科學(xué)教育背景下小學(xué)信息科技實驗教學(xué)實踐策略探究VIP

研究背景2021年10月18日，習(xí)近平總書記在中共中央政治局第三十四次集體學(xué)習(xí)中強調(diào)：“要提高全民全社會數(shù)字素養(yǎng)和技能，夯實我國數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展社會基礎(chǔ)?！痹谶@一背景下，從青少年階段人手，培養(yǎng)其數(shù)字素養(yǎng)與技能成為關(guān)鍵所在，各級中小學(xué)成為主戰(zhàn)場和前沿陣地。為實現(xiàn)這一目標，信息技術(shù)課程必須向未來公民傳遞數(shù)字素養(yǎng)，明確數(shù)字時代信息技術(shù)課程的新使命。2]《義務(wù)教育信息科技課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）提出從“技術(shù)”到“科技”的跨越，傳遞了一種新的課程理念，即課程不應(yīng)再局限于如編程訓(xùn)練、軟件操作、設(shè)備應(yīng)用等層面的技術(shù)操作，而應(yīng)當(dāng)融入科學(xué)原理的內(nèi)容3，追求“科\"與“技\"并重的教學(xué)目標，讓學(xué)生在運用信息科技工具解決實際問題的過程中，深刻理解信息科技的知識、原理和方法，促進學(xué)科思想的深化與融合?？茖W(xué)教育不僅關(guān)乎科學(xué)知識的獲取與科學(xué)概念的形成，更注重培養(yǎng)學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)、運用科學(xué)的能力，其中包括理解科學(xué)事實、概念、原理、定律和理論，進行科學(xué)推理，以及運用科學(xué)解決個人和社會問題的能力。]因此，從科學(xué)教育的視角審視信息科技課程的實施與實踐，無疑具有深遠的意義?？茖W(xué)本質(zhì)上是對周圍世界的探索與發(fā)現(xiàn)[]，信息科技課程若要彰顯其科學(xué)屬性，科學(xué)實驗便成為不可或缺的一環(huán)。通過科學(xué)實驗，學(xué)生得以親歷探究過程，感受抽象科學(xué)原理的實際應(yīng)用，從而在主動探究中構(gòu)建起對抽象知識的認知框架，逐步領(lǐng)悟并理解科學(xué)原理和概念。綜上所述，要實現(xiàn)學(xué)生對抽象科學(xué)原理和概念的真正理解與掌握，信息科技實驗教學(xué)無疑是一條關(guān)鍵路徑。信息科技實驗教學(xué)實踐案例：識花知語——探索圖像識別的原理信息科技實驗教學(xué)，旨在通過計算機、網(wǎng)絡(luò)平臺、系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件等信息科技工具，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)信息科技的知識、原理與方法，進而發(fā)現(xiàn)或驗證規(guī)律，解決問題，實現(xiàn)創(chuàng)意，并逐步提升其核心素養(yǎng)。實驗教學(xué)可分為作品導(dǎo)向類和知識導(dǎo)向類兩類，其中知識導(dǎo)向類又可細分為體驗感悟類和科學(xué)探究類：體驗感悟類實驗側(cè)重于幫助學(xué)生形成感性經(jīng)驗和知識，科學(xué)探究類實驗重在幫助學(xué)生主動建構(gòu)理性知識。因而，在信息科技課程中納入科學(xué)探究類實驗尤為重要。在教學(xué)中，筆者基于新課標提出的六條邏輯主線之一的人工智能，以切實幫助學(xué)生真正建構(gòu)起機器識別圖像原理的認知圖示為主要目標，按照實驗問題發(fā)現(xiàn)、實驗原理認知、實驗活動探究、實驗應(yīng)用遷移四個模塊，設(shè)計了《識花知語——探索圖像識別的原理》這一探究類實驗教學(xué)課例。表1教學(xué)目標四維度分化表1.