探究AI輔助初中科學(xué)課教與學(xué)的途徑

何仕陽

【摘 要】通過人工智能（AI）輔助初中科學(xué)教師進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和個性化教學(xué)，可以提高教師的工作效率，使教學(xué)更加精準(zhǔn)和個性化。同時，教師仍然扮演著重要的角色，他們可以根據(jù)AI提供的分析結(jié)果和反饋，制定相應(yīng)的教學(xué)策略和計劃，關(guān)注學(xué)生的情感需求和學(xué)習(xí)動力，為每位學(xué)生提供有針對性的學(xué)習(xí)支持。

【關(guān)鍵詞】人工智能；智能輔導(dǎo)；智能分析；個性化教學(xué)

【中圖分類號】G434? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【論文編號】1671-7384（2024）02、03-134-03

人工智能（AI）是指計算機(jī)系統(tǒng)或機(jī)器模擬出來的能夠模仿人類智能行為的能力。在教育領(lǐng)域，AI可以輔助教師進(jìn)行教學(xué)活動，提供個性化的學(xué)習(xí)支持，改善教學(xué)效果。它可以分析學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，為每位學(xué)生推薦適合其水平和需求的學(xué)習(xí)資源和路徑。同時，AI還可以作為智能輔導(dǎo)系統(tǒng)，回答學(xué)生的問題，提供解析和示范，加強(qiáng)學(xué)生對知識的理解和掌握。此外，AI還可以提供教學(xué)資源和內(nèi)容，如教學(xué)課件、實驗?zāi)M等，豐富教學(xué)方式和體驗。利用AI技術(shù)輔助初中科學(xué)課的學(xué)習(xí)和教學(xué)可以為師生提供更豐富的教育體驗和個性化的學(xué)習(xí)支持。

開發(fā)智能輔導(dǎo)系統(tǒng)

初中科學(xué)智能輔導(dǎo)系統(tǒng)是基于AI技術(shù)開發(fā)的一種學(xué)習(xí)輔助工具，旨在為初中生提供個性化的科學(xué)學(xué)習(xí)支持和指導(dǎo)。它能夠根據(jù)學(xué)生的知識水平和學(xué)習(xí)需求，提供定制化的學(xué)習(xí)計劃、解答問題和給予反饋建議；可以根據(jù)學(xué)生的錯題和薄弱點，推薦相關(guān)的學(xué)習(xí)資源和練習(xí)題，幫助學(xué)生有針對性地提高。智能輔導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能。

（1）制定個性化學(xué)習(xí)路徑。根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和目標(biāo)，智能輔導(dǎo)系統(tǒng)會為每位學(xué)生制定個性化的學(xué)習(xí)路徑。它會根據(jù)學(xué)生已掌握和尚未掌握的知識點以及學(xué)習(xí)進(jìn)度等因素，推薦適合的學(xué)習(xí)內(nèi)容和順序。

（2）題目解析和習(xí)題推薦。對于學(xué)生遇到的問題和習(xí)題，智能輔導(dǎo)系統(tǒng)能夠進(jìn)行解析和講解，并根據(jù)學(xué)生的錯誤類型和理解程度推薦相關(guān)的習(xí)題來幫助其鞏固知識。

（3）實時答疑和輔導(dǎo)。學(xué)生可以通過系統(tǒng)向智能輔導(dǎo)系統(tǒng)提問，并獲得即時的答案和解釋。系統(tǒng)通過自然語言理解和處理技術(shù)，能夠準(zhǔn)確理解學(xué)生的問題，并給予相應(yīng)的回答、例證或解決方案。

（4）學(xué)習(xí)進(jìn)度監(jiān)控。智能輔導(dǎo)系統(tǒng)可以跟蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和表現(xiàn)，記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)和行為。這些數(shù)據(jù)有助于系統(tǒng)了解學(xué)生的弱點和需求，為教師提供詳細(xì)的學(xué)情報告，以便進(jìn)行個性化指導(dǎo)和教學(xué)安排。

（5）學(xué)習(xí)資源推薦。智能輔導(dǎo)系統(tǒng)會根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求和興趣，推薦適合的學(xué)習(xí)資源，包括教材、在線課程、學(xué)習(xí)視頻等。這樣可以豐富學(xué)習(xí)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

目前有許多人工智能輔助學(xué)習(xí)軟件可供使用，如谷歌學(xué)術(shù)（Google Scholar）：提供學(xué)術(shù)文獻(xiàn)檢索和引用分析功能，幫助學(xué)生查找和閱讀相關(guān)研究論文；Coursera：提供在線課程和學(xué)位項目，結(jié)合人工智能技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)路徑個性化推薦和自動化評估；Khan Academy：提供大量在線教學(xué)視頻和練習(xí)題，通過人工智能技術(shù)為學(xué)生提供個性化的學(xué)習(xí)計劃和反饋；Quizlet：提供在線卡片和測驗功能，使用人工智能技術(shù)幫助學(xué)生記憶和復(fù)習(xí)學(xué)習(xí)內(nèi)容；Wolfram Alpha：一個知識搜索引擎，利用人工智能和自然語言處理技術(shù)為用戶提供廣泛的計算、數(shù)據(jù)和知識查詢服務(wù)。

