人工智能技術走進課堂顛覆傳統教學方式

黃金華 陳杰飛

〔摘? ? 要〕? ? 將人工智能技術和小學科學教育融合，是改革中國傳統教育內部結構、全面實施素質教育、造就創新型人才的基本路徑。融合有助于進一步豐富教育教學內容，提高小學生學習興趣。利用人工智能技術里的圖像辨識、語音識別、圖像跟蹤等功能，解決科學課上的重點問題和難題。人工智能技術走進課堂，顛覆了傳統教學方式，從而使科學教學得到突破性的進展。

〔關鍵詞〕? ? 小學科學；人工智能技術；融合策略

〔中圖分類號〕? G424? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻標識碼〕? A? ? ? ? 〔文章編號〕? 1674-6317? （2023）? 09-0004-03

隨著智能手機的普及，人工智能快速進入普通家庭的生活。它借助人們的衣食住行等大量數據，通過不斷迭代、學習，給我們的生活帶來很多便利。人工智能也快速融入各個行業，創造了很多的價值，特別是疫情防控期間尤為明顯。人工智能技術迅速走進教育界，既是教改新手段和工具，更是課堂講授內容。教育部教育信息化工作研究專家組秘書長、華東師范學院客座教授任友群認為，人工智能技術對深化教育體制改革將產生影響。人工智能技術與科學文化教育融入發展，是改造傳統學科結構、建立全新的學科架構、推動素質教育、造就創新型人才的基本路徑。這一系列的教育政策與措施，為新一代人工智能技術在小學科學學科教育中的使用與融入，提供了方向，它的融入和革新已然成為社會和時代的大趨勢。

一、人工智能技術與小學科學深度融合的意義

人工智能技術（Artificial Intelligence），英文縮寫為AI。人工智能是計算機科學的一種重要分支學科，是研究、發展用以模仿、延續和擴展人腦智慧活動的基礎理論、方式、技能和運用體系的一種全新的工程技術學科。新一代人工智能領域從發展至今，理論與技術都越來越完善，應用范圍也在不斷擴大。該領域的主要研究成果涉及自動化機器人、語音識別、圖片辨識、自然話語信息處理，以及專家管理系統等等。深度融合的關鍵是技術創新。如何進行信息化學習和教育實踐的深度融合，并革新信息化課程與學習方法，提高學生個性化教育？它既不僅是技術問題，也不僅是教學模式問題，它是校長的問題、教師的問題、學生的問題，也是學校課程和教育自身的問題。

（一）豐富教學內容

在小學科學教學中，很多知識通過教學無法使學生快速理解，把人工智能技術引入課堂，通過獲取實驗數據有助于學生理解知識、提高科學素養。同時，新一代人工智能發展正在倒逼課程系統的重構，創新性思考與協作能力訓練的課程內容也將得以提高，推動跨學科內容的融入成為新趨勢，包括STEAM教學等已呈現出這方面的典型特點。

（二）轉變教師角色

人工智能和教學技術的深度融合，使教師角色被賦予了新的時代含義。人工智能雖然無法直接代替教師，但能夠將其從煩瑣的知識傳授中解放出來，并開展具有創新性的德育教育與能力訓練等工作。智能時代對教育能力的需求也發生了巨大改變，人們對教育信息素質的需求將被提高至前所未有的高度，而教育能力標準也將被重新界定，對教師的職業要求將全面更新。

（三）滿足學生求知欲

中小學生對于周遭世界有著旺盛的好奇心與需求欲，而這些好奇心與需求欲是促進小學生科學學習的內在力量，并對于其終身發展有著巨大的影響。利用人工智能技術可創造輕松的課堂氣氛，維持學生的信心與求知欲，充分調動學生的學習興趣，并引導學生進行積極探索，累積實際生活經驗，從而提高教學的意義與趣味性。

