探索人工智能技術助力教學

◇王倩娟（福建：福建師范大學附屬小學）

2017年，國務院印發了《新一代人工智能發展規劃》，明確地將“智能教育”作為人工智能國家戰略的重要組成部分，提出“利用智能技術建立以學習者為中心的教育環境，提供精準推送的教育服務，推動人工智能在教學中的全流程應用”。基于此，本文分析了人工智能技術應用于小學科學教學的現狀，并以小學科學課堂教學為例，從“常學習，樹立人工智能技術為教學服務的意識；多留心，及時整理學科教學中需要技術支持的內容；廣搜索，選擇便捷、合適的人工智能技術助力教學；巧融合，嘗試人工智能技術對跨學科教學的應用”四個方面對人工智能技術融合小學科學教學的策略進行了探索。

一、人工智能技術融合科學課教學現狀分析

目前，將人工智能技術融合于學科教學并不普遍。大多數學科教師在教學中使用的還是多媒體技術，例如PPT 課件、希沃課件、視頻剪輯等；在一些人工智能試點校、試點地區，更多的也是嘗試獨立開設人工智能校本課程，或在信息技術課程上進行專業知識的學習，在人工智能技術融合學科教學上研究較少。其次，從教師自身層面來說，有相當一部分教師認為人工智能是獨立存在的一門學科，專業性強、知識深奧，因此，從心理上早早就放棄了嘗試的念頭。

二、人工智能技術融合科學課教學策略

（一）常學習，樹立人工智能技術為教學服務的意識

中國人民大學附屬中學校長翟小寧在2017 今日頭條未來教育峰會上指出：“未來人才培養和人工智能的崛起是密切相關的。未來是更加智能化的時代，一定要高度重視新科技，高度重視人工智能教育，為未來發展做好準備。”因此，作為教師必須做出重大改變。首先，要樹立人工智能技術為教學服務的意識；其次，要與時俱進，利用各級各類培訓的機會或課余時間學習人工智能相關知識，明確當今人工智能技術在教育領域的應用技術包括圖像識別、語音識別、人機交互等；最后，要充分利用人工智能新技術，推動以學生為中心的個性化教學模式變革，將教師從原來知識的主要提供者變成指導學生學習的人，指導學生如何搜集信息、利用信息、處理信息。

（二）多留心，及時整理教學中需要技術支持的內容

筆者以蘇教版小學科學教材為例，按照物質科學、生命科學、地球與宇宙科學、技術與工程四大領域進行整理，羅列了在小學科學教學過程中需要人工智能技術支持或者利用人工智能技術可以促使學生科學思維發展、科學精神養成的內容，詳見下表。

科學內容領域1~2年級（2017版）3~4年級（2017版）5~6年級（2007版）物質科學——簡單電路、導體和絕緣體、鐵釘生銹了生命科學尋訪土壤中的小動物、樹葉變黃了，單元：動物與植物電路暗箱、浮力、摩擦力、水受熱以后、水遇冷以后、聲音的傳播給動物分類、環境變化以后，單元：植物的一生，單元：人的呼吸和消化大腦、神經、感覺，單元：遺傳與變異、化石告訴我們什么地球與宇宙科學曬太陽、看月亮、數星星常見的巖石、月球、太陽、云量和雨量、風向和風力、地下水、海洋晝夜交替、看月亮、地球的內部、火山和地震、地表的變遷、登月之旅、太陽系大家族、看星座、探索宇宙技術與工程——斜坡的啟示

例如，蘇教（2017 版）小學科學四年級《浮力》這一節課中的綜合應用部分，其中一個活動是綜合應用浮力知識，想辦法讓一張A4 紙在水里承載更多的硬幣。當學生通過不斷嘗試后會發現：船的體積越大承受的硬幣數量就越多。而想讓A4 紙折成的小船體積最大就要涉及體積的計算（V=abh）。那么如何讓一張A4 紙做成的小船體積最大呢？由于四年級的學生并沒有學過賦值法，所以只能從折邊x=1cm 開始計算船的體積（見下圖）。

X代表折邊

這樣，不僅計算方法超綱、量大而且很耗時，同時這也不是我們科學課程標準所要求的。因此，教師在這部分教學時可巧妙借助人工智能的數據分析軟件——微軟教學，演示操作利用大數據建模分析求出折邊x=4.05cm 時折成的小船體積最大、能承受的硬幣數量最多。

