吳思琦 高潔

【摘 要】本文首先對(duì)人工智能技術(shù)的教育軟件進(jìn)行簡(jiǎn)要分類與總結(jié)，提出了人工智能軟件在小學(xué)科學(xué)中的應(yīng)用模式，再以教科版小學(xué)科學(xué)“運(yùn)動(dòng)起來會(huì)怎樣”課程為例，按照學(xué)生探究活動(dòng)的三個(gè)維度（感受、活動(dòng)、思維），分別從教師、學(xué)生這兩個(gè)視角詳細(xì)探討了人工智能教育軟件在小學(xué)科學(xué)課堂中的實(shí)際應(yīng)用，分析了此環(huán)境下課堂中的師生活動(dòng)模式。

【關(guān)鍵詞】人工智能;小學(xué)科學(xué);人工智能教育軟件;課堂教學(xué)

【中圖分類號(hào)】G434? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2019）07、08-0116-04

人工智能正以爆炸式的趨勢(shì)在國(guó)際、國(guó)內(nèi)蓬勃發(fā)展。新一代人工智能的相關(guān)學(xué)科發(fā)展、理論建模、技術(shù)創(chuàng)新、軟硬件升級(jí)等整體推進(jìn)，正在引發(fā)鏈?zhǔn)酵黄?，推?dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)各領(lǐng)域從數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化向智能化加速躍進(jìn)。為順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，促進(jìn)教育改革，越來越多的教育工作者嘗試將人工智能應(yīng)用到課堂教學(xué)中去。他們?cè)噲D通過人工智能技術(shù)促進(jìn)自適應(yīng)學(xué)習(xí)環(huán)境的發(fā)展和人工智能工具在教育中高效、靈活及個(gè)性化的使用，同時(shí)使用精確的計(jì)算和清晰的形式表示教育學(xué)、心理學(xué)和社會(huì)學(xué)中含糊不清的知識(shí)，從而利用人工智能打開“學(xué)習(xí)黑匣子”[1]。目前與教學(xué)相關(guān)的人工智能軟件可以分為計(jì)算機(jī)視覺，圖像、音頻識(shí)別和自然語(yǔ)言處理三類。

葉寶生教授在《小學(xué)生習(xí)得科學(xué)概念的六種方式》一文中指出：小學(xué)科學(xué)認(rèn)識(shí)是從可感知的科學(xué)事物的外部特征為基點(diǎn)獲得科學(xué)概念，具有形象性和直接性的特點(diǎn)[2]。在小學(xué)科學(xué)的學(xué)習(xí)階段，常有一些概念是學(xué)生看不見、摸不著的，傳統(tǒng)的教學(xué)方式雖然能通過圖片、視頻等方式讓學(xué)生建立相關(guān)科學(xué)概念，但學(xué)生的科學(xué)形象思維不能得到發(fā)展，以致于不能將所學(xué)知識(shí)由部分到整體、由點(diǎn)及面的串聯(lián)起來。

基于信息化時(shí)代的發(fā)展和實(shí)際教學(xué)中面臨的困境，本文將以小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)為例，研究人工智能在教學(xué)中的應(yīng)用。

人工智能軟件在小學(xué)科學(xué)課堂中的應(yīng)用

技術(shù)是人類器官的延伸與拓展，技術(shù)性質(zhì)反映了人的性質(zhì)，即技術(shù)的目的是人的目的，技術(shù)需求是人的需求，人的需求是無止境的，技術(shù)的發(fā)展也是無止境的[3]。人工智能軟件服務(wù)于小學(xué)科學(xué)課堂，是課堂教學(xué)的一種技術(shù)手段。通過利用一些人工智能軟件，可以促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)事實(shí)，幫助學(xué)生建立科學(xué)概念?？茖W(xué)課一般分為聚焦話題、實(shí)踐探究、形成解釋和拓展延伸四個(gè)階段。人工智能軟件可以作為探究工具幫助學(xué)生形成解釋。在應(yīng)用人工智能軟件的小學(xué)科學(xué)課堂中更關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)和教師教學(xué)活動(dòng)。結(jié)合對(duì)人工智能軟件的梳理、對(duì)小學(xué)科學(xué)課程特性的整體把握以及實(shí)際上課經(jīng)驗(yàn)，筆者梳理出了基于應(yīng)用人工智能教育軟件的小學(xué)科學(xué)教學(xué)模式。

