人工智能赋予小学科学课实践新资源的研究

摘

要：科学课程是培养学生科学素养的重要途径，人工智能为小学科学课程的实践创新提供了依据。文章简单介绍了人工智能的内涵，论述了人工智能在小学科学课实践中的应用意义，并对人工智能在小学科学课实践中的应用措施进行了进一步探究，希望为小学科学课的实践创新提供一些参考。关键词：人工智能;小学科学课;计算机科学随着人工智能赋能基础教育，小学科学教育教学的目标、理念、手段、模式均发生了喜人的变化。在人工智能教育应用的背景下，小学科学课程的实践目标日益精细，实践理念日益先进，实践手段与模式日益多样，为小学生科学素养的发展提供了良好的环境。一、人工智能概述人工智能是研究、开发可用于模拟、延伸和扩展人的智能理论、方法、技术及应用系统的技术。研究开发智能实体，是人工智能的主旨所在，这一主旨涉及了归纳学、逻辑学、数学、系统学、计算机科学、生物学、心理学、认知科学、神经科学、经济学、语言学等学科。人工智能主要以弱人工智能、强人工智能、超人工智能的形态存在。从应用领域来看，人工智能主要应用于机器人领域、语言识别领域、图像识别领域、专家系统等，如PET聊天机器人、语音开锁、人脸识别汽车牌号等。二、人工智能应用在小学科学课实践中的意义（一）加深科学认知在小学科学课程实践中应用人工智能，可以促进小学生认识科学事实，助力小学生头脑深处生成科学概念。小学科学课的实践流程可以划分为聚焦话题、实践探究、形成结论、拓展延伸几个环节。在上述环节应用人工智能软件，可以作为探究工具，辅助小学生快速得出结论，加深学生对科学知识的认识。（二）促进师生互动在小学科学课程实践中应用人工智能，可以关联学生的学习活动与教师的教学活动，促进师生的互动。正式课程中，教师可以通过人工智能软件展示任务，学生则自主分析并拆解任务，进而由教师辅导学生使用人工智能软件探究科学知识，观察科学过程，总结科学结论，完成知识建构，实现师生的深度交互。三、人工智能在小学科学课实践中的应用措施（一）聚焦育人目标开展人工智能教育，是人工智能时代赋予科学课程的使命，也是科学课程实践变革的关键。在小学科学课程实践中应用人工智能是一个复杂的过程，需要教师聚焦育人目标，结合小学生的身心发展特点、认知起点，以人工智能为载体，让学生亲历探究式的学习过程。小学科学课实践育人的目标本质上是“培养什么样的人、培养人才什么样的技能”的问题。落实到小学生身上，教师可以将科学课程实践的育人目标归整为“懂得智能、敢于创效、学会合作”。在知识技能维度，小学生应了解人工智能的基本原理、应用过程，明确人的智能、人工智能的差异，主动掌握与人工智能协作的能力。基于上述目标，教师应给予小学生足够自主获取知识体验的机会，扩大学生灵活应用科学技术的空间，促使学生在真实的经历中区分人的智能和人工智能。例如，在教科版小学四年级下册《种植凤仙花》导入部分，教师可以营造一个需要种植凤仙花的情境，启示学生通过自身解决问题，并尝试记录过程，再呈现人工智能种植凤仙花的方案，促使小学生初步了解人工智能与人类智能的差异。接着，教师引导小学生反向思考种植凤仙花的流程、人工智能呈现凤仙花种植流程的相同点、不同点，展开详细类比。在类比中，教师可以鼓励小学生将自身思考的过程类比人工智能图像识别的过程，将自身知识储备类比为人工智能背后的大规模数据库，将自身查询凤仙花的图谱过程类比为人工智能搜索算法，形成人工智能与人的智能同时存在的情境。在情境中，教师可以带领学生解决关于凤仙花种植的问题，并体会人工智能与人的智能的差异，了解人工智能在压缩凤仙花种植方案制订所需时间成本的优势。特别是在查询凤仙花图谱的环节，小学生自行思考、查询有关图谱的时间较长，而借助人工智能可以在短时间内生成图谱识别结果。在了解了人工智能的优势之后，教师可以带领学生利用人工智能提取凤仙花的叶、花等特征，以及种植过程中凤仙花的状态变化，真正帮助小学生感受人工智能带给其学习生活带来的益处，为下一阶段人工智能在小学科学课程中的应用搭建脚手架。（二）梳理教学模式梳理教学模式是人工智能在小学科学课程实践中应用的关键环节，需要从学生的学习活动、教师的教学活动两个方面进行梳理：一方面，学生的学习活动，可细分为感受科学、实践操作、发散思维三个环节。首先，学生需要在教师创建的生活化情境中感受科学，发现并提出想要探究的内容;其次，学生可以根据探究内容，以小组为单位，在人工智能软件的支持下修正已有的科学经验，进行实践操作探究，在探究中初步建立相关概念;最后，在人工智能软件数据分析功能的支持下，学生将感性认知转换为理性认知，将抽象知识转化为具体信息，从而真正发展了科学形象思维。另一方面，教师的教学活动，可以划分为设计、示范、辅导、总结几个环节。首先，教师可以根据科学课程设计教学方案，寻找与教学方案相契合的人工智能软件;其次，教师可以根据教学任务，为学生示范人工智能软件的操作方法，给予学生足够的自主学习时间;再次，教师可以辅导学生借助人工智能软件获得知识，并及时答疑;最后，教师可以总结科学探究成果，并对学生的学习过程表现进行评价。