能，實(shí)現(xiàn)與外界環(huán)境交互、推理決策和行動(dòng)控制，在學(xué)習(xí)內(nèi)容上人工智能與小學(xué)科學(xué)存在交叉部分?？傮w而言，人工智能與小學(xué)科學(xué)有較好的學(xué)科融合基礎(chǔ)，小學(xué)科學(xué)教師可以在教學(xué)實(shí)踐中積極探索與人工智能的融合教學(xué)。

目前，人工智能融入小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)還處在起步階段，教師在實(shí)踐中存在融合動(dòng)力不足、實(shí)踐認(rèn)知不清、融入路徑不明等問題。本文主要分析融合教學(xué)中的常見誤區(qū)，并探討融合教學(xué)的基本路徑，提出教學(xué)建議供同行參考借鑒。

一、人工智能技術(shù)與小學(xué)科學(xué)教師的專業(yè)發(fā)展

目前，我國(guó)中小學(xué)人工智能教育的師資在數(shù)量和質(zhì)量上都存在 “缺口”，多為其他學(xué)科教師兼任。受知識(shí)背景的局限，教師對(duì)掌握人工智能技術(shù)和實(shí)現(xiàn)專業(yè)發(fā)展的關(guān)系認(rèn)識(shí)不足，在學(xué)習(xí)研究人工智能技術(shù)時(shí)存在內(nèi)驅(qū)力不足的問題?；仡欉^去，信息技術(shù)引入學(xué)校教育與如今人工智能技術(shù)的境況相似，當(dāng)時(shí)許多教師認(rèn)為上課只需要一塊黑板和一支粉筆足矣。然而今天，教師已經(jīng)普遍認(rèn)可信息技術(shù)在提高教學(xué)工作效率及促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)發(fā)展中的巨大作用。目前的人工智能技術(shù)也即將進(jìn)入教學(xué)輔助、教學(xué)管理、教學(xué)評(píng)價(jià)等各領(lǐng)域，影響教育教學(xué)方式的變革。例如，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR技術(shù)）可以突破時(shí)空限制，將小學(xué)科學(xué)中不容易直觀體驗(yàn)的學(xué)習(xí)內(nèi)容仿真地、動(dòng)態(tài)地虛擬出來，讓學(xué)生進(jìn)行沉浸式的體驗(yàn)學(xué)習(xí)，建構(gòu)知識(shí)體系。教師還可以探索將人工智能技術(shù)介入實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)的方式，對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行全方位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、診斷，精準(zhǔn)分析并及時(shí)反饋，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的完成度[2]。

現(xiàn)階段人工智能技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用正迅猛發(fā)展，人工智能技術(shù)在將來一定是教師必須掌握和熟練應(yīng)用的基本技能。小學(xué)科學(xué)教師應(yīng)把握這一發(fā)展機(jī)遇，應(yīng)用人工智能技術(shù)突破教學(xué)難點(diǎn)，提高教學(xué)有效性，發(fā)展自身的專業(yè)能力。

二、進(jìn)行人工智能與小學(xué)科學(xué)融合時(shí)應(yīng)具有的實(shí)踐性認(rèn)知

由于缺乏人工智能教育的相關(guān)培訓(xùn)，部分小學(xué)科學(xué)教師對(duì)人工智能在學(xué)科教學(xué)中的滲透、應(yīng)用和整合存在認(rèn)知偏差，影響了人工智能融合教育的開展。在進(jìn)行融合教學(xué)的實(shí)踐中，小學(xué)科學(xué)教師最大的困惑是“如何區(qū)分人工智能和一般的信息技術(shù)”及“哪些學(xué)習(xí)內(nèi)容屬于人工智能范疇”。在具體教學(xué)中，教師可以從人工智能的三大特征出發(fā)，分析這些問題。

