人工智能技術(shù)提升小學(xué)科學(xué)融合創(chuàng)新研究
——以“蠶的一生”大單元設(shè)計(jì)為例

譚詠竹(廣東省深圳市龍華區(qū)龍為小學(xué) 518109)

2019年2月，中共中央、國務(wù)院發(fā)布《中國教育現(xiàn)代化2035》，提出“建設(shè)智能化校園，統(tǒng)籌建設(shè)一體化智能化教學(xué)、管理與服務(wù)平臺(tái)”。人工智能技術(shù)和教育相結(jié)合，是未來教育改革的一個(gè)重要方向。要想有效地推動(dòng)人工智能技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用，教師們就必須將人工智能技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮到最大，利用人工智能技術(shù)來營造新的學(xué)習(xí)環(huán)境，并設(shè)計(jì)更為豐富的教學(xué)活動(dòng)，以此來提升教師教學(xué)的質(zhì)量和效率，并推動(dòng)教師自身的專業(yè)發(fā)展。運(yùn)用人工智能技術(shù)，可以改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，更好地推動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)與發(fā)展。在國家政策的驅(qū)動(dòng)下，人工智能對(duì)教學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生了廣泛而深遠(yuǎn)的影響，已經(jīng)成為課程教學(xué)改革的強(qiáng)大動(dòng)力，因此，推進(jìn)中小學(xué)人工智能融合教育已經(jīng)成為了一種必然的趨勢(shì)。

本文以“蠶的一生”大單元設(shè)計(jì)為例，通過創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，靈活應(yīng)用人工智能技術(shù)融入小學(xué)科學(xué)探究實(shí)踐中去，為學(xué)生提供了真實(shí)有效的學(xué)習(xí)路徑。教學(xué)內(nèi)容源于小學(xué)科學(xué)教科版三年級(jí)下冊(cè)第二單元“動(dòng)物的一生”，以關(guān)鍵概念“蠶的一生是如何發(fā)展的”為核心，重新建構(gòu)原教材第1、3、4、5、6課時(shí)的教學(xué)內(nèi)容，形成了新的4 個(gè)課時(shí)結(jié)構(gòu)。使用“大單元—任務(wù)群—問題鏈”的方式組織具體教學(xué)內(nèi)容，強(qiáng)化教學(xué)內(nèi)容的整體性和關(guān)聯(lián)性。圍繞“任務(wù)群”，筆者綜合選用了Craft AI人工智能程序、AI繪畫、PPT、希沃白板、美麗科學(xué)APP、問卷星、視頻、微課、圖片等技術(shù)工具融入教學(xué)，創(chuàng)設(shè)真實(shí)問題情境，圍繞“如何幫蠶寶寶更好地長大”的驅(qū)動(dòng)性問題，依托“問題鏈”開展各類探究學(xué)習(xí)活動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生個(gè)性自主學(xué)習(xí)和小組合作學(xué)習(xí)。綜合運(yùn)用了數(shù)字化工具和相關(guān)智能技術(shù)，增強(qiáng)學(xué)生體驗(yàn)感，提升活動(dòng)趣味性；并能及時(shí)收集學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，記錄和分析學(xué)生的學(xué)情狀況，協(xié)同教師評(píng)價(jià)學(xué)生的價(jià)值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力，助力提升育人成效，單元整體設(shè)計(jì)思路如圖1所示。

圖1 單元整體設(shè)計(jì)思路

一、“蠶是如何變成蠶寶寶的”分析

本課應(yīng)用與Chat GPT 相同模型接口的Craft AI程序來創(chuàng)設(shè)開放式教學(xué)情境，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與形式多樣的人機(jī)協(xié)同教學(xué)交互活動(dòng)，激發(fā)師生的靈感與智慧。(Craft AI與Chat GPT 一樣，都是人工智能技術(shù)驅(qū)動(dòng)的自然語言處理工具，能夠通過學(xué)習(xí)和理解人類的語言來進(jìn)行對(duì)話，還能根據(jù)聊天的上下文進(jìn)行互動(dòng)，真正像人類一樣交流。)筆者結(jié)合“Craft AI+虛擬動(dòng)畫形象”而創(chuàng)造出了一個(gè)新朋友“CC”，她來自外星球，性格活潑，且知識(shí)淵博。通過學(xué)生與新朋友CC 的溝通交流，并搭配課前“問卷星”收集的學(xué)生關(guān)于蠶的問題，調(diào)查學(xué)生前概念，了解學(xué)生對(duì)蠶的已有看法和認(rèn)知誤區(qū)。引入“新朋友CC”現(xiàn)場(chǎng)為學(xué)生解答疑惑，實(shí)現(xiàn)真實(shí)的人機(jī)互動(dòng)，最大程度地激發(fā)學(xué)生想要養(yǎng)蠶的興趣，實(shí)現(xiàn)技術(shù)與教學(xué)融合創(chuàng)新，迅速明確課題內(nèi)容。

