黃金華 陳杰飛

〔摘? ? 要〕? ? 將人工智能技術(shù)和小學(xué)科學(xué)教育融合，是改革中國傳統(tǒng)教育內(nèi)部結(jié)構(gòu)、全面實(shí)施素質(zhì)教育、造就創(chuàng)新型人才的基本路徑。融合有助于進(jìn)一步豐富教育教學(xué)內(nèi)容，提高小學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。利用人工智能技術(shù)里的圖像辨識(shí)、語音識(shí)別、圖像跟蹤等功能，解決科學(xué)課上的重點(diǎn)問題和難題。人工智能技術(shù)走進(jìn)課堂，顛覆了傳統(tǒng)教學(xué)方式，從而使科學(xué)教學(xué)得到突破性的進(jìn)展。

〔關(guān)鍵詞〕? ? 小學(xué)科學(xué)；人工智能技術(shù)；融合策略

〔中圖分類號(hào)〕? G424? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕? A? ? ? ? 〔文章編號(hào)〕? 1674-6317? （2023）? 09-0004-03

隨著智能手機(jī)的普及，人工智能快速進(jìn)入普通家庭的生活。它借助人們的衣食住行等大量數(shù)據(jù)，通過不斷迭代、學(xué)習(xí)，給我們的生活帶來很多便利。人工智能也快速融入各個(gè)行業(yè)，創(chuàng)造了很多的價(jià)值，特別是疫情防控期間尤為明顯。人工智能技術(shù)迅速走進(jìn)教育界，既是教改新手段和工具，更是課堂講授內(nèi)容。教育部教育信息化工作研究專家組秘書長(zhǎng)、華東師范學(xué)院客座教授任友群認(rèn)為，人工智能技術(shù)對(duì)深化教育體制改革將產(chǎn)生影響。人工智能技術(shù)與科學(xué)文化教育融入發(fā)展，是改造傳統(tǒng)學(xué)科結(jié)構(gòu)、建立全新的學(xué)科架構(gòu)、推動(dòng)素質(zhì)教育、造就創(chuàng)新型人才的基本路徑。這一系列的教育政策與措施，為新一代人工智能技術(shù)在小學(xué)科學(xué)學(xué)科教育中的使用與融入，提供了方向，它的融入和革新已然成為社會(huì)和時(shí)代的大趨勢(shì)。

一、人工智能技術(shù)與小學(xué)科學(xué)深度融合的意義

人工智能技術(shù)（Artificial Intelligence），英文縮寫為AI。人工智能是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一種重要分支學(xué)科，是研究、發(fā)展用以模仿、延續(xù)和擴(kuò)展人腦智慧活動(dòng)的基礎(chǔ)理論、方式、技能和運(yùn)用體系的一種全新的工程技術(shù)學(xué)科。新一代人工智能領(lǐng)域從發(fā)展至今，理論與技術(shù)都越來越完善，應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。該領(lǐng)域的主要研究成果涉及自動(dòng)化機(jī)器人、語音識(shí)別、圖片辨識(shí)、自然話語信息處理，以及專家管理系統(tǒng)等等。深度融合的關(guān)鍵是技術(shù)創(chuàng)新。如何進(jìn)行信息化學(xué)習(xí)和教育實(shí)踐的深度融合，并革新信息化課程與學(xué)習(xí)方法，提高學(xué)生個(gè)性化教育？它既不僅是技術(shù)問題，也不僅是教學(xué)模式問題，它是校長(zhǎng)的問題、教師的問題、學(xué)生的問題，也是學(xué)校課程和教育自身的問題。

（一）豐富教學(xué)內(nèi)容

在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，很多知識(shí)通過教學(xué)無法使學(xué)生快速理解，把人工智能技術(shù)引入課堂，通過獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有助于學(xué)生理解知識(shí)、提高科學(xué)素養(yǎng)。同時(shí)，新一代人工智能發(fā)展正在倒逼課程系統(tǒng)的重構(gòu)，創(chuàng)新性思考與協(xié)作能力訓(xùn)練的課程內(nèi)容也將得以提高，推動(dòng)跨學(xué)科內(nèi)容的融入成為新趨勢(shì)，包括STEAM教學(xué)等已呈現(xiàn)出這方面的典型特點(diǎn)。

