梁云真 蒲金瑩 袁書然

大概念統(tǒng)攝下的“AI+小學(xué)科學(xué)”跨學(xué)科教學(xué)*——以“探尋四季更替的奧秘”為例

梁云真1,2蒲金瑩2袁書然2

（1．智能教育河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南新鄉(xiāng) 453007；2．河南師范大學(xué) 教育學(xué)部，河南新鄉(xiāng) 453007）

核心素養(yǎng)導(dǎo)向教學(xué)已成為深化課堂改革的重要課題，而將大概念作為學(xué)科錨點融入“AI+小學(xué)科學(xué)”的跨學(xué)科教學(xué)，為落實核心素養(yǎng)和教學(xué)改革創(chuàng)新注入了新動力?；诖?，文章首先梳理了小學(xué)科學(xué)與大概念的相關(guān)研究成果，提出了大概念的層級結(jié)構(gòu)。接著，文章以大概念為核心，以跨學(xué)科為載體，構(gòu)建了大概念統(tǒng)攝下的“AI+小學(xué)科學(xué)”跨學(xué)科教學(xué)模式。該模式以解決真實情境下的復(fù)雜問題為重要旨?xì)w，以KUDB教學(xué)目標(biāo)、主題單元教學(xué)內(nèi)容、活動鏈?zhǔn)浇虒W(xué)活動、證據(jù)多元化教學(xué)評價為關(guān)鍵要素，包含創(chuàng)設(shè)情境、明確問題，理解探究、制定方案，實踐應(yīng)用、優(yōu)化完善，匯報交流、評價反思四個教學(xué)環(huán)節(jié)。隨后，文章以“探尋四季更替的奧秘”為例，闡釋了如何開展大概念統(tǒng)攝下的“AI+小學(xué)科學(xué)”跨學(xué)科教學(xué)，并進(jìn)行了教學(xué)反思。最后，文章提出我國基于大概念開展小學(xué)科學(xué)跨學(xué)科教學(xué)的建議。文章旨在探索大概念與跨學(xué)科教學(xué)耦合的實踐途徑，為小學(xué)科學(xué)課程教學(xué)模式創(chuàng)新提供理論支撐與實踐指導(dǎo)。

大概念；跨學(xué)科教學(xué)；人工智能；小學(xué)科學(xué)；核心素養(yǎng)

當(dāng)今世界正處于百年未有之大變局，我國實現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)、建設(shè)世界科技強(qiáng)國的需求尤為迫切。對此，習(xí)近平總書記強(qiáng)調(diào)要在教育“雙減”中做好科學(xué)教育加法[1]；教育部部長懷進(jìn)鵬提出要在基礎(chǔ)教育階段加強(qiáng)科學(xué)教育，以教育適應(yīng)性變革融入科技創(chuàng)新，為建設(shè)科技強(qiáng)國賦能[2]；《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》則強(qiáng)調(diào)要以培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)為總目標(biāo)，圍繞核心概念組織教學(xué)內(nèi)容，以跨學(xué)科方式開展教學(xué)[3]。小學(xué)科學(xué)課程作為兒童探索自然、與現(xiàn)實世界建立聯(lián)系的重要渠道，具有跨學(xué)科、綜合性、實踐性。同樣，人工智能作為綜合性課程，也要注重跨學(xué)科學(xué)習(xí)[4]。但有研究發(fā)現(xiàn)，我國在開展人工智能和科學(xué)教育時存在學(xué)科知識離散分立、缺乏多學(xué)科知識融合的問題[5]，并且部分學(xué)?？茖W(xué)課程的教育內(nèi)容與日常生活銜接不夠緊密，跨學(xué)科學(xué)習(xí)的連貫性、進(jìn)階性、遷移性不足，這種淺層學(xué)習(xí)導(dǎo)致學(xué)生的遷移意識較為淡薄[6]。而大概念處于學(xué)科基本結(jié)構(gòu)的中心位置，基于大概念的教學(xué)可以助力跨學(xué)科理念的落地，加大跨學(xué)科融合的深度，落實核心素養(yǎng)的要求[7]?；诖耍狙芯恳源蟾拍顬榻y(tǒng)攝中心，將人工智能作為技術(shù)環(huán)境與學(xué)科知識多維度融入小學(xué)科學(xué)教學(xué)，探索融合人工智能與小學(xué)科學(xué)的跨學(xué)科教學(xué)模式，以期為實現(xiàn)素養(yǎng)導(dǎo)向的基礎(chǔ)教育教學(xué)改革與實踐提供新路徑。

一 小學(xué)科學(xué)與大概念的相關(guān)研究

1 小學(xué)科學(xué)的教學(xué)現(xiàn)狀

科學(xué)教育是學(xué)生了解自然、親近自然的有效途徑，而人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展為小學(xué)科學(xué)教學(xué)提供了新思路。目前，我國小學(xué)科學(xué)與人工智能相結(jié)合的研究成果較少，相關(guān)研究主要是基于STEM教育或創(chuàng)客教育理念，利用信息技術(shù)、Scratch、VR技術(shù)等開展小學(xué)科學(xué)教學(xué)。例如，李慧慧等[8]基于STEM，設(shè)計了發(fā)現(xiàn)問題、科學(xué)探究、工程設(shè)計、評價交流四個環(huán)節(jié)的小學(xué)科學(xué)教學(xué)活動；楊玉佩[9]將STEM教育理念融入小學(xué)科學(xué)教學(xué)，通過創(chuàng)設(shè)情境、設(shè)定方案、科學(xué)驗證、歸納提升四個環(huán)節(jié)開展探究實踐；武欣欣等[10]介紹了在信息技術(shù)支持下開展小學(xué)科學(xué)教學(xué)中項目學(xué)習(xí)的具體過程；孫立會等[11]將Scratch與小學(xué)科學(xué)相結(jié)合，開展了包含定義抽象、算法設(shè)計、迭代實施、拓展延伸四個階段的教學(xué)案例設(shè)計；熊維聰?shù)萚12]則將VR技術(shù)應(yīng)用于小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)，取得了較好的學(xué)習(xí)效果。

