人工智能賦予小學(xué)科學(xué)課實(shí)踐新資源的研究

何冰云

摘? 要：科學(xué)課程是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑，人工智能為小學(xué)科學(xué)課程的實(shí)踐創(chuàng)新提供了依據(jù)。文章簡(jiǎn)單介紹了人工智能的內(nèi)涵，論述了人工智能在小學(xué)科學(xué)課實(shí)踐中的應(yīng)用意義，并對(duì)人工智能在小學(xué)科學(xué)課實(shí)踐中的應(yīng)用措施進(jìn)行了進(jìn)一步探究，希望為小學(xué)科學(xué)課的實(shí)踐創(chuàng)新提供一些參考。

關(guān)鍵詞：人工智能;小學(xué)科學(xué)課;計(jì)算機(jī)科學(xué)

隨著人工智能賦能基礎(chǔ)教育，小學(xué)科學(xué)教育教學(xué)的目標(biāo)、理念、手段、模式均發(fā)生了喜人的變化。在人工智能教育應(yīng)用的背景下，小學(xué)科學(xué)課程的實(shí)踐目標(biāo)日益精細(xì)，實(shí)踐理念日益先進(jìn)，實(shí)踐手段與模式日益多樣，為小學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展提供了良好的環(huán)境。

一、人工智能概述

人工智能是研究、開(kāi)發(fā)可用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的技術(shù)。研究開(kāi)發(fā)智能實(shí)體，是人工智能的主旨所在，這一主旨涉及了歸納學(xué)、邏輯學(xué)、數(shù)學(xué)、系統(tǒng)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、生物學(xué)、心理學(xué)、認(rèn)知科學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、語(yǔ)言學(xué)等學(xué)科。人工智能主要以弱人工智能、強(qiáng)人工智能、超人工智能的形態(tài)存在。從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，人工智能主要應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域、語(yǔ)言識(shí)別領(lǐng)域、圖像識(shí)別領(lǐng)域、專家系統(tǒng)等，如PET聊天機(jī)器人、語(yǔ)音開(kāi)鎖、人臉識(shí)別汽車牌號(hào)等。

二、人工智能應(yīng)用在小學(xué)科學(xué)課實(shí)踐中的意義

（一）加深科學(xué)認(rèn)知

在小學(xué)科學(xué)課程實(shí)踐中應(yīng)用人工智能，可以促進(jìn)小學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)事實(shí)，助力小學(xué)生頭腦深處生成科學(xué)概念。小學(xué)科學(xué)課的實(shí)踐流程可以劃分為聚焦話題、實(shí)踐探究、形成結(jié)論、拓展延伸幾個(gè)環(huán)節(jié)。在上述環(huán)節(jié)應(yīng)用人工智能軟件，可以作為探究工具，輔助小學(xué)生快速得出結(jié)論，加深學(xué)生對(duì)科學(xué)知識(shí)的認(rèn)識(shí)。

（二）促進(jìn)師生互動(dòng)

在小學(xué)科學(xué)課程實(shí)踐中應(yīng)用人工智能，可以關(guān)聯(lián)學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)與教師的教學(xué)活動(dòng)，促進(jìn)師生的互動(dòng)。正式課程中，教師可以通過(guò)人工智能軟件展示任務(wù)，學(xué)生則自主分析并拆解任務(wù)，進(jìn)而由教師輔導(dǎo)學(xué)生使用人工智能軟件探究科學(xué)知識(shí)，觀察科學(xué)過(guò)程，總結(jié)科學(xué)結(jié)論，完成知識(shí)建構(gòu)，實(shí)現(xiàn)師生的深度交互。

三、人工智能在小學(xué)科學(xué)課實(shí)踐中的應(yīng)用措施

（一）聚焦育人目標(biāo)

