推動(dòng)人工智能在教學(xué)中的運(yùn)用

〔摘" "要〕" 人工智能技術(shù)飛速發(fā)展，其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。本研究聚焦于人工智能環(huán)境下小學(xué)科學(xué)課程的運(yùn)用實(shí)踐，探討如何使用人工智能技術(shù)資源創(chuàng)新教學(xué)方法、提升教學(xué)效果。本文就推動(dòng)人工智能在科學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用，通過教學(xué)案例分析、學(xué)生學(xué)習(xí)成果評估等研究方法，發(fā)現(xiàn)人工智能在小學(xué)科學(xué)課程中呈現(xiàn)的作用，提高學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維，同時(shí)也面臨一些技術(shù)整合、教師培訓(xùn)方面的挑戰(zhàn)，需進(jìn)一步探索與完善。

〔關(guān)鍵詞〕" 小學(xué)科學(xué)；人工智能；課程實(shí)踐

〔中圖分類號〕" G424" " " " " " " " 〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕" A" " " " 〔文章編號〕" 1674-6317" " （2025）20" " 0100-03

《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》明確指出，人工智能已成為國際競爭的新焦點(diǎn)，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。 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)。在人工智能時(shí)代背景下，小學(xué)階段開展人工智能教育對我國人工智能發(fā)展和實(shí)現(xiàn)教育現(xiàn)代化具有深遠(yuǎn)意義。

當(dāng)前，小學(xué)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，學(xué)習(xí)場景難以創(chuàng)設(shè)，許多學(xué)校不具備專門開設(shè)人工智能課程的條件。因此，探索人工智能與學(xué)科教學(xué)融合策略是當(dāng)下普及人工智能教育的主要途徑。本文旨在探討人工智能技術(shù)下的教學(xué)資源如何使用，以及借助人工智能技術(shù)開展的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、個(gè)性化學(xué)習(xí)等教學(xué)模式，以提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、合作探究能力，幫助科學(xué)教師更好地適應(yīng)未來教育教學(xué)的發(fā)展需求。

一、人工智能在科學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用誤區(qū)

人工智能（Artificial Intelligence，縮寫為 AI）是一門綜合了計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、信息論、神經(jīng)生理學(xué)、心理學(xué)、語言學(xué)、哲學(xué)等多種學(xué)科互相滲透而發(fā)展起來的交叉學(xué)科。人工智能的目標(biāo)是用機(jī)器實(shí)現(xiàn)人類的部分智能，是用人工的方法在機(jī)器上實(shí)現(xiàn)的智能。目前，許多教師認(rèn)為使用了信息化軟件就是使用了人工智能，這是一個(gè)極大的誤區(qū)。 多數(shù)教師使用的是不具備人工智能特性的軟件，如信息展示與傳播工具，這些軟件主要是作為信息展示和傳播的平臺，像常見的幻燈片演示軟件，展示教學(xué)課件、圖片、文字等資料，它們本身并不具備智能學(xué)習(xí)、自動(dòng)分析等人工智能核心功能。又如數(shù)據(jù)處理與分析軟件，像一些專業(yè)的統(tǒng)計(jì)軟件、繪圖軟件，主要用于對數(shù)據(jù)的處理、分析和可視化展示，并不涉及人工智能的智能學(xué)習(xí)、推理和決策過程。

二、人工智能在科學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用形式

人工智能技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到“和人類的關(guān)系將進(jìn)入一個(gè)‘人機(jī)混合+云上協(xié)作’的時(shí)代”，為了跟上時(shí)代步伐，科學(xué)教師應(yīng)深入探索人工智能技術(shù)在學(xué)科應(yīng)用的模式和方法，不斷推進(jìn)人工智能與教學(xué)的融合創(chuàng)新。

（一）智能教學(xué)輔助工具

1.智能教育軟件。許多智能教育軟件針對小學(xué)科學(xué)課程設(shè)計(jì)，涵蓋了科學(xué)知識講解、實(shí)驗(yàn)演示、互動(dòng)練習(xí)等功能。如一些軟件以動(dòng)畫、視頻等形式生動(dòng)展示科學(xué)現(xiàn)象，像植物的生長、宇宙的探索等，幫助學(xué)生更好地理解抽象科學(xué)現(xiàn)象。軟件中的互動(dòng)練習(xí)模塊也能夠根據(jù)學(xué)生答題情況，即時(shí)反饋并提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)建議。

