探索人工智能技术助力教学

◇王倩娟（福建：福建师范大学附属小学）

2017年，国务院印发了《新一代人工智能发展规划》，明确地将“智能教育”作为人工智能国家战略的重要组成部分，提出“利用智能技术建立以学习者为中心的教育环境，提供精准推送的教育服务，推动人工智能在教学中的全流程应用”。基于此，本文分析了人工智能技术应用于小学科学教学的现状，并以小学科学课堂教学为例，从“常学习，树立人工智能技术为教学服务的意识；多留心，及时整理学科教学中需要技术支持的内容；广搜索，选择便捷、合适的人工智能技术助力教学；巧融合，尝试人工智能技术对跨学科教学的应用”四个方面对人工智能技术融合小学科学教学的策略进行了探索。

一、人工智能技术融合科学课教学现状分析

目前，将人工智能技术融合于学科教学并不普遍。大多数学科教师在教学中使用的还是多媒体技术，例如PPT 课件、希沃课件、视频剪辑等；在一些人工智能试点校、试点地区，更多的也是尝试独立开设人工智能校本课程，或在信息技术课程上进行专业知识的学习，在人工智能技术融合学科教学上研究较少。其次，从教师自身层面来说，有相当一部分教师认为人工智能是独立存在的一门学科，专业性强、知识深奥，因此，从心理上早早就放弃了尝试的念头。

二、人工智能技术融合科学课教学策略

（一）常学习，树立人工智能技术为教学服务的意识

中国人民大学附属中学校长翟小宁在2017 今日头条未来教育峰会上指出：“未来人才培养和人工智能的崛起是密切相关的。未来是更加智能化的时代，一定要高度重视新科技，高度重视人工智能教育，为未来发展做好准备。”因此，作为教师必须做出重大改变。首先，要树立人工智能技术为教学服务的意识；其次，要与时俱进，利用各级各类培训的机会或课余时间学习人工智能相关知识，明确当今人工智能技术在教育领域的应用技术包括图像识别、语音识别、人机交互等；最后，要充分利用人工智能新技术，推动以学生为中心的个性化教学模式变革，将教师从原来知识的主要提供者变成指导学生学习的人，指导学生如何搜集信息、利用信息、处理信息。

（二）多留心，及时整理教学中需要技术支持的内容

笔者以苏教版小学科学教材为例，按照物质科学、生命科学、地球与宇宙科学、技术与工程四大领域进行整理，罗列了在小学科学教学过程中需要人工智能技术支持或者利用人工智能技术可以促使学生科学思维发展、科学精神养成的内容，详见下表。

科学内容领域1~2年级（2017版）3~4年级（2017版）5~6年级（2007版）物质科学——简单电路、导体和绝缘体、铁钉生锈了生命科学寻访土壤中的小动物、树叶变黄了，单元：动物与植物电路暗箱、浮力、摩擦力、水受热以后、水遇冷以后、声音的传播给动物分类、环境变化以后，单元：植物的一生，单元：人的呼吸和消化大脑、神经、感觉，单元：遗传与变异、化石告诉我们什么地球与宇宙科学晒太阳、看月亮、数星星常见的岩石、月球、太阳、云量和雨量、风向和风力、地下水、海洋昼夜交替、看月亮、地球的内部、火山和地震、地表的变迁、登月之旅、太阳系大家族、看星座、探索宇宙技术与工程——斜坡的启示

例如，苏教（2017 版）小学科学四年级《浮力》这一节课中的综合应用部分，其中一个活动是综合应用浮力知识，想办法让一张A4 纸在水里承载更多的硬币。当学生通过不断尝试后会发现：船的体积越大承受的硬币数量就越多。而想让A4 纸折成的小船体积最大就要涉及体积的计算（V=abh）。那么如何让一张A4 纸做成的小船体积最大呢？由于四年级的学生并没有学过赋值法，所以只能从折边x=1cm 开始计算船的体积（见下图）。

X代表折边

这样，不仅计算方法超纲、量大而且很耗时，同时这也不是我们科学课程标准所要求的。因此，教师在这部分教学时可巧妙借助人工智能的数据分析软件——微软教学，演示操作利用大数据建模分析求出折边x=4.05cm 时折成的小船体积最大、能承受的硬币数量最多。

