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谈牵手人工智能助力小学科学课堂教学

2021/12/08 阅读:

摘 要:人工智能走进教育领域,为提高教育质量和改进教学方法提供了很大便利,受到了广泛关注。人工智能虽有发展前景,但也面临各种挑战。就人工智能在科学课堂中的应用现状进行分析,结合案例分析人工智能在小学科学教学中的应用及意义,对提升科学课堂教学效率、引领科学教学的新方向具有重要意义。

关键词:人工智能;小学科学;课堂教学自动驾驶、人脸识别、语音助手

随着科技的发展,人类社会逐渐走进了智能时代。作为一名小学科学教师,在了解了人工智能的基本概念和功能后,笔者认为人工智能也可以应用到小学科学课堂中,帮助教师提高小学科学的课堂学习效率。因此,在了解了目前人工智能跟小学校园相结合的相关文献后,笔者提出了关于人工智能如何促进小学科学课堂教学的思考。

一、人工智能在小学教学中的应用现状

现阶段,国际上已有应用人工智能技术辅助课堂教学的多项成果。例如基于自适应技术,根据学生学习兴趣进行个性化推荐的智能教学系统[1];基于推理模型推测学生人格特征的学习系统[2];根据认知与元认知序列探究隐性知识掌握情况的智能教学系统[3];基于感知数据、实现自适应学习的移动学习同伴系统[4]等。我国学者在基于人工智能的课堂教学分析方面也开展了多项颇有成效的研究,如基于地图的教育大数据可视分析方法[5]、课堂教学视频智能识别系统[6]等。这些人工智能手段大多从课堂评价、随堂答题、课后作业评价等形式入手,将人工智能与教育教学相结合,但对于如何在教学环节引入人工智能,使人工智能与科学教学紧密结合,许多一线教师觉得“摸不着头脑”、找不到切入点。教师对人工智能技术的应用较多局限于课堂答题、举手抢答、正确率评比等环节,而这些功能早已通过电子书包等教学辅助工具实现,因此,现实情况仍与理想中的人工智能所带来的真正意义上的课堂变革相距甚远。

二、人工智能在小学科学教学中的应用及意义

1.“感”为人先精准快捷

人工智能数据的收集少不了各类传感器的应用,传感器类似人类的“眼”与“耳”,能帮助智能设备敏锐捕捉环境信息,赋予人工智能以“超人的能力”。将人工智能课上所应用的传感器与科学实验相结合,有利于提高实验的准确性与实验成效。例如,在苏教版《科学(四年级上册)》的《力与运动》一课探究拉力大小与小车前进快慢关系的实验中,常规计时采用学生按秒表计时,容易因计时员反应不及时或操作不熟练而造成数据不准确。为此,指导学生活用传感器提高数据的准确性。在起点与终点各放置一个测距传感器,并将传感器与智能控制器相连。实验前,小车紧靠起点的测距传感器,传感器测得距离为零,当小车起动后,距离大于零,就能触发智能控制器程序,执行“开始计时”的任务。当小车到达终点碰撞终点的测距传感器时,传感器测得距离为零,智能控制器停止计时。智能控制器能直接显示测得时间,并传输到平板电脑终端显示与存储。如此,实验计时环节的准确性得到了大幅提高,计时更加智能便捷,探究成效更加显著。又如,在苏教版《科学(六年级上册)》的《太阳系大家族》一课中,教材安排学生动手实验,认识太阳直射、斜射的差异。实验要求学生在阳光下分别平放与斜放插有红液煤油温度计的相同信封,过几分钟后认读温度计。因红液煤油温度计玻璃泡为类球形,与信纸表面不能完全接触,因而测得的温度不准确,会导致两种条件下的温度差值不大,使学生直观认为直射与斜射在引起温差的作用上差异不明显。而温度传感器具有感温探头元件,且样式多,常见的有针状、片状、柱状,能满足不同被测物的测量需要。将红液煤油温度计替换为片状探头温度传感器,便能与信纸充分接触,有效提高测温的精确度。又因传感器能高频率进行数模转换,并传输数据至主控制器,因而温度值能以数字化形式实时在与主控制器相连的输出端显示出来,从而减小室外肉眼认读温度计刻度所产生的误差,使温度值的获取快捷精准。

