人工智能技術(shù)對跨學科實驗教學的影響

〔摘""要〕"在數(shù)智化時代，學習空間愈加開放，學習資源愈加豐富，信息技術(shù)愈加成熟，給小學教育改革帶來全新的機遇。面對這一機遇，教師應積極轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教學思想，善于運用人工智能技術(shù)為學生構(gòu)建新型的智慧學習生態(tài)場，探索科學教學新路徑，促進學生科學素養(yǎng)和信息素養(yǎng)綜合發(fā)展，為其適應現(xiàn)代化社會發(fā)展和終身發(fā)展奠定基礎(chǔ)。文章結(jié)合實際，首先闡述了人工智能技術(shù)在小學日常教學中的應用策略，接著探討了人工智能技術(shù)對科學跨學科實驗教學的影響，以期借助人工智能技術(shù)促推小學教育改革，為數(shù)智化時代背景下的科學課程高質(zhì)量建設(shè)帶來有益參考?！碴P(guān)鍵詞〕"小學科學；人工智能；跨學科實驗隨著科技的飛速發(fā)展，人工智能應用滲透至各行各業(yè)，“人工智能+教育”成為新時代教育改革的探索方向。人工智能技術(shù)輔助教學，打造智慧化、虛擬化、多元化的教學空間，成為人工智能與教育結(jié)合的落腳點。在人工智能輔助下，課堂形態(tài)發(fā)生巨大變革，課程資源開放共享，學習過程智慧生成，有利于為學生提供更加高效化、個性化的學習體驗，滿足新生代學生發(fā)展需求。如何將人工智能技術(shù)與小學學科教育結(jié)合，打造數(shù)智化時代科學教育新樣態(tài)，促進科學教育面向未來，成為現(xiàn)階段相關(guān)教師亟待研討的嶄新課題。一、人工智能技術(shù)在教學中的應用（一）人工智能輔助概念理解傳統(tǒng)教學通常采用一套標準化教學方法，對科學概念的解釋依賴教材，趨于固式，學生知識的獲得來自他人成熟的經(jīng)驗，無法充分滿足自我質(zhì)疑、猜想，導致學生鮮少有機會去追根溯源地探尋科學知識概念的由來，造成淺層化學習問題。而生成式人工智能具備自然語言理解和表達能力，智能程序背后擁有龐大的資源庫，能夠根據(jù)學生提問并結(jié)合上下提示，向?qū)W生推送精準而豐富的答案，從而充分滿足學生個性化認知需求。目前，文本對話類AI技術(shù)應用是“人工智能+教育”最為普遍的呈現(xiàn)形式，教師可以將生成式人工智能納入科學教學過程，使用ChatGPT工具引導學生自問自答，讓學生主動地發(fā)現(xiàn)問題、提出疑問、解決問題，自由探索科學知識概念的起源。例如，執(zhí)教《消失的恐龍》一課，教師可以結(jié)合ChatGPT工具和虛擬動畫影像，創(chuàng)建一個學生喜聞樂見的虛擬動畫人物，讓學生在提前預習本課教材知識的基礎(chǔ)上，圍繞想知道的問題，與動畫人物展開自由開放的對話，在有趣的人機互動中滿足一系列質(zhì)疑和猜想，幫助學生了解恐龍的類型、生存的年代、化石中的秘密等。人機互動結(jié)束后，教師引導學生回歸真實課堂，說一說在人機互動中的收獲，談一談對恐龍、化石等概念的研究，加深知識記憶。人工智能技術(shù)賦能下的智慧課堂，讓學生的知識獲得不再依賴教師傳授。豐富的資源庫和交互形式，既豐富了學生認知，又激活了課堂生機，還緩解了教學壓力，于教于學皆有裨益。（二）人工智能輔助情境探索情境于學生而言，猶水之于魚，將科學知識置于特定且具有一定情緒色彩的情境中呈現(xiàn)，可以顯著激發(fā)學生探究興趣，也更容易讓學生理解知識、內(nèi)化知識，生成更豐富的學習體驗。人工智能技術(shù)改變了傳統(tǒng)知識呈現(xiàn)形式，讓紙質(zhì)教材走向諸如數(shù)字教材、視頻教材、虛擬教材等新型教材，教學內(nèi)容由靜態(tài)、平面、線性走向動態(tài)、立體、交互，為教學情境創(chuàng)設(shè)提供了更多有利契機。