基于智能教學(xué)環(huán)境的學(xué)生微粒觀素養(yǎng)培育方式研究

廣東省深圳市坪山區(qū)中山小學(xué) 朱思楠

2018 年4 月，教育部發(fā)布了《教育信息化2.0 行動(dòng)計(jì)劃》后，基于新興技術(shù)（人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等），依托各類智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)的智慧教育創(chuàng)新研究如雨后春筍般積極開展。智慧課堂作為優(yōu)質(zhì)媒介將人工智能概念帶入中小學(xué)課堂，借助人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)快速推進(jìn)智慧教育生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建。新時(shí)代教師的教育教學(xué)也應(yīng)將多領(lǐng)域、多學(xué)科、多知識(shí)結(jié)合起來(lái)，借助人工智能資源優(yōu)勢(shì)，給予學(xué)生更多的思考空間，讓其利用現(xiàn)有的生活經(jīng)驗(yàn)解決實(shí)際生活中的問(wèn)題，從而獲得更多的知識(shí)與技能。

一、智慧教育理念賦能：尋找學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的“疑惑點(diǎn)”

在實(shí)際教學(xué)中，“物質(zhì)構(gòu)成的奧秘”這一主題一直是教學(xué)的難點(diǎn)，學(xué)生難以理解。微觀粒子是一種無(wú)形的存在，學(xué)生需要依靠想象能力去理解。因此，物質(zhì)微粒觀的構(gòu)建至關(guān)重要，有助于學(xué)生宏觀辨識(shí)與微觀探析等核心素養(yǎng)的發(fā)展。學(xué)生掌握跨學(xué)科融合制作微觀粒子模型的基本方法，就能獨(dú)立運(yùn)用模型構(gòu)建的方法理解微觀粒子的真實(shí)形態(tài)、基本構(gòu)型、形態(tài)變化等知識(shí)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微粒觀核心素養(yǎng)的培育。

微粒觀本身是一種觀念，而微觀世界又是看不見(jiàn)、摸不著的，由于其沒(méi)有貼近現(xiàn)實(shí)生活，若沒(méi)有輔助手段學(xué)生很難在自己的腦海中建立起微觀粒子的直觀形象，學(xué)生好不容易培養(yǎng)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(jìn)的多媒體技術(shù)搭建模型，幫助學(xué)生獲得更加直觀的認(rèn)識(shí)，從而培養(yǎng)學(xué)生的微粒觀。如何用微粒的觀念引領(lǐng)學(xué)生從五彩繽紛的宏觀世界步入神奇莫測(cè)的微觀世界，是筆者一直思考的問(wèn)題。

最終，筆者把“神秘武器”定在“理想模型”這一科學(xué)方法上，即通過(guò)掌握科學(xué)知識(shí)、藝術(shù)性設(shè)計(jì)與制作、科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究課程的三個(gè)部分內(nèi)容實(shí)施來(lái)達(dá)成。結(jié)合當(dāng)今學(xué)科融合的指導(dǎo)性觀點(diǎn)，我們構(gòu)建了將科學(xué)、數(shù)學(xué)、美術(shù)、信息技術(shù)、語(yǔ)文、英語(yǔ)等多學(xué)科有機(jī)結(jié)合，通過(guò)使用黏土設(shè)計(jì)制作常見(jiàn)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的課程?；谝陨媳尘芭c問(wèn)題，我們計(jì)劃以STEAM 理念為基礎(chǔ)開展系列跨學(xué)科融合課程，以微觀粒子知識(shí)為切入點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生思維的發(fā)展和學(xué)習(xí)能力的提升。學(xué)生通過(guò)自制的理想模型，加深對(duì)知識(shí)的理解，實(shí)現(xiàn)“宏觀、微觀、符號(hào)”的統(tǒng)一。

二、智慧教育知識(shí)賦能：開發(fā)教師教學(xué)的“創(chuàng)新點(diǎn)”

智慧教育系統(tǒng)中包含了智慧學(xué)習(xí)環(huán)境、新型教學(xué)模式和現(xiàn)代教育制度三重境界。這項(xiàng)研究正是扎根于智慧學(xué)習(xí)環(huán)境，運(yùn)用VESTA（Visualization for Electronic and Structural Analysis）軟件豐富的三維展示性能，發(fā)掘新型教學(xué)模式。劉金華教授在《VESTA 軟件在典型晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用》文章中指出學(xué)生對(duì)于微粒的認(rèn)知難以深入，主要是因?yàn)槿狈ψ銐虻目臻g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(shí)驗(yàn)室，在教學(xué)中可以彌補(bǔ)學(xué)生空間想象力的不足，提高學(xué)生的抽象思維能力。利用模型化教學(xué)，構(gòu)建實(shí)物化科學(xué)課堂的研究探索有益于學(xué)生空間想象能力提升。

