融入人工智能技术在科学教育中培养学生创新力

张航

（闽江师范高等专科学校，福建 福州 350108）

早在20 世纪50 年代，人类就提出了人工智能（Artificial Intellingence，AI）这个概念。人工智能从萌芽阶段到蓬勃发展阶段经历了大半个世纪。自从2006 年智能机器人AlphaGo 战胜人类职业围棋手开始，人工智能进入了蓬勃发展的新时期。目前，人工智能应用的领域非常广泛，教育是受人工智能影响的领域之一，教育界提出了教育人工智能（EAI）。2017年7 月8 日，国务院印发《新一代人工智能发展规划》的通知，提出“广泛开展人工智能科普活动，并要求在中小学阶段设置人工智能相关课程”。人工智能在教育中促进科学的学习，而科学学习中的人工智能教育，实现了人工智能在小学中的普及与应用。本文试阐述小学科学教师如何融合人工智能的有效资源，提高学生的创新能力。

一、创新教育模式，优化课堂环境

人工智能作为引领未来的关键技术，培养能适应未来公民及创新型技术人才成为教育的重大任务。人工智能教育的引入，使学习过程变为个性化的课堂：个性化的教学方式、个性化的学习模式和个性化的评价机制。学习者通过亲身接触、体验与应用，增强对科学与技术的认识，激发创新意识和创造潜能，提高科学素养，培养思维方式、动手实践能力以及解决实际问题的能力。

（一）转变教学模式

传统的教学模式下，教师很难全面了解学生的前概念和已有的知识，教学只能面向大部分学生，很难做到因材施教。利用人工智能的大数据收集和深度学习，教师可以制定出更适合每个学生的学习模式，把教学变成体验—反思—实践—再反思的创新式教学过程。教师的教学模式从固定教学变成线上线下混合型，教师讲解知识、解答疑问不一定要在课堂上完成，而是可以采取课堂授课和网络课堂有机结合的方式。学生在预习中遇到问题时，也可以在课堂上主动向教师请教，开展合作探究式学习。小学科学教育在STEAM 教育的影响下，形成一定的教育模式，笔者在此基础上提出了融合教育的理念。融合教育是指学科间融合及学段间融合，站在课程开发者的角度，将学科间、不同年龄段间的课程进行融合创新。人工智能课程是一门交叉性的前沿学科，符合融合教育的理念；科学也是多科学、多领域的融合，二者的教育理念与培养目标一致。从传统教育模式到融合教育，更多地照顾到不同学生的学习能力和状态，有利于学生的个性化发展。

（二）提供个性化的学习方式

小学阶段的学生在对自然科学理论没有完全了解的情况下，在学习方法没有完全掌握的情况下，几乎不可能形成完整的思维体系。学生对科学的兴趣，大部分来自对生活中的模糊的实践经验，而这种实践经验并不能作为学习动力，长久地支撑学习。目前，学生的学习以课堂为主，但一周一节或几节的科学课堂，不能持续激发学生的学习兴趣。而人工智能教育的引入，可以为学习者提供多种学习方式，如口袋学习、随处学习、终生学习等。利用现有的查画识图、卫星导航等人工智能工具，可随时抓住学生对身边事物产生的疑问，使短暂存在的兴趣成为学生可持续性学习的动力，为学生创设轻松和谐的学习气氛，激发学生探究的欲望。

（三）快速评价教与学的效果

“科学探究”是一个手脑结合的过程。学生在探究的过程中，会不断思考和寻找解决问题的方法，在不断试错的过程中，必须要有坚持不懈的精神才能找到突破口，最终领悟到科学的本质。学生构建出解释现象的实验并自主实验是小学科学实验发展的趋势。在实验中，学生验证自己的想法，能够完整地表达出想法并记录实验过程、得出实验结果，也是实验课程中重要的组成部分。而在实际教学中，一节科学课堂只有40 分钟，要满足学生提出问题—分析问题—解决问题—得出结论这四个方面的需求，时间已然很紧张，课堂上并没有多余的时间对学生的学习效果进行评价。学习效果只能通过课后作业的形式来完成评价，不够及时，也不够准确，教学效果往往也被忽略了。人工智能的云台数据、大数据分析、交互性数据分析等的引入，解决了对学生学习效果的即时、及时的评价，也能够对教师的教学效果进行评价，所得到的数据快速、真实、有效。通过评价的结果，确保科学课堂教学的有效性，促进学生科学素养水平的提高。