上述研究成果豐富了小學(xué)科學(xué)的教學(xué)思路，但在實踐過程中還面臨諸多挑戰(zhàn)：①學(xué)科知識離散分立，缺乏整體性知識體系。學(xué)科之間的聯(lián)系只是簡單的知識疊加，缺乏多學(xué)科知識的橫向融合[13]。②教學(xué)活動實踐性不足，與現(xiàn)實生活聯(lián)系不夠密切。以科學(xué)論科學(xué)，以實驗論實驗，導(dǎo)致學(xué)生對所學(xué)理論遷移運用的意識淡薄。③教學(xué)活動較為單一，缺乏技術(shù)支持的創(chuàng)新。科學(xué)內(nèi)容有較多的抽象性知識，教師一味地按照課本進(jìn)行理論性講解，無法讓學(xué)生真正地理解掌握。④教學(xué)過程中缺乏必要的支架。學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)需要提供適合學(xué)生“最近發(fā)展區(qū)”的學(xué)習(xí)支架，以使學(xué)生能夠獲得個性化發(fā)展。

2 大概念的內(nèi)涵與層級結(jié)構(gòu)

“大概念”（Big Ideas）也稱“大觀念”，起源于Bruner[14]倡導(dǎo)的學(xué)科結(jié)構(gòu)運動。已有研究主要從認(rèn)知發(fā)展、方法工具、結(jié)果價值等角度對大概念進(jìn)行了解讀：①從認(rèn)知發(fā)展的角度來看，大概念是一個認(rèn)知框架或意義建構(gòu)。例如，Clark[15]認(rèn)為大概念理解并聯(lián)結(jié)小概念，提供構(gòu)建自身理解的認(rèn)知框架；Whiteley[16]認(rèn)為大概念是有意義的模式，聯(lián)結(jié)零散的知識點。②從方法工具的角度來看，大概念是理解的基礎(chǔ)素材與有意義理解的概念工具。例如，Phenix[17]指出借助學(xué)科“代表性概念”，就可以理解獲取整個學(xué)科的知識；Wiggins等[18]認(rèn)為大概念是學(xué)科的“核心”，幫助學(xué)生將分散的點狀知識連結(jié)起來；Chalmers等[19]指出大概念是指將眾多學(xué)科理解聯(lián)系起來，形成一個連貫的整體。③從結(jié)果價值的角度來看，大概念能促進(jìn)學(xué)習(xí)者的持久記憶、深度理解和廣泛遷移。例如，Erickson[20]指出，大概念是在事實基礎(chǔ)上的抽象概括，是深層次的、可遷移的概念，是對概念之間關(guān)系的表述；Harlen[21]認(rèn)為，這些核心概念可以幫助學(xué)生建立對生活相關(guān)事件和現(xiàn)象的完整理解。參考上述研究成果，本研究認(rèn)為大概念是有機(jī)整合學(xué)科內(nèi)和學(xué)科間知識內(nèi)容的錨點概念，具有抽象概括、廣泛遷移、持久影響、深度理解等特點[22]，通過將零散、碎片化的知識組織成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，支撐課程架構(gòu)，模糊學(xué)科邊界，從而促進(jìn)學(xué)生形成整體觀念和專家思維，助力實現(xiàn)跨學(xué)科的深度融合和核心素養(yǎng)的提升[23]。

大概念與具體概念之間的銜接，是大概念教學(xué)關(guān)注的重點。為了更好地梳理課程知識體系，建立不同學(xué)科和學(xué)科內(nèi)不同章節(jié)之間的聯(lián)系，研究者對大概念的層級結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探索。例如，劉徽[24]采用二分法，將大概念的層級分為抽象概念（大概念）和具體概念（小概念），其中抽象概念包括跨學(xué)科大概念和學(xué)科大概念；許秋璇等[25]采用三分法，提出大概念包括跨學(xué)科概念、學(xué)科概念、學(xué)科子概念三層結(jié)構(gòu)；李志河等[26]也采用三分法，劃分出大概念、核心概念和小概念三層，其中大概念屬于哲學(xué)視角和跨學(xué)科視角，而核心概念和小概念屬于學(xué)科視角；而Dami等[27]構(gòu)建了一個包括大概念、跨學(xué)科概念、學(xué)科概念、具體問題四層的金字塔模型。綜合以上研究成果，本研究從哲學(xué)、跨學(xué)科、學(xué)科三大視角對大概念進(jìn)行分層，提出了包含哲學(xué)概念、跨學(xué)科大概念、學(xué)科大概念、關(guān)鍵概念、具體概念五個層級的大概念層級結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中，哲學(xué)概念位于最高層，五個層級從上至下反映的是概念從抽象到具體的變化過程。同時，在大概念的引領(lǐng)下，逐步確定核心概念和小概念，以將抽象的知識轉(zhuǎn)化為學(xué)生易于理解的基本問題，助力學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中進(jìn)行知識的學(xué)習(xí)理解與遷移應(yīng)用。

圖1 大概念的層級結(jié)構(gòu)