以教科版小学四年级上册《身体的运动》教学为例。这一课程隶属于生命科学领域，需要学生在学习后对生物体的结构与功能形成正确的认识，并明了人体各系统的分工配合对生命活动维持的重要作用，为学生理性探究科学精神的形成奠定基础。因前期已学习了《我们的身体》这一内容，小学生初步掌握了人体肌肉、骨骼、关节的概念。基于此，教师可以引导小学生将研究视角从人体外部转移到人体内部，为后续人体各部分相互协调的知识学习提供依据。鉴于人体内部系统各部分活动具有抽象性的特点，教师可以利用“人体探秘”智能软件，通过动画的形式呈现人体运动时氧气顺气管到达肺部，二氧化碳从肺部经气管、鼻腔排出的过程，协助小学生解决“人是怎么呼吸的”这一问题，并促使小学生初步掌握呼吸系统的组成结构以及工作顺序。在此基础上，教师启发学生提出问题：“为什么吸进肺部的气体与肺部呼出的气体不一样？”这为解决“人为什么呼吸”这一问题提供了依据，进而整合了兩个问题的结果，得出“为什么运动后呼吸加快”这一问题的答案。在得出问题答案的过程中，小学生可以整合视觉感官的感知内容并存储到大脑中，对大脑中再现的具象进行分析、提炼、整合、概述，获得概象，这为学生科学创造能力的生成做好了铺垫。（三）设计探究项目人工智能是一门融合了多学科抽象原理的技术，当前，并无标准教材与课程评价，这对人工智能应用于小学科学课程教学提出了较大的挑战。现阶段，多数小学生对人工智能的概念认识不明确，甚至将人工智能产品等同于机器人、电脑、家用电器，因此，将人工智能应用于小学科学课程迫在眉睫。根据现今时期学生期望学校科普人工智能的情况，教师可以设计专门的探究项目。以教科版小学四年级上册《听听声音》教学为例。教师可以依据双轨制教学理念，将“听听声音”课程与人工智能领域的语音识别技术进行整合。在探究项目正式开展初期，教师可以采用真实问题的情境：“在日常生活中，你是否接触过或听说过‘天猫精灵‘联通智能管家或者其他智能工具？”在提出问题后，教师要求小学生联系实际，阐述不同的智能工具及其各自的优点，并尝试寻找具有语音识别技术的智能工具，记录智能工具的名称、功能，以便将人工智能由抽象变为具体，帮助学生真正感受人工智能;在探究项目正式开展的中期，教师可以将学生划分为若干个小组，要求各小组合作完成《听听声音》学习单，通过学习单的自选作业确定研究内容，并通过查阅资料、观看科幻动画片、调查身边的人工智能产品等方式实现知识支架的构建。在学生初步完成知识支架的构建后，教师可以再次提出问题：“科学家是如何让机器听懂我们的语言的？”引导学生联系自身听到声音的过程，推测人工智能机器识别声音的原理，形成语音识别技术的雏形，然后教师为学生提供“天猫精灵”电话手表、Siri等人工智能产品，促使学生自行验证自身的结论;在探究项目正式开展后，教师可以布置“听听声音—语音识别”实施状况的调查作业，要求学生以团队协作的形式探讨语音识别技术的原理，并进行原理验证。在学生完成作业后，教师可以测试学生对人工智能的认识，确定学生正确认识人工智能以及语音识别技术的原理、步骤，为下一步的知识迁移积累动力，从而真正激发小学生对人工智能的研究兴趣，逐步帮助学生形成了正确的人工智能科学观念。（四）整合智能资源现在的小学生具有“数字原生代”的称号，多数小学生可以在日常生活中自觉应用各种信息技术、智能技术。基于此，在小学科学课程资源的开发阶段，教师应借鉴工程设计思路，摆脱传统科学教学资源效率低、安全性低、可重复使用率低的束缚，利用“外部引入+本土化升级”的手段整合智能资源。在将科学课程现有实验模型、实验器材升级为科学模拟探究软件、掌上实验室的基础上，引入移动化、微型的人工智能工具，便于人工智能更好地应用于小学科学教学实践中。以教科版小学四年级上册《感受我们的呼吸》教学过程为例。教师可以以学生为主体，依托SKO便携式智能导学系统，整合课程知识点、测试题，要求学生当堂完整填写;然后引入智能卡片机，将抽象的呼吸系统知识转化为具体的现象。智能卡片机需要贯穿于课程的导入环节、教师讲授环节与学生游戏环节。在导入环节，教师需要采用直观对比的形式，引导学生发现新授知识的特点;在讲授环节，教师可以借助智能卡片展示人体呼吸的过程，便于学生真实感受呼吸的原理;在学生游戏环节，教师可以将学生划分为若干个小组，以小组为单位，根据卡片指導感受呼吸过程中身体的变化，并记录呼吸的次数，关联感性经验与理性事实。同时教师可以引入“人体探秘”软件，引导学生借助软件观察人体呼吸的过程，模仿软件绘制空气在体内流动的过程，各小组表达对人体呼吸的感性认识。进而教师可以结合软件中展示的人体呼吸器官结构，从呼吸过程中的器官结构、器官功能、吸进呼出气体等方面，纠正学生关于呼吸的感性认识。在这个基础上，教师可以经人工智能搜索软件展示的科学家关于人体呼吸的研究数据，加深学生对人体呼吸的概念性认知，真正将抽象的人体呼吸过程转化为具体、形象的科学表述。进入尾声后，教师可以联系