二、融合理念下人工智能教育学习目标的定位

在人工智能技术的支持下，学生可以不受时空限制进行自主学习，主动通过网络预习课程，提前掌握、了解知识点。小学生对问题的认识普遍还停留在表象，在实施人工智能教育时，总目标不宜过高，主要以普及为主，人工智能课程的设计要符合学生的认知水平。小学阶段的人工智能教育，侧重帮助学生认识科学探究的本质和初步认识人工智能的范畴和特点，明白人工智能技术的基本工作原理和发展方向，会使用模块化的编程工具，体验、实现简单的人工智能应用设计。人工智能作为一个深层次的技术，与《义务教育小学科学课程标准（2017 年版）》中的技术与工程领域的培养目标不谋而合。根据融合理念，小学阶段应主要培养学生利用人工智能解决实际问题的意识；培养学生开发新智能的追求；让学生体会技术魅力，了解人工智能为生活带来的便利；具备正确的网络安全观和创新创造的能力。人工智能教育在基础教育阶段的普及，更有利于培养学生的科学素养，使学生在认识中体验，在体验中熟练运用，在运用中开拓创新。

在我国，小学阶段的六个年级可分为低中高三个学段，根据每个学段学生的学情，设计人工智能教育的分段目标和内容。

（一）低年级：以兴趣为导向

低年级学生对世界有了初步认识，但都停留在表面。他们的形象思维十分活跃，语言和行为都具备鲜明的特点，可以熟练地做自己想做的事，并能把自己的想法简单地记下来。这时，应着重以兴趣为导向，激发他们对智能技术的兴趣。比如，通过一些编程类游戏，开启智能教育的大门。低年级学生的学习可塑性较强，易接受直观、具体、形象的事物，其抽象思维普遍比较弱。针对人工智能教育的内容设计，要从学生的兴趣出发，通过形象生动的方式，比如人工智能实验室的参观和切身体验，帮助学生初步了解三个问题：人工智能是什么？人工智能能做什么？不能做什么？

（二）中年级：倾向实践体验活动

中年级的学生，大脑发育处在内部结构飞速发展的阶段，开始具备一定的抽象和逻辑思维能力，会产生主动学习的意愿，此时是培养学生科学能力和精神的关键时期。中年级学生可以在教师的引导下，发现生活中的问题，并能找出一种或者几种方案来解决。此时，人工智能教育的内容，倾向提供一些人工智能方面的实践体验活动，加深学生对人工智能概念及应用领域的了解。比如，可具体介绍某个简单容易入门的编程软件，介绍其使用的语言逻辑特点等，让学生感受人工智能技术，在活动中思考：未来的人工智能可能是什么？

（三）高年级：分析具体实例

高年级的学生有更多自主的能力，开始具有自我的意识。他们大脑的发育进入到抽象思维阶段，具备一定的空间思考和跳跃思维能力，可以通过观察归纳，对已知的信息进行分类和加工处理，并且具有一定的批判和质疑的能力。本阶段可结合具体实例进行分析，比如一些具体的编程类软件的编写，利用思维工具呈现问题解决思路，鼓励学生自主尝试，使用某个简单的编程语言，实现人工智能应用体验，了解人工智能的基本工作原理。

