人工智能與教學(xué)的切入點、應(yīng)用點和問題點

〔摘""要〕"隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人工智能正逐步進入教育領(lǐng)域，尤其是虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)、大語言模型和人工智能監(jiān)控系統(tǒng)。人工智能技術(shù)支持下的小學(xué)科學(xué)教學(xué)可以激發(fā)學(xué)生的好奇心，提高課堂效率和教學(xué)效果，滿足學(xué)生個性化的學(xué)習(xí)需求。在具體的小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，教師應(yīng)從人工智能與小學(xué)科學(xué)教學(xué)的切入點、應(yīng)用點和問題點三個方面進行分析，運用人工智能技術(shù)支持小學(xué)科學(xué)教學(xué)，有效提升課堂效率和質(zhì)量。

〔關(guān)鍵詞〕"小學(xué)科學(xué)；人工智能；課堂效率

〔中圖分類號〕"G424""""""""〔文獻標(biāo)識碼〕"A"""""〔文章編號〕"1674-6317""（2025）"06""025-027

近年來，隨著人工智能的快速發(fā)展，其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用也不斷加速。人工智能技術(shù)以數(shù)字化賦能課堂教學(xué)，正逐漸成為教育改革與創(chuàng)新的重要方向。教師應(yīng)高度重視人工智能對教學(xué)改革的推動作用，積極促進教學(xué)方式與學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變。恰當(dāng)應(yīng)用人工智能技術(shù)開展小學(xué)科學(xué)教學(xué)，很大程度上將改變傳統(tǒng)的科學(xué)課堂教學(xué)模式，使教學(xué)內(nèi)容更加直觀生動、顯著提高教學(xué)效率。人工智能能夠利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)和大語言模型為學(xué)生個性化的學(xué)習(xí)計劃和學(xué)習(xí)資源需求提供有針對性的支持。人工智能環(huán)境下多種形式的教學(xué)資源、巨大的信息量，能大大拓寬學(xué)生視野；能通過VR來調(diào)節(jié)外部環(huán)境獲得直觀體驗，其新穎性和互動性，能極大地提高學(xué)生探究的興趣與參與度。因此，在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，教師運用VR設(shè)備、人工智能大語言模型以及人工智能監(jiān)控系統(tǒng)，能夠切實有效地促進學(xué)生的個性化發(fā)展，大幅提升課堂教學(xué)效率與質(zhì)量，進而優(yōu)化傳統(tǒng)科學(xué)課堂教學(xué)模式。

一、人工智能與小學(xué)科學(xué)教學(xué)的切入點

（一）以情境創(chuàng)設(shè)為抓手

小學(xué)科學(xué)教學(xué)要求創(chuàng)設(shè)良好的課堂情境發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)。人工智能技術(shù)，尤其是VR技術(shù)可以使科學(xué)課堂情境實現(xiàn)以下幾種功能：1.盡量真實；2.要能產(chǎn)生問題；3.支持學(xué)生探究；4.促進互動與遷移。教師可以以情境創(chuàng)設(shè)為抓手，利用"VR"技術(shù)將科學(xué)知識融入虛擬情境，能夠幫助學(xué)生直觀地理解抽象概念，進而引導(dǎo)學(xué)生做到所學(xué)即所用，遷移解決現(xiàn)實情境中的問題。

（二）以個性學(xué)習(xí)為抓手

科學(xué)課程的實施需要面向全體學(xué)生。每位學(xué)生對于科學(xué)都有獨特的學(xué)習(xí)需求和偏好的學(xué)習(xí)內(nèi)容。教師可以以個性學(xué)習(xí)為抓手，利用大語言模型為學(xué)生提供“菜單式”的科學(xué)素材，供學(xué)生自主查閱資料閱讀、與人工智能語音互動交流。這樣，就能實現(xiàn)教師少講、學(xué)生多學(xué)，幫助學(xué)生拓寬視野，發(fā)展個性，提高課堂效率。