3 大概念教學(xué)應(yīng)用的現(xiàn)狀

當(dāng)前，有關(guān)大概念教學(xué)應(yīng)用的研究主要有兩種思路[28]：①傳統(tǒng)教學(xué)的“目標(biāo)-活動-評價”，是從學(xué)習(xí)起點出發(fā)設(shè)計教學(xué)活動。例如，詹澤慧等[29]以大概念為基礎(chǔ)構(gòu)建了C-POTE模型，即以概念群、問題鏈、目標(biāo)層、任務(wù)簇、證據(jù)集為核心組織教學(xué)，并設(shè)計、應(yīng)用“探訪‘地球之腎’——濕地”跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)案例；李松林[30]以小學(xué)數(shù)學(xué)“不規(guī)則平面圖形的面積”為例，提出以大概念為核心的整合性教學(xué)模式，包含確定大概念、外顯大概念、活化大概念、建構(gòu)大概念、評價大概念五個關(guān)鍵步驟。②逆向教學(xué)的“目標(biāo)-評價-活動”，是從學(xué)習(xí)結(jié)果出發(fā)，反向設(shè)計教學(xué)活動。例如，邵朝友等[31]以“美麗的秋天”為例，提出大概念教學(xué)的五個關(guān)鍵步驟，即選擇目標(biāo)、確定大觀念、形成目標(biāo)體系、設(shè)計評價方案、組織學(xué)習(xí)活動；李艷等[32]以初中“人工智能基礎(chǔ)”單元為例，開展了大概念視角下的單元設(shè)計，主要分為明確預(yù)期的學(xué)習(xí)目標(biāo)、確定恰當(dāng)?shù)脑u估方法、規(guī)劃相關(guān)教學(xué)過程三個階段?？偟膩碚f，傳統(tǒng)教學(xué)思路聚焦于“輸入端”，從學(xué)情、教材分析出發(fā)，設(shè)計教學(xué)活動，檢測學(xué)習(xí)效果；逆向教學(xué)思路從“輸出端”統(tǒng)籌教學(xué)，從學(xué)習(xí)結(jié)果出發(fā)設(shè)計教學(xué)活動，充分發(fā)揮評價的診斷作用[33]。結(jié)合上述兩種思路，本研究進(jìn)行教學(xué)設(shè)計時兼顧傳統(tǒng)教學(xué)和逆向教學(xué)的設(shè)計優(yōu)勢，在分析學(xué)情的同時也考慮學(xué)生的學(xué)習(xí)結(jié)果，對目標(biāo)、評價、活動進(jìn)行統(tǒng)籌設(shè)計，探索基于大概念的跨學(xué)科教學(xué)新路徑。

二 大概念統(tǒng)攝下的“AI+小學(xué)科學(xué)”跨學(xué)科教學(xué)模式

大概念位于學(xué)科中心位置，在開展“AI+小學(xué)科學(xué)”跨學(xué)科教學(xué)時，教師依托大概念的層級結(jié)構(gòu)整合教學(xué)內(nèi)容、規(guī)劃教學(xué)過程。學(xué)生通過發(fā)現(xiàn)、理解和應(yīng)用大概念，在真實情境中解決復(fù)雜問題。本研究整合相關(guān)研究成果，以大概念為中心，以跨學(xué)科為載體，以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向，以教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)活動、教學(xué)評價為關(guān)鍵要素，設(shè)計主要教學(xué)環(huán)節(jié)，構(gòu)建了大概念統(tǒng)攝下的“AI+小學(xué)科學(xué)”跨學(xué)科教學(xué)模式，如圖2所示。該模式主要分為重要旨?xì)w層、關(guān)鍵要素層、教學(xué)環(huán)節(jié)層，其中重要旨?xì)w層處于內(nèi)層，主要闡釋學(xué)科融合和目標(biāo)指向，是另外兩層的核心導(dǎo)向；關(guān)鍵要素層處于中層，是教學(xué)設(shè)計與實施的具體路徑；而教學(xué)環(huán)節(jié)層處于外層，是對關(guān)鍵要素層的過程體現(xiàn)。三層相互作用，實現(xiàn)由內(nèi)向外具體化表征、由外向內(nèi)目標(biāo)化達(dá)成。

圖2 大概念統(tǒng)攝下的“AI+小學(xué)科學(xué)”跨學(xué)科教學(xué)模式

1 重要旨?xì)w層

結(jié)合人工智能和小學(xué)科學(xué)的學(xué)科特點，可將“AI+小學(xué)科學(xué)”的特征歸納為真實性、融合性和實踐性，且大概念、跨學(xué)科學(xué)習(xí)和核心素養(yǎng)最終都指向真實情境下的復(fù)雜問題解決[34]。因此，本研究將“真實情境下的復(fù)雜問題解決”確定為“AI+小學(xué)科學(xué)”的重要旨?xì)w，而實現(xiàn)這一重要旨?xì)w需經(jīng)歷從學(xué)校教育遷移到現(xiàn)實世界的問題解決過程?；诖?，本研究從學(xué)習(xí)的發(fā)生領(lǐng)域（分為學(xué)校教育、現(xiàn)實世界）和問題的復(fù)雜程度（分為簡單問題、復(fù)雜問題）兩個維度，將重要旨?xì)w表征為四個象限（如圖3所示）：第一象限是大概念統(tǒng)攝下的“AI+小學(xué)科學(xué)”跨學(xué)科教學(xué)的最終目標(biāo)，強(qiáng)調(diào)學(xué)生反思、總結(jié)學(xué)校教育中習(xí)得的內(nèi)容，通過探究、創(chuàng)新發(fā)生高通路遷移，實現(xiàn)真實情境下的復(fù)雜問題解決——這也是大概念、跨學(xué)科和核心素養(yǎng)的最終指向；第二象限表示學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)的知識、技能等，用于學(xué)校教育里的復(fù)雜問題解決；第三象限指學(xué)生將掌握的知識和技能綜合應(yīng)用于學(xué)校教育里的簡單問題解決；第四象限則指從學(xué)校教育到現(xiàn)實世界有了遷移的發(fā)生，即學(xué)生利用在學(xué)校獲取的知識實現(xiàn)真實情境下的簡單問題解決。問題的復(fù)雜性及其相似度決定了遷移的程度[35]，即當(dāng)新問題簡單且與原問題相似時，會發(fā)生低通路遷移；而當(dāng)新問題復(fù)雜且與原問題不相似時，會發(fā)生高通路遷移。因此，教師要注重培養(yǎng)學(xué)生的高通路遷移能力，以幫助學(xué)生達(dá)成最終目標(biāo)。科學(xué)課程的內(nèi)容接近現(xiàn)實生活，人工智能在內(nèi)容和工具維度為小學(xué)科學(xué)教學(xué)帶來了更多創(chuàng)新實踐的機(jī)遇。大概念作為教學(xué)邏輯框架串聯(lián)學(xué)科內(nèi)容，有助于學(xué)生在研究自然現(xiàn)象和規(guī)律的過程中形成知識系統(tǒng)，并將所學(xué)的知識和方法遷移運用于生活實際問題的解決。因此，大概念統(tǒng)攝下的“AI+小學(xué)科學(xué)”跨學(xué)科教學(xué)將真正落實核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生的跨學(xué)科思維，幫助學(xué)生構(gòu)建知識框架，從而有能力解決現(xiàn)實世界的真實問題。

