融入人工智能技術在科學教育中培養學生創新力

張航

（閩江師范高等專科學校，福建 福州 350108）

早在20 世紀50 年代，人類就提出了人工智能（Artificial Intellingence，AI）這個概念。人工智能從萌芽階段到蓬勃發展階段經歷了大半個世紀。自從2006 年智能機器人AlphaGo 戰勝人類職業圍棋手開始，人工智能進入了蓬勃發展的新時期。目前，人工智能應用的領域非常廣泛，教育是受人工智能影響的領域之一，教育界提出了教育人工智能（EAI）。2017年7 月8 日，國務院印發《新一代人工智能發展規劃》的通知，提出“廣泛開展人工智能科普活動，并要求在中小學階段設置人工智能相關課程”。人工智能在教育中促進科學的學習，而科學學習中的人工智能教育，實現了人工智能在小學中的普及與應用。本文試闡述小學科學教師如何融合人工智能的有效資源，提高學生的創新能力。

一、創新教育模式，優化課堂環境

人工智能作為引領未來的關鍵技術，培養能適應未來公民及創新型技術人才成為教育的重大任務。人工智能教育的引入，使學習過程變為個性化的課堂：個性化的教學方式、個性化的學習模式和個性化的評價機制。學習者通過親身接觸、體驗與應用，增強對科學與技術的認識，激發創新意識和創造潛能，提高科學素養，培養思維方式、動手實踐能力以及解決實際問題的能力。

（一）轉變教學模式

傳統的教學模式下，教師很難全面了解學生的前概念和已有的知識，教學只能面向大部分學生，很難做到因材施教。利用人工智能的大數據收集和深度學習，教師可以制定出更適合每個學生的學習模式，把教學變成體驗—反思—實踐—再反思的創新式教學過程。教師的教學模式從固定教學變成線上線下混合型，教師講解知識、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絡課堂有機結合的方式。學生在預習中遇到問題時，也可以在課堂上主動向教師請教，開展合作探究式學習。小學科學教育在STEAM 教育的影響下，形成一定的教育模式，筆者在此基礎上提出了融合教育的理念。融合教育是指學科間融合及學段間融合，站在課程開發者的角度，將學科間、不同年齡段間的課程進行融合創新。人工智能課程是一門交叉性的前沿學科，符合融合教育的理念；科學也是多科學、多領域的融合，二者的教育理念與培養目標一致。從傳統教育模式到融合教育，更多地照顧到不同學生的學習能力和狀態，有利于學生的個性化發展。

（二）提供個性化的學習方式

小學階段的學生在對自然科學理論沒有完全了解的情況下，在學習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。學生對科學的興趣，大部分來自對生活中的模糊的實踐經驗，而這種實踐經驗并不能作為學習動力，長久地支撐學習。目前，學生的學習以課堂為主，但一周一節或幾節的科學課堂，不能持續激發學生的學習興趣。而人工智能教育的引入，可以為學習者提供多種學習方式，如口袋學習、隨處學習、終生學習等。利用現有的查畫識圖、衛星導航等人工智能工具，可隨時抓住學生對身邊事物產生的疑問，使短暫存在的興趣成為學生可持續性學習的動力，為學生創設輕松和諧的學習氣氛，激發學生探究的欲望。

（三）快速評價教與學的效果

“科學探究”是一個手腦結合的過程。學生在探究的過程中，會不斷思考和尋找解決問題的方法，在不斷試錯的過程中，必須要有堅持不懈的精神才能找到突破口，最終領悟到科學的本質。學生構建出解釋現象的實驗并自主實驗是小學科學實驗發展的趨勢。在實驗中，學生驗證自己的想法，能夠完整地表達出想法并記錄實驗過程、得出實驗結果，也是實驗課程中重要的組成部分。而在實際教學中，一節科學課堂只有40 分鐘，要滿足學生提出問題—分析問題—解決問題—得出結論這四個方面的需求，時間已然很緊張，課堂上并沒有多余的時間對學生的學習效果進行評價。學習效果只能通過課后作業的形式來完成評價，不夠及時，也不夠準確，教學效果往往也被忽略了。人工智能的云臺數據、大數據分析、交互性數據分析等的引入，解決了對學生學習效果的即時、及時的評價，也能夠對教師的教學效果進行評價，所得到的數據快速、真實、有效。通過評價的結果，確保科學課堂教學的有效性，促進學生科學素養水平的提高。

二、融合理念下人工智能教育學習目標的定位

在人工智能技術的支持下，學生可以不受時空限制進行自主學習，主動通過網絡預習課程，提前掌握、了解知識點。小學生對問題的認識普遍還停留在表象，在實施人工智能教育時，總目標不宜過高，主要以普及為主，人工智能課程的設計要符合學生的認知水平。小學階段的人工智能教育，側重幫助學生認識科學探究的本質和初步認識人工智能的范疇和特點，明白人工智能技術的基本工作原理和發展方向，會使用模塊化的編程工具，體驗、實現簡單的人工智能應用設計。人工智能作為一個深層次的技術，與《義務教育小學科學課程標準（2017 年版）》中的技術與工程領域的培養目標不謀而合。根據融合理念，小學階段應主要培養學生利用人工智能解決實際問題的意識；培養學生開發新智能的追求；讓學生體會技術魅力，了解人工智能為生活帶來的便利；具備正確的網絡安全觀和創新創造的能力。人工智能教育在基礎教育階段的普及，更有利于培養學生的科學素養，使學生在認識中體驗，在體驗中熟練運用，在運用中開拓創新。