學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為，人工智能應(yīng)具有三大基本特征：互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)、摩爾定律（算力）和算法?；ヂ?lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)是指基于一定信息技術(shù)工具的數(shù)據(jù)收集、儲(chǔ)存和應(yīng)用的綜合；摩爾定律是指在芯片制造層面對(duì)計(jì)算能力發(fā)展的人為假說；算法是指用系統(tǒng)的方法描述解決問題的策略機(jī)制。教師可以依據(jù)人工智能的三大特征判斷在教學(xué)中常見的所謂“人工智能應(yīng)用”案例是否具有人工智能特征。例如，某些教師將“家用掃地機(jī)”作為人工智能的生活應(yīng)用案例，但依據(jù)人工智能三大特征進(jìn)行分析，會(huì)發(fā)現(xiàn)一般掃地機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡和方式都由事先設(shè)計(jì)的程序所限定，不具有對(duì)大數(shù)據(jù)、人工智能算力和算法的應(yīng)用，屬于自動(dòng)化領(lǐng)域的產(chǎn)品。

同時(shí)，教師可以依據(jù)人工智能的三大特征開展人工智能與學(xué)科融合教學(xué)，在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中滲透、應(yīng)用和整合人工智能三大特征中的某一項(xiàng)或某幾項(xiàng)。其中，互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)、算力的學(xué)習(xí)內(nèi)容可以結(jié)合學(xué)科教學(xué)關(guān)聯(lián)部分，根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平進(jìn)行科普性介紹；算法部分可以結(jié)合學(xué)校條件和學(xué)生發(fā)展實(shí)際，創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，開展跨學(xué)科教學(xué)。

三、人工智能與小學(xué)科學(xué)融合的基本路徑

小學(xué)科學(xué)教師在開展人工智能融合教學(xué)時(shí)，常常出現(xiàn)無從下手、融合路徑不清等狀況。筆者通過近幾年的教學(xué)實(shí)踐和對(duì)福建省人工智能優(yōu)秀教學(xué)案例的梳理，建議小學(xué)科學(xué)教師可以嘗試通過以下路徑，將人工智能與學(xué)科教學(xué)相互滲透融合。

（一）選用具有人工智能特征的教學(xué)素材

在開展人工智能與學(xué)科融合教學(xué)時(shí)，教師首先應(yīng)考慮選擇具有人工智能基本特征的教學(xué)素材，讓學(xué)生在學(xué)科學(xué)習(xí)中感受人工智能技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

例如，在蘇教版科學(xué)六年級(jí)（上冊(cè)）“觀察星空”一課中，教材以普通的星空?qǐng)D片導(dǎo)入，讓學(xué)生思考“生活中所說的星座是什么？能在夜空中找到你的生日星座嗎？”，從而激發(fā)學(xué)生對(duì)觀察星空的興趣。教師可以在這一環(huán)節(jié)把普通星空?qǐng)D片替換為中國(guó)“天眼”——射電望遠(yuǎn)鏡拍攝的星座圖片，并向?qū)W生延伸介紹：“這些絢爛的圖片是依靠人工智能的技術(shù)手段將射電望遠(yuǎn)鏡捕捉到的信號(hào)轉(zhuǎn)化、渲染后形成的。普通射電望遠(yuǎn)鏡需要經(jīng)過人工篩查找到星系，其過程費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。我國(guó)科學(xué)家把人工智能應(yīng)用在中國(guó)‘天眼上，大大提升了‘找星星這個(gè)過程的效率。”這樣，學(xué)生能感受到人工智能技術(shù)的魅力，體會(huì)到人工智能應(yīng)技術(shù)在社會(huì)生活中的廣泛應(yīng)用。

（二）引入具有人工智能技術(shù)的教具和學(xué)具

教師可以適時(shí)使用基于應(yīng)用背景下的人工智能教具和學(xué)具，提高教學(xué)效率，如人臉識(shí)別、語音識(shí)別技術(shù)等。這是在現(xiàn)有條件下比較容易實(shí)現(xiàn)的人工智能和學(xué)科教學(xué)融合的路徑。

