人工智能技术走进课堂颠覆传统教学方式

黄金华 陈杰飞

〔摘    要〕    将人工智能技术和小学科学教育融合，是改革中国传统教育内部结构、全面实施素质教育、造就创新型人才的基本路径。融合有助于进一步丰富教育教学内容，提高小学生学习兴趣。利用人工智能技术里的图像辨识、语音识别、图像跟踪等功能，解决科学课上的重点问题和难题。人工智能技术走进课堂，颠覆了传统教学方式，从而使科学教学得到突破性的进展。

〔关键词〕    小学科学；人工智能技术；融合策略

〔中图分类号〕  G424               〔文献标识码〕  A        〔文章编号〕  1674-6317  （2023）  09-0004-03

随着智能手机的普及，人工智能快速进入普通家庭的生活。它借助人们的衣食住行等大量数据，通过不断迭代、学习，给我们的生活带来很多便利。人工智能也快速融入各个行业，创造了很多的价值，特别是疫情防控期间尤为明显。人工智能技术迅速走进教育界，既是教改新手段和工具，更是课堂讲授内容。教育部教育信息化工作研究专家组秘书长、华东师范学院客座教授任友群认为，人工智能技术对深化教育体制改革将产生影响。人工智能技术与科学文化教育融入发展，是改造傳统学科结构、建立全新的学科架构、推动素质教育、造就创新型人才的基本路径。这一系列的教育政策与措施，为新一代人工智能技术在小学科学学科教育中的使用与融入，提供了方向，它的融入和革新已然成为社会和时代的大趋势。

一、人工智能技术与小学科学深度融合的意义

人工智能技术（Artificial Intelligence），英文缩写为AI。人工智能是计算机科学的一种重要分支学科，是研究、发展用以模仿、延续和扩展人脑智慧活动的基础理论、方式、技能和运用体系的一种全新的工程技术学科。新一代人工智能领域从发展至今，理论与技术都越来越完善，应用范围也在不断扩大。该领域的主要研究成果涉及自动化机器人、语音识别、图片辨识、自然话语信息处理，以及专家管理系统等等。深度融合的关键是技术创新。如何进行信息化学习和教育实践的深度融合，并革新信息化课程与学习方法，提高学生个性化教育？它既不仅是技术问题，也不仅是教学模式问题，它是校长的问题、教师的问题、学生的问题，也是学校课程和教育自身的问题。

（一）丰富教学内容

在小学科学教学中，很多知识通过教学无法使学生快速理解，把人工智能技术引入课堂，通过获取实验数据有助于学生理解知识、提高科学素养。同时，新一代人工智能发展正在倒逼课程系统的重构，创新性思考与协作能力训练的课程内容也将得以提高，推动跨学科内容的融入成为新趋势，包括STEAM教学等已呈现出这方面的典型特点。

（二）转变教师角色

人工智能和教学技术的深度融合，使教师角色被赋予了新的时代含义。人工智能虽然无法直接代替教师，但能够将其从烦琐的知识传授中解放出来，并开展具有创新性的德育教育与能力训练等工作。智能时代对教育能力的需求也发生了巨大改变，人们对教育信息素质的需求将被提高至前所未有的高度，而教育能力标准也将被重新界定，对教师的职业要求将全面更新。

（三）满足学生求知欲

中小学生对于周遭世界有着旺盛的好奇心与需求欲，而这些好奇心与需求欲是促进小学生科学学习的内在力量，并对于其终身发展有着巨大的影响。利用人工智能技术可创造轻松的课堂气氛，维持学生的信心与求知欲，充分调动学生的学习兴趣，并引导学生进行积极探索，累积实际生活经验，从而提高教学的意义与趣味性。

人工智能与学生之间的关系是互动关系。人工智能教学需要转变一种思维方式，即从被动了解转向自主学习，突出学生的主体地位。人工智能可以完成一对一的教学流程，而这在传统教育中是很难实现的。