圖3 重要旨?xì)w的四個象限

圖4 教學(xué)目標(biāo)與KUDB模式的對應(yīng)關(guān)系

2 關(guān)鍵要素層

（1）教學(xué)目標(biāo)：“KUDB”

不同于傳統(tǒng)教學(xué)的核心素養(yǎng)，大概念統(tǒng)攝下的“AI+小學(xué)科學(xué)”跨學(xué)科教學(xué)所指向的核心素養(yǎng)是一個上位概念，教師需要厘清科學(xué)核心素養(yǎng)轉(zhuǎn)化的內(nèi)在機(jī)理，根據(jù)大概念的層級結(jié)構(gòu)將其拆解為具體可見、清晰可評的教學(xué)目標(biāo)。在KUD模式的基礎(chǔ)上，李松林[36]聚焦核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求，提出“知道-理解-行為-態(tài)度”（Know-Understand-Do-Be，KUDB）模式，主張將學(xué)科大概念滲透到目標(biāo)設(shè)計中。“AI+小學(xué)科學(xué)”跨學(xué)科教學(xué)可以采用KUDB模式設(shè)計教學(xué)目標(biāo)，兩者的對應(yīng)關(guān)系如圖4所示?？偟膩碚f，“AI+小學(xué)科學(xué)”跨學(xué)科教學(xué)目標(biāo)的制定，主要從學(xué)生想要知道什么知識、理解什么問題、能做什么事情、成為什么人四個維度著手。其中，“Know”表示的“知道什么”是指知識、概念和規(guī)律的習(xí)得，包含AI相關(guān)的編程和算法等知識、科學(xué)知識、其他學(xué)科知識；“Understand”表示的“理解什么”是指思維的形成，是對事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在結(jié)構(gòu)及相互關(guān)系的理解方式，如計算思維、科學(xué)思維、創(chuàng)新思維等；“Do”表示的“能做什么”是在解決問題的實踐過程中所掌握的方法和能力的體現(xiàn)，如科學(xué)探究和信息獲取能力、模擬仿真、算法設(shè)計等；“Be”表示的“成為什么”是指科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任的形成，如信息意識、倫理道德、科學(xué)態(tài)度等?？梢?，“KUDB”是一個具有層次化、持續(xù)推進(jìn)的目標(biāo)結(jié)構(gòu)，“知道”“理解”“行為”的發(fā)展支撐“態(tài)度”的形成，使學(xué)生不斷提升學(xué)科素養(yǎng)，并樹立良好的價值觀。

（2）教學(xué)內(nèi)容：主題式、大單元

基于大概念的“AI+小學(xué)科學(xué)”跨學(xué)科教學(xué)以大單元為載體，圍繞一個主題組織教學(xué)內(nèi)容，將學(xué)科知識聯(lián)結(jié)起來[37]。主題是對學(xué)習(xí)內(nèi)容和范圍的概括，在大概念學(xué)習(xí)中起橋梁作用，其背后仍是大概念[38]。主題單元的內(nèi)容組織一方面要緊密結(jié)合大概念及其子概念，注重與學(xué)科核心支點、學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)固著點建立聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生的問題意識和目的意識，從而達(dá)成深度理解的學(xué)習(xí)目標(biāo)；另一方面要考慮主題的開放性和跨學(xué)科性，使人工智能與小學(xué)科學(xué)在跨學(xué)科大概念的連接下進(jìn)行內(nèi)容的聚類、整合，模糊學(xué)科界限，形成具有內(nèi)在聯(lián)系、螺旋上升的教學(xué)框架[39]，以更好地引導(dǎo)學(xué)生開展跨學(xué)科學(xué)習(xí)、發(fā)展遷移應(yīng)用能力。對此，教師可從現(xiàn)實生活中選擇主題內(nèi)容，創(chuàng)設(shè)真實情景，讓學(xué)生利用人工智能的相關(guān)知識和技術(shù)進(jìn)行科學(xué)探究、解決問題，并在此過程中進(jìn)一步與社會、自然和生活建立聯(lián)系[40]；同時，教師可根據(jù)單元主題，選定大概念，并在大概念的引領(lǐng)下，圍繞主題組織教學(xué)內(nèi)容，整合小學(xué)科學(xué)與人工智能等相關(guān)學(xué)科知識建構(gòu)大單元，將大概念充分融入教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生就某一主題所涉的重要概念、原理和問題進(jìn)行深度討論，開展單元整體教學(xué)，使學(xué)生形成綜合且系統(tǒng)的跨學(xué)科知識、思維、能力和態(tài)度。

