談牽手人工智能助力小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)范文
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摘 要：人工智能走進(jìn)教育領(lǐng)域，為提高教育質(zhì)量和改進(jìn)教學(xué)方法提供了很大便利，受到了廣泛關(guān)注。人工智能雖有發(fā)展前景，但也面臨各種挑戰(zhàn)。就人工智能在科學(xué)課堂中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，結(jié)合案例分析人工智能在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用及意義，對提升科學(xué)課堂教學(xué)效率、引領(lǐng)科學(xué)教學(xué)的新方向具有重要意義。
關(guān)鍵詞：人工智能；小學(xué)科學(xué)；課堂教學(xué)自動駕駛、人臉識別、語音助手
隨著科技的發(fā)展，人類社會逐漸走進(jìn)了智能時代。作為一名小學(xué)科學(xué)教師，在了解了人工智能的基本概念和功能后，筆者認(rèn)為人工智能也可以應(yīng)用到小學(xué)科學(xué)課堂中，幫助教師提高小學(xué)科學(xué)的課堂學(xué)習(xí)效率。因此，在了解了目前人工智能跟小學(xué)校園相結(jié)合的相關(guān)文獻(xiàn)后，筆者提出了關(guān)于人工智能如何促進(jìn)小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)的思考。
一、人工智能在小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀
現(xiàn)階段，國際上已有應(yīng)用人工智能技術(shù)輔助課堂教學(xué)的多項成果。例如基于自適應(yīng)技術(shù)，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣進(jìn)行個性化推薦的智能教學(xué)系統(tǒng)[1]；基于推理模型推測學(xué)生人格特征的學(xué)習(xí)系統(tǒng)[2]；根據(jù)認(rèn)知與元認(rèn)知序列探究隱性知識掌握情況的智能教學(xué)系統(tǒng)[3]；基于感知數(shù)據(jù)、實現(xiàn)自適應(yīng)學(xué)習(xí)的移動學(xué)習(xí)同伴系統(tǒng)[4]等。我國學(xué)者在基于人工智能的課堂教學(xué)分析方面也開展了多項頗有成效的研究，如基于地圖的教育大數(shù)據(jù)可視分析方法[5]、課堂教學(xué)視頻智能識別系統(tǒng)[6]等。這些人工智能手段大多從課堂評價、隨堂答題、課后作業(yè)評價等形式入手，將人工智能與教育教學(xué)相結(jié)合，但對于如何在教學(xué)環(huán)節(jié)引入人工智能，使人工智能與科學(xué)教學(xué)緊密結(jié)合，許多一線教師覺得“摸不著頭腦”、找不到切入點。教師對人工智能技術(shù)的應(yīng)用較多局限于課堂答題、舉手搶答、正確率評比等環(huán)節(jié)，而這些功能早已通過電子書包等教學(xué)輔助工具實現(xiàn)，因此，現(xiàn)實情況仍與理想中的人工智能所帶來的真正意義上的課堂變革相距甚遠(yuǎn)。
二、人工智能在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用及意義
1.“感”為人先精準(zhǔn)快捷
人工智能數(shù)據(jù)的收集少不了各類傳感器的應(yīng)用，傳感器類似人類的“眼”與“耳”，能幫助智能設(shè)備敏銳捕捉環(huán)境信息，賦予人工智能以“超人的能力”。將人工智能課上所應(yīng)用的傳感器與科學(xué)實驗相結(jié)合，有利于提高實驗的準(zhǔn)確性與實驗成效。例如，在蘇教版《科學(xué)(四年級上冊)》的《力與運(yùn)動》一課探究拉力大小與小車前進(jìn)快慢關(guān)系的實驗中，常規(guī)計時采用學(xué)生按秒表計時，容易因計時員反應(yīng)不及時或操作不熟練而造成數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。