人工智能與學生之間的關系是互動關系。人工智能教學需要轉變一種思維方式，即從被動了解轉向自主學習，突出學生的主體地位。人工智能可以完成一對一的教學流程，而這在傳統教育中是很難實現的。

二、人工智能技術與小學科學深度融合的方法

將人工智能技術運用于小學科學課堂，是教學的一種手段。使用一些人工智能軟、硬件，能夠促進學生深入了解科學事實，幫助學生建立科學概念。人工智能教學更強調培養學生，在提問理解能力上則更強調分析、思維邏輯推導的步驟。人工智能和教育技術的結合，能從根本上對實施教育進行全新的思考。

（一）利用語言識別功能，提高學生溝通能力

《聲音》是粵教粵科版小學科學四年級上冊第三單元的主要內容，包括聲音的產生、聲音的高低、聲音的強弱、設計制作我們的小樂器、聲音的傳播、生活中的噪聲六部分內容，使用傳統教學模式，學生不容易理解書本知識。特別是對聲音的高低和強弱，通過傳統的敲擊實驗，學生只能模糊聽出高低和強弱，而通過聲音傳感器讀取聲音的數值，把模糊的知識數字化有助于學生深入理解。在課程拓展中制作噪聲檢測儀，將人工智能技術里面的語音識別和語音合成功引入項目設計中，能促進學生交流能力的提高。

（二）利用圖像識別功能，培養學生物體鑒定技能

《巖石》為小學科學四年級上冊第二單元的主要內容，涵蓋了各種各樣的石頭、制作巖石標本盒、石頭和礦物、石頭碎裂了、保護礦產資源等五部分內容，其中收集石頭并制成巖石“身份證”為本課的重點，也是難點。巖石的顏色、大小和其他特征很難描述，對于學生采集到的樣本也無法說出是什么品種。運用人工智能技術里面的圖像識別功能提高學生的物體識別技能，可以引導學生制作專屬的巖石庫，通過視覺傳感器的學習鍵對巖石進行拍照學習，通過編程軟件進一步完善巖石“身份證”的信息。還可組織學生進行“識石大賽”，增進對巖石的認識。

（三）利用物體追蹤功能，檢測運動量

《體育與力》為粵教粵科版小學科學四年級下冊第三單元的內容，包含汽車動的嗎、物品的運動方式、體育運動的快和慢、設計和制造風帆汽車、體育運動與摩擦力、運動的物品是否有能力等六部分內容，其中學生對摩擦力和運動能力的概念不好理解。使用壓力傳感器獲取重力數據，運用物體追蹤功能可以檢測運動量，學生通過數據的獲取和運動軌跡圖可加深對運動與力的理解。

（四）利用機器視覺識別功能，學會與植物交流

《花卉大觀園》為粵教粵科版小學科學四年級下冊第一單元的主要內容，其中收錄了白蘭和銀杏、月月紅和茉莉花、鳳仙花和狗尾草、葡萄和爬墻虎、睡蓮和荷葉、校園里的各種花卉、網上學習有趣的植物七部分內容。由于學校內的植物品種很多，且形態各異，讓學生通過觀察記錄植物類別、植物名稱、植株特點，而學生的知識面不足以認識每一種植物。通常通過智能手機“識萬物”功能能識別植物，運用人工智能技術里的機器視覺識別制作植物標牌，可以把學習的植物進行分類，記錄學生與植物的點滴生活，學會與植物交流。在教學拓展中，設計了一種AI農場，學生親手栽培農作物，通過溫濕度傳感器收集土壤的大量信息，并使用機器視覺辨認作物，實現智能噴霧。使用機器學習技術來記錄實時數據，觀測植株生長狀況，植物的顏色、花朵、果實，蜜蜂的密度和質量都怎么樣，以及葉片上是不是有病害。通過早期的分析可以預估產量，從而更精確地掌握作物的生長狀況，以及利用其他方法預防損失。