（3）教學(xué)活動：真實性、活動鏈

“真實性”是核心素養(yǎng)的重中之重[41]。小學(xué)科學(xué)注重真實性、實踐性，因此在設(shè)計“AI+小學(xué)科學(xué)”跨學(xué)科教學(xué)活動時，需依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)設(shè)真實情境、將教學(xué)內(nèi)容融入具體情境，并貫穿于整個教學(xué)過程。真實情境作為粘合劑，能夠加強(qiáng)學(xué)習(xí)內(nèi)容的內(nèi)在聯(lián)系，讓學(xué)生在知識獲取的過程中感受到樂趣。利用人工智能技術(shù)創(chuàng)設(shè)情境，使學(xué)生在真實情境中與問題互動，并運用智能工具協(xié)助理解問題、完成學(xué)習(xí)任務(wù)，再通過內(nèi)部加工和思考進(jìn)行積極的意義建構(gòu)，有助于學(xué)生深入剖析問題、解決問題，并促進(jìn)實踐探究，從而更好地理解和掌握大概念。此外，開展“AI+小學(xué)科學(xué)”跨學(xué)科教學(xué)活動設(shè)計時，還應(yīng)注重活動之間的聯(lián)系，以核心任務(wù)為首，將大概念作為學(xué)習(xí)路徑，依托真實情境，在主要問題的引領(lǐng)下，按照解決問題的邏輯將任務(wù)分解為明確問題、理解探究、實踐應(yīng)用、提升創(chuàng)新四個階段[42]，依此開展活動鏈設(shè)計。教師要依據(jù)大概念的層次結(jié)構(gòu)設(shè)計子活動，建立人工智能和科學(xué)學(xué)科知識之間的內(nèi)在聯(lián)系，形成基于大概念鏈的活動鏈，通過設(shè)計具有連貫性、梯度性、拓展性的活動鏈，幫助學(xué)生在已有AI和科學(xué)知識結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展新的學(xué)科概念，并在運用大概念解決問題的過程中形成跨學(xué)科思維。

（4）教學(xué)評價：證據(jù)導(dǎo)向、多元化

大概念教學(xué)評價的核心，在于學(xué)生有沒有真正理解大概念。評價設(shè)計既要基于教學(xué)目標(biāo)，又要注重聯(lián)結(jié)教學(xué)活動，開展證據(jù)導(dǎo)向的多元化評價，全面把握學(xué)生對大概念的學(xué)習(xí)效果，以有針對性地指導(dǎo)學(xué)生下一步的學(xué)習(xí)。評價是目標(biāo)的具體化，“AI+小學(xué)科學(xué)”跨學(xué)科教學(xué)的評價設(shè)計應(yīng)與大概念的目標(biāo)保持一致，即告訴學(xué)生什么是值得學(xué)習(xí)的、如何理解問題、如何學(xué)習(xí)以及被期望有何表現(xiàn)。教師在開展教學(xué)評價時，應(yīng)對學(xué)生參與活動中的表現(xiàn)采取多元化評價[43]，并在人工智能的助力下追蹤和評價活動實施的全過程，如借助AI智能監(jiān)測系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)行為分析系統(tǒng)等實時收集過程性的評價證據(jù)，同時結(jié)合智能系統(tǒng)的分析反饋，以持續(xù)改進(jìn)教學(xué)。同時，教師要向?qū)W生提供作品展示的機(jī)會，并利用外部表征思維工具（如概念圖、表單等），引導(dǎo)學(xué)生將自己對大概念和學(xué)習(xí)活動的理解進(jìn)行可視化表達(dá)[44]；使用觀察、訪談、測試、日志等反思工具判斷學(xué)生對大概念的理解，以幫助學(xué)生記錄和反思學(xué)習(xí)過程；收集學(xué)生的表現(xiàn)性證據(jù)，對學(xué)習(xí)過程進(jìn)行整體評價，以多元化評估學(xué)生對大概念的理解程度。

3 教學(xué)環(huán)節(jié)層

為了將大概念充分融入“AI+小學(xué)科學(xué)”跨學(xué)科教學(xué)的具體實踐，本研究依據(jù)整體性教學(xué)的思路，在教學(xué)設(shè)計時不再過多地強(qiáng)調(diào)目標(biāo)、活動、評價的先后順序，而是統(tǒng)籌考慮三者，設(shè)計了包含四個環(huán)節(jié)的“AI+小學(xué)科學(xué)”跨學(xué)科教學(xué)流程（如圖5所示）：①創(chuàng)設(shè)情境，明確問題。教師借助AI智能技術(shù)創(chuàng)設(shè)真實情境，讓學(xué)生與大概念相識，并將大概念轉(zhuǎn)化為便于學(xué)生理解、激發(fā)學(xué)生探究的問題；學(xué)生分析問題、獨立思考，調(diào)取人工智能和科學(xué)實踐相關(guān)的先驗知識，搜集整理資料。②理解探究，制定方案。教師根據(jù)主要問題和學(xué)習(xí)目標(biāo)制定挑戰(zhàn)性任務(wù)，并拆解為一系列子活動，引導(dǎo)學(xué)生探究；同時，利用智能平臺提供支架，推送AI和小學(xué)科學(xué)的相關(guān)知識，幫助學(xué)生理解。學(xué)生組內(nèi)合作交流，分解任務(wù)步驟，制定實施方案。③實踐應(yīng)用，優(yōu)化完善。教師觀察、指導(dǎo)學(xué)生的實踐過程，上傳評價量表，激勵學(xué)生完成表現(xiàn)性任務(wù)，并收集階段性成果，為多元化評價提供依據(jù)。學(xué)生根據(jù)任務(wù)單或設(shè)計方案，采用搭建、編程、3D打印等技術(shù)，協(xié)作完成科學(xué)模型制作，結(jié)合組內(nèi)測試驗證能否解決問題，并優(yōu)化完善作品，提升模型的功能和應(yīng)用效果。④匯報交流，評價反思。教師提供展示平臺，組織學(xué)生匯報交流，引導(dǎo)學(xué)生通過語言表達(dá)、反思日志等進(jìn)行評價總結(jié)，促進(jìn)學(xué)生理解、掌握大概念。學(xué)生通過評價反思，創(chuàng)新作品設(shè)計，反思在完成任務(wù)的過程中運用了哪些跨學(xué)科知識，形成集AI、科學(xué)和其他學(xué)科為一體的概念網(wǎng)絡(luò)，提升其在現(xiàn)實生活中遷移運用大概念的能力。

