基于智能教学环境的学生微粒观素养培育方式研究

朱思楠

【摘 要】智慧教育作为当今中小学信息技术与教育教学深度融合的产物，正在快速进入中国校园，而其重要实现形式——人工智能技术也是驱动教育方式转型的必然结果。学生能否建立微粒观，发展学生的宏观辨识与微观探析等核心素养，是科学教师的重要挑战。传统教学中，图文结合的方式很难激发学生的空间想象力，笔者在智慧教育研究过程中，深入融合跨学科、跨领域合作研究方面的探索，利用晶体可视化动态模型设计软件VESTA解决中小学教育教学过程中学生微粒观建立困难问题。

【关键词】STEAM课程 模型建构 人工智能技术实践

2018年4月，教育部发布了《教育信息化2.0行动计划》后，基于新兴技术（人工智能、大数据、物联网等），依托各类智能设备及网络的智慧教育创新研究如雨后春笋般积极开展。智慧课堂作为优质媒介将人工智能概念带入中小学课堂，借助人工智能、大数据、云计算、物联网等技术快速推进智慧教育生态系统构建。新时代教师的教育教学也应将多领域、多学科、多知识结合起来，借助人工智能资源优势，给予学生更多的思考空间，让其利用现有的生活经验解决实际生活中的問题，从而获得更多的知识与技能。

一、智慧教育理念赋能：寻找学生学习过程中的“疑惑点”

在实际教学中，“物质构成的奥秘”这一主题一直是教学的难点，学生难以理解。微观粒子是一种无形的存在，学生需要依靠想象能力去理解。因此，物质微粒观的构建至关重要，有助于学生宏观辨识与微观探析等核心素养的发展。学生掌握跨学科融合制作微观粒子模型的基本方法，就能独立运用模型构建的方法理解微观粒子的真实形态、基本构型、形态变化等知识，从而实现对微粒观核心素养的培育。

微粒观本身是一种观念，而微观世界又是看不见、摸不着的，由于其没有贴近现实生活，若没有辅助手段学生很难在自己的脑海中建立起微观粒子的直观形象，学生好不容易培养的兴趣很可能因主题枯燥、抽象而消失殆尽。教师可以借助先进的多媒体技术搭建模型，帮助学生获得更加直观的认识，从而培养学生的微粒观。如何用微粒的观念引领学生从五彩缤纷的宏观世界步入神奇莫测的微观世界，是笔者一直思考的问题。

最终，笔者把“神秘武器”定在“理想模型”这一科学方法上，即通过掌握科学知识、艺术性设计与制作、科学实验探究课程的三个部分内容实施来达成。结合当今学科融合的指导性观点，我们构建了将科学、数学、美术、信息技术、语文、英语等多学科有机结合，通过使用黏土设计制作常见物质微观结构的课程。基于以上背景与问题，我们计划以STEAM理念为基础开展系列跨学科融合课程，以微观粒子知识为切入点，促进学生思维的发展和学习能力的提升。学生通过自制的理想模型，加深对知识的理解，实现“宏观、微观、符号”的统一。

二、智慧教育知识赋能：开发教师教学的“创新点”

智慧教育系统中包含了智慧学习环境、新型教学模式和现代教育制度三重境界。这项研究正是扎根于智慧学习环境，运用VESTA（Visualization for Electronic and Structural Analysis）软件丰富的三维展示性能，发掘新型教学模式。刘金华教授在《VESTA 软件在典型晶体结构教学中的应用》文章中指出学生对于微粒的认知难以深入，主要是因为缺乏足够的空间想象能力。VESTA的使用就像是在显示终端上建立了一间3D虚拟仿真实验室，在教学中可以弥补学生空间想象力的不足，提高学生的抽象思维能力。利用模型化教学，构建实物化科学课堂的研究探索有益于学生空间想象能力提升。

本课程以小学科学课的“物质成分”部分为目标，充分发挥信息技术在课程教学中的帮助作用，结合信息技术手段将一套基于探究的增强现实学习工具的设计和开发引入课堂学习。教师引导学生通过运用晶体可视化动态模型设计软件VESTA，并将VESTA软件与实物模型探究相结合。整个过程，学生自主查询、设计、制作三维微粒模型，进行一系列基于探究的观察学习。

三、智慧教学工具赋能：跨学科融合点亮学生“能力点”

微粒观是小学阶段的学习重点与难点。微粒观主要包括几个方面的内容：第一，物质是由微粒结合而成，人类无法通过肉眼直接观察它们；第二，微粒与微粒之间间隙有大有小，各有不同，这有效地决定了它们的性质；第三，微粒与微粒之间存在的化学键造成它们的相互作用。有智慧教育背景下的VESTA软件的技术支持，微粒观的概念会成为学生未来学习物理、化学专业知识的重要助力。微粒观的运用对人的空间想象能力也会起到一定的帮助作用。

本课程充分体现STEAM理念，作为集科学、技术、工程、艺术、数学多学科融合的综合教育，STEAM一直在教育教学实践工作中大放异彩。基于学生的认知发展规律，我们在小学科学教学中融合语文、美术、数学等学科，将抽象内容具体化，隐性内容显性化。学生通过实际动手操作感悟物质的微粒分子、原子的结构特点、微观本质和成键规律。教师通过引导学生动手自制物质微粒模型、动脑思考物质结构空间效果、自主探究VESTA软件使用方法，有效激发了学生的学习兴趣；通过模型模拟将二维、三维进行高效转化，帮助学生理解每种存在物质的空间构型，实现物质与球棍模型双重表征的有效关联。

四、智慧评价机制赋能：增添学生学习中的“闪光点”

此外，在智慧课堂教学的过程中，本课程基于深化新时代教育评价改革总体方案发展纲要指导所形成的体现过程评价、综合能力评价、成长档案袋为主体的全面评价档案，致力于从重德、重发展的评价机制出发，有效地帮助学生将人工智能与学习知识进行有机结合，实现学生全面发展，达成更加科学的育人目标。为此，我们利用人工智能技术对学生在课堂中的表现进行详细的记录。课程结束后，教师可以通过整理、分析智慧课堂教学中学生的课堂表现数据记录，了解学生的学习需求，为学生制订个性化的学习方案，给学生提供不同的学习方法、学习策略的指导，做到因材施教、个性化指导，激发学生的学习热情，加速提升智慧课堂教学的质量和水平。将人工智能技术应用于课堂教学中，为学校的智慧教育和学生的个性化评价提供了良好的技术支持。

小学科学作为化学、物理、生物、地理等学科的“地基”，具有融合的特点。而科学中的化学学科知识特点与思维方式就是宏观与微观的相互联系。学生无法通过肉眼观察微观粒子，无法与宏观世界进行有机的联系，故本课程以人工智能先进技术为媒介，通过构建模型等直观手段帮助学生在宏观世界和微观世界之间搭建桥梁。

本课程以智慧教育为有效抓手，借鉴建构主义学习观，依托VESTA 软件的技术支持让学生体会学习不是简单的知识传递，而是自己建构知识框架体系的过程。学生是课堂的主人，自主研究搭建、展示、拆分球棍模型，小组合作理解物质微观结构特点。学生从微观粒子水平方面认识物质构成的规律，以微粒的本质结构为线索，思维从宏观物质过渡到微观层面，为今后的知识学习打下更加坚实的基础。

【参考文献】

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[2]李娟.人工智能技术在智慧课堂中深度学习的应用[J].电子世界， 2022（1）.

[3]余胜泉，刘恩睿.智慧教育转型与变革[J].电化教育研究， 2022（1）.