基于智能教學環境的學生微粒觀素養培育方式研究

朱思楠

【摘 要】智慧教育作為當今中小學信息技術與教育教學深度融合的產物，正在快速進入中國校園，而其重要實現形式——人工智能技術也是驅動教育方式轉型的必然結果。學生能否建立微粒觀，發展學生的宏觀辨識與微觀探析等核心素養，是科學教師的重要挑戰。傳統教學中，圖文結合的方式很難激發學生的空間想象力，筆者在智慧教育研究過程中，深入融合跨學科、跨領域合作研究方面的探索，利用晶體可視化動態模型設計軟件VESTA解決中小學教育教學過程中學生微粒觀建立困難問題。

【關鍵詞】STEAM課程 模型建構 人工智能技術實踐

2018年4月，教育部發布了《教育信息化2.0行動計劃》后，基于新興技術（人工智能、大數據、物聯網等），依托各類智能設備及網絡的智慧教育創新研究如雨后春筍般積極開展。智慧課堂作為優質媒介將人工智能概念帶入中小學課堂，借助人工智能、大數據、云計算、物聯網等技術快速推進智慧教育生態系統構建。新時代教師的教育教學也應將多領域、多學科、多知識結合起來，借助人工智能資源優勢，給予學生更多的思考空間，讓其利用現有的生活經驗解決實際生活中的問題，從而獲得更多的知識與技能。

一、智慧教育理念賦能：尋找學生學習過程中的“疑惑點”

在實際教學中，“物質構成的奧秘”這一主題一直是教學的難點，學生難以理解。微觀粒子是一種無形的存在，學生需要依靠想象能力去理解。因此，物質微粒觀的構建至關重要，有助于學生宏觀辨識與微觀探析等核心素養的發展。學生掌握跨學科融合制作微觀粒子模型的基本方法，就能獨立運用模型構建的方法理解微觀粒子的真實形態、基本構型、形態變化等知識，從而實現對微粒觀核心素養的培育。

微粒觀本身是一種觀念，而微觀世界又是看不見、摸不著的，由于其沒有貼近現實生活，若沒有輔助手段學生很難在自己的腦海中建立起微觀粒子的直觀形象，學生好不容易培養的興趣很可能因主題枯燥、抽象而消失殆盡。教師可以借助先進的多媒體技術搭建模型，幫助學生獲得更加直觀的認識，從而培養學生的微粒觀。如何用微粒的觀念引領學生從五彩繽紛的宏觀世界步入神奇莫測的微觀世界，是筆者一直思考的問題。

最終，筆者把“神秘武器”定在“理想模型”這一科學方法上，即通過掌握科學知識、藝術性設計與制作、科學實驗探究課程的三個部分內容實施來達成。結合當今學科融合的指導性觀點，我們構建了將科學、數學、美術、信息技術、語文、英語等多學科有機結合，通過使用黏土設計制作常見物質微觀結構的課程。基于以上背景與問題，我們計劃以STEAM理念為基礎開展系列跨學科融合課程，以微觀粒子知識為切入點，促進學生思維的發展和學習能力的提升。學生通過自制的理想模型，加深對知識的理解，實現“宏觀、微觀、符號”的統一。

二、智慧教育知識賦能：開發教師教學的“創新點”

智慧教育系統中包含了智慧學習環境、新型教學模式和現代教育制度三重境界。這項研究正是扎根于智慧學習環境，運用VESTA（Visualization for Electronic and Structural Analysis）軟件豐富的三維展示性能，發掘新型教學模式。劉金華教授在《VESTA 軟件在典型晶體結構教學中的應用》文章中指出學生對于微粒的認知難以深入，主要是因為缺乏足夠的空間想象能力。VESTA的使用就像是在顯示終端上建立了一間3D虛擬仿真實驗室，在教學中可以彌補學生空間想象力的不足，提高學生的抽象思維能力。利用模型化教學，構建實物化科學課堂的研究探索有益于學生空間想象能力提升。