圖5 “AI+小學(xué)科學(xué)”跨學(xué)科教學(xué)流程

在整個跨學(xué)科教學(xué)過程中，智能技術(shù)在情境創(chuàng)設(shè)、記錄監(jiān)測、精準(zhǔn)推送、智能評價等方面提供技術(shù)支撐：依托人工智能相關(guān)技術(shù)，創(chuàng)設(shè)高沉浸感、強(qiáng)交互性的學(xué)習(xí)情境；利用智能設(shè)備，記錄并監(jiān)測學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的表現(xiàn)（包括互動次數(shù)、測試情況等）；基于大數(shù)據(jù)分析學(xué)情，向?qū)W生精準(zhǔn)推送所需的學(xué)習(xí)資源，提供個性化服務(wù)；通過智能設(shè)備收集學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，結(jié)合智能分析結(jié)果，對學(xué)生的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行全面評價，最終實現(xiàn)教學(xué)評一體化，全方位培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)[45]。

三 大概念統(tǒng)攝下的“AI+小學(xué)科學(xué)”跨學(xué)科教學(xué)案例

依據(jù)現(xiàn)實世界的真實問題和學(xué)生的興趣，本研究選擇教科版教材《科學(xué)（五年級下冊）》中“為什么一年有四季”一節(jié)內(nèi)容，以“探尋四季更替的奧秘”為主題，對如何開展大概念統(tǒng)攝下的“AI+小學(xué)科學(xué)”跨學(xué)科教學(xué)進(jìn)行具體闡述，以幫助一線教師更好地開展跨學(xué)科教學(xué)。

1 選定單元主題，確定大概念群

根據(jù)大概念的層級結(jié)構(gòu)，結(jié)合《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》、美國《K-12人工智能教學(xué)指南》和教材的核心內(nèi)容，本研究構(gòu)建了“探尋四季更替的奧秘”大概念層級體系（如圖6所示）：首先，從哲學(xué)視角分析，哲學(xué)概念是對人與世界之間關(guān)系的根本看法、態(tài)度和主張，而四季更替的根本原因是物質(zhì)運動，故確定哲學(xué)概念“世界是物質(zhì)的，物質(zhì)是運動的”。接著，從課程標(biāo)準(zhǔn)的跨學(xué)科大概念和學(xué)科大概念中提取與本主題緊密貼合的大概念，如四季的形成與地球公轉(zhuǎn)有關(guān)，故選取“宇宙中的地球”這一大概念；學(xué)生觀察地球公轉(zhuǎn)、制作模型是一個感知表達(dá)的過程，故引入人工智能領(lǐng)域的大概念“感知、表示和社會影響”。隨后，從5～6年級學(xué)科核心學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)業(yè)要求中凝練大概念，如地球公轉(zhuǎn)是萬有引力的作用，故選取“物質(zhì)的運動與相互作用”這一大概念；四季更替的主要原因是地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)，故凝練“地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)”這一核心概念；同時，圍繞核心概念組織各學(xué)科具體知識，如圍繞“力是改變物體運動狀態(tài)的原因”這一核心概念，考慮運動力學(xué)涉及概念，故選取“萬有引力、公轉(zhuǎn)速度、公轉(zhuǎn)周期、公轉(zhuǎn)方向”等小概念。最后，經(jīng)專家多輪討論，確定該案例從大概念到核心概念再到小概念的層級體系。

圖6 “探尋四季更替的奧秘”大概念層級體系

2 編寫學(xué)習(xí)目標(biāo)，整合教學(xué)內(nèi)容

結(jié)合“為什么一年有四季”這一基本問題和核心素養(yǎng)培養(yǎng)的相關(guān)要求，本案例的“KUDB”目標(biāo)制定如下：“知道”方面，能夠描述一年四季的典型特點與主要現(xiàn)象，知道地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)的周期和方向，掌握AI編程知識；“理解”方面，理解四季的形成與地球公轉(zhuǎn)有關(guān)，理解AI程序之間的邏輯關(guān)系；“行為”方面，觀看地球公轉(zhuǎn)的視頻，掌握其運轉(zhuǎn)規(guī)律，利用編程軟件制作地球公轉(zhuǎn)的模型；“態(tài)度”方面，了解四季變化與我們的生活密切相關(guān)，通過觀察、交流與編程等活動，讓學(xué)生產(chǎn)生進(jìn)一步探究四季更替成因的興趣，感受人工智能對生活的影響。教師在大概念的引領(lǐng)下統(tǒng)整教學(xué)內(nèi)容，重組跨學(xué)科知識，厘清所涉大概念、核心概念、具體概念等包含的運動力學(xué)、四季更替、可視化編程、社會影響等學(xué)習(xí)內(nèi)容，最終形成“探索四季更替的奧秘”主題單元，并通過設(shè)置系列情境任務(wù)，激發(fā)學(xué)生探究實踐的興趣。學(xué)生則圍繞這一主題開展學(xué)習(xí)探究，結(jié)合已有經(jīng)驗，重組知識結(jié)構(gòu)，形成深度且持續(xù)的理解。