教學(xué)內(nèi)容選定省內(nèi)教材：川教版五年級下冊第二單元第1節(jié)“初識人工智能”。研讀新課標：①人工智能內(nèi)容包括應(yīng)用系統(tǒng)體驗、機器計算與人工智能的異同、倫理與安全挑戰(zhàn)。②在單元學(xué)業(yè)要求上進行了認識層和理解層兩個層面的分析。在認識層上，學(xué)生需認識身邊人工智能應(yīng)用的技術(shù)基本特征，初步了解人工智能常見的實現(xiàn)方式，如機器學(xué)習(xí)。在理解層上，學(xué)生需理解人工智能與現(xiàn)實社會的聯(lián)系是普遍存在的，理解人工智能是存在安全問題的。形成復(fù)合課程內(nèi)容觀：結(jié)合新課標中第四學(xué)段第三模塊“人工智能與智慧社會”的內(nèi)容要求、學(xué)業(yè)要求、教學(xué)提示三方面的理解形成復(fù)合課程內(nèi)容觀指導(dǎo)實驗教學(xué)設(shè)計。重構(gòu)大單元框架：重構(gòu)了人工智能課程學(xué)習(xí)單元，將主題確定為人工智能體驗，其中分為四個小單元，分別為探索人工智能圖像識別原理、探索人工智能語音識別原理、探索人工智能文字識別原理、探索生成式人工智能原理。項目式學(xué)習(xí)方式：在新課程教學(xué)理念的影響下，采用項目式學(xué)習(xí)的方式，讓學(xué)生在項目實踐和問題解決過程中主動建構(gòu)新知。2.學(xué)情分析①學(xué)科知識：學(xué)生對生活中的人工智能有一定的了解和體驗，但其對背后的原理尚不清楚，未進行過相關(guān)的實驗探究活動。②學(xué)科能力：學(xué)生有一定的解決簡單問題并進行驗證的能力。學(xué)習(xí)由被動到主動，學(xué)習(xí)出現(xiàn)分化現(xiàn)象，學(xué)生對學(xué)習(xí)探索的積極性較高。③學(xué)科動機：學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容的興趣與對教師的認同有關(guān)，動機不穩(wěn)定，需要教師在內(nèi)容上進行引導(dǎo)和趣味化處理。3.教學(xué)目標（如表1）4.教學(xué)重難點重點：在問題意識自主激發(fā)下，通過先驗認知建立猜想，直觀感受并認識理解機器圖像識別的過程。難點：在真實問題情境中，基于實驗支架展開實踐，具身體驗并實踐驗證機器圖像學(xué)習(xí)的原理。5.教學(xué)活動具體設(shè)計本案例重點探索科學(xué)原理與實踐并重的探究性實驗的實施步驟和有效策略，在實驗探究基本精神和實驗探究“三化”思想的指導(dǎo)下形成教學(xué)模式（如圖1）。（1）情境導(dǎo)入通過魔術(shù)變花、茶花辨識、拍照識花三個環(huán)節(jié)引入，與學(xué)生共同打造真實的問題情境，并引出中心問題“拍照識花的秘密是什么”，引導(dǎo)學(xué)生自主思考，提出解決問題的具體方法，感知信息科技帶來的便利。（2）問題探究以花為活動載體，聚焦“人類是如何識別圖像的”這一問題，引導(dǎo)學(xué)生通過分解問題進行逐步探究，從而梳理出人類識別圖像的三個階段，即觀察圖像特點、回憶相關(guān)信息、對比得到結(jié)果，借此幫助學(xué)生更好地理解機器是如何識別圖像的。（3）新知遷移對比人類識別圖像的過程，進行知識遷移，引導(dǎo)學(xué)生通過對比法，掌握機器識別圖像的過程，并結(jié)合生活案例—拍照識花應(yīng)用來驗證猜想，再一次加深學(xué)生對機器圖像識別過程的理解（如圖2）。（4）合作實踐為幫助學(xué)生更好地完成實驗，教師首先對實驗步驟進行演示（如圖3），然后通過小組合作的方式開展機器學(xué)習(xí)識花實驗，以此激發(fā)學(xué)生的小組合作意識。在團隊進行實驗的過程中，學(xué)生通過實驗探索與應(yīng)用具身體會新知，再一次加深對機器學(xué)習(xí)的理解。