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摘　要：人工智能走進教育領域，為提高教育質量和改進教學方法提供了很大便利，受到了廣泛關注。人工智能雖有發展前景，但也面臨各種挑戰。就人工智能在科學課堂中的應用現狀進行分析，結合案例分析人工智能在小學科學教學中的應用及意義，對提升科學課堂教學效率、引領科學教學的新方向具有重要意義。

關鍵詞：人工智能；小學科學；課堂教學自動駕駛、人臉識別、語音助手

隨著科技的發展，人類社會逐漸走進了智能時代。作為一名小學科學教師，在了解了人工智能的基本概念和功能后，筆者認為人工智能也可以應用到小學科學課堂中，幫助教師提高小學科學的課堂學習效率。因此，在了解了目前人工智能跟小學校園相結合的相關文獻后，筆者提出了關于人工智能如何促進小學科學課堂教學的思考。

一、人工智能在小學教學中的應用現狀

現階段，國際上已有應用人工智能技術輔助課堂教學的多項成果。例如基于自適應技術，根據學生學習興趣進行個性化推薦的智能教學系統[1]；基于推理模型推測學生人格特征的學習系統[2]；根據認知與元認知序列探究隱性知識掌握情況的智能教學系統[3]；基于感知數據、實現自適應學習的移動學習同伴系統[4]等。我國學者在基于人工智能的課堂教學分析方面也開展了多項頗有成效的研究，如基于地圖的教育大數據可視分析方法[5]、課堂教學視頻智能識別系統[6]等。這些人工智能手段大多從課堂評價、隨堂答題、課后作業評價等形式入手，將人工智能與教育教學相結合，但對于如何在教學環節引入人工智能，使人工智能與科學教學緊密結合，許多一線教師覺得“摸不著頭腦”、找不到切入點。教師對人工智能技術的應用較多局限于課堂答題、舉手搶答、正確率評比等環節，而這些功能早已通過電子書包等教學輔助工具實現，因此，現實情況仍與理想中的人工智能所帶來的真正意義上的課堂變革相距甚遠。

二、人工智能在小學科學教學中的應用及意義

1.“感”為人先精準快捷

人工智能數據的收集少不了各類傳感器的應用，傳感器類似人類的“眼”與“耳”，能幫助智能設備敏銳捕捉環境信息，賦予人工智能以“超人的能力”。將人工智能課上所應用的傳感器與科學實驗相結合，有利于提高實驗的準確性與實驗成效。例如，在蘇教版《科學(四年級上冊)》的《力與運動》一課探究拉力大小與小車前進快慢關系的實驗中，常規計時采用學生按秒表計時，容易因計時員反應不及時或操作不熟練而造成數據不準確。為此，指導學生活用傳感器提高數據的準確性。在起點與終點各放置一個測距傳感器，并將傳感器與智能控制器相連。實驗前，小車緊靠起點的測距傳感器，傳感器測得距離為零，當小車起動后，距離大于零，就能觸發智能控制器程序，執行“開始計時”的任務。當小車到達終點碰撞終點的測距傳感器時，傳感器測得距離為零，智能控制器停止計時。智能控制器能直接顯示測得時間，并傳輸到平板電腦終端顯示與存儲。如此，實驗計時環節的準確性得到了大幅提高，計時更加智能便捷，探究成效更加顯著。又如，在蘇教版《科學(六年級上冊)》的《太陽系大家族》一課中，教材安排學生動手實驗，認識太陽直射、斜射的差異。實驗要求學生在陽光下分別平放與斜放插有紅液煤油溫度計的相同信封，過幾分鐘后認讀溫度計。因紅液煤油溫度計玻璃泡為類球形，與信紙表面不能完全接觸，因而測得的溫度不準確，會導致兩種條件下的溫度差值不大，使學生直觀認為直射與斜射在引起溫差的作用上差異不明顯。而溫度傳感器具有感溫探頭元件，且樣式多，常見的有針狀、片狀、柱狀，能滿足不同被測物的測量需要。將紅液煤油溫度計替換為片狀探頭溫度傳感器，便能與信紙充分接觸，有效提高測溫的精確度。又因傳感器能高頻率進行數模轉換，并傳輸數據至主控制器，因而溫度值能以數字化形式實時在與主控制器相連的輸出端顯示出來，從而減小室外肉眼認讀溫度計刻度所產生的誤差，使溫度值的獲取快捷精準。