3 設(shè)計學(xué)習(xí)活動，開展多元評價

設(shè)計教學(xué)活動時，要以現(xiàn)實生活為背景，圍繞主要問題和核心任務(wù)，將教學(xué)流程的四個環(huán)節(jié)按照問題解決邏輯分解為若干個子活動，各子活動環(huán)環(huán)相扣，構(gòu)成前后關(guān)聯(lián)的課時“活動鏈”。圍繞本案例的核心任務(wù)“探索四季更替的奧秘”，四個教學(xué)環(huán)節(jié)可分解為8個子活動：①播放四季更替視頻，總結(jié)規(guī)律；②檢索搜集資料，思考四季更替原因；③通過智能交互設(shè)備，直觀感受四季更替成因和地球公轉(zhuǎn)的過程；④設(shè)計地球公轉(zhuǎn)模型制作項目表，梳理制作過程；⑤利用素材和可視化編程軟件，制作地球公轉(zhuǎn)模型；⑥測試運行代碼，發(fā)現(xiàn)并解決漏洞問題；⑦匯報展示作品，完成自評互評；⑧提交反思報告，梳理概念圖。8個子活動既相互獨立又相互依存，保證大概念教學(xué)的有效開展。此外，在教學(xué)活動實施過程中提供必要的支架，智能推送相關(guān)編程知識、參考案例、匯報提綱、概念圖的基本架構(gòu)等，為學(xué)生完成相應(yīng)活動提供幫助。教學(xué)評一體化要求教學(xué)活動設(shè)計與評價緊密聯(lián)系，以證據(jù)為導(dǎo)向，兼顧過程與結(jié)果，以便全面獲取學(xué)生的學(xué)習(xí)信息。教師根據(jù)收集的思維導(dǎo)圖、階段性成果、模型制作項目表、概念圖、反思報告等梳理學(xué)生的具體表現(xiàn)，并結(jié)合智能技術(shù)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果對學(xué)生進(jìn)行綜合評價。教師在學(xué)生互評環(huán)節(jié)上傳評價量表，內(nèi)容包含作品效果、編程設(shè)計、創(chuàng)新程度、展示匯報、團(tuán)隊協(xié)作五個評價指標(biāo)和評價要求、指標(biāo)權(quán)重等。最后，教師進(jìn)行總結(jié)性評價，學(xué)生及時反思提升。

4 教學(xué)反思

本案例依托跨學(xué)科真實情境，以大概念為核心，采用教學(xué)評一體化的方式，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生真實情境下的復(fù)雜問題解決能力。從理論層面來講，大概念的層級結(jié)構(gòu)提供了清晰的教學(xué)架構(gòu)，教學(xué)目標(biāo)在KUDB模式的指導(dǎo)下設(shè)定得更為貼合核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求，主題教學(xué)實現(xiàn)了對學(xué)科知識的全面覆蓋并能準(zhǔn)確把握教學(xué)內(nèi)容，活動鏈?zhǔn)皆O(shè)計環(huán)環(huán)相扣，智能技術(shù)支持的多元化評價能精準(zhǔn)地反映學(xué)生對學(xué)習(xí)中重要內(nèi)容的理解和掌握程度。而在具體的教學(xué)實施過程中，本次主題活動的學(xué)習(xí)目標(biāo)不再停留于知識的掌握，而是要求學(xué)生將所學(xué)知識內(nèi)化并遷移運用于真實問題解決。學(xué)生按照系列跨學(xué)科情境任務(wù)，在分析問題、合作探究、制作模型、測試優(yōu)化的過程中調(diào)用先驗知識構(gòu)建自己的知識體系，并經(jīng)歷一個習(xí)得大概念、理解大概念、運用大概念的過程，將所學(xué)知識由一個點發(fā)展為一個網(wǎng)絡(luò)體系，從而遷移至多情境中應(yīng)用。另外，案例主題與生活實際聯(lián)系密切，讓學(xué)生真正體會到了學(xué)有所用。

但是，大概念統(tǒng)攝下的“AI+小學(xué)科學(xué)”跨學(xué)科教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)存在較大差異，在實施過程中給教師帶來了一定的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)為：①學(xué)科融合處于淺層階段，學(xué)生的思維被局限，很難獲得更豐富的學(xué)習(xí)體驗；②教學(xué)情境固化，無法融會貫通，難以實現(xiàn)核心素養(yǎng)的提升；③內(nèi)容選擇表淺，以傳授知識內(nèi)容為主，學(xué)生被動地接受知識，而缺乏主動吸收和深度學(xué)習(xí)。

四 基于大概念開展小學(xué)科學(xué)跨學(xué)科教學(xué)的建議

基于大概念開展跨學(xué)科教學(xué)，能夠?qū)⒉煌瑢W(xué)科的知識概念融合統(tǒng)整，使教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，幫助學(xué)生深度理解和遷移應(yīng)用，但其如何有效實施是小學(xué)科學(xué)教學(xué)普遍面臨的實際問題。本研究針對教育教學(xué)中存在的學(xué)科融合、情景固化、內(nèi)容表淺等問題，為我國基于大概念開展小學(xué)科學(xué)跨學(xué)科教學(xué)提出以下建議：

1 把握大概念內(nèi)涵結(jié)構(gòu)，助力跨學(xué)科深度融合

跨學(xué)科教學(xué)并不是簡單地將不同學(xué)科知識堆砌在一起，而是要找到學(xué)科之間的關(guān)聯(lián)點，有效建立知識之間的縱橫聯(lián)系。大概念作為學(xué)科的中心概念，可使零散知識結(jié)構(gòu)化、互通化、網(wǎng)絡(luò)化，實現(xiàn)學(xué)科之間的深度聯(lián)結(jié)。因此，有必要深刻理解大概念的內(nèi)涵，建立學(xué)科之間的關(guān)聯(lián)點，圍繞一個核心問題組織課堂內(nèi)容，整合跨學(xué)科知識，打破學(xué)科邊界；同時，要厘清大概念的層次結(jié)構(gòu)，分析層級概念涉及的學(xué)習(xí)重點，融合多學(xué)科領(lǐng)域知識，實現(xiàn)學(xué)科之間的深度融合。另外，在開展大概念統(tǒng)攝下的教學(xué)時，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生運用多學(xué)科知識探究學(xué)習(xí)、分析問題，培養(yǎng)學(xué)生用跨學(xué)科的新思維、新方法解決現(xiàn)實生活中復(fù)雜問題的實踐能力。