為此，指導(dǎo)學(xué)生活用傳感器提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在起點與終點各放置一個測距傳感器，并將傳感器與智能控制器相連。實驗前，小車緊靠起點的測距傳感器，傳感器測得距離為零，當(dāng)小車起動后，距離大于零，就能觸發(fā)智能控制器程序，執(zhí)行“開始計時”的任務(wù)。當(dāng)小車到達(dá)終點碰撞終點的測距傳感器時，傳感器測得距離為零，智能控制器停止計時。智能控制器能直接顯示測得時間，并傳輸?shù)狡桨咫娔X終端顯示與存儲。如此，實驗計時環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確性得到了大幅提高，計時更加智能便捷，探究成效更加顯著。又如，在蘇教版《科學(xué)(六年級上冊)》的《太陽系大家族》一課中，教材安排學(xué)生動手實驗，認(rèn)識太陽直射、斜射的差異。實驗要求學(xué)生在陽光下分別平放與斜放插有紅液煤油溫度計的相同信封，過幾分鐘后認(rèn)讀溫度計。因紅液煤油溫度計玻璃泡為類球形，與信紙表面不能完全接觸，因而測得的溫度不準(zhǔn)確，會導(dǎo)致兩種條件下的溫度差值不大，使學(xué)生直觀認(rèn)為直射與斜射在引起溫差的作用上差異不明顯。而溫度傳感器具有感溫探頭元件，且樣式多，常見的有針狀、片狀、柱狀，能滿足不同被測物的測量需要。將紅液煤油溫度計替換為片狀探頭溫度傳感器，便能與信紙充分接觸，有效提高測溫的精確度。又因傳感器能高頻率進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，并傳輸數(shù)據(jù)至主控制器，因而溫度值能以數(shù)字化形式實時在與主控制器相連的輸出端顯示出來，從而減小室外肉眼認(rèn)讀溫度計刻度所產(chǎn)生的誤差，使溫度值的獲取快捷精準(zhǔn)。
2.用“芯”學(xué)習(xí)高效便捷
平板電腦等智能終端的集成處理芯片依靠機(jī)器學(xué)習(xí)算法運(yùn)行，能對數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，實現(xiàn)圖片識別、語音識別等功能。而發(fā)揮這兩種功能的優(yōu)勢為教學(xué)服務(wù)，能使人工智能技術(shù)成為科學(xué)課堂上師生有效認(rèn)知的得力工具。例如生命科學(xué)相關(guān)的課程，內(nèi)容包含多種生物類群。在小學(xué)六年的科學(xué)學(xué)習(xí)中，對生物的特征、生命延續(xù)、生存條件等知識的學(xué)習(xí)貫穿始終。教育部7年頒布的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》(簡稱課標(biāo))中提到：可以指導(dǎo)學(xué)生在校園觀察常見的樹木，為校園掛標(biāo)牌，參觀動物園或養(yǎng)殖場，觀看各種媒體資料等。將科學(xué)活動與智能科技相結(jié)合，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為學(xué)生提供多樣化的學(xué)習(xí)機(jī)會。例如，在蘇教版《科學(xué)(一年級下冊)》的《形形色色的動物》與《多姿多彩的植物》的教學(xué)中，利用智能科技打破幻燈片圖文介紹的局限，從學(xué)生感興趣的身邊事物出發(fā)，帶領(lǐng)學(xué)生走進(jìn)校園的百草園、生態(tài)園，手持移動智能終端，為不陌生但卻說不清的植物或動物拍照，然后通過圖片識別軟件等，獲取相應(yīng)的學(xué)習(xí)資料。學(xué)生可聽、可看、可圈畫，整個學(xué)習(xí)過程高效自主，能滿足個性化學(xué)習(xí)的需求。但大多數(shù)圖片識別后獲取的動植物信息來源于市場上的第三方應(yīng)用軟件，存在知識容量大、內(nèi)容不成體系等問題，對此，教師可以使用CreateML或TensorFlow等機(jī)器學(xué)習(xí)開發(fā)軟件，借助往屆學(xué)生拍攝的校園動植物圖片建立資料庫，經(jīng)機(jī)器學(xué)習(xí)運(yùn)算提取特征值，生成屬于本校的數(shù)據(jù)模型，分學(xué)段將知識內(nèi)容與數(shù)據(jù)模型整合打包安裝在智能終端，使之更適合本校學(xué)生，從而使教學(xué)活動更具有針對性。