人工智能技術提升小學科學融合創(chuàng)新研究
——以“蠶的一生”大單元設計為例

譚詠竹(廣東省深圳市龍華區(qū)龍為小學 518109)

2019年2月，中共中央、國務院發(fā)布《中國教育現(xiàn)代化2035》，提出“建設智能化校園，統(tǒng)籌建設一體化智能化教學、管理與服務平臺”。人工智能技術和教育相結合，是未來教育改革的一個重要方向。要想有效地推動人工智能技術在教育教學中的應用，教師們就必須將人工智能技術的優(yōu)點發(fā)揮到最大，利用人工智能技術來營造新的學習環(huán)境，并設計更為豐富的教學活動，以此來提升教師教學的質量和效率，并推動教師自身的專業(yè)發(fā)展。運用人工智能技術，可以改變學生的學習方式，更好地推動學生的學習與發(fā)展。在國家政策的驅動下，人工智能對教學領域產(chǎn)生了廣泛而深遠的影響，已經(jīng)成為課程教學改革的強大動力，因此，推進中小學人工智能融合教育已經(jīng)成為了一種必然的趨勢。

本文以“蠶的一生”大單元設計為例，通過創(chuàng)設真實情境，靈活應用人工智能技術融入小學科學探究實踐中去，為學生提供了真實有效的學習路徑。教學內容源于小學科學教科版三年級下冊第二單元“動物的一生”，以關鍵概念“蠶的一生是如何發(fā)展的”為核心，重新建構原教材第1、3、4、5、6課時的教學內容，形成了新的4 個課時結構。使用“大單元—任務群—問題鏈”的方式組織具體教學內容，強化教學內容的整體性和關聯(lián)性。圍繞“任務群”，筆者綜合選用了Craft AI人工智能程序、AI繪畫、PPT、希沃白板、美麗科學APP、問卷星、視頻、微課、圖片等技術工具融入教學，創(chuàng)設真實問題情境，圍繞“如何幫蠶寶寶更好地長大”的驅動性問題，依托“問題鏈”開展各類探究學習活動，引導學生個性自主學習和小組合作學習。綜合運用了數(shù)字化工具和相關智能技術，增強學生體驗感，提升活動趣味性；并能及時收集學習數(shù)據(jù)，記錄和分析學生的學情狀況，協(xié)同教師評價學生的價值觀念、必備品格和關鍵能力，助力提升育人成效，單元整體設計思路如圖1所示。

圖1 單元整體設計思路

一、“蠶是如何變成蠶寶寶的”分析

本課應用與Chat GPT 相同模型接口的Craft AI程序來創(chuàng)設開放式教學情境，引導學生主動參與形式多樣的人機協(xié)同教學交互活動，激發(fā)師生的靈感與智慧。(Craft AI與Chat GPT 一樣，都是人工智能技術驅動的自然語言處理工具，能夠通過學習和理解人類的語言來進行對話，還能根據(jù)聊天的上下文進行互動，真正像人類一樣交流。)筆者結合“Craft AI+虛擬動畫形象”而創(chuàng)造出了一個新朋友“CC”，她來自外星球，性格活潑，且知識淵博。通過學生與新朋友CC 的溝通交流，并搭配課前“問卷星”收集的學生關于蠶的問題，調查學生前概念，了解學生對蠶的已有看法和認知誤區(qū)。引入“新朋友CC”現(xiàn)場為學生解答疑惑，實現(xiàn)真實的人機互動，最大程度地激發(fā)學生想要養(yǎng)蠶的興趣，實現(xiàn)技術與教學融合創(chuàng)新，迅速明確課題內容。

一是播放有關蠶的視頻，提問：“你養(yǎng)過蠶嗎?關于蠶你知道什么? 還想知道什么? 老師課前收集了同學們問得最多的幾個問題，大家一起來看看有沒有你好奇的吧!”二是呈現(xiàn)課前用問卷星收集的調查結果(圖2)，揭示課題。三是為了向大家解答疑惑，老師請來了一位來自外星球的新朋友CC，她性格十分活潑，知識非常淵博，看看她是怎么回答的吧。四是新朋友CC 在線與學生進行實時互動，回答問題(圖3)，激發(fā)學生對養(yǎng)蠶的興趣。