2.用“芯”学习高效便捷

平板电脑等智能终端的集成处理芯片依靠机器学习算法运行,能对数据进行深度挖掘,实现图片识别、语音识别等功能。而发挥这两种功能的优势为教学服务,能使人工智能技术成为科学课堂上师生有效认知的得力工具。例如生命科学相关的课程,内容包含多种生物类群。在小学六年的科学学习中,对生物的特征、生命延续、生存条件等知识的学习贯穿始终。教育部7年颁布的《义务教育小学科学课程标准》(简称课标)中提到:可以指导学生在校园观察常见的树木,为校园挂标牌,参观动物园或养殖场,观看各种媒体资料等。将科学活动与智能科技相结合,能激发学生的学习兴趣,为学生提供多样化的学习机会。例如,在苏教版《科学(一年级下册)》的《形形色色的动物》与《多姿多彩的植物》的教学中,利用智能科技打破幻灯片图文介绍的局限,从学生感兴趣的身边事物出发,带领学生走进校园的百草园、生态园,手持移动智能终端,为不陌生但却说不清的植物或动物拍照,然后通过图片识别软件等,获取相应的学习资料。学生可听、可看、可圈画,整个学习过程高效自主,能满足个性化学习的需求。但大多数图片识别后获取的动植物信息来源于市场上的第三方应用软件,存在知识容量大、内容不成体系等问题,对此,教师可以使用CreateML或TensorFlow等机器学习开发软件,借助往届学生拍摄的校园动植物图片建立资料库,经机器学习运算提取特征值,生成属于本校的数据模型,分学段将知识内容与数据模型整合打包安装在智能终端,使之更适合本校学生,从而使教学活动更具有针对性。学生在实验、测量与模型制作等动手参与的活动中,不能及时在现场对观察到的连续变化的现象、获得的瞬时体会与思考等做记录,通常在活动结束后才开始整理笔记或填写实验单,会出现信息遗漏、记录内容不完整等问题。而采用语音识别技术,则可便捷地开启与关闭设备,及时记录重要内容,并高效地转换成文字,并按语义进行断句识别,最终转化成电子文本。它不仅记录的内容清晰完整,而且操作便捷、效率高。例如,在苏教版《科学(一年级下册)》的《玩泥巴》一课的筛泥土、和泥与捏泥塑活动中,学生满手是泥,不便使用纸笔,可将活动过程中的发现与体验借助语音识别设备记录下来,并讨论、制作成体验卡留存。与此类似,操作性强的同类活动课都可在语音识别设备的辅助下,实现做实验与做记录同步进行,简单而高效。

3.畅享数据多“端”联结

教师可借助人工智能技术,分析数据、发现关联,引导学生透过现象看本质,促进学生理性思维的发展。课标在教学媒体实施建议中提到:要让学生“通过互联网可以迅速有效地获取与共享信息,体现大数据时代相关性研究的便利”[7]。借助互联网技术,多个智能终端与“云端”(云服务器)可相互联结,有利于实验数据的互传,凭借“云端”的多线程处理能力,高效地对学生记录的数据进行聚合、分组,为数据的优化推荐、精准查询提供智慧引擎。例如在“像工程师那样……”的专项学习里,在“前期研究”阶段,以往浏览外部网站或翻阅书籍查找到的资料普遍存在不易理解、无关信息多、与课程的关联度低等问题,利用率低,收效甚微。因此,应基于学生现有认知水平,把查找、学习资料的任务落实在学生的“最近发展区”内,充分利用上传至“云端”的往届学生作品数据库,在教师引导下,让学生从材料、用途等多维度的查询和浏览中获得启发,从智能推荐中不断筛选、收集信息,为解决问题提供最大帮助。在与“云端”交互的过程中,往届作品的特征被学生掌握,罗列的问题被解决,取而代之的是下一阶段富有挑战的任务,学生的认知结构也在此过程中得到精细加工和重新建构,促进了其认知水平的发展。

三、结语

如今,人工智能技术已经深入生活中的方方面面,如同“马良的神笔”,激活了学生课堂。人工智能作为现代教学的新兴辅助手段之一,对激发学生兴趣、拓展课堂容量、激活学生思维具有积极作用。小学科学作为一门重实践、重探究的学科,人工智能技术的作用更加不容忽视。如何在小学科学课堂上提高人工智能这一教学手段的有效性,需要教师在教学设计中主动思考其如何与人工智能相融合,在备课时需周密计划,优化教学过程,为学生提供更好的学习方法,以切实提高教学质量。人工智能技术让小学科学课堂不再照本宣科、“死气沉沉”,而真正“活”起来;不仅停留在“教师教、学生学”,而且让师生“身临其境”,真正进入科学世界,在充满魅力的课堂中乐学,且做到活学活用。

作者:张龙 林宏宇 单位:福建省厦门市滨北小学

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