二、人工智能技术与小学科学深度融合的方法

将人工智能技术运用于小学科学课堂，是教学的一种手段。使用一些人工智能软、硬件，能够促进学生深入了解科学事实，帮助学生建立科学概念。人工智能教学更强调培养学生，在提问理解能力上则更强调分析、思维逻辑推导的步骤。人工智能和教育技术的结合，能从根本上对实施教育进行全新的思考。

（一）利用语言识别功能，提高学生沟通能力

《声音》是粤教粤科版小学科学四年级上册第三单元的主要内容，包括声音的产生、声音的高低、声音的强弱、设计制作我们的小乐器、声音的传播、生活中的噪声六部分内容，使用传统教学模式，学生不容易理解书本知识。特别是对声音的高低和强弱，通过传统的敲击实验，学生只能模糊听出高低和强弱，而通过声音传感器读取声音的数值，把模糊的知识数字化有助于学生深入理解。在课程拓展中制作噪声检测仪，将人工智能技术里面的语音识别和语音合成功引入项目设计中，能促进学生交流能力的提高。

（二）利用图像识别功能，培养学生物体鉴定技能

《岩石》为小学科学四年级上册第二单元的主要内容，涵盖了各种各样的石头、制作岩石标本盒、石头和矿物、石头碎裂了、保护矿产资源等五部分内容，其中收集石头并制成岩石“身份证”为本课的重点，也是难点。岩石的颜色、大小和其他特征很难描述，对于学生采集到的样本也无法说出是什么品种。运用人工智能技术里面的图像识别功能提高学生的物体识别技能，可以引导学生制作专属的岩石库，通过视觉传感器的学习键对岩石进行拍照学习，通过编程软件进一步完善岩石“身份证”的信息。还可组织学生进行“识石大赛”，增进对岩石的认识。

（三）利用物体追踪功能，检测运动量

《体育与力》为粤教粤科版小学科学四年级下册第三单元的内容，包含汽车动的吗、物品的运动方式、体育运动的快和慢、设计和制造风帆汽车、体育运动与摩擦力、运动的物品是否有能力等六部分内容，其中学生对摩擦力和运动能力的概念不好理解。使用压力传感器获取重力数据，运用物体追踪功能可以检测运动量，学生通过数据的获取和运动轨迹图可加深对运动与力的理解。

（四）利用机器视觉识别功能，学会与植物交流

《花卉大观园》为粤教粤科版小学科学四年级下册第一单元的主要内容，其中收录了白兰和银杏、月月红和茉莉花、凤仙花和狗尾草、葡萄和爬墙虎、睡莲和荷叶、校园里的各种花卉、网上学习有趣的植物七部分内容。由于学校内的植物品种很多，且形态各异，让学生通过观察记录植物类别、植物名称、植株特点，而学生的知识面不足以认识每一种植物。通常通过智能手机“识万物”功能能识别植物，运用人工智能技术里的机器视觉识别制作植物标牌，可以把学习的植物进行分类，记录学生与植物的点滴生活，学会与植物交流。在教学拓展中，设计了一种AI农场，学生亲手栽培农作物，通过温湿度传感器收集土壤的大量信息，并使用机器视觉辨认作物，实现智能喷雾。使用机器学习技术来记录实时数据，观测植株生长状况，植物的颜色、花朵、果实，蜜蜂的密度和质量都怎么样，以及叶片上是不是有病害。通过早期的分析可以预估产量，从而更精确地掌握作物的生长状况，以及利用其他方法预防损失。