在我國，小學階段的六個年級可分為低中高三個學段，根據每個學段學生的學情，設計人工智能教育的分段目標和內容。

（一）低年級：以興趣為導向

低年級學生對世界有了初步認識，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，可以熟練地做自己想做的事，并能把自己的想法簡單地記下來。這時，應著重以興趣為導向，激發他們對智能技術的興趣。比如，通過一些編程類游戲，開啟智能教育的大門。低年級學生的學習可塑性較強，易接受直觀、具體、形象的事物，其抽象思維普遍比較弱。針對人工智能教育的內容設計，要從學生的興趣出發，通過形象生動的方式，比如人工智能實驗室的參觀和切身體驗，幫助學生初步了解三個問題：人工智能是什么？人工智能能做什么？不能做什么？

（二）中年級：傾向實踐體驗活動

中年級的學生，大腦發育處在內部結構飛速發展的階段，開始具備一定的抽象和邏輯思維能力，會產生主動學習的意愿，此時是培養學生科學能力和精神的關鍵時期。中年級學生可以在教師的引導下，發現生活中的問題，并能找出一種或者幾種方案來解決。此時，人工智能教育的內容，傾向提供一些人工智能方面的實踐體驗活動，加深學生對人工智能概念及應用領域的了解。比如，可具體介紹某個簡單容易入門的編程軟件，介紹其使用的語言邏輯特點等，讓學生感受人工智能技術，在活動中思考：未來的人工智能可能是什么？

（三）高年級：分析具體實例

高年級的學生有更多自主的能力，開始具有自我的意識。他們大腦的發育進入到抽象思維階段，具備一定的空間思考和跳躍思維能力，可以通過觀察歸納，對已知的信息進行分類和加工處理，并且具有一定的批判和質疑的能力。本階段可結合具體實例進行分析，比如一些具體的編程類軟件的編寫，利用思維工具呈現問題解決思路，鼓勵學生自主嘗試，使用某個簡單的編程語言，實現人工智能應用體驗，了解人工智能的基本工作原理。

人工智能教育對學生的發展具有至關重要的作用。在各階段的規劃中，應有意識的滲透倫理及法律意識、網絡技術安全等，幫助學生樹立正確的科學觀和道德觀。

三、人工智能在科學課堂的融合路徑

目前，小學科學課的人工智能教育，更多的只是一筆帶過，在短期之內以獨立課程形態出現的可能性極小，那么在科學課程中普及人工智能就顯得尤為重要。人工智能與小學科學的有機融合，主要有以下幾方面內容。

（一）人工智能與技術與工程領域融合

把科學知識進行發明再造就是技術，而運用技術對現有的生活進行更加便利舒適的建造就是工程，人工智能也是運用技術對現有的生活進行改造。在小學科學技術與工程領域的學習過程中，用人工智能的一個研究領域或關鍵技術來進行教學單元設計，或是用一個主題情境連接多個相關的人工智能應用，引導學生了解人工智能的相關理論和技術。還可以圍繞人工智能，以時下熱門的創客或STEAM 融合課程為設計理念開展教學。人工智能技術在機械工程領域中最大的應用價值就是優化了電氣設備。傳統電氣設備對于工作人員的要求較高，要求他們必須具備充分的專業知識及實踐經驗，但實際上并不能符合這一要求，常常造成優化方案無法得到有效的落實，從而無法實現電氣設備的最優化處理。而通過人工智能技術的應用，能夠提高電氣設備的優化質量，并將遺傳算法等智能型研究方法融入電氣設備的優化計劃中，從而解決以往無法解決的技術問題，以此提升電氣設備的使用性能。

（二）人工智能與各類科技活動融合

目前，有許多面向中小學生的全國性競賽中的科技創新類比賽，如青少年科技創新大賽、青少年機器人競賽、青少年創意編程與智能設計大賽、青少年人工智能創新挑戰賽、青少年電子信息智能創新大賽、中小學信息技術創新與實踐大賽等，這些項目大多以人工智能為基礎。可以基于某個具體的賽事，引導學生學習人工智能技術，體驗人工智能的應用。比如，在2021 年4 月10 日、11 日，由福州市科協和福州市教育局主辦的第十六屆福州市青少年機器人競賽，在福州科技館開賽。福州134 所中小學的500 名選手組成230 多支隊伍參賽。比賽為期兩天，選手們分別參加機器人創意比賽、機器人綜合技能比賽、FLL 機器人工程挑戰賽、VEX 機器人工程挑戰賽、REL 機器人AI挑戰賽和RIC 機器人創新挑戰賽等6 大項目的角逐。各參賽隊的選手根據主題和規則要求，在現場自行拼裝機器人、編制機器人運行程序、調試并操作機器人完成指定任務。

（三）人工智能教育的相關教材研發

鑒于目前人工智能教育中課程形態的匱乏，讓每位教師都實現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了《“AI 來了”人工智能系列》叢書，著眼于身邊的AI，直擊生活經驗，旨在讓學生用融合的理念來認識AI，以達到培養思維方式、普及人工智能的目的。比如，低年級的《去航海》《巧診療》《蓋房子》《玩音效》，中年級的《辨化石》《調飲食》《當花匠》《解謎案》，高年級的《測天氣》《秀燈光》《建橋梁》《開餐廳》等，這些內容以生活中的職業為原型，在了解職業中的科學道理的同時，認識人臉識別、圖像識別、智能燈光、無人駕駛、萬物互聯、衛星導航等生活中常見的人工智能的應用，以達到利用科學知識和人工智能解決生活中的實際問題。

四、結語

小學階段進行人工智能普及教育，是社會發展對教育的必然要求。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，會發現STEAM-AI 就是融合教育。人工智能時代，社會需要的是創新型的人才，需要的是引領未來的人才，未來教育以STEAM 為依托，以人工智能為導向，做到真正的融合。既學習科學，又了解人工智能，真正普及人工智能，為更高級的專業型人才的培養打下堅實基礎。