1.學(xué)生學(xué)習(xí)活動(dòng)

在人工智能軟件作為教學(xué)手段之一的小學(xué)科學(xué)課堂中，學(xué)生的學(xué)習(xí)活動(dòng)可以分為感受、活動(dòng)和思維三個(gè)方面。通過教師創(chuàng)設(shè)的以生活為基礎(chǔ)的情境和引導(dǎo)，學(xué)生聯(lián)系現(xiàn)實(shí)的生活經(jīng)驗(yàn)和感受，發(fā)現(xiàn)問題，自主提出想要探究的內(nèi)容。結(jié)合要探究的問題，學(xué)生通過小組合作的方式使用從人工智能軟件中獲得的科學(xué)事實(shí)修正自己已有的經(jīng)驗(yàn)，積極主動(dòng)地完成他們想要探究的內(nèi)容，建立相關(guān)概念。學(xué)生使用人工智能軟件，經(jīng)歷感受、探究和分析數(shù)據(jù)等過程，將感性的感受轉(zhuǎn)換為理性的認(rèn)識(shí)，將抽象的知識(shí)具象化，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)形象思維。

2.教師教學(xué)活動(dòng)

在基于學(xué)生使用人工智能自主探究的課堂中，課堂的主體是學(xué)生，教師起到推動(dòng)課堂環(huán)節(jié)發(fā)展和引導(dǎo)學(xué)生思考的作用。教師在將人工智能應(yīng)用到教學(xué)的過程中，要對(duì)人工智能軟件進(jìn)行充分地了解與選擇。在教學(xué)設(shè)計(jì)中考慮智能軟件和教學(xué)內(nèi)容的關(guān)聯(lián)性，分析并評(píng)估智能軟件在課堂中的應(yīng)用效果。確定好要使用的智能軟件后，在課堂上向?qū)W生展示智能軟件的使用方法，引導(dǎo)學(xué)生規(guī)范使用。給予學(xué)生充分的時(shí)間來體驗(yàn)和活動(dòng)，在此過程中，教師是輔助者和引導(dǎo)者，幫助學(xué)生解決他們遇到的操作層面的問題，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)觀察到的現(xiàn)象進(jìn)行分析，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)和解決問題，促進(jìn)學(xué)生有效的探究活動(dòng)。在必要時(shí)做階段性小結(jié)，鼓勵(lì)學(xué)生的發(fā)問和驗(yàn)證精神，最后為學(xué)生提供拓展延伸的相關(guān)內(nèi)容。

“運(yùn)動(dòng)起來會(huì)怎樣（一）”案例分析

1.案例概況

該案例選自教科版科學(xué)四年級(jí)上冊(cè)，屬于生命科學(xué)領(lǐng)域。課標(biāo)要求學(xué)生通過對(duì)該領(lǐng)域的學(xué)習(xí)初步形成生物體的結(jié)構(gòu)與功能、局部與整體、多樣性與共同性相統(tǒng)一的觀點(diǎn)。學(xué)生通過對(duì)本單元的學(xué)習(xí)建立人體由多個(gè)系統(tǒng)組成，各系統(tǒng)分工配合，共同維持生命活動(dòng)這一核心概念，同時(shí)在課堂中科學(xué)形象思維得到發(fā)展，從而提升學(xué)生勇于探究和理性思維的科學(xué)精神。