例如，執(zhí)教《觀察星空》一課，教師依托人工智能技術(shù)，將本課知識內(nèi)容置于兩大情境中呈現(xiàn)。一是通過星空3D模型，帶領(lǐng)學生全方位認識星空，了解不同星座的特征，并讓學生根據(jù)3D星空成像結(jié)構(gòu)去發(fā)揮想象，選擇喜歡的星星組成圖案，生成“我的星座”。依托3D星空模型，搭建看星星、建星座的教學情境，不僅讓學生對星空有了直觀認識，而且還能夠有效鍛煉學生空間建模能力。二是以3D星空模型為基礎(chǔ)，繼續(xù)引入VR技術(shù)，讓學生戴上VR眼鏡暢游星海，在繁多的星辰中尋找北斗七星，開啟一場精彩紛呈的探索之旅。相較于單純地利用多媒體為學生呈現(xiàn)相關(guān)圖片、視頻，以3D星空模型和VR技術(shù)為基礎(chǔ)的人工智能應用，為學生情境化學習提供了更為真實的體驗，有利于促進知識建構(gòu)的自然發(fā)生，幫助學生實現(xiàn)深度學習。（三）人工智能輔助課堂練評人工智能不僅使個性化學習成為常態(tài)，而且大數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)、智能運算系統(tǒng)、云資源庫等，還能夠根據(jù)每位學生學情，量身定制課堂訓練計劃，讓每一水平層級的學生都能夠獲得適應自我最近發(fā)展區(qū)的鍛煉，從而提升科學探究能力。同時，學生的訓練成果會及時反饋到教師終端，教師根據(jù)學生真實訓練評價，全面了解其學習情況，并提供針對性的教學輔導，以此落實因材施教。例如，執(zhí)教《尋找遺傳與變異的秘密》一課，前期在人機交互、3D模型等人工智能技術(shù)輔助下，學生對孟德爾的研究發(fā)現(xiàn)和基因遺傳有了初步認識，教師抓住契機，利用智能題庫系統(tǒng)為學生打造遷移訓練平臺。為了增強訓練的趣味性，可以將訓練模式設(shè)置成積分挑戰(zhàn)賽的形式，遵循由易到難的規(guī)律，呈現(xiàn)相關(guān)練習題，積分達標才能挑戰(zhàn)下一關(guān)。讓學生比一比、賽一賽，誰能最快榮獲“最強王者”稱號。在訓練過程中，智能題庫系統(tǒng)會快速判斷學生答題對錯，而且會自動測算學生出錯率，并為學生推送與錯題相關(guān)的學習資源，直至學生達到積分要求才會讓其進入下一階段挑戰(zhàn)。教師從后臺查看學生答題數(shù)據(jù)，了解每一位學生的認知短板，以此為依據(jù)優(yōu)化教學輔導，提升輔導有效性和針對性。人工智能輔助下的課堂練評精準高效、有序有趣，能夠讓每一位學生獲得適應自身發(fā)展的鍛煉機會，在步步反饋、層層提升中實現(xiàn)科學能力進階。二、人工智能技術(shù)對跨學科實驗教學的影響新課標提出“加強課程綜合，注重關(guān)聯(lián)”的教學倡導，主張教師樹立跨學科育人理念，多維統(tǒng)整教學資源，創(chuàng)新實驗生成，促使學生在跨學科實驗中發(fā)展綜合能力。傳統(tǒng)模式下的小學跨學科實驗存在資源難查、過程難控、數(shù)據(jù)難收等問題，需要學生東奔西跑地去查閱學科資料，優(yōu)化實驗方案，無形中為跨學科實驗增加了諸多難題。而人工智能輔助下的小學跨學科實驗設(shè)計，依托龐大的資源庫、仿真的實驗室、便捷的數(shù)字化教學系統(tǒng)，能夠有效解決上述問題，讓學生“足不出戶”便可以完成跨學科實驗探索，獲得良好的學習體驗。毋庸置疑，人工智能技術(shù)對小學跨學科實驗教學具有積極的影響，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。