人工智能融入小学科学课堂教学的实践分析

2023-10-14文/李想

名师在线 2023年22期

文/李想

《新一代人工智能发展规划》明确指出，人工智能已成为国际竞争的新焦点，是引领未来的战略性技术。教育部门应逐步开展全民智能教育项目，在中小学阶段设置人工智能相关课程，逐步推广编程教育，建设人工智能学科。2018 年教育部公布《教育信息化2.0行动计划》，推动各地中小学引入人工智能教育，为教师专业发展赋能，推进教育形态与教育模式重构。在智能时代的背景下，在小学阶段开展人工智能教育对我国人工智能发展和实现教育现代化具有重要意义。

当前，小学阶段人工智能教育的开展主要有两种方式：一是专门开设人工智能课程；二是将人工智能教育融入学科教学。目前，由于人工智能课程体系仍不完善，缺乏专业教师，难于创设学习环境，许多小学不具备专门开设人工智能课程的条件[1]。因此，探索人工智能与学科教学的融合策略是在目前条件下普及人工智能教育的主要途径。

小学科学作为一门综合性基础课程，学习内容涉及物质科学、生命科学、地球与宇宙科学及技术与工程等多个领域，强调在动手实践中发展学生解决问题的能力和创新能力，与人工智能教育有着相似的育人价值取向。人工智能通过模拟人的思维及身体结构和功能，实现与外界环境交互、推理决策和行动控制，在学习内容上人工智能与小学科学存在交叉部分。总体而言，人工智能与小学科学有较好的学科融合基础，小学科学教师可以在教学实践中积极探索与人工智能的融合教学。

目前，人工智能融入小学科学课堂教学还处在起步阶段，教师在实践中存在融合动力不足、实践认知不清、融入路径不明等问题。本文主要分析融合教学中的常见误区，并探讨融合教学的基本路径，提出教学建议供同行参考借鉴。

一、人工智能技术与小学科学教师的专业发展

目前，我国中小学人工智能教育的师资在数量和质量上都存在 “缺口”，多为其他学科教师兼任。受知识背景的局限，教师对掌握人工智能技术和实现专业发展的关系认识不足，在学习研究人工智能技术时存在内驱力不足的问题。回顾过去，信息技术引入学校教育与如今人工智能技术的境况相似，当时许多教师认为上课只需要一块黑板和一支粉笔足矣。然而今天，教师已经普遍认可信息技术在提高教学工作效率及促进学生学习发展中的巨大作用。目前的人工智能技术也即将进入教学辅助、教学管理、教学评价等各领域，影响教育教学方式的变革。例如，虚拟现实技术（VR 技术）可以突破时空限制，将小学科学中不容易直观体验的学习内容仿真地、动态地虚拟出来，让学生进行沉浸式的体验学习，建构知识体系。教师还可以探索将人工智能技术介入实验教学评价的方式，对学生的实验操作进行全方位的实时监测、诊断，精准分析并及时反馈，提高实验教学的完成度[2]。

现阶段人工智能技术在教育领域的应用正迅猛发展，人工智能技术在将来一定是教师必须掌握和熟练应用的基本技能。小学科学教师应把握这一发展机遇，应用人工智能技术突破教学难点，提高教学有效性，发展自身的专业能力。

二、进行人工智能与小学科学融合时应具有的实践性认知

由于缺乏人工智能教育的相关培训，部分小学科学教师对人工智能在学科教学中的渗透、应用和整合存在认知偏差，影响了人工智能融合教育的开展。在进行融合教学的实践中，小学科学教师最大的困惑是“如何区分人工智能和一般的信息技术”及“哪些学习内容属于人工智能范畴”。在具体教学中，教师可以从人工智能的三大特征出发，分析这些问题。