2 創(chuàng)設(shè)真實情境任務(wù)，促進(jìn)遷移能力提升

學(xué)校教育應(yīng)關(guān)注學(xué)生的長遠(yuǎn)發(fā)展，不能僅限于讓學(xué)生掌握知識或應(yīng)付考試，而要注重學(xué)習(xí)背后的持久影響——學(xué)生接受學(xué)校教育后會獲得一定的遷移能力，能將一個問題從課堂遷移到課外、從校內(nèi)走到現(xiàn)實生活，發(fā)生高通路遷移。因此，教師基于大概念開展教學(xué)時，應(yīng)注重真實情境的創(chuàng)設(shè)，圍繞真實問題設(shè)計教學(xué)，讓學(xué)生能將在學(xué)校所學(xué)的知識遷移運用于真實問題的解決，較好地連接學(xué)校教育與現(xiàn)實世界。另外，學(xué)生在完成情境任務(wù)的過程中會拓展思維，形成復(fù)雜的認(rèn)知體系并在解決問題時會迅速調(diào)取相關(guān)知識，實現(xiàn)知識遷移。因此，教師要通過創(chuàng)設(shè)驅(qū)動性問題和實踐探究活動，建立起與學(xué)生之間的互動聯(lián)結(jié)，縱向上加深學(xué)生對科學(xué)的理解，橫向上延伸學(xué)生的知識寬度，從而不斷完善學(xué)生的科學(xué)觀念，提升其遷移能力。

3 轉(zhuǎn)變課堂教學(xué)方式，推動核心素養(yǎng)落地

科學(xué)課程的總目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，而核心素養(yǎng)的落地在于課堂轉(zhuǎn)型。大概念發(fā)揮學(xué)科中心作用，通過將單一線性學(xué)科教學(xué)轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)狀多學(xué)科整合教學(xué)，使核心素養(yǎng)不再停留于理論研究層面?；诖?，教師可以從大概念視角搭建學(xué)科基本框架，基于大單元或大主題開展系列教學(xué)，并將教學(xué)作為一個整體，引導(dǎo)學(xué)生形成整體性知識體系。同時，教師還需注重教學(xué)設(shè)計的整合性和深刻性，引導(dǎo)學(xué)生實現(xiàn)對所學(xué)內(nèi)容的整體把握和深度學(xué)習(xí)，注重學(xué)生能力和思維的培養(yǎng)，促使學(xué)生從被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)為主動學(xué)習(xí)。可以說，將大概念作為目標(biāo)引領(lǐng)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題并解決問題，有助于學(xué)生深入理解大概念，推動核心素養(yǎng)的真正落地。

[1]新華社.習(xí)近平主持中共中央政治局第三次集體學(xué)習(xí)并發(fā)表重要講話[OL].

[2]人民日報.懷進(jìn)鵬:以教育之強(qiáng)夯實國家富強(qiáng)之基[OL].

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Interdisciplinary Teaching of “AI + Primary School Science” under the Control of Big Concept——Taking “Exploring the Mystery of the Change of Four Seasons” as an Example

LIANG Yun-zhen1,2PU Jin-ying2YUAN Shu-ran2

The core literacy-oriented teaching has become an important topic for deepening classroom reform, and the integration of big concept as a subject anchor into the interdisciplinary teaching of “AI + primary school science” injects new impetus into the implementation of core literacy and teaching reform and innovation. Based on this, the paper firstly combed the relevant research results of primary school science and big concept, and put forward the hierarchical structure of big concept. Then, with the big concept as the core and the interdisciplinary as the carrier, this paper constructed the interdisciplinary teaching model of “AI + primary school science” under the control of big concept. This model aimed to solve complex problems in real situations, took KUDB teaching objectives, thematic unit teaching content, activity chain teaching activities, and evidence diversified teaching evaluation as the key elements and included four teaching links of creating situations, clarifying problems, understanding and exploring, formulating plans, practical application, optimization and improvement, reporting and communication, and evaluation and reflection. Then, taking “exploring the mystery of the change of four seasons” as an example, this paper explained how to carry out the interdisciplinary teaching of “AI + primary school science” under the control of big concept and carried out teaching reflection. Finally, some suggestions on the interdisciplinary teaching of primary school science based on big concept in China were proposed.The purpose of this paper was to explore the practical way of coupling big concept and interdisciplinary teaching, and provide theoretical support and practical guidance for the innovation of primary school science curriculum teaching model.

big concept; interdisciplinary teaching; artificial intelligence; primary school science; core literacy

G40-057

A

1009—8097（2023）11—0057—13

10.3969/j.issn.1009-8097.2023.11.006

本文為2020年國家自然科學(xué)青年基金項目“STEAM教育中跨學(xué)科協(xié)同學(xué)習(xí)的內(nèi)在機(jī)理與優(yōu)化策略研究”（項目編號：72004055）、2021年河南省高等學(xué)校青年骨干教師培養(yǎng)計劃“跨學(xué)科協(xié)同學(xué)習(xí)的知識互動機(jī)制與優(yōu)化策略研究”（項目編號：2021GGJS040）、2023年河南省教師教育課程改革研究重點項目“職前教師智能教育素養(yǎng)培養(yǎng)模式構(gòu)建與實踐應(yīng)用”（項目編號：2023-JSJYZD-008）的階段性研究成果。

梁云真，副教授，博士，研究方向為跨學(xué)科學(xué)習(xí)、信息化教學(xué)創(chuàng)新、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)行為分析，郵箱為liangyunzhen@aliyun.com。

2023年5月19日

編輯：小米