開(kāi)展人工智能教育，是人工智能時(shí)代賦予科學(xué)課程的使命，也是科學(xué)課程實(shí)踐變革的關(guān)鍵。在小學(xué)科學(xué)課程實(shí)踐中應(yīng)用人工智能是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要教師聚焦育人目標(biāo)，結(jié)合小學(xué)生的身心發(fā)展特點(diǎn)、認(rèn)知起點(diǎn)，以人工智能為載體，讓學(xué)生親歷探究式的學(xué)習(xí)過(guò)程。小學(xué)科學(xué)課實(shí)踐育人的目標(biāo)本質(zhì)上是“培養(yǎng)什么樣的人、培養(yǎng)人才什么樣的技能”的問(wèn)題。落實(shí)到小學(xué)生身上，教師可以將科學(xué)課程實(shí)踐的育人目標(biāo)歸整為“懂得智能、敢于創(chuàng)效、學(xué)會(huì)合作”。在知識(shí)技能維度，小學(xué)生應(yīng)了解人工智能的基本原理、應(yīng)用過(guò)程，明確人的智能、人工智能的差異，主動(dòng)掌握與人工智能協(xié)作的能力?；谏鲜瞿繕?biāo)，教師應(yīng)給予小學(xué)生足夠自主獲取知識(shí)體驗(yàn)的機(jī)會(huì)，擴(kuò)大學(xué)生靈活應(yīng)用科學(xué)技術(shù)的空間，促使學(xué)生在真實(shí)的經(jīng)歷中區(qū)分人的智能和人工智能。

例如，在教科版小學(xué)四年級(jí)下冊(cè)《種植鳳仙花》導(dǎo)入部分，教師可以營(yíng)造一個(gè)需要種植鳳仙花的情境，啟示學(xué)生通過(guò)自身解決問(wèn)題，并嘗試記錄過(guò)程，再呈現(xiàn)人工智能種植鳳仙花的方案，促使小學(xué)生初步了解人工智能與人類智能的差異。接著，教師引導(dǎo)小學(xué)生反向思考種植鳳仙花的流程、人工智能呈現(xiàn)鳳仙花種植流程的相同點(diǎn)、不同點(diǎn)，展開(kāi)詳細(xì)類比。在類比中，教師可以鼓勵(lì)小學(xué)生將自身思考的過(guò)程類比人工智能圖像識(shí)別的過(guò)程，將自身知識(shí)儲(chǔ)備類比為人工智能背后的大規(guī)模數(shù)據(jù)庫(kù)，將自身查詢鳳仙花的圖譜過(guò)程類比為人工智能搜索算法，形成人工智能與人的智能同時(shí)存在的情境。在情境中，教師可以帶領(lǐng)學(xué)生解決關(guān)于鳳仙花種植的問(wèn)題，并體會(huì)人工智能與人的智能的差異，了解人工智能在壓縮鳳仙花種植方案制訂所需時(shí)間成本的優(yōu)勢(shì)。特別是在查詢鳳仙花圖譜的環(huán)節(jié)，小學(xué)生自行思考、查詢有關(guān)圖譜的時(shí)間較長(zhǎng)，而借助人工智能可以在短時(shí)間內(nèi)生成圖譜識(shí)別結(jié)果。在了解了人工智能的優(yōu)勢(shì)之后，教師可以帶領(lǐng)學(xué)生利用人工智能提取鳳仙花的葉、花等特征，以及種植過(guò)程中鳳仙花的狀態(tài)變化，真正幫助小學(xué)生感受人工智能帶給其學(xué)習(xí)生活帶來(lái)的益處，為下一階段人工智能在小學(xué)科學(xué)課程中的應(yīng)用搭建腳手架。

（二）梳理教學(xué)模式

梳理教學(xué)模式是人工智能在小學(xué)科學(xué)課程實(shí)踐中應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要從學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)、教師的教學(xué)活動(dòng)兩個(gè)方面進(jìn)行梳理：