一是播放有關(guān)蠶的視頻，提問：“你養(yǎng)過蠶嗎?關(guān)于蠶你知道什么? 還想知道什么? 老師課前收集了同學(xué)們問得最多的幾個(gè)問題，大家一起來看看有沒有你好奇的吧!”二是呈現(xiàn)課前用問卷星收集的調(diào)查結(jié)果(圖2)，揭示課題。三是為了向大家解答疑惑，老師請(qǐng)來了一位來自外星球的新朋友CC，她性格十分活潑，知識(shí)非常淵博，看看她是怎么回答的吧。四是新朋友CC 在線與學(xué)生進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)，回答問題(圖3)，激發(fā)學(xué)生對(duì)養(yǎng)蠶的興趣。

圖2 教師用問卷星收集的調(diào)查結(jié)果

圖3 人機(jī)互動(dòng)

設(shè)計(jì)意圖：通過播放關(guān)于蠶的視頻吸引學(xué)生的注意力，明確本課的學(xué)習(xí)任務(wù)，為接下來解決相關(guān)問題做鋪墊，調(diào)動(dòng)學(xué)生探究的興趣，并用問卷星呈現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)查結(jié)果，提前了解學(xué)情，并由此引出新朋友CC的身份，CC 也將陪伴著學(xué)生度過后續(xù)整個(gè)單元的學(xué)習(xí)。

二、“蠶長大了”分析

本課時(shí)在仿真虛擬實(shí)驗(yàn)和AR 技術(shù)的資源下，通過情境模擬實(shí)驗(yàn)小游戲(圖4)實(shí)現(xiàn)小組合作，讓學(xué)生切身以第一視角經(jīng)歷養(yǎng)蠶的各個(gè)階段，突破了學(xué)生在養(yǎng)蠶過程中由于蠶生長時(shí)間過長，對(duì)各個(gè)生長階段的觀察可能有所遺漏的缺點(diǎn)，營造出一個(gè)“沉浸式”的有趣科學(xué)探究課堂。通過蠶的3D模型給學(xué)生呈現(xiàn)了全方位視角下對(duì)蠶身體各結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，幫助大部分學(xué)生加深了對(duì)蠶的印象，有助于理解蠶的一生的變化規(guī)律和成因。同時(shí)，還增加了跨學(xué)科設(shè)計(jì)，融合數(shù)學(xué)的幾何圖形知識(shí)，讓學(xué)生完成對(duì)蠶身體結(jié)構(gòu)的拼圖，通過拼圖游戲，融合了數(shù)學(xué)學(xué)科的知識(shí)，有利于檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)于蠶身體結(jié)構(gòu)的熟悉程度，同時(shí)游戲也能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。隨后將學(xué)生作品用希沃白板拍照上傳，進(jìn)行作品展示和生生互評(píng)。

圖4 模擬實(shí)驗(yàn)游戲

三、“作繭自縛又如何，我偏要破繭而出”分析

學(xué)生在前幾課的學(xué)習(xí)與親歷的養(yǎng)蠶經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，對(duì)蠶繭的形成都有了一定的了解。為了讓學(xué)生進(jìn)一步地切實(shí)感受蠶繭的特點(diǎn)和蠶絲的強(qiáng)韌性能，筆者設(shè)計(jì)了跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)活動(dòng)，加強(qiáng)不同學(xué)科間的相互關(guān)聯(lián)，融合了語文、美術(shù)學(xué)科等知識(shí)。教師通過微課、視頻等分享與蠶有關(guān)的古詩文，并介紹蠶絲扇的歷史由來；讓學(xué)生給蠶繭來一個(gè)“華麗大變身”——制作一把蘊(yùn)含中華文化的蠶絲扇。在學(xué)生已有的認(rèn)知發(fā)展水平上，利用制作蠶絲扇這一實(shí)驗(yàn)不僅促進(jìn)了學(xué)生的科學(xué)探究實(shí)踐能力，還提高了學(xué)生的動(dòng)手能力。