“運(yùn)動(dòng)起來會(huì)怎樣（一）”是“我們的身體”單元中的第三課。學(xué)生通過對(duì)前兩節(jié)課的學(xué)習(xí)，建立了人體外部結(jié)構(gòu)和骨骼、關(guān)節(jié)、肌肉的概念。在此基礎(chǔ)上學(xué)生將研究?jī)?nèi)容聚焦到人體內(nèi)部的呼吸系統(tǒng)，初次建立系統(tǒng)的概念，為后續(xù)學(xué)習(xí)循環(huán)系統(tǒng)和消化系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。本課有著至關(guān)重要的承上啟下作用，承上聯(lián)系前一節(jié)課，把人體的一些部分整體來看形成系統(tǒng)，啟下為今后學(xué)習(xí)更多人體系統(tǒng)以及人體各部分間的相互協(xié)調(diào)工作奠定基礎(chǔ)。讓學(xué)生能夠重新認(rèn)識(shí)身體，養(yǎng)成健康生活的意識(shí)。

本課研究的內(nèi)容是無法直接觀察到的呼吸系統(tǒng)，為了能夠讓學(xué)生更有效地建立呼吸系統(tǒng)的相關(guān)概念，并在腦海中形成具象，本課采用智能軟件“人體探秘”輔助教學(xué)。學(xué)生通過收集數(shù)據(jù)、記錄數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)等一系列活動(dòng)提出核心問題：為什么運(yùn)動(dòng)后呼吸加快了。學(xué)生對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行拆分，把核心問題拆分出兩個(gè)可以解決的子問題：人是怎么呼吸的和人為什么呼吸。

“人體探秘”主要協(xié)助學(xué)生解決第一個(gè)問題。該軟件按順序通過動(dòng)畫的形式為學(xué)生呈現(xiàn)了人體呼吸器官的組成;順著氣管到達(dá)肺部;有黃色的氣體從肺部出發(fā)通過氣管，最后從鼻腔排出。通過這樣的觀察，學(xué)生認(rèn)識(shí)了呼吸系統(tǒng)由鼻腔、氣管、支氣管和肺部組成。通過對(duì)兩種氣體的觀察，學(xué)生了解了呼吸系統(tǒng)的工作順序，并產(chǎn)生新的問題：為什么吸進(jìn)去和呼出來的氣體不一樣。為解決第二個(gè)問題打下基礎(chǔ)。通過“人工探秘”逐步發(fā)展科學(xué)形象思維，學(xué)生通過感官獲得的感知在大腦中儲(chǔ)存并再現(xiàn)形成具象，具象經(jīng)過分析、綜合、抽象、概括等過程得到概象，最后概象分割、重組形成滲透新內(nèi)容的、具有創(chuàng)造性特征的意向。

2.人工智能軟件在課堂教學(xué)的應(yīng)用

（1）感受維度。學(xué)生對(duì)身體非常熟悉，身體向我們傳達(dá)了很多信息，比如出汗、心跳加快、呼吸加快、胃脹、肚子疼等，學(xué)生通過感受建立了一些關(guān)于身體的感性認(rèn)識(shí)。本課聚焦到學(xué)生的實(shí)際生活，在運(yùn)動(dòng)中感受身體的變化，結(jié)合自己的感受提出想探究的問題。在感受維度師生行為具體表現(xiàn)為：教師帶領(lǐng)學(xué)生感受運(yùn)動(dòng)帶來的身體變化，引導(dǎo)學(xué)生通過記錄并分析數(shù)據(jù)，聚焦問題。學(xué)生運(yùn)動(dòng)起來，描述運(yùn)動(dòng)后身體的變化，感受運(yùn)動(dòng)后呼吸加快，并通過記錄和分析身體數(shù)據(jù)（平靜時(shí)和運(yùn)動(dòng)后的呼吸次數(shù)）將感性經(jīng)驗(yàn)與理性事實(shí)進(jìn)行聯(lián)系?；谧约旱母惺芎蛯?duì)數(shù)據(jù)的分析，提出本課的核心問題：為什么運(yùn)動(dòng)后呼吸會(huì)加快。

