人工智能科學課教學新領域

邵群

現今，人工智能作為一個先進的研究領域，其應用已有十余年了，推動了各行各業的發展。但人工智能在小學科學教學方面的應用卻有些滯后。未來，隨著人工智能的快速發展，可以預測其在教育行業的發展也必然加速。老師恰當應用人工智能系統開展教育教學，將在很大程度上把科學教學推到一個全新的層次。

人工智能的定義可以分為兩個部分，即“人工”和“智能”“人工”是指人力所能及的、人自身所能做到的，或者人所能創造的人工智能化。“智能”涉及其他諸如意識、自我、思維等問題。

一、人工智能為學生提供豐富的學習素材

人工智能的發展，為小學科學教學資源的積累、分享提供了極大的便利。在人工智能教育系統中，有多種形式的教學資源，為學生的科學學習提供了豐富的學習素材。例如，學生在做某個實驗時，步驟不記得了，人工智能可以及時幫助學生從資源庫中找出這個實驗的步驟，幫助學生完成剩下的實驗;或者學生在觀察某個科學現象時，對于它的科學概念不是特別了解，人工智能也能及時幫助學生去資源庫中找尋相關內容。在小學科學教學課堂中，不少內容屬于材料收集或者材料閱讀的類型。對于這部分課堂內容，老師可以利用人工智能，讓學生在課堂上實時搜集相應的材料，并進行交流展示。

人工智能的資料庫中資源豐富。在學生預習階段，老師可以指導學生使用人工智能系統，預習、了解相關的知識內容，完成與即將學習的課程內容相關知識的預熱。如，在預習五年級下冊《地球的運動》這一課中，由于學生的宇宙相關知識相對較少，且這塊內容比較抽象，老師就可以指導學生利用人工智能，查找關于地球的資料，觀看宇宙相關的視頻，以此豐富自己對地球與宇宙的知識。而后老師再開展這一內容教學 ，課堂教學效果就會大大提高。

人工智能的巨大信息量，大大地拓寬了學生的視野。一段文字、一段短視頻、幾張圖片，就能將課堂中一些抽象的內容直觀、形象地展示在學生面前。老師不用講太多，學生就能學到很多，大大地提高了課堂教學效率。

二、人機交互讓學生直觀感受科學現象

在傳統的科學教學過程中，能夠進行現場操作的實驗，可以選擇讓學生經歷實驗探究過程，但是某些實驗由于難以改變的自然因素，僅用傳統教育媒介，例如圖片或視頻的方式進行知識講解，學生無法獲得經歷體驗，導致難以直觀理解知識內容。這時人工智能機器便為科學教學提供了新的傳授方式，彌補了這一教學短板。例如，在《一年中的四季》一課中，學生只是通過圖片無法直觀體驗，如果利用智能機器進行人機交互，則可以通過學生指令語調的變化，來改變外部條件，如陽光、溫度、和降水狀態、降水量、空氣濕度，來模擬環境變化，讓學生在短時間內直觀體驗四季的變化，獲得身體感官的感受對比。此外，某些“區域性天氣”、極端自然現象、地區性地貌特征，均可以通過智能機器來調節外部環境來讓學生獲得直觀體驗。

生物方面，例如，講解《食物在人體內的旅行》一課時，學生可以化身“小食物”，通過智能機器模擬，感受食物在人體內的旅行過程，真切地感受食物經歷的外部環境，更加清楚地認識人體內部器官的構造。物理方面，“電和磁”單元中的《用驗電球做人體的導電實驗》一課，老師要在教學中讓學生理解人體也是一種導體，安全是首先要考慮的問題，那么利用智能機器能夠充分規避這些風險。

三、記錄儀讓學生獲取直觀的實驗數據

在科學實驗教學中，經常需要組織學生開展小組實驗活動。在傳統的科學課教學中，學生的實驗結果一般都用紙筆，以數據、圖畫等形式記錄。如果學生的觀察、記錄發生遺漏或錯誤，就會影響實驗結論的總結歸納。這時無法重現實驗的情景，比對數據，再進行分析。

人工記錄儀給學生實驗記錄提供了新的方式。在學生分組實驗時，給每個組配備一臺記錄儀，對學生實驗過程、實驗數據進行記錄。這樣不僅可以監督學生的實驗過程，還可以為學生提供相應的信息反饋，方便實驗結果的分析、交流。

人工智能系統監控留下學生的實驗操作過程，然后對學生的實驗操作進行分析，系統會將其中的錯誤操作信息反饋給學生，同時也給老師提示。這樣可以及時指導學生的不足，而且系統本身也會給學生提供正確的實驗操作方法。這能夠填補老師在實驗操作過程中巡視課堂的空缺，有助于每個小組規范、正確地掌握實驗操作方法，讓學生能夠及時地得到相關的反饋信息，從而很好地把握他們科學實驗中不足的地方，然后加以鞏固練習，從而掌握扎實的科學理論和實踐知識。如，在發現異常數據時，利用拍攝的圖片進行查證;學生有不規范操作動作時，利用拍攝到的圖片進行指錯、糾正等。

四、智能人臉識別調控學生學習狀態

傳統的科學課堂教學效果主要依靠學生學習的自主性和老師對課堂狀況的“監控”。采用智能人臉識別系統，可以實時反饋學生的學習狀況，老師能夠實時調節自己的教學策略。比如，人工智能系統可以靈活捕捉到學生打哈欠的動作，得知學生的精神處于疲勞狀態，繼而將這一信息實時反饋到老師的智能接收設備上，老師就可以及時調節課堂氛圍，或者讓學生稍加休息，從而提高教學效率。目前已經有學校運用這種智慧課堂管理系統，來檢測學生的課堂行為狀況。

此外，還可以利用這種智能系統，通過圖片和文字的分析處理技術，對學生課堂筆記的記錄情況和課堂作業的完成情況進行識別和判斷，幫助老師及時發現“問題學生”，及時糾正學生的學習行為。

未來的課堂，人工智能必將是小學科學教學的重要輔助手段，在優化小學科學教學的同時，能激發學生學習科學的興趣，能使他們形成較強的參與意識和思辨能力，也有助于提升他們的創造力。這對學生學習方式的改進有巨大的幫助。