圖2 教師用問卷星收集的調查結果

圖3 人機互動

設計意圖：通過播放關于蠶的視頻吸引學生的注意力，明確本課的學習任務，為接下來解決相關問題做鋪墊，調動學生探究的興趣，并用問卷星呈現(xiàn)數(shù)據(jù)調查結果，提前了解學情，并由此引出新朋友CC的身份，CC 也將陪伴著學生度過后續(xù)整個單元的學習。

二、“蠶長大了”分析

本課時在仿真虛擬實驗和AR 技術的資源下，通過情境模擬實驗小游戲(圖4)實現(xiàn)小組合作，讓學生切身以第一視角經(jīng)歷養(yǎng)蠶的各個階段，突破了學生在養(yǎng)蠶過程中由于蠶生長時間過長，對各個生長階段的觀察可能有所遺漏的缺點，營造出一個“沉浸式”的有趣科學探究課堂。通過蠶的3D模型給學生呈現(xiàn)了全方位視角下對蠶身體各結構的認識，幫助大部分學生加深了對蠶的印象，有助于理解蠶的一生的變化規(guī)律和成因。同時，還增加了跨學科設計，融合數(shù)學的幾何圖形知識，讓學生完成對蠶身體結構的拼圖，通過拼圖游戲，融合了數(shù)學學科的知識，有利于檢驗學生對于蠶身體結構的熟悉程度，同時游戲也能激發(fā)學生學習興趣。隨后將學生作品用希沃白板拍照上傳，進行作品展示和生生互評。

圖4 模擬實驗游戲

三、“作繭自縛又如何，我偏要破繭而出”分析

學生在前幾課的學習與親歷的養(yǎng)蠶經(jīng)驗基礎上，對蠶繭的形成都有了一定的了解。為了讓學生進一步地切實感受蠶繭的特點和蠶絲的強韌性能，筆者設計了跨學科主題學習活動，加強不同學科間的相互關聯(lián)，融合了語文、美術學科等知識。教師通過微課、視頻等分享與蠶有關的古詩文，并介紹蠶絲扇的歷史由來；讓學生給蠶繭來一個“華麗大變身”——制作一把蘊含中華文化的蠶絲扇。在學生已有的認知發(fā)展水平上，利用制作蠶絲扇這一實驗不僅促進了學生的科學探究實踐能力，還提高了學生的動手能力。

1.創(chuàng)設情境，導入問題

制作前，應用AI作畫程序+虛擬人物動畫形象，結合學習任務單(圖5)讓學生描述自己心目中理想蠶絲扇的設計圖，通過詢問新朋友CC，讓CC自動繪畫出來。用AI繪畫的方式來使學生的思維活躍，讓課堂更加積極，增強學生制作蠶絲扇的體驗感，提升活動趣味性，同時尊重學生個體差異，鼓勵學生個性化解決問題。

圖5 學習任務單

2.設計實驗，探究實踐

教師先介紹實驗材料，然后播放微課視頻，提供學習腳手架，引導學生進行具體的實驗操作。教師在教學中強化過程評價，重視“教—學—評—改一體化”，關注學生在制作蠶絲扇過程中的真實表現(xiàn)與思維活動，有效促進生生、師生交流。實驗過程中，教師下臺巡堂，提醒學生操作的注意事項與需要觀察的關鍵地方，引導學生及時觀察與記錄(圖6)。

圖6 學生制作蠶絲扇

3.課后拓展，學習遷移

學生小組展示、分享蠶絲扇成品，與其他小組進行交流、評價；在教師的引導下，學生開始逐漸反思實驗過程還有哪些方面可以進一步改善，如何對蠶絲扇進行迭代設計。比如，有學生提出，能不能在制作好的蠶絲扇基礎上做出一些功能性的蠶絲扇呢? 進而有更多的學生深入思考功能與不同材料之間的關系——比如，想制作一把驅蚊提神的蠶絲扇可以怎么做? 有學生提出，可以在蠶絲扇表面噴一些花露水。于是就有更多學生思考：那什么材料和花露水一起制作能夠讓蠶絲扇的性能變得更好呢? 就這樣，學生在教師的引導下會主動一步一步地深入思考、探究，繼而關注知識間的內在聯(lián)系，促進學習的遷移與應用，有效提升了科學思維。