（2）活動(dòng)維度。在探究活動(dòng)中，學(xué)生以小組合作的形式，利用“人體探秘”軟件自主觀察人體呼吸的過程，探究人體呼吸器官的結(jié)構(gòu)與功能，修正學(xué)生對(duì)呼吸系統(tǒng)的感性認(rèn)識(shí)，建立呼吸系統(tǒng)的概念?；顒?dòng)維度師生具體行為表現(xiàn)為：教師先讓學(xué)生根據(jù)自己的生活經(jīng)驗(yàn)和感受畫一畫空氣在體內(nèi)流動(dòng)的過程（用到的器官），然后用軟件探究呼吸系統(tǒng)。學(xué)生通過畫一畫的活動(dòng)表達(dá)自己對(duì)人體呼吸系統(tǒng)的感性認(rèn)識(shí);分小組使用軟件觀察在呼吸過程中用到了哪些器官，結(jié)合器官的結(jié)構(gòu)分析各個(gè)器官的功能，描述呼吸過程，觀察吸進(jìn)來和呼出去的氣體是不一樣的，肺是完成氣體交換的器官;小組間分享自己的發(fā)現(xiàn)，全班一起討論。

（3）思維維度。學(xué)生通過感受、體驗(yàn)、探究和分析數(shù)據(jù)，建立了呼吸器官和呼吸系統(tǒng)的相關(guān)概念。將感性的感受轉(zhuǎn)換為理性的認(rèn)識(shí)，將看不見、摸不著的人體內(nèi)部系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為看得見的模型，將抽象的知識(shí)具象化，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)形象思維。思維維度師生具體行為表現(xiàn)為：教師提供科學(xué)家的研究數(shù)據(jù)，引導(dǎo)學(xué)生分析數(shù)據(jù);引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出人體的生命活動(dòng)需要氧氣;呼吸系統(tǒng)可以將空氣運(yùn)輸?shù)襟w內(nèi)。學(xué)生分析一次呼吸過程中吸進(jìn)和呼出氣體種類和數(shù)量的數(shù)據(jù)表，對(duì)比分析得出氧氣留在人的體內(nèi)，二氧化碳等不要的氣體排出體外，為人體探秘中發(fā)現(xiàn)的吸進(jìn)和呼出氣體不一樣提供事實(shí)證據(jù);學(xué)生結(jié)合已學(xué)知識(shí)，再次使用軟件感受并觀察到人體運(yùn)動(dòng)起來需要大量的氧氣，一次呼吸吸入的氧氣數(shù)量是一定的，所以需要加快呼吸的頻率。

最后教師進(jìn)行拓展，聯(lián)系生活中的空氣凈化器，讓學(xué)生意識(shí)到一些生活中的發(fā)明和創(chuàng)造來自我們的身體，也就是仿生學(xué)。

人工智能軟件作為技術(shù)支持應(yīng)用到小學(xué)科學(xué)課堂當(dāng)中，對(duì)于教師和學(xué)生都是一個(gè)重大的突破。合理選擇有針對(duì)性的人工智能軟件對(duì)課堂教學(xué)可以起到良好的推動(dòng)作用，取得良好的教學(xué)效果。通過實(shí)際教學(xué)中師生教學(xué)活動(dòng)的分析，人工智能軟件可以幫助教師調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，幫助教師解決在教學(xué)中出現(xiàn)的困難。學(xué)生通過使用人工智能軟件，可以將抽象的知識(shí)具象化，發(fā)展科學(xué)思維。

本課是將人工智能軟件應(yīng)用到小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)中的一次嘗試，結(jié)合學(xué)科特點(diǎn)，人工智能在小學(xué)科學(xué)中的應(yīng)用有很大的發(fā)展空間。相信在未來，人工智能在小學(xué)科學(xué)課堂中的應(yīng)用會(huì)發(fā)展得更為成熟。