學(xué)生在實驗、測量與模型制作等動手參與的活動中，不能及時在現(xiàn)場對觀察到的連續(xù)變化的現(xiàn)象、獲得的瞬時體會與思考等做記錄，通常在活動結(jié)束后才開始整理筆記或填寫實驗單，會出現(xiàn)信息遺漏、記錄內(nèi)容不完整等問題。而采用語音識別技術(shù)，則可便捷地開啟與關(guān)閉設(shè)備，及時記錄重要內(nèi)容，并高效地轉(zhuǎn)換成文字，并按語義進(jìn)行斷句識別，最終轉(zhuǎn)化成電子文本。它不僅記錄的內(nèi)容清晰完整，而且操作便捷、效率高。例如，在蘇教版《科學(xué)(一年級下冊)》的《玩泥巴》一課的篩泥土、和泥與捏泥塑活動中，學(xué)生滿手是泥，不便使用紙筆，可將活動過程中的發(fā)現(xiàn)與體驗借助語音識別設(shè)備記錄下來，并討論、制作成體驗卡留存。與此類似，操作性強(qiáng)的同類活動課都可在語音識別設(shè)備的輔助下，實現(xiàn)做實驗與做記錄同步進(jìn)行，簡單而高效。
3.暢享數(shù)據(jù)多“端”聯(lián)結(jié)
教師可借助人工智能技術(shù)，分析數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，引導(dǎo)學(xué)生透過現(xiàn)象看本質(zhì)，促進(jìn)學(xué)生理性思維的發(fā)展。課標(biāo)在教學(xué)媒體實施建議中提到：要讓學(xué)生“通過互聯(lián)網(wǎng)可以迅速有效地獲取與共享信息，體現(xiàn)大數(shù)據(jù)時代相關(guān)性研究的便利”[7]。借助互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，多個智能終端與“云端”(云服務(wù)器)可相互聯(lián)結(jié)，有利于實驗數(shù)據(jù)的互傳，憑借“云端”的多線程處理能力，高效地對學(xué)生記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合、分組，為數(shù)據(jù)的優(yōu)化推薦、精準(zhǔn)查詢提供智慧引擎。例如在“像工程師那樣……”的專項學(xué)習(xí)里，在“前期研究”階段，以往瀏覽外部網(wǎng)站或翻閱書籍查找到的資料普遍存在不易理解、無關(guān)信息多、與課程的關(guān)聯(lián)度低等問題，利用率低，收效甚微。因此，應(yīng)基于學(xué)生現(xiàn)有認(rèn)知水平，把查找、學(xué)習(xí)資料的任務(wù)落實在學(xué)生的“最近發(fā)展區(qū)”內(nèi)，充分利用上傳至“云端”的往屆學(xué)生作品數(shù)據(jù)庫，在教師引導(dǎo)下，讓學(xué)生從材料、用途等多維度的查詢和瀏覽中獲得啟發(fā)，從智能推薦中不斷篩選、收集信息，為解決問題提供最大幫助。在與“云端”交互的過程中，往屆作品的特征被學(xué)生掌握，羅列的問題被解決，取而代之的是下一階段富有挑戰(zhàn)的任務(wù)，學(xué)生的認(rèn)知結(jié)構(gòu)也在此過程中得到精細(xì)加工和重新建構(gòu)，促進(jìn)了其認(rèn)知水平的發(fā)展。
三、結(jié)語
如今，人工智能技術(shù)已經(jīng)深入生活中的方方面面，如同“馬良的神筆”，激活了學(xué)生課堂。人工智能作為現(xiàn)代教學(xué)的新興輔助手段之一，對激發(fā)學(xué)生興趣、拓展課堂容量、激活學(xué)生思維具有積極作用。小學(xué)科學(xué)作為一門重實踐、重探究的學(xué)科，人工智能技術(shù)的作用更加不容忽視。如何在小學(xué)科學(xué)課堂上提高人工智能這一教學(xué)手段的有效性，需要教師在教學(xué)設(shè)計中主動思考其如何與人工智能相融合，在備課時需周密計劃，優(yōu)化教學(xué)過程，為學(xué)生提供更好的學(xué)習(xí)方法，以切實提高教學(xué)質(zhì)量。人工智能技術(shù)讓小學(xué)科學(xué)課堂不再照本宣科、“死氣沉沉”，而真正“活”起來；不僅停留在“教師教、學(xué)生學(xué)”，而且讓師生“身臨其境”，真正進(jìn)入科學(xué)世界，在充滿魅力的課堂中樂學(xué)，且做到活學(xué)活用。
作者：張龍 林宏宇 單位：福建省廈門市濱北小學(xué)