人工智能教育软件在小学科学教学中的应用

吴思琦 高洁

【摘 要】本文首先对人工智能技术的教育软件进行简要分类与总结，提出了人工智能软件在小学科学中的应用模式，再以教科版小学科学“运动起来会怎样”课程为例，按照学生探究活动的三个维度（感受、活动、思维），分别从教师、学生这两个视角详细探讨了人工智能教育软件在小学科学课堂中的实际应用，分析了此环境下课堂中的师生活动模式。

【关键词】人工智能;小学科学;人工智能教育软件;课堂教学

【中图分类号】G434  【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2019）07、08-0116-04

人工智能正以爆炸式的趋势在国际、国内蓬勃发展。新一代人工智能的相关学科发展、理论建模、技术创新、软硬件升级等整体推进，正在引发链式突破，推动经济社会各领域从数字化、网络化向智能化加速跃进。为顺应时代发展，促进教育改革，越来越多的教育工作者尝试将人工智能应用到课堂教学中去。他们试图通过人工智能技术促进自适应学习环境的发展和人工智能工具在教育中高效、灵活及个性化的使用，同时使用精确的计算和清晰的形式表示教育学、心理学和社会学中含糊不清的知识，从而利用人工智能打开“学习黑匣子”[1]。目前与教学相关的人工智能软件可以分为计算机视觉，图像、音频识别和自然语言处理三类。

叶宝生教授在《小学生习得科学概念的六种方式》一文中指出：小学科学认识是从可感知的科学事物的外部特征为基点获得科学概念，具有形象性和直接性的特点[2]。在小学科学的学习阶段，常有一些概念是学生看不见、摸不着的，传统的教学方式虽然能通过图片、视频等方式让学生建立相关科学概念，但学生的科学形象思维不能得到发展，以致于不能将所学知识由部分到整体、由点及面的串联起来。

基于信息化时代的发展和实际教学中面临的困境，本文将以小学科学课堂教学为例，研究人工智能在教学中的应用。

人工智能软件在小学科学课堂中的应用

技术是人类器官的延伸与拓展，技术性质反映了人的性质，即技术的目的是人的目的，技术需求是人的需求，人的需求是无止境的，技术的发展也是无止境的[3]。人工智能软件服务于小学科学课堂，是课堂教学的一种技术手段。通过利用一些人工智能软件，可以促进学生认识科学事实，帮助学生建立科学概念。科学课一般分为聚焦话题、实践探究、形成解释和拓展延伸四个阶段。人工智能软件可以作为探究工具帮助学生形成解释。在应用人工智能软件的小学科学课堂中更关注学生学习活动和教师教学活动。结合对人工智能软件的梳理、对小学科学课程特性的整体把握以及实际上课经验，笔者梳理出了基于应用人工智能教育软件的小学科学教学模式。

1.学生学习活动

在人工智能软件作为教学手段之一的小学科学课堂中，学生的学习活动可以分为感受、活动和思维三个方面。通过教师创设的以生活为基础的情境和引导，学生联系现实的生活经验和感受，发现问题，自主提出想要探究的内容。结合要探究的问题，学生通过小组合作的方式使用从人工智能软件中获得的科学事实修正自己已有的经验，积极主动地完成他们想要探究的内容，建立相关概念。学生使用人工智能软件，经历感受、探究和分析数据等过程，将感性的感受转换为理性的认识，将抽象的知识具象化，发展学生的科学形象思维。

2.教师教学活动

在基于学生使用人工智能自主探究的课堂中，课堂的主体是学生，教师起到推动课堂环节发展和引导学生思考的作用。教师在将人工智能应用到教学的过程中，要对人工智能软件进行充分地了解与选择。在教学设计中考虑智能软件和教学内容的关联性，分析并评估智能软件在课堂中的應用效果。确定好要使用的智能软件后，在课堂上向学生展示智能软件的使用方法，引导学生规范使用。给予学生充分的时间来体验和活动，在此过程中，教师是辅助者和引导者，帮助学生解决他们遇到的操作层面的问题，引导学生对观察到的现象进行分析，引导学生发现和解决问题，促进学生有效的探究活动。在必要时做阶段性小结，鼓励学生的发问和验证精神，最后为学生提供拓展延伸的相关内容。

“运动起来会怎样（一）”案例分析

1.案例概况

该案例选自教科版科学四年级上册，属于生命科学领域。课标要求学生通过对该领域的学习初步形成生物体的结构与功能、局部与整体、多样性与共同性相统一的观点。学生通过对本单元的学习建立人体由多个系统组成，各系统分工配合，共同维持生命活动这一核心概念，同时在课堂中科学形象思维得到发展，从而提升学生勇于探究和理性思维的科学精神。