1.創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入問題

制作前，應(yīng)用AI作畫程序+虛擬人物動(dòng)畫形象，結(jié)合學(xué)習(xí)任務(wù)單(圖5)讓學(xué)生描述自己心目中理想蠶絲扇的設(shè)計(jì)圖，通過詢問新朋友CC，讓CC自動(dòng)繪畫出來。用AI繪畫的方式來使學(xué)生的思維活躍，讓課堂更加積極，增強(qiáng)學(xué)生制作蠶絲扇的體驗(yàn)感，提升活動(dòng)趣味性，同時(shí)尊重學(xué)生個(gè)體差異，鼓勵(lì)學(xué)生個(gè)性化解決問題。

圖5 學(xué)習(xí)任務(wù)單

2.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究實(shí)踐

教師先介紹實(shí)驗(yàn)材料，然后播放微課視頻，提供學(xué)習(xí)腳手架，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)操作。教師在教學(xué)中強(qiáng)化過程評(píng)價(jià)，重視“教—學(xué)—評(píng)—改一體化”，關(guān)注學(xué)生在制作蠶絲扇過程中的真實(shí)表現(xiàn)與思維活動(dòng)，有效促進(jìn)生生、師生交流。實(shí)驗(yàn)過程中，教師下臺(tái)巡堂，提醒學(xué)生操作的注意事項(xiàng)與需要觀察的關(guān)鍵地方，引導(dǎo)學(xué)生及時(shí)觀察與記錄(圖6)。

圖6 學(xué)生制作蠶絲扇

3.課后拓展，學(xué)習(xí)遷移

學(xué)生小組展示、分享蠶絲扇成品，與其他小組進(jìn)行交流、評(píng)價(jià)；在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生開始逐漸反思實(shí)驗(yàn)過程還有哪些方面可以進(jìn)一步改善，如何對(duì)蠶絲扇進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)。比如，有學(xué)生提出，能不能在制作好的蠶絲扇基礎(chǔ)上做出一些功能性的蠶絲扇呢? 進(jìn)而有更多的學(xué)生深入思考功能與不同材料之間的關(guān)系——比如，想制作一把驅(qū)蚊提神的蠶絲扇可以怎么做? 有學(xué)生提出，可以在蠶絲扇表面噴一些花露水。于是就有更多學(xué)生思考：那什么材料和花露水一起制作能夠讓蠶絲扇的性能變得更好呢? 就這樣，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下會(huì)主動(dòng)一步一步地深入思考、探究，繼而關(guān)注知識(shí)間的內(nèi)在聯(lián)系，促進(jìn)學(xué)習(xí)的遷移與應(yīng)用，有效提升了科學(xué)思維。

4.人機(jī)互動(dòng)，首尾呼應(yīng)

學(xué)生制作完蠶絲扇后，為感謝新朋友CC 繪畫提供的靈感，準(zhǔn)備將蠶絲扇送給CC，CC進(jìn)行真實(shí)回應(yīng)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)，前后呼應(yīng)，將故事拉向高潮，為整個(gè)實(shí)驗(yàn)畫上圓滿的句號(hào)。教師在聆聽、發(fā)言、合作、任務(wù)完成等方面對(duì)小組進(jìn)行評(píng)價(jià)；圍繞學(xué)生知識(shí)、能力、素養(yǎng)等方面進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。注重鼓勵(lì)學(xué)生，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。通過師生、生生互動(dòng)實(shí)現(xiàn)協(xié)作、探究和意義建構(gòu)，互動(dòng)交流更立體、高效、持續(xù)，課堂氛圍生動(dòng)活潑，為學(xué)生提供了展示的舞臺(tái)，提高了課堂教學(xué)效率。

四、“回顧蠶的一生”分析

本節(jié)課是學(xué)生長期觀察研究蠶之后的總結(jié)課。一方面，學(xué)生在前面的課程中通過親歷養(yǎng)蠶活動(dòng)，已經(jīng)對(duì)蠶生長發(fā)育的全過程進(jìn)行了觀察記錄，但這些知識(shí)在大部分學(xué)生的腦海中都是零散的，沒形成完整系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。另一方面，往往小學(xué)階段學(xué)生的注意力集中時(shí)間不長，課堂上的交流分享效率不高。尤其是養(yǎng)蠶這類長周期觀察課，學(xué)生意志力較為薄弱，興趣轉(zhuǎn)移較快，課外對(duì)于蠶的觀察非常容易出現(xiàn)“虎頭蛇尾”的現(xiàn)象。因此，學(xué)生在上總結(jié)課的時(shí)候單憑自身很難串聯(lián)起所有知識(shí)點(diǎn)，無法形成思維的結(jié)構(gòu)化，需要教師設(shè)置更多豐富的教學(xué)活動(dòng)加以引導(dǎo)。