2.智能教學(xué)機(jī)器人。智能教學(xué)機(jī)器人可以在課堂上與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)交流，解答學(xué)生問題。它能夠識別學(xué)生語音指令，以通俗易懂的語言解答科學(xué)原理、實(shí)驗(yàn)步驟。如青島版科學(xué)三年級下冊《燈泡亮了》一課，學(xué)生可以向機(jī)器人詢問電路連接方法，機(jī)器人通過語音和圖像展示，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識串聯(lián)和并聯(lián)。

（二）虛擬實(shí)驗(yàn)平臺

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺利用人工智能技術(shù)模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。小學(xué)科學(xué)課程中，由于實(shí)驗(yàn)器材的限制或是對于安全的考慮，部分實(shí)驗(yàn)難以開展。而虛擬實(shí)驗(yàn)平臺則可以突破這些限制，提供豐富的實(shí)驗(yàn)場景和器材選擇。如在探究物質(zhì)的溶解過程中，利用虛擬平臺可輕松控制溶質(zhì)種類、溶劑溫度和用量等變量，觀察溶解現(xiàn)象的變化，輕松得到數(shù)據(jù)。

（三）個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)

個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)基于人工智能對學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的分析，如學(xué)習(xí)內(nèi)容、進(jìn)度、做題準(zhǔn)確率等，為每個(gè)學(xué)生制定個(gè)性化學(xué)習(xí)計(jì)劃。學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和學(xué)習(xí)速度存在差異，個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)能夠根據(jù)個(gè)性推送適合學(xué)生水平的學(xué)習(xí)內(nèi)容，還可實(shí)時(shí)跟蹤學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)展情況，及時(shí)調(diào)整學(xué)習(xí)計(jì)劃，確保因材施教。

三、人工智能在科學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用案例

（一）教科版科學(xué)三年級下冊“植物的一生”

1.教學(xué)目標(biāo)。了解植物生長的基本過程，包括種子萌發(fā)、幼苗生長、開花結(jié)果等階段；掌握影響植物生長的主要因素，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛿?shù)據(jù)分析能力。

2.教學(xué)過程。導(dǎo)入：教師播放關(guān)于植物生長的智能動(dòng)畫視頻，展示從種子到成熟植株的全過程，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。并提問：“你知道種子是如何發(fā)芽的嗎？”“植物生長需要哪些條件？”引導(dǎo)學(xué)生思考并討論。

知識講解與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：教師利用智能教學(xué)軟件，講解植物生長各階段的特點(diǎn)和所需條件。學(xué)生分組設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究不同因素對植物生長的影響。學(xué)生借助虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，模擬不同光照強(qiáng)度、水分含量和土壤肥力等條件下植物的生長情況，初步確定實(shí)驗(yàn)方案。

實(shí)驗(yàn)實(shí)施與數(shù)據(jù)收集：學(xué)生在學(xué)校的種植園中，按照實(shí)驗(yàn)方案種植體驗(yàn)，定期觀察植物生長狀況，記錄數(shù)據(jù)，如植株高度、葉片數(shù)量、開花時(shí)間等，并利用智能設(shè)備拍攝植物生長過程照片和視頻，以備后續(xù)智能分析。

數(shù)據(jù)分析與成果展示：學(xué)生將數(shù)據(jù)輸入個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)，自動(dòng)生成數(shù)據(jù)圖表，根據(jù)數(shù)據(jù)分析形成關(guān)于實(shí)驗(yàn)結(jié)論的提示和建議，并根據(jù)系統(tǒng)反饋，完善實(shí)驗(yàn)報(bào)告，然后進(jìn)行成果展示，分享發(fā)現(xiàn)和心得體會(huì)。

拓展：教師引導(dǎo)學(xué)生與智能教學(xué)機(jī)器人討論實(shí)驗(yàn)中遇到的問題，智能機(jī)器人解答學(xué)生疑問，鞏固所學(xué)知識。