学术界普遍认为，人工智能应具有三大基本特征：互联网大数据、摩尔定律（算力）和算法。互联网大数据是指基于一定信息技术工具的数据收集、储存和应用的综合；摩尔定律是指在芯片制造层面对计算能力发展的人为假说；算法是指用系统的方法描述解决问题的策略机制。教师可以依据人工智能的三大特征判断在教学中常见的所谓“人工智能应用”案例是否具有人工智能特征。例如，某些教师将“家用扫地机”作为人工智能的生活应用案例，但依据人工智能三大特征进行分析，会发现一般扫地机的运动轨迹和方式都由事先设计的程序所限定，不具有对大数据、人工智能算力和算法的应用，属于自动化领域的产品。

同时，教师可以依据人工智能的三大特征开展人工智能与学科融合教学，在小学科学教学中渗透、应用和整合人工智能三大特征中的某一项或某几项。其中，互联网大数据、算力的学习内容可以结合学科教学关联部分，根据学生的认知发展水平进行科普性介绍；算法部分可以结合学校条件和学生发展实际，创设真实情境，开展跨学科教学。

三、人工智能与小学科学融合的基本路径

小学科学教师在开展人工智能融合教学时，常常出现无从下手、融合路径不清等状况。笔者通过近几年的教学实践和对福建省人工智能优秀教学案例的梳理，建议小学科学教师可以尝试通过以下路径，将人工智能与学科教学相互渗透融合。

（一）选用具有人工智能特征的教学素材

在开展人工智能与学科融合教学时，教师首先应考虑选择具有人工智能基本特征的教学素材，让学生在学科学习中感受人工智能技术的广泛应用。

例如，在苏教版科学六年级（上册）“观察星空”一课中，教材以普通的星空图片导入，让学生思考“生活中所说的星座是什么？能在夜空中找到你的生日星座吗？”，从而激发学生对观察星空的兴趣。教师可以在这一环节把普通星空图片替换为中国“天眼”——射电望远镜拍摄的星座图片，并向学生延伸介绍：“这些绚烂的图片是依靠人工智能的技术手段将射电望远镜捕捉到的信号转化、渲染后形成的。普通射电望远镜需要经过人工筛查找到星系，其过程费时又费力。我国科学家把人工智能应用在中国‘天眼’上，大大提升了‘找星星’这个过程的效率。”这样，学生能感受到人工智能技术的魅力，体会到人工智能应技术在社会生活中的广泛应用。

（二）引入具有人工智能技术的教具和学具

教师可以适时使用基于应用背景下的人工智能教具和学具，提高教学效率，如人脸识别、语音识别技术等。这是在现有条件下比较容易实现的人工智能和学科教学融合的路径。

例如，在苏教版科学六年级（上册）“观察星空”一课中，学生利用观星软件寻找北极星，并通过观察发现北极星的位置不变，始终位于北方天空，了解到人们自古以来便依据北极星的这一特点辨认方向。但由于北极星的亮度为二等星，在星空中并不好寻找，学生需要了解北斗七星的特点，并通过北斗七星与北极星的位置关系找到北极星，学习起来有一定的难度，需要教师提供学习支架。此时，教师引入可视化编程软件中的语音识别模块，引导学生通过语音识别模块快速获得北斗七星资料并找到北极星。寻找有困难的学生还可以通过语音识别自动找到观星软件中的北极星位置，验证北斗七星和北极星的位置关系。语音识别是目前相对成熟的人工智能技术，将它应用在本课教学中，可以降低学生寻找星座的难度，提高学生获取资料的效率，让学生实现分层学习。同时，学生在人工智能学具的应用中亲身体验人工智能技术给学习、生活带来的便利，能够激发对人工智能的兴趣和热情。

（三）整合人工智能和学科教学内容

基于上述两个方面的教学替换、调整，教师还可以尝试将人工智能与学科教学内容进行更深程度的整合，如通过项目化学习的方式整合教学内容，让学生在问题解决的过程中应用学科知识和人工智能技术，从而发展学生任务分解和问题转化的能力，提升学生信息素养水平。