人工智能教育对学生的发展具有至关重要的作用。在各阶段的规划中，应有意识的渗透伦理及法律意识、网络技术安全等，帮助学生树立正确的科学观和道德观。

三、人工智能在科学课堂的融合路径

目前，小学科学课的人工智能教育，更多的只是一笔带过，在短期之内以独立课程形态出现的可能性极小，那么在科学课程中普及人工智能就显得尤为重要。人工智能与小学科学的有机融合，主要有以下几方面内容。

（一）人工智能与技术与工程领域融合

把科学知识进行发明再造就是技术，而运用技术对现有的生活进行更加便利舒适的建造就是工程，人工智能也是运用技术对现有的生活进行改造。在小学科学技术与工程领域的学习过程中，用人工智能的一个研究领域或关键技术来进行教学单元设计，或是用一个主题情境连接多个相关的人工智能应用，引导学生了解人工智能的相关理论和技术。还可以围绕人工智能，以时下热门的创客或STEAM 融合课程为设计理念开展教学。人工智能技术在机械工程领域中最大的应用价值就是优化了电气设备。传统电气设备对于工作人员的要求较高，要求他们必须具备充分的专业知识及实践经验，但实际上并不能符合这一要求，常常造成优化方案无法得到有效的落实，从而无法实现电气设备的最优化处理。而通过人工智能技术的应用，能够提高电气设备的优化质量，并将遗传算法等智能型研究方法融入电气设备的优化计划中，从而解决以往无法解决的技术问题，以此提升电气设备的使用性能。

（二）人工智能与各类科技活动融合

目前，有许多面向中小学生的全国性竞赛中的科技创新类比赛，如青少年科技创新大赛、青少年机器人竞赛、青少年创意编程与智能设计大赛、青少年人工智能创新挑战赛、青少年电子信息智能创新大赛、中小学信息技术创新与实践大赛等，这些项目大多以人工智能为基础。可以基于某个具体的赛事，引导学生学习人工智能技术，体验人工智能的应用。比如，在2021 年4 月10 日、11 日，由福州市科协和福州市教育局主办的第十六届福州市青少年机器人竞赛，在福州科技馆开赛。福州134 所中小学的500 名选手组成230 多支队伍参赛。比赛为期两天，选手们分别参加机器人创意比赛、机器人综合技能比赛、FLL 机器人工程挑战赛、VEX 机器人工程挑战赛、REL 机器人AI挑战赛和RIC 机器人创新挑战赛等6 大项目的角逐。各参赛队的选手根据主题和规则要求，在现场自行拼装机器人、编制机器人运行程序、调试并操作机器人完成指定任务。

（三）人工智能教育的相关教材研发

鉴于目前人工智能教育中课程形态的匮乏，让每位教师都实现课堂与人工智能教育融合的难度较大。为了方便人工智能教育的普及，笔者与一线教师共同开发了《“AI 来了”人工智能系列》丛书，着眼于身边的AI，直击生活经验，旨在让学生用融合的理念来认识AI，以达到培养思维方式、普及人工智能的目的。比如，低年级的《去航海》《巧诊疗》《盖房子》《玩音效》，中年级的《辨化石》《调饮食》《当花匠》《解谜案》，高年级的《测天气》《秀灯光》《建桥梁》《开餐厅》等，这些内容以生活中的职业为原型，在了解职业中的科学道理的同时，认识人脸识别、图像识别、智能灯光、无人驾驶、万物互联、卫星导航等生活中常见的人工智能的应用，以达到利用科学知识和人工智能解决生活中的实际问题。

四、结语

小学阶段进行人工智能普及教育，是社会发展对教育的必然要求。融合是STEAM 教育的有效途径，在STEAM 教育理念的框架下重新审视人工智能，会发现STEAM-AI 就是融合教育。人工智能时代，社会需要的是创新型的人才，需要的是引领未来的人才，未来教育以STEAM 为依托，以人工智能为导向，做到真正的融合。既学习科学，又了解人工智能，真正普及人工智能，为更高级的专业型人才的培养打下坚实基础。