这种经过融合和创新设计的采用了人工智能技术的教学课堂，极大地提高了学习效能，给学生提供了不一样的学习感受，给课堂教学带来生机和活力。

三、人工智能技术与科学教学深度融合的思考

人工智能可以从一定程度上改变教育的方式，但是要完全取代教师是不可能的。待人工智能技术真正成熟时，教师的职责可能会更加简单，甚至角色上也会有一点改变，比如，知识的传授和技能的培训就完全可以交由人工智能教师来做。但对学生创新思想的引导、对学生疑难问题的处理，教师要倾注巨大的精力。利用人工智能和新兴科技与教学实践的深入融合，可以克服师资编制数量不够、教学质量不高不均衡等教学瓶颈问题，提升教师教育教学能力和教育扶贫实效。但是，人工智能虽可帮助学生进行个性化学习，却有缺少情感、缺乏人文关怀等弊端。在人工智能与学科融合的过程中，笔者提出以下建议。

（一）完善人工智能硬件设施

人工智能信息融合课程教育的高效实施，急需一定教学设备的支撑。目前，全国中小学信息技术必修课的教育环境还无法适应人工智能技术教育要求，且设备更新速度较慢。在将人工智能技术和小学教育教学融合运用方面，学校首先必须进行基础设施的配套建设，人工智能技术需要利用网络软件、计算机、AI装置等，而这些设备建设都要耗费相当的财力和物力。所以，小学必须关注人工智能信息技术教学和小学科学教育课程相关资源配置的整合，虽然信息科技课程一直被学校作为必修课之一，但在现实社会中长期被边缘化，需要提升人们对信息技术教学的关注度。

（二）培育具有人工智能素质的教师

人工智能学习和教学的融合迎来一个考验，从教师“教”转变为学生的“学”，对师资提出了更高的需求。为填补巨大的学科师资缺口，教师利用学习人工智能等科技知识推动学科发展，各学校派学习能力较强的教师外出学习，回校后再教给其他教师，通过这种方法培育一大批具备过硬教学能力和人工智能技术知识的优秀教师。另外，全体教职工也必须确立终身学习理念，以滿足时代对人才培养提出的需求。

（三）努力营造良性人工智能氛围

从小学阶段开办新一代人工智能教学班，应重在训练中小学生的运算逻辑思维与程序设计才能，为培育“适应智能社会需要的、具有优秀计算思维和编程能力的创新型人才”夯实基础。在教学内容的选取和难度上，要满足中小学生的兴趣爱好与知识水平。课程应当具备生活性，尤其是中小学生常用的、有认知的教学内容，并融合人工智能思想。教学的开展应当采用探究型、任务式和探究型合作等多种方式，使中小学生在探索合作过程中逐步养成创新意识与创新能力，同时通过跨学科学习，实现多种学科的融合式构建。此外，由于学校在信息化课堂的基础教学中课时设置相对较少，因此大部分信息化课时都被其他教学挤占。而人工智能技术的传授也大多利用信息化课堂进行，信息技术教师通过传授给学生“玩”人工智能产品的方式，让学生放手去玩，从玩乐中掌握解题的方法和经验。家长应当引导学生以积极主动的心态接触人工智能产品，在合理的教学时间里放手让学生探索发现、自主搭建、畅快交流、课题研发。学生、教师与家长三位一体，协同发力，营造良性的人工智能教学气氛。

综上所述，对于过去难以在教学工作中面对全体学生、因材施教、师生交互等问题，可利用人工智能技术和科研教育工作的融合，在课堂上互促互动、整体统筹、和谐发展。教师要掌握将人工智能信息技术和教育深度融合的策略与方式，从而提高教育信息化整体质量。我们正不断为学生开启一扇扇门，我们的学生将成为创新精神与科学实践能力相结合的新型人才。

【本文系广东省教育科学规划2023年度中小学教师教育科研能力提升计划项目“人工智能与学科教学深度融合的探究”研究成果之一，编号：2023YQJK790】

参考文献

[1]林昇结.信息化教学与课程教育深度融合实践成果研究[J].天下，2018（15）.

[2]张凡，郑益乐.人工智能技术与学校教育的融合路径研究[J].文教资料，2020（8）：167-168.