一方面，學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)，可細(xì)分為感受科學(xué)、實(shí)踐操作、發(fā)散思維三個(gè)環(huán)節(jié)。首先，學(xué)生需要在教師創(chuàng)建的生活化情境中感受科學(xué)，發(fā)現(xiàn)并提出想要探究的內(nèi)容;其次，學(xué)生可以根據(jù)探究?jī)?nèi)容，以小組為單位，在人工智能軟件的支持下修正已有的科學(xué)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行實(shí)踐操作探究，在探究中初步建立相關(guān)概念;最后，在人工智能軟件數(shù)據(jù)分析功能的支持下，學(xué)生將感性認(rèn)知轉(zhuǎn)換為理性認(rèn)知，將抽象知識(shí)轉(zhuǎn)化為具體信息，從而真正發(fā)展了科學(xué)形象思維。

另一方面，教師的教學(xué)活動(dòng)，可以劃分為設(shè)計(jì)、示范、輔導(dǎo)、總結(jié)幾個(gè)環(huán)節(jié)。首先，教師可以根據(jù)科學(xué)課程設(shè)計(jì)教學(xué)方案，尋找與教學(xué)方案相契合的人工智能軟件;其次，教師可以根據(jù)教學(xué)任務(wù)，為學(xué)生示范人工智能軟件的操作方法，給予學(xué)生足夠的自主學(xué)習(xí)時(shí)間;再次，教師可以輔導(dǎo)學(xué)生借助人工智能軟件獲得知識(shí)，并及時(shí)答疑;最后，教師可以總結(jié)科學(xué)探究成果，并對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

以教科版小學(xué)四年級(jí)上冊(cè)《身體的運(yùn)動(dòng)》教學(xué)為例。這一課程隸屬于生命科學(xué)領(lǐng)域，需要學(xué)生在學(xué)習(xí)后對(duì)生物體的結(jié)構(gòu)與功能形成正確的認(rèn)識(shí)，并明了人體各系統(tǒng)的分工配合對(duì)生命活動(dòng)維持的重要作用，為學(xué)生理性探究科學(xué)精神的形成奠定基礎(chǔ)。因前期已學(xué)習(xí)了《我們的身體》這一內(nèi)容，小學(xué)生初步掌握了人體肌肉、骨骼、關(guān)節(jié)的概念?；诖?，教師可以引導(dǎo)小學(xué)生將研究視角從人體外部轉(zhuǎn)移到人體內(nèi)部，為后續(xù)人體各部分相互協(xié)調(diào)的知識(shí)學(xué)習(xí)提供依據(jù)。鑒于人體內(nèi)部系統(tǒng)各部分活動(dòng)具有抽象性的特點(diǎn)，教師可以利用“人體探秘”智能軟件，通過(guò)動(dòng)畫的形式呈現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)氧氣順氣管到達(dá)肺部，二氧化碳從肺部經(jīng)氣管、鼻腔排出的過(guò)程，協(xié)助小學(xué)生解決“人是怎么呼吸的”這一問(wèn)題，并促使小學(xué)生初步掌握呼吸系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)以及工作順序。在此基礎(chǔ)上，教師啟發(fā)學(xué)生提出問(wèn)題：“為什么吸進(jìn)肺部的氣體與肺部呼出的氣體不一樣？”這為解決“人為什么呼吸”這一問(wèn)題提供了依據(jù)，進(jìn)而整合了兩個(gè)問(wèn)題的結(jié)果，得出“為什么運(yùn)動(dòng)后呼吸加快”這一問(wèn)題的答案。在得出問(wèn)題答案的過(guò)程中，小學(xué)生可以整合視覺(jué)感官的感知內(nèi)容并存儲(chǔ)到大腦中，對(duì)大腦中再現(xiàn)的具象進(jìn)行分析、提煉、整合、概述，獲得概象，這為學(xué)生科學(xué)創(chuàng)造能力的生成做好了鋪墊。