（二）教科版科學(xué)四年級上冊《聲音的傳播》

1.教學(xué)目標(biāo)。理解聲音傳播原理和條件；了解聲音在不同介質(zhì)中傳播速度差異；學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)簡單實(shí)驗(yàn)來探究聲音傳播特性；培養(yǎng)科學(xué)探究精神和合作交流能力。

2.教學(xué)過程。導(dǎo)入：教師利用智能音箱播放優(yōu)美音樂，然后突然關(guān)閉，提問：“音樂是怎么從音箱傳到我們耳朵里的？”“如果沒有空氣，我們還能聽到聲音嗎？”激趣引發(fā)思考。

理論學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：教師借助智能教學(xué)軟件中的虛擬實(shí)驗(yàn)室，演示聲音在固體、液體和氣體中的傳播過程，講解聲音傳播原理和相關(guān)概念。學(xué)生分組討論并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究聲音在不同介質(zhì)中的傳播。例如在密封的玻璃罩內(nèi)放置鬧鐘，逐漸抽出玻璃罩內(nèi)的空氣，感受聲音變化，探究聲音傳播與空氣的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)操作與觀察：教師指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)，學(xué)生使用如音叉、水槽、固體傳聲棒等實(shí)驗(yàn)器材，分別探究聲音在氣體、液體和固體中的傳播特性，記錄聲音傳播效果和特點(diǎn)。學(xué)生可利用智能設(shè)備拍攝實(shí)驗(yàn)視頻，以便后續(xù)分析和總結(jié)。

數(shù)據(jù)分析與討論：學(xué)生將實(shí)驗(yàn)觀察到的數(shù)據(jù)和現(xiàn)象進(jìn)行整理和分析，總結(jié)聲音在不同介質(zhì)中的傳播規(guī)律。小組交流后，互相補(bǔ)充和完善實(shí)驗(yàn)結(jié)論。智能教學(xué)機(jī)器人對學(xué)生的討論進(jìn)行引導(dǎo)和點(diǎn)評，幫助學(xué)生深化對聲音傳播原理的理解。

拓展：學(xué)生通過智能搜索工具，查找聲音傳播原理在日常生活中的應(yīng)用，了解更多關(guān)于聲音傳播應(yīng)用的實(shí)例。

四、人工智能在科學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用效果

（一）學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的提升

通過問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在人工智能環(huán)境下開展小學(xué)科學(xué)教學(xué)后，學(xué)生對科學(xué)課的學(xué)習(xí)興趣有了顯著提高。智能教學(xué)工具的生動(dòng)展示、虛擬實(shí)驗(yàn)的趣味性以及個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)的針對性都吸引了學(xué)生的注意力，使他們更主動(dòng)地參與學(xué)習(xí)。

（二）學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)

科學(xué)知識的掌握。從學(xué)生的考試成績、作業(yè)完成情況以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量等方面來看，學(xué)生在科學(xué)知識的掌握上有了明顯進(jìn)步。人工智能輔助教學(xué)工具以多種形式呈現(xiàn)科學(xué)知識，幫助學(xué)生更好地理解和記憶。如在“聲音的傳播”教學(xué)中，學(xué)生通過虛擬實(shí)驗(yàn)室的演示和實(shí)際操作，對聲音傳播的原理及特性有了更深入的理解，相關(guān)知識點(diǎn)的答題準(zhǔn)確率提升了。

科學(xué)探究能力的發(fā)展。學(xué)生的科學(xué)探究能力得到了有效鍛煉。學(xué)生學(xué)會(huì)了提出問題、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、收集數(shù)據(jù)、分析結(jié)果和得出結(jié)論等一系列科學(xué)探究步驟。如兩個(gè)案例中，學(xué)生都能在教師的引導(dǎo)下，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果深入分析，提出合理的解釋和建議，這表明學(xué)生科學(xué)探究能力得到了較好的培養(yǎng)。

科學(xué)態(tài)度與價(jià)值觀的形成。學(xué)生在與智能設(shè)備和系統(tǒng)的互動(dòng)過程中，養(yǎng)成了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和正確的科學(xué)價(jià)值觀。如學(xué)生在使用個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)時(shí)，需認(rèn)真對待系統(tǒng)提供的學(xué)習(xí)建議和反饋，及時(shí)調(diào)整學(xué)習(xí)方法和策略，培養(yǎng)了自我反思和自我管理能力。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生注重?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范性，體現(xiàn)了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