“运动起来会怎样（一）”是“我们的身体”单元中的第三课。学生通过对前两节课的学习，建立了人体外部结构和骨骼、关节、肌肉的概念。在此基础上学生将研究内容聚焦到人体内部的呼吸系统，初次建立系统的概念，为后续学习循环系统和消化系统奠定了基础。本课有着至关重要的承上启下作用，承上联系前一节课，把人体的一些部分整体来看形成系统，启下为今后学习更多人体系统以及人体各部分间的相互协调工作奠定基础。让学生能够重新认识身体，养成健康生活的意识。

本课研究的内容是无法直接观察到的呼吸系统，为了能够让学生更有效地建立呼吸系统的相关概念，并在脑海中形成具象，本课采用智能软件“人体探秘”辅助教学。学生通过收集数据、记录数据、分析数据等一系列活动提出核心问题：为什么运动后呼吸加快了。学生对这个问题进行拆分，把核心问题拆分出两个可以解决的子问题：人是怎么呼吸的和人为什么呼吸。

“人体探秘”主要协助学生解决第一个问题。该软件按顺序通过动画的形式为学生呈现了人体呼吸器官的组成;顺着气管到达肺部;有黄色的气体从肺部出发通过气管，最后从鼻腔排出。通过这样的观察，学生认识了呼吸系统由鼻腔、气管、支气管和肺部组成。通过对两种气体的观察，学生了解了呼吸系统的工作顺序，并产生新的问题：为什么吸进去和呼出来的气体不一样。为解决第二个问题打下基础。通过“人工探秘”逐步发展科学形象思维，学生通过感官获得的感知在大脑中储存并再现形成具象，具象经过分析、综合、抽象、概括等过程得到概象，最后概象分割、重组形成渗透新内容的、具有创造性特征的意向。

2.人工智能软件在课堂教学的应用

（1）感受维度。学生对身体非常熟悉，身体向我们传达了很多信息，比如出汗、心跳加快、呼吸加快、胃胀、肚子疼等，学生通过感受建立了一些关于身体的感性认识。本课聚焦到学生的实际生活，在运动中感受身体的变化，结合自己的感受提出想探究的问题。在感受维度师生行为具体表现为：教师带领学生感受运动带来的身体变化，引导学生通过记录并分析数据，聚焦问题。学生运动起来，描述运动后身体的变化，感受运动后呼吸加快，并通过记录和分析身体数据（平静时和运动后的呼吸次数）将感性经验与理性事实进行联系。基于自己的感受和对数据的分析，提出本课的核心问题：为什么运动后呼吸会加快。

（2）活动维度。在探究活动中，学生以小组合作的形式，利用“人体探秘”软件自主观察人体呼吸的过程，探究人体呼吸器官的结构与功能，修正学生对呼吸系统的感性认识，建立呼吸系统的概念。活动维度师生具体行为表现为：教师先让学生根据自己的生活经验和感受画一画空气在体内流动的过程（用到的器官），然后用软件探究呼吸系统。学生通过画一画的活动表达自己对人体呼吸系统的感性认识;分小组使用软件观察在呼吸过程中用到了哪些器官，结合器官的结构分析各个器官的功能，描述呼吸过程，观察吸进来和呼出去的气体是不一样的，肺是完成气体交换的器官;小组间分享自己的发现，全班一起讨论。

（3）思维维度。学生通过感受、体验、探究和分析数据，建立了呼吸器官和呼吸系统的相关概念。将感性的感受转换为理性的认识，将看不见、摸不着的人体内部系统转换为看得见的模型，将抽象的知识具象化，发展学生的科學形象思维。思维维度师生具体行为表现为：教师提供科学家的研究数据，引导学生分析数据;引导学生总结出人体的生命活动需要氧气;呼吸系统可以将空气运输到体内。学生分析一次呼吸过程中吸进和呼出气体种类和数量的数据表，对比分析得出氧气留在人的体内，二氧化碳等不要的气体排出体外，为人体探秘中发现的吸进和呼出气体不一样提供事实证据;学生结合已学知识，再次使用软件感受并观察到人体运动起来需要大量的氧气，一次呼吸吸入的氧气数量是一定的，所以需要加快呼吸的频率。

最后教师进行拓展，联系生活中的空气净化器，让学生意识到一些生活中的发明和创造来自我们的身体，也就是仿生学。

人工智能软件作为技术支持应用到小学科学课堂当中，对于教师和学生都是一个重大的突破。合理选择有针对性的人工智能软件对课堂教学可以起到良好的推动作用，取得良好的教学效果。通过实际教学中师生教学活动的分析，人工智能软件可以帮助教师调动学生的积极性，帮助教师解决在教学中出现的困难。学生通过使用人工智能软件，可以将抽象的知识具象化，发展科学思维。

本课是将人工智能软件应用到小学科学课堂教学中的一次尝试，结合学科特点，人工智能在小学科学中的应用有很大的发展空间。相信在未来，人工智能在小学科学课堂中的应用会发展得更为成熟。