（二）轉(zhuǎn)變教師角色

人工智能和教學(xué)技術(shù)的深度融合，使教師角色被賦予了新的時(shí)代含義。人工智能雖然無法直接代替教師，但能夠?qū)⑵鋸臒┈嵉闹R(shí)傳授中解放出來，并開展具有創(chuàng)新性的德育教育與能力訓(xùn)練等工作。智能時(shí)代對(duì)教育能力的需求也發(fā)生了巨大改變，人們對(duì)教育信息素質(zhì)的需求將被提高至前所未有的高度，而教育能力標(biāo)準(zhǔn)也將被重新界定，對(duì)教師的職業(yè)要求將全面更新。

（三）滿足學(xué)生求知欲

中小學(xué)生對(duì)于周遭世界有著旺盛的好奇心與需求欲，而這些好奇心與需求欲是促進(jìn)小學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)的內(nèi)在力量，并對(duì)于其終身發(fā)展有著巨大的影響。利用人工智能技術(shù)可創(chuàng)造輕松的課堂氣氛，維持學(xué)生的信心與求知欲，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行積極探索，累積實(shí)際生活經(jīng)驗(yàn)，從而提高教學(xué)的意義與趣味性。

人工智能與學(xué)生之間的關(guān)系是互動(dòng)關(guān)系。人工智能教學(xué)需要轉(zhuǎn)變一種思維方式，即從被動(dòng)了解轉(zhuǎn)向自主學(xué)習(xí)，突出學(xué)生的主體地位。人工智能可以完成一對(duì)一的教學(xué)流程，而這在傳統(tǒng)教育中是很難實(shí)現(xiàn)的。

二、人工智能技術(shù)與小學(xué)科學(xué)深度融合的方法

將人工智能技術(shù)運(yùn)用于小學(xué)科學(xué)課堂，是教學(xué)的一種手段。使用一些人工智能軟、硬件，能夠促進(jìn)學(xué)生深入了解科學(xué)事實(shí)，幫助學(xué)生建立科學(xué)概念。人工智能教學(xué)更強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生，在提問理解能力上則更強(qiáng)調(diào)分析、思維邏輯推導(dǎo)的步驟。人工智能和教育技術(shù)的結(jié)合，能從根本上對(duì)實(shí)施教育進(jìn)行全新的思考。

（一）利用語言識(shí)別功能，提高學(xué)生溝通能力

《聲音》是粵教粵科版小學(xué)科學(xué)四年級(jí)上冊(cè)第三單元的主要內(nèi)容，包括聲音的產(chǎn)生、聲音的高低、聲音的強(qiáng)弱、設(shè)計(jì)制作我們的小樂器、聲音的傳播、生活中的噪聲六部分內(nèi)容，使用傳統(tǒng)教學(xué)模式，學(xué)生不容易理解書本知識(shí)。特別是對(duì)聲音的高低和強(qiáng)弱，通過傳統(tǒng)的敲擊實(shí)驗(yàn)，學(xué)生只能模糊聽出高低和強(qiáng)弱，而通過聲音傳感器讀取聲音的數(shù)值，把模糊的知識(shí)數(shù)字化有助于學(xué)生深入理解。在課程拓展中制作噪聲檢測(cè)儀，將人工智能技術(shù)里面的語音識(shí)別和語音合成功引入項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，能促進(jìn)學(xué)生交流能力的提高。

（二）利用圖像識(shí)別功能，培養(yǎng)學(xué)生物體鑒定技能

《巖石》為小學(xué)科學(xué)四年級(jí)上冊(cè)第二單元的主要內(nèi)容，涵蓋了各種各樣的石頭、制作巖石標(biāo)本盒、石頭和礦物、石頭碎裂了、保護(hù)礦產(chǎn)資源等五部分內(nèi)容，其中收集石頭并制成巖石“身份證”為本課的重點(diǎn)，也是難點(diǎn)。巖石的顏色、大小和其他特征很難描述，對(duì)于學(xué)生采集到的樣本也無法說出是什么品種。運(yùn)用人工智能技術(shù)里面的圖像識(shí)別功能提高學(xué)生的物體識(shí)別技能，可以引導(dǎo)學(xué)生制作專屬的巖石庫，通過視覺傳感器的學(xué)習(xí)鍵對(duì)巖石進(jìn)行拍照學(xué)習(xí)，通過編程軟件進(jìn)一步完善巖石“身份證”的信息。還可組織學(xué)生進(jìn)行“識(shí)石大賽”，增進(jìn)對(duì)巖石的認(rèn)識(shí)。