（三）教師教學(xué)能力的提升

教師自身的教學(xué)能力也得到了鍛煉和提升。教師需學(xué)習(xí)和掌握各種人工智能教學(xué)工具及平臺的使用方法，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況和人工智能技術(shù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理的教學(xué)方案，組織有效的教學(xué)活動(dòng)，提升了教師的教學(xué)設(shè)計(jì)能力和課堂組織能力。

五、人工智能在科學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用面臨的挑戰(zhàn)

（一）技術(shù)整合難度

將人工智能技術(shù)與小學(xué)科學(xué)課程進(jìn)行深度整合并非易事。教師的信息技術(shù)水平有限，在技術(shù)應(yīng)用過程中會(huì)遇到各種困難。不同的人工智能技術(shù)與小學(xué)科學(xué)課程內(nèi)容的適配性也需進(jìn)一步探索和優(yōu)化。例如，如何將一些復(fù)雜的人工智能算法和模型以小學(xué)生能夠理解的方式呈現(xiàn)出來，是當(dāng)前技術(shù)整合面臨的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。

（二）教育資源質(zhì)量參差不齊

雖然市面上有許多人工智能教育資源可供小學(xué)科學(xué)課程使用，但這些資源的質(zhì)量參差不齊。一些智能教學(xué)軟件可能存在知識點(diǎn)不準(zhǔn)確、教學(xué)內(nèi)容過于簡單或煩瑣等問題，影響教學(xué)使用。

（三）教師培訓(xùn)與專業(yè)發(fā)展

為更好地在小學(xué)科學(xué)課程中應(yīng)用人工智能技術(shù)，教師需接受相關(guān)培訓(xùn)和專業(yè)發(fā)展支持。目前針對小學(xué)科學(xué)教師的人工智能培訓(xùn)體系還不完善，培訓(xùn)內(nèi)容和培訓(xùn)方式難以滿足教師需求。

（四）學(xué)生信息素養(yǎng)差異

小學(xué)生的信息素養(yǎng)水平存在較大差異，這在一定程度上影響了人工智能環(huán)境下小學(xué)科學(xué)課程的教學(xué)效果。一些學(xué)生能夠快速適應(yīng)人工智能教學(xué)工具和平臺的使用，而另一些學(xué)生則需要教師花費(fèi)時(shí)間和精力進(jìn)行指導(dǎo)。如何在教學(xué)過程中兼顧不同信息素養(yǎng)水平的學(xué)生，縮小學(xué)生之間的差距，是當(dāng)前小學(xué)科學(xué)課程實(shí)踐面臨的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題。

六、結(jié)論與展望

人工智能環(huán)境下的小學(xué)科學(xué)課程實(shí)踐為科學(xué)教育帶來了新的活力和機(jī)遇。通過智能教學(xué)輔助工具、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺和個(gè)性化學(xué)習(xí)系統(tǒng)等多種形式的應(yīng)用，能有效提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、科學(xué)素養(yǎng)和教師的教學(xué)能力。然而，在實(shí)踐過程中也面臨著技術(shù)整合難度、教育資源質(zhì)量參差不齊、教師培訓(xùn)與專業(yè)發(fā)展以及學(xué)生信息素養(yǎng)差異等諸多挑戰(zhàn)。

為了更好地推動(dòng)人工智能在科學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用，未來需要加強(qiáng)教師培訓(xùn)體系建設(shè)，提高教師的人工智能素養(yǎng)和教學(xué)能力；建立完善的教育資源審核與推薦機(jī)制，確保人工智能教育資源的質(zhì)量；深入研究技術(shù)與課程內(nèi)容的整合方式，優(yōu)化教學(xué)方案和教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)；關(guān)注學(xué)生信息素養(yǎng)的培養(yǎng)，采用分層教學(xué)、小組合作等教學(xué)策略，滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。只有這樣，才能充分發(fā)揮人工智能技術(shù)在小學(xué)科學(xué)課程中的優(yōu)勢，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和科學(xué)素養(yǎng)的新時(shí)代人才奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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