2.用“芯”學習高效便捷

平板電腦等智能終端的集成處理芯片依靠機器學習算法運行，能對數據進行深度挖掘，實現圖片識別、語音識別等功能。而發揮這兩種功能的優勢為教學服務，能使人工智能技術成為科學課堂上師生有效認知的得力工具。例如生命科學相關的課程，內容包含多種生物類群。在小學六年的科學學習中，對生物的特征、生命延續、生存條件等知識的學習貫穿始終。教育部7年頒布的《義務教育小學科學課程標準》(簡稱課標)中提到：可以指導學生在校園觀察常見的樹木，為校園掛標牌，參觀動物園或養殖場，觀看各種媒體資料等。將科學活動與智能科技相結合，能激發學生的學習興趣，為學生提供多樣化的學習機會。例如，在蘇教版《科學(一年級下冊)》的《形形色色的動物》與《多姿多彩的植物》的教學中，利用智能科技打破幻燈片圖文介紹的局限，從學生感興趣的身邊事物出發，帶領學生走進校園的百草園、生態園，手持移動智能終端，為不陌生但卻說不清的植物或動物拍照，然后通過圖片識別軟件等，獲取相應的學習資料。學生可聽、可看、可圈畫，整個學習過程高效自主，能滿足個性化學習的需求。但大多數圖片識別后獲取的動植物信息來源于市場上的第三方應用軟件，存在知識容量大、內容不成體系等問題，對此，教師可以使用CreateML或TensorFlow等機器學習開發軟件，借助往屆學生拍攝的校園動植物圖片建立資料庫，經機器學習運算提取特征值，生成屬于本校的數據模型，分學段將知識內容與數據模型整合打包安裝在智能終端，使之更適合本校學生，從而使教學活動更具有針對性。學生在實驗、測量與模型制作等動手參與的活動中，不能及時在現場對觀察到的連續變化的現象、獲得的瞬時體會與思考等做記錄，通常在活動結束后才開始整理筆記或填寫實驗單，會出現信息遺漏、記錄內容不完整等問題。而采用語音識別技術，則可便捷地開啟與關閉設備，及時記錄重要內容，并高效地轉換成文字，并按語義進行斷句識別，最終轉化成電子文本。它不僅記錄的內容清晰完整，而且操作便捷、效率高。例如，在蘇教版《科學(一年級下冊)》的《玩泥巴》一課的篩泥土、和泥與捏泥塑活動中，學生滿手是泥，不便使用紙筆，可將活動過程中的發現與體驗借助語音識別設備記錄下來，并討論、制作成體驗卡留存。與此類似，操作性強的同類活動課都可在語音識別設備的輔助下，實現做實驗與做記錄同步進行，簡單而高效。

3.暢享數據多“端”聯結

教師可借助人工智能技術，分析數據、發現關聯，引導學生透過現象看本質，促進學生理性思維的發展。課標在教學媒體實施建議中提到：要讓學生“通過互聯網可以迅速有效地獲取與共享信息，體現大數據時代相關性研究的便利”[7]。借助互聯網技術，多個智能終端與“云端”(云服務器)可相互聯結，有利于實驗數據的互傳，憑借“云端”的多線程處理能力，高效地對學生記錄的數據進行聚合、分組，為數據的優化推薦、精準查詢提供智慧引擎。例如在“像工程師那樣……”的專項學習里，在“前期研究”階段，以往瀏覽外部網站或翻閱書籍查找到的資料普遍存在不易理解、無關信息多、與課程的關聯度低等問題，利用率低，收效甚微。因此，應基于學生現有認知水平，把查找、學習資料的任務落實在學生的“最近發展區”內，充分利用上傳至“云端”的往屆學生作品數據庫，在教師引導下，讓學生從材料、用途等多維度的查詢和瀏覽中獲得啟發，從智能推薦中不斷篩選、收集信息，為解決問題提供最大幫助。在與“云端”交互的過程中，往屆作品的特征被學生掌握，羅列的問題被解決，取而代之的是下一階段富有挑戰的任務，學生的認知結構也在此過程中得到精細加工和重新建構，促進了其認知水平的發展。

三、結語

如今，人工智能技術已經深入生活中的方方面面，如同“馬良的神筆”，激活了學生課堂。人工智能作為現代教學的新興輔助手段之一，對激發學生興趣、拓展課堂容量、激活學生思維具有積極作用。小學科學作為一門重實踐、重探究的學科，人工智能技術的作用更加不容忽視。如何在小學科學課堂上提高人工智能這一教學手段的有效性，需要教師在教學設計中主動思考其如何與人工智能相融合，在備課時需周密計劃，優化教學過程，為學生提供更好的學習方法，以切實提高教學質量。人工智能技術讓小學科學課堂不再照本宣科、“死氣沉沉”，而真正“活”起來；不僅停留在“教師教、學生學”，而且讓師生“身臨其境”，真正進入科學世界，在充滿魅力的課堂中樂學，且做到活學活用。

作者：張龍 林宏宇 單位：福建省廈門市濱北小學