例如，在蘇教版科學(xué)六年級(jí)（上冊(cè)）“觀察星空”一課中，學(xué)生利用觀星軟件尋找北極星，并通過觀察發(fā)現(xiàn)北極星的位置不變，始終位于北方天空，了解到人們自古以來便依據(jù)北極星的這一特點(diǎn)辨認(rèn)方向。但由于北極星的亮度為二等星，在星空中并不好尋找，學(xué)生需要了解北斗七星的特點(diǎn)，并通過北斗七星與北極星的位置關(guān)系找到北極星，學(xué)習(xí)起來有一定的難度，需要教師提供學(xué)習(xí)支架。此時(shí)，教師引入可視化編程軟件中的語音識(shí)別模塊，引導(dǎo)學(xué)生通過語音識(shí)別模塊快速獲得北斗七星資料并找到北極星。尋找有困難的學(xué)生還可以通過語音識(shí)別自動(dòng)找到觀星軟件中的北極星位置，驗(yàn)證北斗七星和北極星的位置關(guān)系。語音識(shí)別是目前相對(duì)成熟的人工智能技術(shù)，將它應(yīng)用在本課教學(xué)中，可以降低學(xué)生尋找星座的難度，提高學(xué)生獲取資料的效率，讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)分層學(xué)習(xí)。同時(shí)，學(xué)生在人工智能學(xué)具的應(yīng)用中親身體驗(yàn)人工智能技術(shù)給學(xué)習(xí)、生活帶來的便利，能夠激發(fā)對(duì)人工智能的興趣和熱情。

（三）整合人工智能和學(xué)科教學(xué)內(nèi)容

基于上述兩個(gè)方面的教學(xué)替換、調(diào)整，教師還可以嘗試將人工智能與學(xué)科教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行更深程度的整合，如通過項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的方式整合教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生在問題解決的過程中應(yīng)用學(xué)科知識(shí)和人工智能技術(shù)，從而發(fā)展學(xué)生任務(wù)分解和問題轉(zhuǎn)化的能力，提升學(xué)生信息素養(yǎng)水平。

例如，蘇教版科學(xué)五年級(jí)（下冊(cè)）“撬重物的竅門”一課的主要教學(xué)內(nèi)容為研究杠桿原理及了解杠桿在生活中的應(yīng)用。教師可以嘗試融入人工智能重整學(xué)習(xí)內(nèi)容，以設(shè)計(jì)并制作一架能自動(dòng)投中目標(biāo)的“智能投石器”為驅(qū)動(dòng)性任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生分解任務(wù)，在軟件編程的基礎(chǔ)上調(diào)試力臂長(zhǎng)度，輔以舵機(jī)和紅外線傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投擲，形成項(xiàng)目化學(xué)習(xí)案例“制作投石器”[3]。在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生會(huì)綜合應(yīng)用學(xué)科知識(shí)和人工智能技術(shù)解決問題，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科學(xué)習(xí)，發(fā)展多方面的能力和素養(yǎng)。

（四）重整人工智能介入教學(xué)的過程

教師可以將現(xiàn)有的人工智能教學(xué)系統(tǒng)與學(xué)生的學(xué)習(xí)過程相融合，探索基于自適應(yīng)學(xué)習(xí)的個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑。人工智能系統(tǒng)可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和能力水平推送不同的學(xué)習(xí)資料和練習(xí)，減輕教師的教學(xué)負(fù)擔(dān)，為學(xué)生提供更有針對(duì)性的指導(dǎo)。教師還可以基于人工智能課堂教學(xué)分析平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)課堂過程各項(xiàng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，研究課堂教學(xué)各環(huán)節(jié)的成效，達(dá)到改進(jìn)教學(xué)的目的[4]?？傊?，教師可以利用人工智能技術(shù)重整教學(xué)過程，通過對(duì)課堂教學(xué)的精準(zhǔn)分析和對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的個(gè)性化指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)深度教學(xué)。

四、人工智能與小學(xué)科學(xué)融合的教學(xué)建議

小學(xué)科學(xué)教師在進(jìn)行人工智能融合教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，需要跳出學(xué)科本位進(jìn)行思考，積極學(xué)習(xí)并掌握人工智能技術(shù)，充分聯(lián)系課程內(nèi)容，整合人工智能教學(xué)資源。在課堂上構(gòu)建與人工智能技術(shù)融合的教學(xué)場(chǎng)景，依據(jù)學(xué)生認(rèn)知發(fā)展水平進(jìn)行融合教學(xué)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生信息素養(yǎng)和創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)人工智能的普及教育。

（一）選擇與人工智能有關(guān)的小學(xué)科學(xué)教學(xué)內(nèi)容

小學(xué)科學(xué)教師在進(jìn)行人體部分教學(xué)時(shí)可以適當(dāng)拓展有關(guān)人工智能的內(nèi)容。例如，在引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)人的感官時(shí)，可以介紹機(jī)器人如何利用多種傳感器接收外部信息；在講解人的神經(jīng)系統(tǒng)時(shí)，可以介紹人工智能如何通過模擬人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在學(xué)習(xí)能力和思維能力上大大提升；在講解仿生時(shí)，可以介紹機(jī)器人如何通過模仿人的身體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)類似人的行動(dòng)和控制。此外，在進(jìn)行科學(xué)史的講解時(shí)，教師也可以適當(dāng)融入人工智能的發(fā)展歷史。