（三）以精準(zhǔn)評價為抓手

受制于技術(shù)水平、班級學(xué)生人數(shù)過多、教師精力不足等因素，傳統(tǒng)的小學(xué)科學(xué)評價工具多為紙筆測驗、實驗記錄單、評價量表等，對學(xué)生不能進行精準(zhǔn)的評價。人工智能記錄儀能對學(xué)生實驗過程、實驗數(shù)據(jù)進行記錄，人工智能監(jiān)控系統(tǒng)能及時給學(xué)生提供正確的實驗操作方法，并且將學(xué)生的錯誤操作信息反饋給教師，以進行有效的指導(dǎo)，彌補了傳統(tǒng)科學(xué)課堂上教師巡視實驗的空缺。

二、人工智能與小學(xué)科學(xué)教學(xué)的應(yīng)用點

（一）情境創(chuàng)設(shè)，直觀感受科學(xué)現(xiàn)象

VR"技術(shù)具有強大的優(yōu)勢，它可以突破時空的限制，將小學(xué)科學(xué)中那些難以直觀體驗的學(xué)習(xí)內(nèi)容以仿真的、動態(tài)的形式虛擬出來。如此，學(xué)生便能夠進行沉浸式的體驗學(xué)習(xí)，從而更好地建構(gòu)起知識體系。

教師可利用VR技術(shù)，開發(fā)科學(xué)課程資源，讓學(xué)生直觀感受生活中的科學(xué)現(xiàn)象。例如，《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中“物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”中學(xué)習(xí)內(nèi)容“1.1物質(zhì)具有一定的特性與功能”1～2年級教學(xué)要求創(chuàng)設(shè)情境，用觀察、實驗等方法描述物體的外部特征和常見物理屬性。其教學(xué)建議為：創(chuàng)設(shè)游戲情境，了解學(xué)生對生活中常見材料的已有認(rèn)識。傳統(tǒng)的科學(xué)課堂教學(xué)方式多為通過搶答游戲，了解學(xué)生對各種不同材料的已有認(rèn)識，提出問題：每種材料看起來確實不一樣，各自究竟有什么特點？這樣的情境簡單、枯燥，無法激發(fā)1～2年級小學(xué)生興趣。而在人工智能技術(shù)的支持下，教師可借助VR技術(shù)設(shè)計游戲情境“材料王國大冒險”，該內(nèi)容源自蘇教版小學(xué)科學(xué)二年級下冊第一單元中《認(rèn)識常見材料》一課，具體如下表所示。

此外，學(xué)習(xí)科學(xué)概念的過程，也是科學(xué)史的重演，將歷史情境整合呈現(xiàn)，經(jīng)歷科學(xué)家的研究過程、思維歷程，建構(gòu)科學(xué)概念，發(fā)展科學(xué)能力。傳統(tǒng)科學(xué)教學(xué)用圖片講述、視頻播放、文本閱讀等形式呈現(xiàn)名人軼事或通過視頻、文字、圖片等形式重現(xiàn)科學(xué)家研究問題的歷史情境?？茖W(xué)史中包含了許多研究情境，由于課堂的時空限制，需要教師運用人工智能技術(shù)，根據(jù)學(xué)生的學(xué)情創(chuàng)設(shè)合理的情境，為不同的課堂教學(xué)服務(wù)。如蘇教版科學(xué)一年級上冊《汽車的發(fā)展史》一課的教學(xué)，教師可運用VR技術(shù)帶領(lǐng)學(xué)生穿越到時空長河中，根據(jù)時間順序，在虛擬世界中體驗不同時代汽車在動力、材料等方面的科技進步，感受科技發(fā)展給人們帶來的便捷。

