人工智能融入小學科學課堂教學的實踐分析

文/李 想

《新一代人工智能發展規劃》明確指出，人工智能已成為國際競爭的新焦點，是引領未來的戰略性技術。教育部門應逐步開展全民智能教育項目，在中小學階段設置人工智能相關課程，逐步推廣編程教育，建設人工智能學科。2018 年教育部公布《教育信息化2.0行動計劃》，推動各地中小學引入人工智能教育，為教師專業發展賦能，推進教育形態與教育模式重構。在智能時代的背景下，在小學階段開展人工智能教育對我國人工智能發展和實現教育現代化具有重要意義。

當前，小學階段人工智能教育的開展主要有兩種方式：一是專門開設人工智能課程；二是將人工智能教育融入學科教學。目前，由于人工智能課程體系仍不完善，缺乏專業教師，難于創設學習環境，許多小學不具備專門開設人工智能課程的條件[1]。因此，探索人工智能與學科教學的融合策略是在目前條件下普及人工智能教育的主要途徑。

小學科學作為一門綜合性基礎課程，學習內容涉及物質科學、生命科學、地球與宇宙科學及技術與工程等多個領域，強調在動手實踐中發展學生解決問題的能力和創新能力，與人工智能教育有著相似的育人價值取向。人工智能通過模擬人的思維及身體結構和功能，實現與外界環境交互、推理決策和行動控制，在學習內容上人工智能與小學科學存在交叉部分。總體而言，人工智能與小學科學有較好的學科融合基礎，小學科學教師可以在教學實踐中積極探索與人工智能的融合教學。

目前，人工智能融入小學科學課堂教學還處在起步階段，教師在實踐中存在融合動力不足、實踐認知不清、融入路徑不明等問題。本文主要分析融合教學中的常見誤區，并探討融合教學的基本路徑，提出教學建議供同行參考借鑒。

一、人工智能技術與小學科學教師的專業發展

目前，我國中小學人工智能教育的師資在數量和質量上都存在 “缺口”，多為其他學科教師兼任。受知識背景的局限，教師對掌握人工智能技術和實現專業發展的關系認識不足，在學習研究人工智能技術時存在內驅力不足的問題。回顧過去，信息技術引入學校教育與如今人工智能技術的境況相似，當時許多教師認為上課只需要一塊黑板和一支粉筆足矣。然而今天，教師已經普遍認可信息技術在提高教學工作效率及促進學生學習發展中的巨大作用。目前的人工智能技術也即將進入教學輔助、教學管理、教學評價等各領域，影響教育教學方式的變革。例如，虛擬現實技術（VR 技術）可以突破時空限制，將小學科學中不容易直觀體驗的學習內容仿真地、動態地虛擬出來，讓學生進行沉浸式的體驗學習，建構知識體系。教師還可以探索將人工智能技術介入實驗教學評價的方式，對學生的實驗操作進行全方位的實時監測、診斷，精準分析并及時反饋，提高實驗教學的完成度[2]。

現階段人工智能技術在教育領域的應用正迅猛發展，人工智能技術在將來一定是教師必須掌握和熟練應用的基本技能。小學科學教師應把握這一發展機遇，應用人工智能技術突破教學難點，提高教學有效性，發展自身的專業能力。

二、進行人工智能與小學科學融合時應具有的實踐性認知

由于缺乏人工智能教育的相關培訓，部分小學科學教師對人工智能在學科教學中的滲透、應用和整合存在認知偏差，影響了人工智能融合教育的開展。在進行融合教學的實踐中，小學科學教師最大的困惑是“如何區分人工智能和一般的信息技術”及“哪些學習內容屬于人工智能范疇”。在具體教學中，教師可以從人工智能的三大特征出發，分析這些問題。

學術界普遍認為，人工智能應具有三大基本特征：互聯網大數據、摩爾定律（算力）和算法。互聯網大數據是指基于一定信息技術工具的數據收集、儲存和應用的綜合；摩爾定律是指在芯片制造層面對計算能力發展的人為假說；算法是指用系統的方法描述解決問題的策略機制。教師可以依據人工智能的三大特征判斷在教學中常見的所謂“人工智能應用”案例是否具有人工智能特征。例如，某些教師將“家用掃地機”作為人工智能的生活應用案例，但依據人工智能三大特征進行分析，會發現一般掃地機的運動軌跡和方式都由事先設計的程序所限定，不具有對大數據、人工智能算力和算法的應用，屬于自動化領域的產品。