（三）利用物體追蹤功能，檢測(cè)運(yùn)動(dòng)量

《體育與力》為粵教粵科版小學(xué)科學(xué)四年級(jí)下冊(cè)第三單元的內(nèi)容，包含汽車動(dòng)的嗎、物品的運(yùn)動(dòng)方式、體育運(yùn)動(dòng)的快和慢、設(shè)計(jì)和制造風(fēng)帆汽車、體育運(yùn)動(dòng)與摩擦力、運(yùn)動(dòng)的物品是否有能力等六部分內(nèi)容，其中學(xué)生對(duì)摩擦力和運(yùn)動(dòng)能力的概念不好理解。使用壓力傳感器獲取重力數(shù)據(jù)，運(yùn)用物體追蹤功能可以檢測(cè)運(yùn)動(dòng)量，學(xué)生通過數(shù)據(jù)的獲取和運(yùn)動(dòng)軌跡圖可加深對(duì)運(yùn)動(dòng)與力的理解。

（四）利用機(jī)器視覺識(shí)別功能，學(xué)會(huì)與植物交流

《花卉大觀園》為粵教粵科版小學(xué)科學(xué)四年級(jí)下冊(cè)第一單元的主要內(nèi)容，其中收錄了白蘭和銀杏、月月紅和茉莉花、鳳仙花和狗尾草、葡萄和爬墻虎、睡蓮和荷葉、校園里的各種花卉、網(wǎng)上學(xué)習(xí)有趣的植物七部分內(nèi)容。由于學(xué)校內(nèi)的植物品種很多，且形態(tài)各異，讓學(xué)生通過觀察記錄植物類別、植物名稱、植株特點(diǎn)，而學(xué)生的知識(shí)面不足以認(rèn)識(shí)每一種植物。通常通過智能手機(jī)“識(shí)萬物”功能能識(shí)別植物，運(yùn)用人工智能技術(shù)里的機(jī)器視覺識(shí)別制作植物標(biāo)牌，可以把學(xué)習(xí)的植物進(jìn)行分類，記錄學(xué)生與植物的點(diǎn)滴生活，學(xué)會(huì)與植物交流。在教學(xué)拓展中，設(shè)計(jì)了一種AI農(nóng)場(chǎng)，學(xué)生親手栽培農(nóng)作物，通過溫濕度傳感器收集土壤的大量信息，并使用機(jī)器視覺辨認(rèn)作物，實(shí)現(xiàn)智能噴霧。使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)來記錄實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，觀測(cè)植株生長(zhǎng)狀況，植物的顏色、花朵、果實(shí)，蜜蜂的密度和質(zhì)量都怎么樣，以及葉片上是不是有病害。通過早期的分析可以預(yù)估產(chǎn)量，從而更精確地掌握作物的生長(zhǎng)狀況，以及利用其他方法預(yù)防損失。

這種經(jīng)過融合和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的采用了人工智能技術(shù)的教學(xué)課堂，極大地提高了學(xué)習(xí)效能，給學(xué)生提供了不一樣的學(xué)習(xí)感受，給課堂教學(xué)帶來生機(jī)和活力。

三、人工智能技術(shù)與科學(xué)教學(xué)深度融合的思考

人工智能可以從一定程度上改變教育的方式，但是要完全取代教師是不可能的。待人工智能技術(shù)真正成熟時(shí)，教師的職責(zé)可能會(huì)更加簡(jiǎn)單，甚至角色上也會(huì)有一點(diǎn)改變，比如，知識(shí)的傳授和技能的培訓(xùn)就完全可以交由人工智能教師來做。但對(duì)學(xué)生創(chuàng)新思想的引導(dǎo)、對(duì)學(xué)生疑難問題的處理，教師要傾注巨大的精力。利用人工智能和新興科技與教學(xué)實(shí)踐的深入融合，可以克服師資編制數(shù)量不夠、教學(xué)質(zhì)量不高不均衡等教學(xué)瓶頸問題，提升教師教育教學(xué)能力和教育扶貧實(shí)效。但是，人工智能雖可幫助學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化學(xué)習(xí)，卻有缺少情感、缺乏人文關(guān)懷等弊端。在人工智能與學(xué)科融合的過程中，筆者提出以下建議。