科學(xué)教學(xué)中“地球與宇宙科學(xué)”領(lǐng)域?qū)W(xué)生而言深邃、神秘、難以觀測、十分抽象。傳統(tǒng)教學(xué)中通過圖片、微課展示的是一種二維空間，很難幫助學(xué)生理解月相、天體運行的變化，以及認(rèn)識宇宙天體的運行規(guī)律。而運用VR技術(shù)進行探究，則可以很好地解決以上問題，在蘇教版科學(xué)六年級上冊《太陽系大家族》一課教學(xué)中，學(xué)生借助VR設(shè)備，遨游太陽系，可自由切換不同視角，直觀感受太陽和八大行星的體積和距離，使這些“靜態(tài)”知識可視化。利用VR的三維視圖，把學(xué)生的視角帶入太空的視角，從太空觀察地球乃至其他天體，感受到“動態(tài)”天體運行，生動逼真，這是使用傳統(tǒng)模型、視頻或計算數(shù)字等方式來體會所無法比擬的。

（二）個性學(xué)習(xí)，提供豐富科學(xué)素材

在傳統(tǒng)的科學(xué)教學(xué)模式中，學(xué)生對一些動物、植物和微生物的了解有限，學(xué)生以往的學(xué)習(xí)往往局限于教材以及教師的口頭、文字或視頻講解。然而，這種學(xué)習(xí)方法為學(xué)生提供的信息十分有限，很難滿足不同學(xué)生的個性化需求。人工智能大語言模型能夠理解并生成自然語言，可與用戶進行智能對話，能為學(xué)生提供一個高度互動、信息豐富且極具個性化的學(xué)習(xí)平臺。

例如，在蘇教版科學(xué)六年級上冊《消逝的恐龍》一課教學(xué)中，通過運用人工智能大語言模型，學(xué)生一方面可以獲取極為豐富的恐龍信息，另一方面還能夠依據(jù)自己的興趣來選擇恐龍的學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)習(xí)路徑，真正實現(xiàn)個性化學(xué)習(xí)。此外，人工智能大語言模型還能為學(xué)生的思維發(fā)展提供補充性意見，從而增強教學(xué)的互動性，大幅提高學(xué)生的參與度與理解力。在蘇教版科學(xué)三年級下冊《植物結(jié)果了》一課中“調(diào)查生活的地方有哪些特殊的植物資源”時，教師運用識圖大數(shù)據(jù)軟件引導(dǎo)學(xué)生識別校園內(nèi)陌生的植物，此舉能夠滿足學(xué)生個性化的學(xué)習(xí)需求，助力學(xué)生實現(xiàn)高效探究。在蘇教版科學(xué)三年級上冊《土壤的類型》一課中，學(xué)生在用多種方法比較黏質(zhì)土、砂質(zhì)土和壤質(zhì)土的不同時，用手捻、和水握、加水搓的過程中，若不便于使用傳統(tǒng)的紙筆進行記錄，教師可以采用語音識別技術(shù)來幫助學(xué)生個性化地記錄探究學(xué)習(xí)過程中的發(fā)現(xiàn)。這一技術(shù)也可用于1～2年級學(xué)生實驗文字描述記錄困難時。

（三）精準(zhǔn)評價，反饋調(diào)控實驗操作

在傳統(tǒng)科學(xué)實驗教學(xué)中，學(xué)生對于實驗結(jié)果通常用紙筆在教師發(fā)放的實驗記錄單以數(shù)據(jù)、圖畫、文字等形式記錄。學(xué)生常常沉迷于實驗操作和現(xiàn)象，如發(fā)生漏記、錯記，就會直接導(dǎo)致實驗結(jié)論的錯誤歸納，但由于課堂時間有限，常常無法重新再做一次比對記錄，進行分析。

有鑒于此，可以在實驗前為每組學(xué)生提供一臺手持式人工智能記錄儀，為實驗記錄提供數(shù)字化賦能。這樣，不但能夠監(jiān)督每組學(xué)生的實驗過程，而且還可以為學(xué)生提供信息反饋，進而方便師生之間以及生生之間對實驗結(jié)果進行分析交流。例如，在蘇教版小學(xué)科學(xué)四年級上冊第一單元“冷和熱”的實驗教學(xué)中，在觀察熱水變涼的規(guī)律中，學(xué)生需要計時、觀察溫度計示數(shù)、記錄數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)形成折線圖，任務(wù)繁多，常常需要教師及時指導(dǎo)跟進。教師在各小組間的巡視中也難免顧此失彼。而運用人工智能監(jiān)控系統(tǒng)，則可以輔助教師進行實驗和繪圖指導(dǎo)。對那些溫度或時間異常的數(shù)據(jù)，還可以調(diào)回之前拍攝的圖片取證；對學(xué)生不規(guī)范的實驗操作，也可調(diào)回之前拍攝的照片以指出和糾正錯誤。