同時，教師可以依據人工智能的三大特征開展人工智能與學科融合教學，在小學科學教學中滲透、應用和整合人工智能三大特征中的某一項或某幾項。其中，互聯網大數據、算力的學習內容可以結合學科教學關聯部分，根據學生的認知發展水平進行科普性介紹；算法部分可以結合學校條件和學生發展實際，創設真實情境，開展跨學科教學。

三、人工智能與小學科學融合的基本路徑

小學科學教師在開展人工智能融合教學時，常常出現無從下手、融合路徑不清等狀況。筆者通過近幾年的教學實踐和對福建省人工智能優秀教學案例的梳理，建議小學科學教師可以嘗試通過以下路徑，將人工智能與學科教學相互滲透融合。

（一）選用具有人工智能特征的教學素材

在開展人工智能與學科融合教學時，教師首先應考慮選擇具有人工智能基本特征的教學素材，讓學生在學科學習中感受人工智能技術的廣泛應用。

例如，在蘇教版科學六年級（上冊）“觀察星空”一課中，教材以普通的星空圖片導入，讓學生思考“生活中所說的星座是什么？能在夜空中找到你的生日星座嗎？”，從而激發學生對觀察星空的興趣。教師可以在這一環節把普通星空圖片替換為中國“天眼”——射電望遠鏡拍攝的星座圖片，并向學生延伸介紹：“這些絢爛的圖片是依靠人工智能的技術手段將射電望遠鏡捕捉到的信號轉化、渲染后形成的。普通射電望遠鏡需要經過人工篩查找到星系，其過程費時又費力。我國科學家把人工智能應用在中國‘天眼’上，大大提升了‘找星星’這個過程的效率。”這樣，學生能感受到人工智能技術的魅力，體會到人工智能應技術在社會生活中的廣泛應用。

（二）引入具有人工智能技術的教具和學具

教師可以適時使用基于應用背景下的人工智能教具和學具，提高教學效率，如人臉識別、語音識別技術等。這是在現有條件下比較容易實現的人工智能和學科教學融合的路徑。

例如，在蘇教版科學六年級（上冊）“觀察星空”一課中，學生利用觀星軟件尋找北極星，并通過觀察發現北極星的位置不變，始終位于北方天空，了解到人們自古以來便依據北極星的這一特點辨認方向。但由于北極星的亮度為二等星，在星空中并不好尋找，學生需要了解北斗七星的特點，并通過北斗七星與北極星的位置關系找到北極星，學習起來有一定的難度，需要教師提供學習支架。此時，教師引入可視化編程軟件中的語音識別模塊，引導學生通過語音識別模塊快速獲得北斗七星資料并找到北極星。尋找有困難的學生還可以通過語音識別自動找到觀星軟件中的北極星位置，驗證北斗七星和北極星的位置關系。語音識別是目前相對成熟的人工智能技術，將它應用在本課教學中，可以降低學生尋找星座的難度，提高學生獲取資料的效率，讓學生實現分層學習。同時，學生在人工智能學具的應用中親身體驗人工智能技術給學習、生活帶來的便利，能夠激發對人工智能的興趣和熱情。

（三）整合人工智能和學科教學內容

基于上述兩個方面的教學替換、調整，教師還可以嘗試將人工智能與學科教學內容進行更深程度的整合，如通過項目化學習的方式整合教學內容，讓學生在問題解決的過程中應用學科知識和人工智能技術，從而發展學生任務分解和問題轉化的能力，提升學生信息素養水平。

例如，蘇教版科學五年級（下冊）“撬重物的竅門”一課的主要教學內容為研究杠桿原理及了解杠桿在生活中的應用。教師可以嘗試融入人工智能重整學習內容，以設計并制作一架能自動投中目標的“智能投石器”為驅動性任務，引導學生分解任務，在軟件編程的基礎上調試力臂長度，輔以舵機和紅外線傳感器實現自動投擲，形成項目化學習案例“制作投石器”[3]。在項目化學習過程中，學生會綜合應用學科知識和人工智能技術解決問題，實現跨學科學習，發展多方面的能力和素養。