以上只是一小部分人工智能輔助學(xué)習(xí)軟件的案例，隨著技術(shù)的發(fā)展，將會有更多的創(chuàng)新和應(yīng)用涌現(xiàn)。學(xué)生和教育機(jī)構(gòu)可以根據(jù)自己的需求，在此基礎(chǔ)上選擇適合的人工智能輔助學(xué)習(xí)軟件來提升學(xué)習(xí)效果。

建立虛擬實驗平臺

對于初中科學(xué)課程來說，虛擬實驗平臺是一種非常有用的工具。通過虛擬實驗平臺，學(xué)生可以在課堂上進(jìn)行實驗?zāi)M和操作練習(xí)，提高實驗技能和科學(xué)素養(yǎng)。虛擬實驗平臺供學(xué)生進(jìn)行物理、化學(xué)或生物實驗?zāi)M。這樣的平臺可以提供安全可靠的實驗環(huán)境，并讓學(xué)生通過探索和實踐深入理解實驗原理和現(xiàn)象。以下是初中科學(xué)虛擬實驗平臺的幾個應(yīng)用場景。

（1）實驗?zāi)M。虛擬實驗平臺可以模擬各種實驗過程，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境下掌握實驗流程和原理。如在化學(xué)實驗中，學(xué)生可以使用虛擬實驗平臺進(jìn)行酸堿中和、電解反應(yīng)等實驗?zāi)M，了解不同物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)和反應(yīng)規(guī)律。

（2）實驗操作。虛擬實驗平臺還可以模擬實驗設(shè)備和操作手段。這樣學(xué)生可以通過平臺進(jìn)行實驗操作的訓(xùn)練，掌握實驗技能和安全規(guī)范。例如，在物理實驗中，學(xué)生可以通過虛擬實驗平臺進(jìn)行簡單的機(jī)械組裝和運動仿真，鍛煉操作技能。

（3）數(shù)據(jù)分析。虛擬實驗平臺可以實時記錄并展示實驗數(shù)據(jù)，方便學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。學(xué)生可以通過虛擬實驗平臺獲取實驗數(shù)據(jù)，并進(jìn)行計算和圖形化展示，從而更好地了解實驗結(jié)果和原理。例如，在生物實驗中，學(xué)生可以使用虛擬實驗平臺觀察細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和變化，進(jìn)一步加深對生命科學(xué)的理解。

目前國內(nèi)外有較多的虛擬實驗平臺可供使用，推薦使用與科學(xué)學(xué)科相關(guān)的平臺。Labster：提供各種科學(xué)和工程領(lǐng)域的虛擬實驗室模擬，學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實驗操作和觀察結(jié)果；ADInstruments：提供生命科學(xué)和工程學(xué)科的虛擬實驗平臺，包括生理學(xué)、生物學(xué)、工程和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域；TeachEngineering：提供虛擬實驗和工程項目，覆蓋多個工程學(xué)科，如機(jī)械、電氣、計算機(jī)等；PhET Interactive Simulations：由科羅拉多大學(xué)波爾得分校開發(fā)的虛擬實驗平臺，包含多個科學(xué)學(xué)科，如物理學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等。

這些虛擬實驗平臺旨在為學(xué)生提供與實際實驗相似的體驗，幫助他們在沒有實際實驗設(shè)備或?qū)嶒炇业那闆r下進(jìn)行實踐學(xué)習(xí)。

推薦個性化學(xué)習(xí)方案

通過收集和分析學(xué)生的數(shù)據(jù)，AI可以了解學(xué)生的學(xué)習(xí)偏好和需求，從而提供更加個性化的學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)路徑。

（1）定制化學(xué)習(xí)計劃。根據(jù)學(xué)生的興趣和學(xué)習(xí)能力，制定個性化的學(xué)習(xí)計劃。將課程內(nèi)容分解成小模塊，安排適合學(xué)生自主學(xué)習(xí)的時間和方式。

（2）差異化教學(xué)。根據(jù)學(xué)生的不同學(xué)習(xí)需求，提供差異化的教學(xué)資源和活動。例如，針對理解較困難的學(xué)生，可以提供額外的解釋材料；而對于掌握較好的學(xué)生，可以提供更深入的探究任務(wù)。