此外，還可以運用能夠快速識別學(xué)習(xí)者姿勢和表情情緒的深度學(xué)習(xí)模型，實現(xiàn)相應(yīng)的人工智能算法，開發(fā)科學(xué)學(xué)科活動的課堂管理系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)，科學(xué)教師在授課過程中能及時得到學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)的評價反饋，有效進行課堂干預(yù)，提高教學(xué)質(zhì)量。同時，該系統(tǒng)還能自動生成學(xué)生的學(xué)習(xí)效果評價，刻畫出學(xué)生的數(shù)字素養(yǎng)成長圖譜，供學(xué)校、教師、家長以及學(xué)生查閱，也為賦能其他學(xué)科的教學(xué)提供了課堂管理平臺。

三、人工智能與小學(xué)科學(xué)教學(xué)的問題點

目前，人工智能技術(shù)運用于小學(xué)科學(xué)課堂尚處于起始階段，還面臨著許多問題和挑戰(zhàn)。

（一）技術(shù)問題

人工智能軟件（App）在推送學(xué)習(xí)資源內(nèi)容時，存在個性化與精確化不足的問題。這使在科學(xué)課堂上，距離運用人工智能技術(shù)進行精確化教學(xué)的要求還存在一定的差距。

（二）實施問題

缺乏相關(guān)專業(yè)的教師，缺乏相關(guān)的培訓(xùn)和技術(shù)支持，開發(fā)課程資源難以為繼，常常為了使用人工智能技術(shù)而強行在教學(xué)過程中單一使用，難以取得應(yīng)有的效果。學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)是在原有經(jīng)驗的基礎(chǔ)上不斷探索和體驗中發(fā)生的，教師要根據(jù)學(xué)生的迷思概念和年級特點，關(guān)注學(xué)生與人工智能技術(shù)的真實聯(lián)結(jié)。此外，特別是那些處于偏遠(yuǎn)山區(qū)的學(xué)校，由于缺乏完善的基礎(chǔ)設(shè)施和師資配置，難以有效運用人工智能技術(shù)。

（三）倫理挑戰(zhàn)

應(yīng)正確引導(dǎo)學(xué)生使用人工智能技術(shù)，避免產(chǎn)生負(fù)面影響。例如：應(yīng)防止學(xué)生因過度依賴人工智能而缺乏對科學(xué)問題的自主思考以及解決問題的能力；應(yīng)避免學(xué)生對虛擬世界產(chǎn)生過度依賴，沉溺在虛幻的現(xiàn)實中而迷失真實的自我。因此，教師要加強對學(xué)生的道德引導(dǎo)，幫助學(xué)生樹立正確的科學(xué)觀念。

未來已來，伴隨人工智能技術(shù)與教育教學(xué)理論的不斷發(fā)展，基于人工智能技術(shù)的教學(xué)改革必將成為大勢所趨。人工智能技術(shù)在小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)中具有諸多潛在優(yōu)勢，但同時也面臨著一些問題。隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展以及教育教學(xué)理念的持續(xù)更新，小學(xué)科學(xué)教師應(yīng)積極面對人工智能支持下的小學(xué)科學(xué)教學(xué)過程中可能出現(xiàn)的各種挑戰(zhàn)，為學(xué)生未來的核心素養(yǎng)培育打下堅實基礎(chǔ)。

【本文系2023年度江蘇省教育科學(xué)規(guī)劃課題“成為學(xué)習(xí)者：“U-S”協(xié)同育人的學(xué)科活動群開發(fā)研究”中“人工智能活動群”的研究成果，課題立項編號：B/2023/03/34】

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