4.人機互動，首尾呼應

學生制作完蠶絲扇后，為感謝新朋友CC 繪畫提供的靈感，準備將蠶絲扇送給CC，CC進行真實回應，實現(xiàn)人機互動，前后呼應，將故事拉向高潮，為整個實驗畫上圓滿的句號。教師在聆聽、發(fā)言、合作、任務完成等方面對小組進行評價；圍繞學生知識、能力、素養(yǎng)等方面進行綜合評價。注重鼓勵學生，激發(fā)學生學習的積極性。通過師生、生生互動實現(xiàn)協(xié)作、探究和意義建構，互動交流更立體、高效、持續(xù)，課堂氛圍生動活潑，為學生提供了展示的舞臺，提高了課堂教學效率。

四、“回顧蠶的一生”分析

本節(jié)課是學生長期觀察研究蠶之后的總結課。一方面，學生在前面的課程中通過親歷養(yǎng)蠶活動，已經(jīng)對蠶生長發(fā)育的全過程進行了觀察記錄，但這些知識在大部分學生的腦海中都是零散的，沒形成完整系統(tǒng)的認識。另一方面，往往小學階段學生的注意力集中時間不長，課堂上的交流分享效率不高。尤其是養(yǎng)蠶這類長周期觀察課，學生意志力較為薄弱，興趣轉移較快，課外對于蠶的觀察非常容易出現(xiàn)“虎頭蛇尾”的現(xiàn)象。因此，學生在上總結課的時候單憑自身很難串聯(lián)起所有知識點，無法形成思維的結構化，需要教師設置更多豐富的教學活動加以引導。

原教材中“蠶的一生”這節(jié)課只讓學生對蠶不同階段的幾張圖片進行排序，沒有深入展開對蠶每個階段生長變化的觀察。部分學生對圖片排序只是當作完成老師布置的作業(yè)，沒有內驅力和深入探索的欲望。

在本節(jié)課中，筆者應用了Artivive、AutoCAD制圖、PS等軟件設計并制作出了一副具有AR 效果的“蠶的一生”知識記憶卡牌，每張卡牌均代表蠶一生中的某一個階段。學生可以利用平板中的Artivive軟件進行掃描，隨后便會在卡牌上方的空中浮現(xiàn)出該階段的立體介紹視頻——利用AR 技術呈現(xiàn)出身臨其境的場景。隨后學生便可以邊掃描卡牌，邊與小組成員交流討論蠶一生的生長變化過程，并填寫學習任務單。通過讓學生梳理自己積累的觀察記錄，再經(jīng)過集體論證在全班范圍內達成對蠶一生生命歷程的認識，從中總結經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)蠶的生命周期規(guī)律。

在后續(xù)的教學環(huán)節(jié)中，筆者還設計了生生互動的卡牌游戲。以玩促學，極大地提高了學生的學習興趣。學生可以利用卡牌的技能點來提問對手(圖7)，增強現(xiàn)實技術(AR)結合游戲化的教學讓整節(jié)課課堂氛圍持續(xù)高漲，極大地提升了學生的學習動力，進一步鞏固了學生對蠶一生不同階段的認知，使整個課堂氛圍生動、高效。在游戲中提升學生飼養(yǎng)與研究蠶一生的能力，為以后更深入研究動物的活動打下了良好基礎。

圖7 卡牌游戲規(guī)則(節(jié)選)

五、教學反思

三年級的學生對于養(yǎng)蠶這類長周期的觀察活動起初興趣是十分高漲的，但是此年齡段學生的身心發(fā)展水平不足以支撐他們對蠶的一生進行深度學習。教師作為引導者可以結合智能化技術和互動新技術為學生構建實驗情境，鼓勵他們自主探究科學內涵，提升科學思維。例如，在利用AR 技術制作的蠶的一生卡牌游戲中，引導學生在虛擬環(huán)境中獲得科學概念，在游戲中參與科學實踐會形成學生良性的情感體驗，學生的科學學習熱情和內驅力被進一步激活，更容易實現(xiàn)有效學習。融入人工智能科技的科學課堂不僅給學生提供了更多的教學資源，包括視頻、圖片、音頻、游戲等形式的教材，能更加生動直觀地呈現(xiàn)科學知識，還可以根據(jù)學生的不同能力和興趣，個性化地定制教學內容和方式，提高教學效果。使用人工智能技術分析學生學習情況和學習風格，還能為教師提供更加科學的教學指導。通過人工智能技術的輔助，能幫助學生更好地理解和應用科學知識，提高學生的科學素養(yǎng)。