本課程以小學(xué)科學(xué)課的“物質(zhì)成分”部分為目標(biāo)，充分發(fā)揮信息技術(shù)在課程教學(xué)中的幫助作用，結(jié)合信息技術(shù)手段將一套基于探究的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)工具的設(shè)計(jì)和開發(fā)引入課堂學(xué)習(xí)。教師引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)運(yùn)用晶體可視化動(dòng)態(tài)模型設(shè)計(jì)軟件VESTA，并將VESTA 軟件與實(shí)物模型探究相結(jié)合。整個(gè)過(guò)程，學(xué)生自主查詢、設(shè)計(jì)、制作三維微粒模型，進(jìn)行一系列基于探究的觀察學(xué)習(xí)。

三、智慧教學(xué)工具賦能：跨學(xué)科融合點(diǎn)亮學(xué)生“能力點(diǎn)”

微粒觀是小學(xué)階段的學(xué)習(xí)重點(diǎn)與難點(diǎn)。微粒觀主要包括幾個(gè)方面的內(nèi)容：第一，物質(zhì)是由微粒結(jié)合而成，人類無(wú)法通過(guò)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(zhì)；第三，微粒與微粒之間存在的化學(xué)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(shù)支持，微粒觀的概念會(huì)成為學(xué)生未來(lái)學(xué)習(xí)物理、化學(xué)專業(yè)知識(shí)的重要助力。微粒觀的運(yùn)用對(duì)人的空間想象能力也會(huì)起到一定的幫助作用。

本課程充分體現(xiàn)STEAM 理念，作為集科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)多學(xué)科融合的綜合教育，STEAM 一直在教育教學(xué)實(shí)踐工作中大放異彩?；趯W(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，我們?cè)谛W(xué)科學(xué)教學(xué)中融合語(yǔ)文、美術(shù)、數(shù)學(xué)等學(xué)科，將抽象內(nèi)容具體化，隱性內(nèi)容顯性化。學(xué)生通過(guò)實(shí)際動(dòng)手操作感悟物質(zhì)的微粒分子、原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、微觀本質(zhì)和成鍵規(guī)律。教師通過(guò)引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手自制物質(zhì)微粒模型、動(dòng)腦思考物質(zhì)結(jié)構(gòu)空間效果、自主探究VESTA 軟件使用方法，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；通過(guò)模型模擬將二維、三維進(jìn)行高效轉(zhuǎn)化，幫助學(xué)生理解每種存在物質(zhì)的空間構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)與球棍模型雙重表征的有效關(guān)聯(lián)。

四、智慧評(píng)價(jià)機(jī)制賦能：增添學(xué)生學(xué)習(xí)中的“閃光點(diǎn)”

此外，在智慧課堂教學(xué)的過(guò)程中，本課程基于深化新時(shí)代教育評(píng)價(jià)改革總體方案發(fā)展綱要指導(dǎo)所形成的體現(xiàn)過(guò)程評(píng)價(jià)、綜合能力評(píng)價(jià)、成長(zhǎng)檔案袋為主體的全面評(píng)價(jià)檔案，致力于從重德、重發(fā)展的評(píng)價(jià)機(jī)制出發(fā)，有效地幫助學(xué)生將人工智能與學(xué)習(xí)知識(shí)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)學(xué)生全面發(fā)展，達(dá)成更加科學(xué)的育人目標(biāo)。為此，我們利用人工智能技術(shù)對(duì)學(xué)生在課堂中的表現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)的記錄。課程結(jié)束后，教師可以通過(guò)整理、分析智慧課堂教學(xué)中學(xué)生的課堂表現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，為學(xué)生制訂個(gè)性化的學(xué)習(xí)方案，給學(xué)生提供不同的學(xué)習(xí)方法、學(xué)習(xí)策略的指導(dǎo)，做到因材施教、個(gè)性化指導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，加速提升智慧課堂教學(xué)的質(zhì)量和水平。將人工智能技術(shù)應(yīng)用于課堂教學(xué)中，為學(xué)校的智慧教育和學(xué)生的個(gè)性化評(píng)價(jià)提供了良好的技術(shù)支持。

小學(xué)科學(xué)作為化學(xué)、物理、生物、地理等學(xué)科的“地基”，具有融合的特點(diǎn)。而科學(xué)中的化學(xué)學(xué)科知識(shí)特點(diǎn)與思維方式就是宏觀與微觀的相互聯(lián)系。學(xué)生無(wú)法通過(guò)肉眼觀察微觀粒子，無(wú)法與宏觀世界進(jìn)行有機(jī)的聯(lián)系，故本課程以人工智能先進(jìn)技術(shù)為媒介，通過(guò)構(gòu)建模型等直觀手段幫助學(xué)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(gòu)主義學(xué)習(xí)觀，依托VESTA 軟件的技術(shù)支持讓學(xué)生體會(huì)學(xué)習(xí)不是簡(jiǎn)單的知識(shí)傳遞，而是自己建構(gòu)知識(shí)框架體系的過(guò)程。學(xué)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(zhì)微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。學(xué)生從微觀粒子水平方面認(rèn)識(shí)物質(zhì)構(gòu)成的規(guī)律，以微粒的本質(zhì)結(jié)構(gòu)為線索，思維從宏觀物質(zhì)過(guò)渡到微觀層面，為今后的知識(shí)學(xué)習(xí)打下更加堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。