（二）應(yīng)用人工智能技術(shù)提高課堂探究效率

目前，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有較成熟的人工智能軟件進(jìn)入社會(huì)生活。小學(xué)科學(xué)教師可以根據(jù)課堂教學(xué)需要，選擇合適的軟件提高課堂探究的效率。例如，在蘇教版科學(xué)一年級(jí)（下冊(cè)）“玩泥巴”一課中，學(xué)生在篩、和、捏泥土的過程中，不便使用傳統(tǒng)紙筆方式進(jìn)行記錄。對(duì)此，教師就可以應(yīng)用語音識(shí)別技術(shù)幫助學(xué)生記錄學(xué)習(xí)過程中的發(fā)現(xiàn)[5]。又如，在教科版科學(xué)六年級(jí)（下冊(cè)）“校園生物大搜索”一課中，在學(xué)生觀察和記錄校園里的植物時(shí)，教師可以應(yīng)用識(shí)圖軟件幫助學(xué)生識(shí)別不認(rèn)識(shí)的植物，滿足學(xué)生個(gè)性化的學(xué)習(xí)需求，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)高效探究。

（三）設(shè)計(jì)物化中融合編程學(xué)習(xí)

工程設(shè)計(jì)與物化是小學(xué)科學(xué)技術(shù)工程領(lǐng)域重要的學(xué)習(xí)內(nèi)容，具有實(shí)踐性、綜合性的特點(diǎn)，可以發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)造力和動(dòng)手能力，是進(jìn)行跨學(xué)科融合學(xué)習(xí)的重要部分[6]?？茖W(xué)教師可以嘗試在工程設(shè)計(jì)與物化教學(xué)中融合人工智能教育，如在設(shè)計(jì)物化環(huán)節(jié)引入傳感器，整合編程學(xué)習(xí)，讓物化模型具有更高的自動(dòng)化水平，從而更好地解決工程問題。同時(shí)，基于問題解決的設(shè)計(jì)與物化也為學(xué)生的編程學(xué)習(xí)提供了良好的學(xué)習(xí)情境，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新能力。

（四）重視學(xué)生與人工智能技術(shù)的真實(shí)連接

學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)是在原有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上在不斷探究和體驗(yàn)中發(fā)生的。因此，教師在將科學(xué)學(xué)科和人工智能融合時(shí)要基于學(xué)生認(rèn)知水平，重視學(xué)生與人工智能技術(shù)的真實(shí)連接。雖然學(xué)生對(duì)人工智能的應(yīng)用并不陌生，但人工智能技術(shù)本身與學(xué)生經(jīng)驗(yàn)之間仍然存在鴻溝。2021年中央電化教育館發(fā)布了《中小學(xué)人工智能技術(shù)與工程素養(yǎng)框架》，明確了基礎(chǔ)教育階段人工智能教育的核心素養(yǎng)和學(xué)習(xí)內(nèi)容要求。在安排學(xué)習(xí)進(jìn)度時(shí)，教師可以依據(jù)上述文件提出的各學(xué)段培養(yǎng)要求進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。

五、結(jié)束語

人工智能技術(shù)和教育理論的發(fā)展，使基于人工智能背景的教學(xué)改革成為必然。小學(xué)科學(xué)的學(xué)科包容性是人工智能與科學(xué)課堂教學(xué)融合的有利條件。在此背景下，小學(xué)科學(xué)教師應(yīng)積極探索人工智能融合教學(xué)，為學(xué)生未來的發(fā)展打下良好的基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：李想（1982.11-），女，福建福州人，就職于福建省普通教育教學(xué)研究室，小學(xué)科學(xué)教研員，一級(jí)教師，碩士研究生學(xué)歷，福建教育學(xué)會(huì)小學(xué)科學(xué)教育專業(yè)委員會(huì)理事長(zhǎng)，主持完成多項(xiàng)省級(jí)課題。