又如，苏教（2007 版）小学科学五年级上册《看月亮》一课，需要学生持续观察一个月内月亮的变化。但在教学过程中，一些城市学校却经常因地处市区晚上根本看不到月亮又或者难免会遇到阴雨天气无法持续观察。

（三）广搜索，选择便捷、合适的人工智能技术助力教学

目前与教学相关的人工智能技术有人工智能软件、运动手环、教学设备（压力传感器等）多种手段。而人工智能软件是使用面最广、操作最便捷的一种手段，它的种类很多，大致可以分为计算机视觉，图像、音频识别和自然语言处理三类。教师在教学时应该广搜索，根据学校实际情况、教学内容、学生年龄特点等相关因素，选择最合适、最便捷的人工智能技术来辅助教学。

如，小学科学课程标准在生命科学领域中对于“地球上生活着不同种类的生物”这一大概念提出的学习目标中就有“说出生活中常见动物的名称及其特征、说出周围常见植物的名称及其特征”这一要求。而在不同地区中生长的常见动植物是不一样，教师也无法做到在任何时间、任何空间对学生提出的有关问题进行答疑解惑。这时，人工智能技术的支持就显得尤为重要了。目前，一些科学教师对于这个问题的解决方法就是采用挑选一些免费的、操作简单、界面清晰的动植物识别软件（识花君、形色、花伴侣、识鸟君、动物识别等）推荐给学生，这正是利用了人工智能技术中的图像识别功能。有了这样的软件，假期外出时家长也能利用识别软件教孩子认识一些常见的动植物，学校与家庭形成一股合力，真正做到学科学、用科学，体现了科学是在实践中体验、在探究中积累的，促进了学生科学素养的提升。

又如，苏教（2007 版）小学科学五年级上册《简单电路》一课，其中有一个活动是让学生知道安全用电的常识，因为一些错误的电路连接方式会造成短路、断路等情况，严重的甚至会给人类的生命安全带来威胁。在常规教学中，教师经常是采用图片、视频等方式来讲述，但有了人工智能软件——仿真实验室的辅助，教师就可以让学生模拟操作、亲历探究各种不同的电路连接方式，从而观察到不同的现象，哪怕是学生尝试了一些错误的电路连接方法也不会真正对学生造成伤害，引导学生做中学、学中思，树立安全用电的意识。

（四）巧融合，尝试人工智能技术对跨学科教学的应用

小学科学课程是一门综合性的课程，特别强调与其他并行开设的语文、数学、体育等课程相互渗透，促进学生的全面发展。因此，教师在采用人工智能技术辅助教学时，也可以根据课程需要巧妙融合学科教学内容，优化教学资源，尝试人工智能技术跨学科的教学应用。

苏教（2017 版）小学科学五年级上册《测量呼吸和心跳》一课，教材中需要学生测量在安静状态下、运动结束时、休息3分钟后三种状态下1分钟的呼吸和心跳次数，而且采用的是最原始的方法，不借助任何设备仅仅人工测量。但笔者在实际教学时却发现存在着以下一些情况：在教室上课，由于场地受限且易影响其他班级上课难以带领学生开展一些运动；人工测量时学生难以掌握正确的测量方法，如果借助电子设备，无法做到人手一台；等。恰好学校由于体育教学需要曾购买了运动手环及其数据处理软件，于是笔者根据实际情况重新调整教学设计，将本节科学课堂上需要完成的三个测量活动有机融合于体育课堂，请体育教师将某一节体育课堂上学生分别处于安静状态下、运动结束时、休息3 分钟后的心跳和呼吸数据采集后交给笔者。在科学课堂上，笔者就带着学生一起分析不同状态下心跳和呼吸的数据，并且在此过程中进行了螺旋上升的设计——由分析学生个人数据到分析全班学生的数据，从而得出结论。人工智能技术应用于体育和科学两个学科，不仅解决了传统体育教学中“难量化、难记录、难监测、难分析”的问题，帮助教师及时调整教学设计，更优化了教学资源，使科学教师能在课堂上有更多的时间指导学生如何进行数据的处理、分析，有效培养了学生在思维方法、证据意识等方面的科学素养。

三、结语

总之，人工智能技术应用于小学科学教学是一项任重道远的研究，随着时代的发展、技术的革新、课程的改革，必将有更大的发展空间，老师们对于人工智能技术的应用也会更加成熟。