原教材中“蠶的一生”這節(jié)課只讓學(xué)生對(duì)蠶不同階段的幾張圖片進(jìn)行排序，沒有深入展開對(duì)蠶每個(gè)階段生長變化的觀察。部分學(xué)生對(duì)圖片排序只是當(dāng)作完成老師布置的作業(yè)，沒有內(nèi)驅(qū)力和深入探索的欲望。

在本節(jié)課中，筆者應(yīng)用了Artivive、AutoCAD制圖、PS等軟件設(shè)計(jì)并制作出了一副具有AR 效果的“蠶的一生”知識(shí)記憶卡牌，每張卡牌均代表蠶一生中的某一個(gè)階段。學(xué)生可以利用平板中的Artivive軟件進(jìn)行掃描，隨后便會(huì)在卡牌上方的空中浮現(xiàn)出該階段的立體介紹視頻——利用AR 技術(shù)呈現(xiàn)出身臨其境的場(chǎng)景。隨后學(xué)生便可以邊掃描卡牌，邊與小組成員交流討論蠶一生的生長變化過程，并填寫學(xué)習(xí)任務(wù)單。通過讓學(xué)生梳理自己積累的觀察記錄，再經(jīng)過集體論證在全班范圍內(nèi)達(dá)成對(duì)蠶一生生命歷程的認(rèn)識(shí)，從中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)蠶的生命周期規(guī)律。

在后續(xù)的教學(xué)環(huán)節(jié)中，筆者還設(shè)計(jì)了生生互動(dòng)的卡牌游戲。以玩促學(xué)，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生可以利用卡牌的技能點(diǎn)來提問對(duì)手(圖7)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(AR)結(jié)合游戲化的教學(xué)讓整節(jié)課課堂氛圍持續(xù)高漲，極大地提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，進(jìn)一步鞏固了學(xué)生對(duì)蠶一生不同階段的認(rèn)知，使整個(gè)課堂氛圍生動(dòng)、高效。在游戲中提升學(xué)生飼養(yǎng)與研究蠶一生的能力，為以后更深入研究動(dòng)物的活動(dòng)打下了良好基礎(chǔ)。

圖7 卡牌游戲規(guī)則(節(jié)選)

五、教學(xué)反思

三年級(jí)的學(xué)生對(duì)于養(yǎng)蠶這類長周期的觀察活動(dòng)起初興趣是十分高漲的，但是此年齡段學(xué)生的身心發(fā)展水平不足以支撐他們對(duì)蠶的一生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。教師作為引導(dǎo)者可以結(jié)合智能化技術(shù)和互動(dòng)新技術(shù)為學(xué)生構(gòu)建實(shí)驗(yàn)情境，鼓勵(lì)他們自主探究科學(xué)內(nèi)涵，提升科學(xué)思維。例如，在利用AR 技術(shù)制作的蠶的一生卡牌游戲中，引導(dǎo)學(xué)生在虛擬環(huán)境中獲得科學(xué)概念，在游戲中參與科學(xué)實(shí)踐會(huì)形成學(xué)生良性的情感體驗(yàn)，學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)熱情和內(nèi)驅(qū)力被進(jìn)一步激活，更容易實(shí)現(xiàn)有效學(xué)習(xí)。融入人工智能科技的科學(xué)課堂不僅給學(xué)生提供了更多的教學(xué)資源，包括視頻、圖片、音頻、游戲等形式的教材，能更加生動(dòng)直觀地呈現(xiàn)科學(xué)知識(shí)，還可以根據(jù)學(xué)生的不同能力和興趣，個(gè)性化地定制教學(xué)內(nèi)容和方式，提高教學(xué)效果。使用人工智能技術(shù)分析學(xué)生學(xué)習(xí)情況和學(xué)習(xí)風(fēng)格，還能為教師提供更加科學(xué)的教學(xué)指導(dǎo)。通過人工智能技術(shù)的輔助，能幫助學(xué)生更好地理解和應(yīng)用科學(xué)知識(shí)，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。