（3）多樣化的學(xué)習(xí)資源。提供多種多樣的學(xué)習(xí)資源，包括教科書、練習(xí)題、實驗視頻、交互式學(xué)習(xí)工具等。這樣學(xué)生可以選擇適合自己學(xué)習(xí)風(fēng)格和喜好的資源進(jìn)行學(xué)習(xí)。

（4）個性化反饋和指導(dǎo)。通過技術(shù)工具或教師的指導(dǎo)，給予學(xué)生個性化的反饋和指導(dǎo)。及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)困難和問題，并提供針對性的輔導(dǎo)和支持。

（5）小組合作學(xué)習(xí)。鼓勵學(xué)生進(jìn)行小組合作學(xué)習(xí)，通過討論、合作實踐等方式促進(jìn)彼此之間的學(xué)習(xí)和思考。這樣可以提高學(xué)生的互動能力和合作能力。

（6）利用技術(shù)工具。結(jié)合在線學(xué)習(xí)平臺和教育科技工具，為學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)和探究的環(huán)境。如虛擬實驗平臺、在線模擬器等，讓學(xué)生能夠靈活地進(jìn)行實驗和觀察。

（7）學(xué)習(xí)評估和調(diào)整。根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)表現(xiàn)和反饋結(jié)果，及時調(diào)整個性化學(xué)習(xí)方案，以適應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和需求。

經(jīng)實踐，筆者推薦一些能夠為學(xué)生提供個性化學(xué)習(xí)方案的平臺。Khan Academy提供了廣泛的在線教育資源，包括視頻課程、練習(xí)題和測驗，可以根據(jù)學(xué)生的個體需求和學(xué)習(xí)進(jìn)度來自定義學(xué)習(xí)計劃。SMART Learning Suite Online是一個交互式學(xué)習(xí)平臺，通過個性化的學(xué)習(xí)工具和資源支持學(xué)生的個體化學(xué)習(xí)。它提供了實時協(xié)作、互動投票、個性化反饋等功能，幫助學(xué)生更好地參與學(xué)習(xí)。ScootPad是一個個性化學(xué)習(xí)和評估平臺，主要面向初中學(xué)段學(xué)生。它提供了針對學(xué)生需求的個性化學(xué)習(xí)路徑、自適應(yīng)練習(xí)和實時進(jìn)度跟蹤，幫助學(xué)生在不同學(xué)科中取得進(jìn)步。Phypho是一款智能手機(jī)實驗程序App，支持用戶根據(jù)需要自主開發(fā)。平臺全面、系統(tǒng)地整合了智能手機(jī)中搭載的所有傳感器，預(yù)置了門類齊全、數(shù)量眾多的探究性實驗樣例[1]。初中科學(xué)的個性化學(xué)習(xí)方案應(yīng)該是靈活多樣的，注重學(xué)生的興趣和需求。這些平臺都致力于根據(jù)學(xué)生的興趣、能力和學(xué)習(xí)風(fēng)格提供個性化的學(xué)習(xí)方案。學(xué)生可以通過這些平臺自主選擇課程、參與互動和練習(xí)，從而更好地滿足他們的學(xué)習(xí)需求。

進(jìn)行自動化評估和反饋

利用人工智能技術(shù)進(jìn)行作業(yè)和測驗的自動評估和批改，以及給予學(xué)生及時的反饋和建議，可以減輕教師的工作量，為學(xué)生提供即時的學(xué)習(xí)糾正和指導(dǎo)。

（1）在線學(xué)習(xí)平臺。使用在線學(xué)習(xí)平臺，學(xué)生可以完成各種形式的自動化評估，包括選擇題、填空題、判斷題等。這些題目可以根據(jù)學(xué)生的答案自動評分，并提供即時反饋，指出答案的正確與否以及解析。

（2）交互式學(xué)習(xí)工具。利用交互式學(xué)習(xí)工具，如模擬器、虛擬實驗平臺等，學(xué)生可以進(jìn)行實驗操作或模擬實踐，系統(tǒng)會自動記錄學(xué)生的操作和結(jié)果，并給予反饋。通過對實驗過程和結(jié)果的分析，學(xué)生可以了解自己的實驗技能和理解程度。

（3）數(shù)據(jù)分析和可視化展示。將學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和可視化展示，幫助他們更好地了解自己的學(xué)習(xí)情況。如生成學(xué)習(xí)報告、圖表和圖形，顯示學(xué)生在不同知識點或技能方面的掌握程度和進(jìn)步情況。