這種經過融合和創新設計的采用了人工智能技術的教學課堂，極大地提高了學習效能，給學生提供了不一樣的學習感受，給課堂教學帶來生機和活力。

三、人工智能技術與科學教學深度融合的思考

人工智能可以從一定程度上改變教育的方式，但是要完全取代教師是不可能的。待人工智能技術真正成熟時，教師的職責可能會更加簡單，甚至角色上也會有一點改變，比如，知識的傳授和技能的培訓就完全可以交由人工智能教師來做。但對學生創新思想的引導、對學生疑難問題的處理，教師要傾注巨大的精力。利用人工智能和新興科技與教學實踐的深入融合，可以克服師資編制數量不夠、教學質量不高不均衡等教學瓶頸問題，提升教師教育教學能力和教育扶貧實效。但是，人工智能雖可幫助學生進行個性化學習，卻有缺少情感、缺乏人文關懷等弊端。在人工智能與學科融合的過程中，筆者提出以下建議。

（一）完善人工智能硬件設施

人工智能信息融合課程教育的高效實施，急需一定教學設備的支撐。目前，全國中小學信息技術必修課的教育環境還無法適應人工智能技術教育要求，且設備更新速度較慢。在將人工智能技術和小學教育教學融合運用方面，學校首先必須進行基礎設施的配套建設，人工智能技術需要利用網絡軟件、計算機、AI裝置等，而這些設備建設都要耗費相當的財力和物力。所以，小學必須關注人工智能信息技術教學和小學科學教育課程相關資源配置的整合，雖然信息科技課程一直被學校作為必修課之一，但在現實社會中長期被邊緣化，需要提升人們對信息技術教學的關注度。

（二）培育具有人工智能素質的教師

人工智能學習和教學的融合迎來一個考驗，從教師“教”轉變為學生的“學”，對師資提出了更高的需求。為填補巨大的學科師資缺口，教師利用學習人工智能等科技知識推動學科發展，各學校派學習能力較強的教師外出學習，回校后再教給其他教師，通過這種方法培育一大批具備過硬教學能力和人工智能技術知識的優秀教師。另外，全體教職工也必須確立終身學習理念，以滿足時代對人才培養提出的需求。

（三）努力營造良性人工智能氛圍

從小學階段開辦新一代人工智能教學班，應重在訓練中小學生的運算邏輯思維與程序設計才能，為培育“適應智能社會需要的、具有優秀計算思維和編程能力的創新型人才”夯實基礎。在教學內容的選取和難度上，要滿足中小學生的興趣愛好與知識水平。課程應當具備生活性，尤其是中小學生常用的、有認知的教學內容，并融合人工智能思想。教學的開展應當采用探究型、任務式和探究型合作等多種方式，使中小學生在探索合作過程中逐步養成創新意識與創新能力，同時通過跨學科學習，實現多種學科的融合式構建。此外，由于學校在信息化課堂的基礎教學中課時設置相對較少，因此大部分信息化課時都被其他教學擠占。而人工智能技術的傳授也大多利用信息化課堂進行，信息技術教師通過傳授給學生“玩”人工智能產品的方式，讓學生放手去玩，從玩樂中掌握解題的方法和經驗。家長應當引導學生以積極主動的心態接觸人工智能產品，在合理的教學時間里放手讓學生探索發現、自主搭建、暢快交流、課題研發。學生、教師與家長三位一體，協同發力，營造良性的人工智能教學氣氛。

綜上所述，對于過去難以在教學工作中面對全體學生、因材施教、師生交互等問題，可利用人工智能技術和科研教育工作的融合，在課堂上互促互動、整體統籌、和諧發展。教師要掌握將人工智能信息技術和教育深度融合的策略與方式，從而提高教育信息化整體質量。我們正不斷為學生開啟一扇扇門，我們的學生將成為創新精神與科學實踐能力相結合的新型人才。

【本文系廣東省教育科學規劃2023年度中小學教師教育科研能力提升計劃項目“人工智能與學科教學深度融合的探究”研究成果之一，編號：2023YQJK790】

參考文獻

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