例如，苏教版科学五年级（下册）“撬重物的窍门”一课的主要教学内容为研究杠杆原理及了解杠杆在生活中的应用。教师可以尝试融入人工智能重整学习内容，以设计并制作一架能自动投中目标的“智能投石器”为驱动性任务，引导学生分解任务，在软件编程的基础上调试力臂长度，辅以舵机和红外线传感器实现自动投掷，形成项目化学习案例“制作投石器”[3]。在项目化学习过程中，学生会综合应用学科知识和人工智能技术解决问题，实现跨学科学习，发展多方面的能力和素养。

（四）重整人工智能介入教学的过程

教师可以将现有的人工智能教学系统与学生的学习过程相融合，探索基于自适应学习的个性化学习路径。人工智能系统可以根据学生的学习情况和能力水平推送不同的学习资料和练习，减轻教师的教学负担，为学生提供更有针对性的指导。教师还可以基于人工智能课堂教学分析平台，实现对课堂过程各项数据的实时采集，研究课堂教学各环节的成效，达到改进教学的目的[4]。总之，教师可以利用人工智能技术重整教学过程，通过对课堂教学的精准分析和对学生学习的个性化指导实现深度教学。

四、人工智能与小学科学融合的教学建议

小学科学教师在进行人工智能融合教学设计时，需要跳出学科本位进行思考，积极学习并掌握人工智能技术，充分联系课程内容，整合人工智能教学资源。在课堂上构建与人工智能技术融合的教学场景，依据学生认知发展水平进行融合教学，激发学生学习兴趣，提升学生信息素养和创新能力，实现人工智能的普及教育。

（一）选择与人工智能有关的小学科学教学内容

小学科学教师在进行人体部分教学时可以适当拓展有关人工智能的内容。例如，在引导学生认识人的感官时，可以介绍机器人如何利用多种传感器接收外部信息；在讲解人的神经系统时，可以介绍人工智能如何通过模拟人的神经网络在学习能力和思维能力上大大提升；在讲解仿生时，可以介绍机器人如何通过模仿人的身体结构实现类似人的行动和控制。此外，在进行科学史的讲解时，教师也可以适当融入人工智能的发展历史。

（二）应用人工智能技术提高课堂探究效率

目前，随着人工智能技术的发展，已经有较成熟的人工智能软件进入社会生活。小学科学教师可以根据课堂教学需要，选择合适的软件提高课堂探究的效率。例如，在苏教版科学一年级（下册）“玩泥巴”一课中，学生在筛、和、捏泥土的过程中，不便使用传统纸笔方式进行记录。对此，教师就可以应用语音识别技术帮助学生记录学习过程中的发现[5]。又如，在教科版科学六年级（下册）“校园生物大搜索”一课中，在学生观察和记录校园里的植物时，教师可以应用识图软件帮助学生识别不认识的植物，满足学生个性化的学习需求，帮助学生实现高效探究。

（三）设计物化中融合编程学习

工程设计与物化是小学科学技术工程领域重要的学习内容，具有实践性、综合性的特点，可以发展学生的创造力和动手能力，是进行跨学科融合学习的重要部分[6]。科学教师可以尝试在工程设计与物化教学中融合人工智能教育，如在设计物化环节引入传感器，整合编程学习，让物化模型具有更高的自动化水平，从而更好地解决工程问题。同时，基于问题解决的设计与物化也为学生的编程学习提供了良好的学习情境，能够激发学生的学习兴趣，发展学生的创新能力。

（四）重视学生与人工智能技术的真实连接

学生的科学学习是在原有经验的基础上在不断探究和体验中发生的。因此，教师在将科学学科和人工智能融合时要基于学生认知水平，重视学生与人工智能技术的真实连接。虽然学生对人工智能的应用并不陌生，但人工智能技术本身与学生经验之间仍然存在鸿沟。2021 年中央电化教育馆发布了《中小学人工智能技术与工程素养框架》，明确了基础教育阶段人工智能教育的核心素养和学习内容要求。在安排学习进度时，教师可以依据上述文件提出的各学段培养要求进行教学设计。