又如，蘇教（2007 版）小學科學五年級上冊《看月亮》一課，需要學生持續觀察一個月內月亮的變化。但在教學過程中，一些城市學校卻經常因地處市區晚上根本看不到月亮又或者難免會遇到陰雨天氣無法持續觀察。

（三）廣搜索，選擇便捷、合適的人工智能技術助力教學

目前與教學相關的人工智能技術有人工智能軟件、運動手環、教學設備（壓力傳感器等）多種手段。而人工智能軟件是使用面最廣、操作最便捷的一種手段，它的種類很多，大致可以分為計算機視覺，圖像、音頻識別和自然語言處理三類。教師在教學時應該廣搜索，根據學校實際情況、教學內容、學生年齡特點等相關因素，選擇最合適、最便捷的人工智能技術來輔助教學。

如，小學科學課程標準在生命科學領域中對于“地球上生活著不同種類的生物”這一大概念提出的學習目標中就有“說出生活中常見動物的名稱及其特征、說出周圍常見植物的名稱及其特征”這一要求。而在不同地區中生長的常見動植物是不一樣，教師也無法做到在任何時間、任何空間對學生提出的有關問題進行答疑解惑。這時，人工智能技術的支持就顯得尤為重要了。目前，一些科學教師對于這個問題的解決方法就是采用挑選一些免費的、操作簡單、界面清晰的動植物識別軟件（識花君、形色、花伴侶、識鳥君、動物識別等）推薦給學生，這正是利用了人工智能技術中的圖像識別功能。有了這樣的軟件，假期外出時家長也能利用識別軟件教孩子認識一些常見的動植物，學校與家庭形成一股合力，真正做到學科學、用科學，體現了科學是在實踐中體驗、在探究中積累的，促進了學生科學素養的提升。

又如，蘇教（2007 版）小學科學五年級上冊《簡單電路》一課，其中有一個活動是讓學生知道安全用電的常識，因為一些錯誤的電路連接方式會造成短路、斷路等情況，嚴重的甚至會給人類的生命安全帶來威脅。在常規教學中，教師經常是采用圖片、視頻等方式來講述，但有了人工智能軟件——仿真實驗室的輔助，教師就可以讓學生模擬操作、親歷探究各種不同的電路連接方式，從而觀察到不同的現象，哪怕是學生嘗試了一些錯誤的電路連接方法也不會真正對學生造成傷害，引導學生做中學、學中思，樹立安全用電的意識。

（四）巧融合，嘗試人工智能技術對跨學科教學的應用

小學科學課程是一門綜合性的課程，特別強調與其他并行開設的語文、數學、體育等課程相互滲透，促進學生的全面發展。因此，教師在采用人工智能技術輔助教學時，也可以根據課程需要巧妙融合學科教學內容，優化教學資源，嘗試人工智能技術跨學科的教學應用。

蘇教（2017 版）小學科學五年級上冊《測量呼吸和心跳》一課，教材中需要學生測量在安靜狀態下、運動結束時、休息3分鐘后三種狀態下1分鐘的呼吸和心跳次數，而且采用的是最原始的方法，不借助任何設備僅僅人工測量。但筆者在實際教學時卻發現存在著以下一些情況：在教室上課，由于場地受限且易影響其他班級上課難以帶領學生開展一些運動；人工測量時學生難以掌握正確的測量方法，如果借助電子設備，無法做到人手一臺；等。恰好學校由于體育教學需要曾購買了運動手環及其數據處理軟件，于是筆者根據實際情況重新調整教學設計，將本節科學課堂上需要完成的三個測量活動有機融合于體育課堂，請體育教師將某一節體育課堂上學生分別處于安靜狀態下、運動結束時、休息3 分鐘后的心跳和呼吸數據采集后交給筆者。在科學課堂上，筆者就帶著學生一起分析不同狀態下心跳和呼吸的數據，并且在此過程中進行了螺旋上升的設計——由分析學生個人數據到分析全班學生的數據，從而得出結論。人工智能技術應用于體育和科學兩個學科，不僅解決了傳統體育教學中“難量化、難記錄、難監測、難分析”的問題，幫助教師及時調整教學設計，更優化了教學資源，使科學教師能在課堂上有更多的時間指導學生如何進行數據的處理、分析，有效培養了學生在思維方法、證據意識等方面的科學素養。

三、結語

總之，人工智能技術應用于小學科學教學是一項任重道遠的研究，隨著時代的發展、技術的革新、課程的改革，必將有更大的發展空間，老師們對于人工智能技術的應用也會更加成熟。