實驗課程創(chuàng)新點：探索科學(xué)原理與實踐應(yīng)用并重的探究性實驗教學(xué)模式10ETPA實驗探究基本精神觀察認識體會分析理解比較討論情境問題究gt;》gt;先移》實作示流＼gt;聚售學(xué)結(jié)實驗問題發(fā)現(xiàn)實驗原理認知實驗活動探究實驗應(yīng)用遷移01基于實情境02基于先驗認知03基實驗支架04基忠維論移1.1結(jié)合生活經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)潛在問題2.1喚醒相關(guān)經(jīng)驗提供猜想依據(jù)3.1聞述實驗過程厘清實驗步驟4.1鏈接生活場景回歸教育本質(zhì)1.2激發(fā)問題意識主動提出間題2.2聯(lián)結(jié)已學(xué)內(nèi)容提出合理假設(shè)3.2借助實驗支架鍛煉實踐能力4.2驗證自身猜想主動建構(gòu)新知3.3自主設(shè)計實驗培養(yǎng)創(chuàng)新精神3.4注重過程記錄提供論證依據(jù)實驗探究“三化”實驗探究過程項目化實驗探究效果可視化實驗探究設(shè)計一體化鼓勵學(xué)生交流分享，積極提交團隊作品進行測試，并匯報實驗數(shù)據(jù)和實驗成果，借此培養(yǎng)其科學(xué)實驗的精神，鍛煉其表達能力。圖1實驗教學(xué)模式□ed±2人與機器識別圖像對比遷移圖3實驗合作（5）展示交流教師引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注身邊的圖像識別技術(shù)應(yīng)用，在享受人工智能技術(shù)便利生活的同時，也認識到其可能帶來的安全和隱私問題。（7）聚焦生活學(xué)習(xí)總體效果，對學(xué)生問卷進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。②課程問卷分析結(jié)論（如圖5）。經(jīng)驗總結(jié)（8）學(xué)習(xí)總結(jié)1.真實問題情境創(chuàng)設(shè)，啟發(fā)學(xué)生真正思考結(jié)合圖形化程序設(shè)計中的順序、判斷、循環(huán)三種基本算法及組合，導(dǎo)人已訓(xùn)練好的模型，進行作品的完善和驗證。（6）作品完善教師引導(dǎo)學(xué)生回顧總結(jié)，理清思路。學(xué)生通過完成問卷自行判斷對本課知識的掌握水平，教師根據(jù)問卷結(jié)果掌握全班整體學(xué)習(xí)情況。本案例以學(xué)生視角為主體，以貼近學(xué)生真實生活的情境（野外游玩遇到花朵，充滿興趣，但不知道是什么花）激發(fā)學(xué)生對未知事物的好奇心，以此問題情境創(chuàng)設(shè)推動實驗教學(xué)思路創(chuàng)新。6.教學(xué)評價（1）學(xué)習(xí)過程評價設(shè)計任務(wù)驅(qū)動形式的課程導(dǎo)學(xué)單，進行表現(xiàn)性評價，如圖4所示。（2）實驗過程評價設(shè)計實驗過程評價表（如下頁表2），從參與實驗、記錄數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、反思遷移四個維度進行學(xué)生自評、互評、師評。2.跨學(xué)科融合促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)（3）課程總結(jié)評價圖4學(xué)習(xí)過程評價"①問卷數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。為調(diào)查學(xué)生跨學(xué)科教學(xué)是促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)的必然要求，有利于促進學(xué)生理解和問題意識的形成，其本身也是一種高階思維的表現(xiàn)。]