PowerSchool是一個綜合的學(xué)生信息管理系統(tǒng)，它可以用于學(xué)生學(xué)業(yè)評估、成績記錄和報告生成。它提供了學(xué)生和教師的在線平臺，用于查看個人學(xué)術(shù)成績、出勤情況和作業(yè)任務(wù)等。Blackboard是一個廣泛應(yīng)用的在線學(xué)習(xí)平臺，它提供了學(xué)生學(xué)習(xí)的虛擬環(huán)境和評估工具。教師可以使用Blackboard來分發(fā)作業(yè)、批改作業(yè)、發(fā)布測驗和檢查學(xué)生進(jìn)展。Moodle是一種開源的學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)，它被全球各類學(xué)校和機(jī)構(gòu)廣泛采用。這些系統(tǒng)都具備自動化學(xué)業(yè)評估的功能，可以幫助學(xué)校、教師和學(xué)生更便捷地進(jìn)行學(xué)習(xí)評估和學(xué)術(shù)管理。每個系統(tǒng)的具體功能和特點可能有所不同，選擇適合的系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)實際需求和學(xué)校環(huán)境來確定。需要注意的是，自動化評估和反饋可以為學(xué)生提供方便快捷的評估方式，并及時獲取反饋和指導(dǎo)。然而，教師的角色仍然不可或缺，他們可以根據(jù)學(xué)生的評估結(jié)果和反饋，進(jìn)行更深入的分析和指導(dǎo)，提供個性化的支持和幫助。

輔助教師進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和個性化教學(xué)

利用AI技術(shù)對學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為教師提供詳細(xì)的學(xué)生學(xué)習(xí)情況報告。教師可以根據(jù)這些報告進(jìn)行個性化的輔導(dǎo)和教學(xué)安排，針對學(xué)生的特點和需要提供更有針對性的指導(dǎo)。

（1）自動化評估和反饋。AI可以幫助教師進(jìn)行自動化的學(xué)生作業(yè)評估和反饋。通過分析學(xué)生的答案，AI可以自動評分，并給出即時的反饋，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行糾正和改進(jìn)。

（2）學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)分析。AI可以對學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析，包括學(xué)習(xí)進(jìn)度、知識點掌握情況、常見錯誤等。教師可以通過AI生成的學(xué)生學(xué)習(xí)報告，了解每位學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，發(fā)現(xiàn)學(xué)生的問題和困難點。

（3）學(xué)習(xí)路徑個性化推薦?；趯W(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)和歷史表現(xiàn)，AI可以為每位學(xué)生推薦個性化的學(xué)習(xí)路徑和資源。這些學(xué)習(xí)路徑和資源可以根據(jù)學(xué)生的水平和需求進(jìn)行定制，幫助學(xué)生更好地理解和掌握知識。

（4）學(xué)習(xí)過程監(jiān)控。AI可以監(jiān)控學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，包括學(xué)習(xí)時間、學(xué)習(xí)行為等。教師可以通過監(jiān)控結(jié)果了解學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和進(jìn)度，并針對性地進(jìn)行干預(yù)和輔導(dǎo)。Schoology是一個綜合的學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)，旨在促進(jìn)學(xué)習(xí)者之間的協(xié)作和個性化學(xué)習(xí)。它提供了課程管理、在線評估和學(xué)生反饋等功能，以支持學(xué)生學(xué)習(xí)的評估和監(jiān)控。通過AI輔助初中科學(xué)教師進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和個性化教學(xué)，可以提高教師的工作效率，使教學(xué)更加精準(zhǔn)和個性化。AI技術(shù)的應(yīng)用讓傳統(tǒng)課堂變成“數(shù)智”課堂，通過貫穿教學(xué)全過程的細(xì)致、多維度數(shù)據(jù)采集與匯總分析，既讓教師更充分地了解學(xué)情，減輕了教學(xué)壓力，又能幫助學(xué)生更好地了解自己的薄弱之處，學(xué)習(xí)變得更有針對性，減輕課業(yè)負(fù)擔(dān)[2]。系統(tǒng)會對學(xué)生的學(xué)習(xí)偏好進(jìn)行分析，呈現(xiàn)可視化圖表，表明學(xué)生的優(yōu)勢和薄弱方面。

需要注意的是，AI目前仍然有一些局限性。例如，它可能無法像人類教師那樣處理情感和人際交互，也可能無法適應(yīng)某些復(fù)雜的教學(xué)環(huán)境。因此，在教學(xué)過程中，AI僅作為輔助工具，教師仍然發(fā)揮著重要作用。另外，在應(yīng)用AI技術(shù)進(jìn)行教學(xué)時，還需要合理的隱私保護(hù)措施，了解學(xué)生的個人數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)政策。

參考文獻(xiàn)

張懷華. 體驗·創(chuàng)新： 用好App優(yōu)化物理實驗探究教學(xué)[J]. 中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)，2022（12）：82-87.

牛雅瓊. 構(gòu)建數(shù)智課堂 助力“雙減”落地[J]. 中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)，2022（2）：23-27.

作者單位：浙江杭州市臨安區(qū)錦城第三初級中學(xué)

編? ?輯：徐靖程