（四）重整人工智能介入教學的過程

教師可以將現有的人工智能教學系統與學生的學習過程相融合，探索基于自適應學習的個性化學習路徑。人工智能系統可以根據學生的學習情況和能力水平推送不同的學習資料和練習，減輕教師的教學負擔，為學生提供更有針對性的指導。教師還可以基于人工智能課堂教學分析平臺，實現對課堂過程各項數據的實時采集，研究課堂教學各環節的成效，達到改進教學的目的[4]。總之，教師可以利用人工智能技術重整教學過程，通過對課堂教學的精準分析和對學生學習的個性化指導實現深度教學。

四、人工智能與小學科學融合的教學建議

小學科學教師在進行人工智能融合教學設計時，需要跳出學科本位進行思考，積極學習并掌握人工智能技術，充分聯系課程內容，整合人工智能教學資源。在課堂上構建與人工智能技術融合的教學場景，依據學生認知發展水平進行融合教學，激發學生學習興趣，提升學生信息素養和創新能力，實現人工智能的普及教育。

（一）選擇與人工智能有關的小學科學教學內容

小學科學教師在進行人體部分教學時可以適當拓展有關人工智能的內容。例如，在引導學生認識人的感官時，可以介紹機器人如何利用多種傳感器接收外部信息；在講解人的神經系統時，可以介紹人工智能如何通過模擬人的神經網絡在學習能力和思維能力上大大提升；在講解仿生時，可以介紹機器人如何通過模仿人的身體結構實現類似人的行動和控制。此外，在進行科學史的講解時，教師也可以適當融入人工智能的發展歷史。

（二）應用人工智能技術提高課堂探究效率

目前，隨著人工智能技術的發展，已經有較成熟的人工智能軟件進入社會生活。小學科學教師可以根據課堂教學需要，選擇合適的軟件提高課堂探究的效率。例如，在蘇教版科學一年級（下冊）“玩泥巴”一課中，學生在篩、和、捏泥土的過程中，不便使用傳統紙筆方式進行記錄。對此，教師就可以應用語音識別技術幫助學生記錄學習過程中的發現[5]。又如，在教科版科學六年級（下冊）“校園生物大搜索”一課中，在學生觀察和記錄校園里的植物時，教師可以應用識圖軟件幫助學生識別不認識的植物，滿足學生個性化的學習需求，幫助學生實現高效探究。

（三）設計物化中融合編程學習

工程設計與物化是小學科學技術工程領域重要的學習內容，具有實踐性、綜合性的特點，可以發展學生的創造力和動手能力，是進行跨學科融合學習的重要部分[6]。科學教師可以嘗試在工程設計與物化教學中融合人工智能教育，如在設計物化環節引入傳感器，整合編程學習，讓物化模型具有更高的自動化水平，從而更好地解決工程問題。同時，基于問題解決的設計與物化也為學生的編程學習提供了良好的學習情境，能夠激發學生的學習興趣，發展學生的創新能力。

（四）重視學生與人工智能技術的真實連接

學生的科學學習是在原有經驗的基礎上在不斷探究和體驗中發生的。因此，教師在將科學學科和人工智能融合時要基于學生認知水平，重視學生與人工智能技術的真實連接。雖然學生對人工智能的應用并不陌生，但人工智能技術本身與學生經驗之間仍然存在鴻溝。2021 年中央電化教育館發布了《中小學人工智能技術與工程素養框架》，明確了基礎教育階段人工智能教育的核心素養和學習內容要求。在安排學習進度時，教師可以依據上述文件提出的各學段培養要求進行教學設計。

五、結束語

人工智能技術和教育理論的發展，使基于人工智能背景的教學改革成為必然。小學科學的學科包容性是人工智能與科學課堂教學融合的有利條件。在此背景下，小學科學教師應積極探索人工智能融合教學，為學生未來的發展打下良好的基礎。