本課以科學(xué)內(nèi)容（這是什么花）為起點，以信息科技人工智能內(nèi)容（機器是如何識別圖像的）為落腳點，貫穿書面表達、口頭語言組織能力的培養(yǎng)（語文），讓平面問題立體化，豐富問題求解思路，教會學(xué)生在面對科學(xué)問題（這是什么花）時，不僅可以從科學(xué)角度（研究花朵分類標準）去思考和解決，還可以借助現(xiàn)代化的信息科技工具幫忙解決，切實提高學(xué)生在真實生活中運用信息科技解決問題的意識與實際技能。不僅如此，本課作為信息科技課，不僅要教會學(xué)生如何使用信息科技工具，還在此基礎(chǔ)上更進一步地引導(dǎo)學(xué)生思考信息科技工具背后的原理（機器是如何識別圖像的），并在帶06實驗效果評價10ETPA《識花知語一探索機器圖像識別的原理》課程問卷分析結(jié)論通過學(xué)習(xí)，你了解了器01過以記，02在的，03器識花的實驗干凈、不同角度的照片根據(jù)數(shù)據(jù)表格顯示，參與調(diào)查的人中有根據(jù)數(shù)據(jù)表格顯示，參與在線訓(xùn)練平臺的小根據(jù)數(shù)據(jù)表格顯示，所有參與者選擇了“對”的選項，97.67%表示了解機器進行圖像識別的原理，組中，所有人都愿意配合完成訓(xùn)練機器識花占比為100%?？梢缘贸鼋Y(jié)論：在機器識花實驗的過程僅有2.33%表示一般了解，沒有人表示不了中，學(xué)生意識到拍損時需要更多地選擇背景干凈、不的實驗，占比達到100%。解?？梢钥闯龃蠖鄶?shù)人對機器進行圖像識別同角度的照片是正績的法。的原理有一定了解。時，在們04你期待以后繼續(xù)上這樣的05安全隱患，你認同嗎？人工智能課程嗎？根據(jù)數(shù)據(jù)表格量示，針對人工智能圖象識別技術(shù)在根據(jù)數(shù)據(jù)表格顯示，參與調(diào)查的所有人都期生活中存在信息安全除患的問題，100%的人認同這待以后繼續(xù)上人工智能課程，占比達到一觀點。可以得出結(jié)論學(xué)生的確都認為人工智能圖。100%?？梢缘贸鼋Y(jié)論，調(diào)查對象普遍期待像識別技術(shù)在生活中廣泛應(yīng)用的同時，鎮(zhèn)實存在一定的信息安全穩(wěn)患。以后繼續(xù)上人工智能課程。全8三學(xué)習(xí)過程評價實驗過程評價課程總結(jié)評價。領(lǐng)學(xué)生實驗探究、分析總結(jié)、得出答案的過程中，潛移默化地向?qū)W生傳輸人工智能既是實用工具也是人類智慧的結(jié)晶的觀念，它值得深入地思考、學(xué)習(xí)和探究。3.教學(xué)評價方式多元，真實反饋教學(xué)效果本案例關(guān)注學(xué)生的學(xué)習(xí)過程性評價、實驗過程與成果評價和學(xué)習(xí)總結(jié)性評價，并采用課程導(dǎo)學(xué)單、實驗過程和成果觀察表、問卷調(diào)查等方法進行了多維度的可量化評價。課程以多種方式，從多角度對學(xué)生進行全方位的分析和評價，力求評價結(jié)果真實、全面地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，不僅有利于教師真正掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，也有利于學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中根據(jù)過程性評價結(jié)果及時判斷自己當(dāng)前的學(xué)習(xí)梯度，從而及時調(diào)整學(xué)習(xí)狀態(tài)，找準突破方向。因此，本課教學(xué)效果良好，實驗教學(xué)達成了預(yù)設(shè)的教學(xué)目標。本課的亮點如下：①圍繞核心素養(yǎng)確立教學(xué)目標，有效落實了立德樹人的根本任務(wù)，培養(yǎng)了學(xué)生的數(shù)字素養(yǎng)與技能，發(fā)揮了課程育人功能。