（一）輕松整合跨學科實驗資源人工智能技術(shù)鏈接“云端”，方便師生隨時隨地調(diào)取所需資源，順利推進跨學科實驗開展。具體而言，在小學教學中，跨學科實驗相較傳統(tǒng)實驗多了整合性，需要不同學科教師合作教學，共同幫助學生解決實驗中遇到的系列問題。而受制于多種因素，跨學科實驗存在諸多現(xiàn)實問題，如聯(lián)合教學的問題、知識整合的問題、跨學科輔導的問題等。這些問題拖長了跨學科實驗時間，難以幫助學生建立完整的知識體系。而通過人工智能技術(shù)助力，教師整合資源不用跨域而行，只要一個網(wǎng)絡終端、一個在線平臺，就可以輕松將各學科資源整合到跨學科實驗中來。同時，各科教師還可以依托智慧教學平臺在線合作，打造“雙師”型課堂，突破聯(lián)合教學難互動、知識整合難生成、跨學科輔導難踐行等難題，幫助學生輕松獲取實驗資源，解決實驗問題，更方便快捷地完成實驗操作。例如，執(zhí)教“神奇的能量”這一單元，教師聯(lián)合設(shè)計“證明聲能存在”的實驗，同時鏈接語文、美術(shù)、音樂、數(shù)學等學科，為學生布置四個任務：從文學典故、音樂演奏中尋找聲能存在的證據(jù)；根據(jù)單元學過的能量知識，合作設(shè)計證明聲能存在的實驗方案，繪制實驗圖紙；利用數(shù)學知識統(tǒng)計數(shù)據(jù)，計算聲能大小，探索聲能大小與哪些因素相關(guān)；基于跨學科實驗研究，寫一篇關(guān)于聲能利用的小論文，為智能生活出謀劃策。各學科教師依托人工智能大課堂聯(lián)合共育，根據(jù)學生需求，為其提供與本次實驗相關(guān)的學習資源，助力學生突破各項實驗難點，幫助學生順利地完成實驗任務，建立與聲能相關(guān)的完整知識體系。（二）輕松理解跨學科實驗原理在小學科學教學中，跨學科實驗開展的目的不是讓學生模仿操作走舊路，而是借實驗陣地激活學生創(chuàng)新思維，鍛煉學生綜合能力，幫助學生依托各學科學習建立完整的知識體系，在真實學習、深度學習中發(fā)展核心素養(yǎng)。人工智能輔助下的跨學科實驗教學，強調(diào)生成性和自主性，即把學生作為實驗主體，通過大數(shù)據(jù)資源和人機交互技術(shù)，讓學生自由地猜想、驗證，通過多學科資源助力，加深對實驗原理的理解，最終完成有效的實驗架構(gòu)。人工智能技術(shù)在幫助學生理解實驗原理方面體現(xiàn)了極大優(yōu)勢。以“驗證聲能存在”跨學科實驗為例，學生可以通過龐大的學習資源庫尋找聲能存在的證據(jù)，認識聲能作用對象，為創(chuàng)新實驗思路提供借鑒；也可以基于猜想去搜索相關(guān)實驗模型，在3D環(huán)境中親歷實驗生成，加深實驗認知；還可以通過AI繪圖軟件繪制實驗圖紙，修改實驗細節(jié)，設(shè)計更加科學完善的實驗方案?？傊斯ぶ悄芗夹g(shù)融入跨學科實驗教學，賦予了學生更為廣闊自由的探索空間，讓各種創(chuàng)想成為現(xiàn)實，促進了學生對實驗原理的理解，有利于學生從“根部”探究科學本質(zhì)。（三）輕松獲取跨學科實驗數(shù)據(jù)人工智能時代，數(shù)字化設(shè)備和技術(shù)的應用為科學實驗教學改革帶來諸多有利契機，能夠有效解決實驗數(shù)據(jù)收集難、分析難等問題，促進實驗過程可視化，促推科學實驗從“是不是”“對不對”的研究轉(zhuǎn)向“為什么是”“為什么對”，進而幫助學生對事物或現(xiàn)象本質(zhì)形成更深刻的理解。以“驗證聲能存在”跨學科實驗為例，傳統(tǒng)實驗中，學生只能靠事物表征變化驗證聲能的存在，但無法準確測算聲能的大小，影響了實驗探究深度。在人工智能輔助下，可以將聲音傳感器、數(shù)字化科學實驗探究系統(tǒng)融入實驗過程中，將抽象的聲能變化進行可視化加工，獲得精準的實驗數(shù)據(jù)。學生在整理