（三）設(shè)計(jì)探究項(xiàng)目

人工智能是一門融合了多學(xué)科抽象原理的技術(shù)，當(dāng)前，并無(wú)標(biāo)準(zhǔn)教材與課程評(píng)價(jià)，這對(duì)人工智能應(yīng)用于小學(xué)科學(xué)課程教學(xué)提出了較大的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)階段，多數(shù)小學(xué)生對(duì)人工智能的概念認(rèn)識(shí)不明確，甚至將人工智能產(chǎn)品等同于機(jī)器人、電腦、家用電器，因此，將人工智能應(yīng)用于小學(xué)科學(xué)課程迫在眉睫。根據(jù)現(xiàn)今時(shí)期學(xué)生期望學(xué)校科普人工智能的情況，教師可以設(shè)計(jì)專門的探究項(xiàng)目。

以教科版小學(xué)四年級(jí)上冊(cè)《聽(tīng)聽(tīng)聲音》教學(xué)為例。教師可以依據(jù)雙軌制教學(xué)理念，將“聽(tīng)聽(tīng)聲音”課程與人工智能領(lǐng)域的語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)進(jìn)行整合。在探究項(xiàng)目正式開(kāi)展初期，教師可以采用真實(shí)問(wèn)題的情境：“在日常生活中，你是否接觸過(guò)或聽(tīng)說(shuō)過(guò)‘天貓精靈‘聯(lián)通智能管家或者其他智能工具？”在提出問(wèn)題后，教師要求小學(xué)生聯(lián)系實(shí)際，闡述不同的智能工具及其各自的優(yōu)點(diǎn)，并嘗試尋找具有語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的智能工具，記錄智能工具的名稱、功能，以便將人工智能由抽象變?yōu)榫唧w，幫助學(xué)生真正感受人工智能;在探究項(xiàng)目正式開(kāi)展的中期，教師可以將學(xué)生劃分為若干個(gè)小組，要求各小組合作完成《聽(tīng)聽(tīng)聲音》學(xué)習(xí)單，通過(guò)學(xué)習(xí)單的自選作業(yè)確定研究?jī)?nèi)容，并通過(guò)查閱資料、觀看科幻動(dòng)畫片、調(diào)查身邊的人工智能產(chǎn)品等方式實(shí)現(xiàn)知識(shí)支架的構(gòu)建。在學(xué)生初步完成知識(shí)支架的構(gòu)建后，教師可以再次提出問(wèn)題：“科學(xué)家是如何讓機(jī)器聽(tīng)懂我們的語(yǔ)言的？”引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系自身聽(tīng)到聲音的過(guò)程，推測(cè)人工智能機(jī)器識(shí)別聲音的原理，形成語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的雛形，然后教師為學(xué)生提供“天貓精靈”電話手表、Siri等人工智能產(chǎn)品，促使學(xué)生自行驗(yàn)證自身的結(jié)論;在探究項(xiàng)目正式開(kāi)展后，教師可以布置“聽(tīng)聽(tīng)聲音—語(yǔ)音識(shí)別”實(shí)施狀況的調(diào)查作業(yè)，要求學(xué)生以團(tuán)隊(duì)協(xié)作的形式探討語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的原理，并進(jìn)行原理驗(yàn)證。在學(xué)生完成作業(yè)后，教師可以測(cè)試學(xué)生對(duì)人工智能的認(rèn)識(shí)，確定學(xué)生正確認(rèn)識(shí)人工智能以及語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的原理、步驟，為下一步的知識(shí)遷移積累動(dòng)力，從而真正激發(fā)小學(xué)生對(duì)人工智能的研究興趣，逐步幫助學(xué)生形成了正確的人工智能科學(xué)觀念。