（一）完善人工智能硬件設(shè)施

人工智能信息融合課程教育的高效實(shí)施，急需一定教學(xué)設(shè)備的支撐。目前，全國中小學(xué)信息技術(shù)必修課的教育環(huán)境還無法適應(yīng)人工智能技術(shù)教育要求，且設(shè)備更新速度較慢。在將人工智能技術(shù)和小學(xué)教育教學(xué)融合運(yùn)用方面，學(xué)校首先必須進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施的配套建設(shè)，人工智能技術(shù)需要利用網(wǎng)絡(luò)軟件、計(jì)算機(jī)、AI裝置等，而這些設(shè)備建設(shè)都要耗費(fèi)相當(dāng)?shù)呢?cái)力和物力。所以，小學(xué)必須關(guān)注人工智能信息技術(shù)教學(xué)和小學(xué)科學(xué)教育課程相關(guān)資源配置的整合，雖然信息科技課程一直被學(xué)校作為必修課之一，但在現(xiàn)實(shí)社會(huì)中長(zhǎng)期被邊緣化，需要提升人們對(duì)信息技術(shù)教學(xué)的關(guān)注度。

（二）培育具有人工智能素質(zhì)的教師

人工智能學(xué)習(xí)和教學(xué)的融合迎來一個(gè)考驗(yàn)，從教師“教”轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生的“學(xué)”，對(duì)師資提出了更高的需求。為填補(bǔ)巨大的學(xué)科師資缺口，教師利用學(xué)習(xí)人工智能等科技知識(shí)推動(dòng)學(xué)科發(fā)展，各學(xué)校派學(xué)習(xí)能力較強(qiáng)的教師外出學(xué)習(xí)，回校后再教給其他教師，通過這種方法培育一大批具備過硬教學(xué)能力和人工智能技術(shù)知識(shí)的優(yōu)秀教師。另外，全體教職工也必須確立終身學(xué)習(xí)理念，以滿足時(shí)代對(duì)人才培養(yǎng)提出的需求。

（三）努力營造良性人工智能氛圍

從小學(xué)階段開辦新一代人工智能教學(xué)班，應(yīng)重在訓(xùn)練中小學(xué)生的運(yùn)算邏輯思維與程序設(shè)計(jì)才能，為培育“適應(yīng)智能社會(huì)需要的、具有優(yōu)秀計(jì)算思維和編程能力的創(chuàng)新型人才”夯實(shí)基礎(chǔ)。在教學(xué)內(nèi)容的選取和難度上，要滿足中小學(xué)生的興趣愛好與知識(shí)水平。課程應(yīng)當(dāng)具備生活性，尤其是中小學(xué)生常用的、有認(rèn)知的教學(xué)內(nèi)容，并融合人工智能思想。教學(xué)的開展應(yīng)當(dāng)采用探究型、任務(wù)式和探究型合作等多種方式，使中小學(xué)生在探索合作過程中逐步養(yǎng)成創(chuàng)新意識(shí)與創(chuàng)新能力，同時(shí)通過跨學(xué)科學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)多種學(xué)科的融合式構(gòu)建。此外，由于學(xué)校在信息化課堂的基礎(chǔ)教學(xué)中課時(shí)設(shè)置相對(duì)較少，因此大部分信息化課時(shí)都被其他教學(xué)擠占。而人工智能技術(shù)的傳授也大多利用信息化課堂進(jìn)行，信息技術(shù)教師通過傳授給學(xué)生“玩”人工智能產(chǎn)品的方式，讓學(xué)生放手去玩，從玩樂中掌握解題的方法和經(jīng)驗(yàn)。家長(zhǎng)應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生以積極主動(dòng)的心態(tài)接觸人工智能產(chǎn)品，在合理的教學(xué)時(shí)間里放手讓學(xué)生探索發(fā)現(xiàn)、自主搭建、暢快交流、課題研發(fā)。學(xué)生、教師與家長(zhǎng)三位一體，協(xié)同發(fā)力，營造良性的人工智能教學(xué)氣氛。

綜上所述，對(duì)于過去難以在教學(xué)工作中面對(duì)全體學(xué)生、因材施教、師生交互等問題，可利用人工智能技術(shù)和科研教育工作的融合，在課堂上互促互動(dòng)、整體統(tǒng)籌、和諧發(fā)展。教師要掌握將人工智能信息技術(shù)和教育深度融合的策略與方式，從而提高教育信息化整體質(zhì)量。我們正不斷為學(xué)生開啟一扇扇門，我們的學(xué)生將成為創(chuàng)新精神與科學(xué)實(shí)踐能力相結(jié)合的新型人才。

【本文系廣東省教育科學(xué)規(guī)劃2023年度中小學(xué)教師教育科研能力提升計(jì)劃項(xiàng)目“人工智能與學(xué)科教學(xué)深度融合的探究”研究成果之一，編號(hào)：2023YQJK790】

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