本課程以小學科學課的“物質成分”部分為目標，充分發揮信息技術在課程教學中的幫助作用，結合信息技術手段將一套基于探究的增強現實學習工具的設計和開發引入課堂學習。教師引導學生通過運用晶體可視化動態模型設計軟件VESTA，并將VESTA軟件與實物模型探究相結合。整個過程，學生自主查詢、設計、制作三維微粒模型，進行一系列基于探究的觀察學習。

三、智慧教學工具賦能：跨學科融合點亮學生“能力點”

微粒觀是小學階段的學習重點與難點。微粒觀主要包括幾個方面的內容：第一，物質是由微粒結合而成，人類無法通過肉眼直接觀察它們；第二，微粒與微粒之間間隙有大有小，各有不同，這有效地決定了它們的性質；第三，微粒與微粒之間存在的化學鍵造成它們的相互作用。有智慧教育背景下的VESTA軟件的技術支持，微粒觀的概念會成為學生未來學習物理、化學專業知識的重要助力。微粒觀的運用對人的空間想象能力也會起到一定的幫助作用。

本課程充分體現STEAM理念，作為集科學、技術、工程、藝術、數學多學科融合的綜合教育，STEAM一直在教育教學實踐工作中大放異彩。基于學生的認知發展規律，我們在小學科學教學中融合語文、美術、數學等學科，將抽象內容具體化，隱性內容顯性化。學生通過實際動手操作感悟物質的微粒分子、原子的結構特點、微觀本質和成鍵規律。教師通過引導學生動手自制物質微粒模型、動腦思考物質結構空間效果、自主探究VESTA軟件使用方法，有效激發了學生的學習興趣；通過模型模擬將二維、三維進行高效轉化，幫助學生理解每種存在物質的空間構型，實現物質與球棍模型雙重表征的有效關聯。

四、智慧評價機制賦能：增添學生學習中的“閃光點”

此外，在智慧課堂教學的過程中，本課程基于深化新時代教育評價改革總體方案發展綱要指導所形成的體現過程評價、綜合能力評價、成長檔案袋為主體的全面評價檔案，致力于從重德、重發展的評價機制出發，有效地幫助學生將人工智能與學習知識進行有機結合，實現學生全面發展，達成更加科學的育人目標。為此，我們利用人工智能技術對學生在課堂中的表現進行詳細的記錄。課程結束后，教師可以通過整理、分析智慧課堂教學中學生的課堂表現數據記錄，了解學生的學習需求，為學生制訂個性化的學習方案，給學生提供不同的學習方法、學習策略的指導，做到因材施教、個性化指導，激發學生的學習熱情，加速提升智慧課堂教學的質量和水平。將人工智能技術應用于課堂教學中，為學校的智慧教育和學生的個性化評價提供了良好的技術支持。

小學科學作為化學、物理、生物、地理等學科的“地基”，具有融合的特點。而科學中的化學學科知識特點與思維方式就是宏觀與微觀的相互聯系。學生無法通過肉眼觀察微觀粒子，無法與宏觀世界進行有機的聯系，故本課程以人工智能先進技術為媒介，通過構建模型等直觀手段幫助學生在宏觀世界和微觀世界之間搭建橋梁。

本課程以智慧教育為有效抓手，借鑒建構主義學習觀，依托VESTA 軟件的技術支持讓學生體會學習不是簡單的知識傳遞，而是自己建構知識框架體系的過程。學生是課堂的主人，自主研究搭建、展示、拆分球棍模型，小組合作理解物質微觀結構特點。學生從微觀粒子水平方面認識物質構成的規律，以微粒的本質結構為線索，思維從宏觀物質過渡到微觀層面，為今后的知識學習打下更加堅實的基礎。

【參考文獻】

[1]吳文妹.智慧課堂 智慧校園 智慧環境——新時期智慧教育發展的階段性及其建設[J].教育理論與實踐，2021（25）.

[2]李娟.人工智能技術在智慧課堂中深度學習的應用[J].電子世界， 2022（1）.

[3]余勝泉，劉恩睿.智慧教育轉型與變革[J].電化教育研究， 2022（1）.