②以真實問題為驅(qū)動，注重創(chuàng)設(shè)真實問題情境，鼓勵學(xué)生“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”。③遵循實驗探究精神和學(xué)生學(xué)習(xí)規(guī)律，系統(tǒng)設(shè)計了“實驗問題發(fā)現(xiàn)一實驗原理認知一實驗活動探究一實驗應(yīng)用評價”四個環(huán)環(huán)緊扣的學(xué)習(xí)活動。④推動了以學(xué)生為主體的學(xué)習(xí)方式創(chuàng)新，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷原理運用過程、計算思維過程和數(shù)字化工具應(yīng)用過程。4.創(chuàng)新設(shè)計實驗探究過程項目化本課例不僅注重實驗探究的嚴謹性，還強調(diào)了學(xué)生自主探究和團隊合作的能力培養(yǎng)。通過項目設(shè)計，學(xué)生被賦予了更多的自主權(quán)和責(zé)任感，他們需要在教師的引導(dǎo)下，自己規(guī)劃實驗步驟、分配任務(wù)、收集數(shù)據(jù)、分析結(jié)果，并最終形成結(jié)論。此外，本課例還融入了跨學(xué)科的知識元素，使得實驗探究過程更加豐富多彩。學(xué)生不僅需要掌握信息科技領(lǐng)域的知識和技能，還需要運用數(shù)學(xué)、科學(xué)等其他學(xué)科的知識來解決問題。在項目式學(xué)習(xí)的設(shè)計中，提出了“機器是如何識別花的”這一核心探究問題，引導(dǎo)學(xué)生圍繞此問題展開深入的實驗探究學(xué)習(xí)。整個探究過程聚焦于以下四個關(guān)鍵問題：①人類是如何識別和理解圖像的？②機器是如何模仿人類的圖像識別能力進行工作的？③機器學(xué)習(xí)在圖像識別過程中的具體步驟和機制是怎樣的？④圖像識別技術(shù)的應(yīng)用對我們的日常生活產(chǎn)生了哪些深遠的影響？這四個關(guān)鍵問題不僅構(gòu)成了本次實驗探究的框架，也激發(fā)了學(xué)生的好奇心和探索欲。通過這樣一系列的問題導(dǎo)向和項目式的探究活動，學(xué)生不僅掌握了圖像識別的基本原理和機器學(xué)習(xí)的核心技術(shù)，還培養(yǎng)了探究精神、批判性思維和創(chuàng)新能力。他們學(xué)會了如何運用所學(xué)知識解決實際問題，如何在團隊中協(xié)作與交流，如何面對挑戰(zhàn)尋求解決方案。不僅如此，在每個實驗項目結(jié)束后會組織學(xué)生進行反思討論，分享實驗過程中的經(jīng)驗和教訓(xùn)。通過這樣的方式，學(xué)生能夠不斷總結(jié)經(jīng)驗，優(yōu)化實驗方案，提高自己的實驗?zāi)芰涂蒲兴仞B(yǎng)。表2實驗過程評價表5.創(chuàng)新設(shè)計實驗探究目標可視化本課例對實驗探究的目標進行了可視化設(shè)計，使得實驗?zāi)繕说倪_成與否清晰、明確，便于教師了解學(xué)生的實驗操作效果，及時補充引導(dǎo)內(nèi)容或優(yōu)化實驗環(huán)節(jié)，提高實驗?zāi)繕说倪_成率，具體體現(xiàn)在實驗?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)可視化、實驗?zāi)Ｐ托Ч梢暬?、實驗反饋可視化三個方面。首先，在學(xué)生利用在線識別平臺拍攝不同花朵的大量照片后，平臺將生成識別這幾種花朵的實驗?zāi)Ｐ?，?dāng)利用該模型識別未知花朵時，平臺將會以首分比的數(shù)據(jù)形式給出該實驗花朵與模型中不同花朵的相似比，相似比越高，則未知花朵越像模型中某已知花朵，繼而識別出未知花朵的種類。該環(huán)節(jié)的實驗探究目標為建立已有全部種類花朵的識別模型，在實驗?zāi)Ｐ徒⒑蟊葘Σ煌ǘ湎嗨贫鹊臄?shù)據(jù)清晰呈現(xiàn)，有無花朵種類的遺漏可以清楚閱覽，學(xué)生建立模型的實驗探究目標達成與否也就可以明確判斷。其次