（四）整合智能資源

現(xiàn)在的小學(xué)生具有“數(shù)字原生代”的稱號(hào)，多數(shù)小學(xué)生可以在日常生活中自覺(jué)應(yīng)用各種信息技術(shù)、智能技術(shù)?；诖?，在小學(xué)科學(xué)課程資源的開(kāi)發(fā)階段，教師應(yīng)借鑒工程設(shè)計(jì)思路，擺脫傳統(tǒng)科學(xué)教學(xué)資源效率低、安全性低、可重復(fù)使用率低的束縛，利用“外部引入+本土化升級(jí)”的手段整合智能資源。在將科學(xué)課程現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?shí)驗(yàn)器材升級(jí)為科學(xué)模擬探究軟件、掌上實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上，引入移動(dòng)化、微型的人工智能工具，便于人工智能更好地應(yīng)用于小學(xué)科學(xué)教學(xué)實(shí)踐中。

以教科版小學(xué)四年級(jí)上冊(cè)《感受我們的呼吸》教學(xué)過(guò)程為例。教師可以以學(xué)生為主體，依托SKO便攜式智能導(dǎo)學(xué)系統(tǒng)，整合課程知識(shí)點(diǎn)、測(cè)試題，要求學(xué)生當(dāng)堂完整填寫;然后引入智能卡片機(jī)，將抽象的呼吸系統(tǒng)知識(shí)轉(zhuǎn)化為具體的現(xiàn)象。智能卡片機(jī)需要貫穿于課程的導(dǎo)入環(huán)節(jié)、教師講授環(huán)節(jié)與學(xué)生游戲環(huán)節(jié)。在導(dǎo)入環(huán)節(jié)，教師需要采用直觀對(duì)比的形式，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)新授知識(shí)的特點(diǎn);在講授環(huán)節(jié)，教師可以借助智能卡片展示人體呼吸的過(guò)程，便于學(xué)生真實(shí)感受呼吸的原理;在學(xué)生游戲環(huán)節(jié)，教師可以將學(xué)生劃分為若干個(gè)小組，以小組為單位，根據(jù)卡片指導(dǎo)感受呼吸過(guò)程中身體的變化，并記錄呼吸的次數(shù)，關(guān)聯(lián)感性經(jīng)驗(yàn)與理性事實(shí)。同時(shí)教師可以引入“人體探秘”軟件，引導(dǎo)學(xué)生借助軟件觀察人體呼吸的過(guò)程，模仿軟件繪制空氣在體內(nèi)流動(dòng)的過(guò)程，各小組表達(dá)對(duì)人體呼吸的感性認(rèn)識(shí)。進(jìn)而教師可以結(jié)合軟件中展示的人體呼吸器官結(jié)構(gòu)，從呼吸過(guò)程中的器官結(jié)構(gòu)、器官功能、吸進(jìn)呼出氣體等方面，糾正學(xué)生關(guān)于呼吸的感性認(rèn)識(shí)。在這個(gè)基礎(chǔ)上，教師可以經(jīng)人工智能搜索軟件展示的科學(xué)家關(guān)于人體呼吸的研究數(shù)據(jù)，加深學(xué)生對(duì)人體呼吸的概念性認(rèn)知，真正將抽象的人體呼吸過(guò)程轉(zhuǎn)化為具體、形象的科學(xué)表述。進(jìn)入尾聲后，教師可以聯(lián)系市場(chǎng)中販賣的空氣凈化器，帶領(lǐng)學(xué)生拓展研究仿生學(xué)知識(shí)，進(jìn)一步發(fā)展小學(xué)生的科學(xué)思維。

綜上所述，人工智能是一門復(fù)雜的技術(shù)，將人工智能應(yīng)用于小學(xué)科學(xué)課程實(shí)踐中，可以調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)科學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣，賦能學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展。因此，教師應(yīng)根據(jù)科學(xué)課程的實(shí)踐現(xiàn)狀，合理應(yīng)用人工智能這一新資源;綜合考慮小學(xué)生的科學(xué)認(rèn)知起點(diǎn)、身心發(fā)展特點(diǎn)，科學(xué)設(shè)計(jì)、組織人工智能探究學(xué)習(xí)活動(dòng)，真正融合人工智能與小學(xué)科學(xué)課程，充分發(fā)揮人工智能的優(yōu)良作用，提高小學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

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（責(zé)任編輯：鄭? 暢）