淺談將“人工智能”引入初中生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)過(guò)程

　　摘 要：文章以人工智能時(shí)代下初中生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)過(guò)程為研究主題，通過(guò)分析初中生科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)的主要內(nèi)容，以及將人工智能引入初中生科學(xué)思維培養(yǎng)與科學(xué)能力培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)的過(guò)程，分析人工智能在初中物理的課程設(shè)計(jì)、教學(xué)以及物理科學(xué)探究中的應(yīng)用，對(duì)于初中生科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)具有積極地指導(dǎo)意義.

　　王春鋒， 物理通報(bào) 發(fā)表時(shí)間：2021-08-05

　　關(guān)鍵詞：人工智能 科學(xué)素養(yǎng) 培養(yǎng)

　　1 基本概念闡述

　　1.1 人工智能

　　21世紀(jì)是一個(gè)信息化時(shí)代，在一定程度上改變了教育行業(yè)人才培養(yǎng)的模式.當(dāng)前，“人工智能 + 教育”的發(fā)展成為教育現(xiàn)代化的重要趨勢(shì)，在此趨 勢(shì)下，智能工具對(duì)教育的支持轉(zhuǎn)變了教師的角色，也改變了 對(duì) 初 中 生 培 養(yǎng) 的 方 法.人 工 智 能 (ArtificialIntelligence)，英文縮寫(xiě)為 AI.人工智能作為計(jì)算機(jī)信息科技的一個(gè)組成部分，將傳統(tǒng)的智能定義加以細(xì)化，企圖使像人一樣思考和處理問(wèn)題的智能機(jī)器成為普適應(yīng)用.隨著人工智能理論的成熟，包括機(jī)器人、自然語(yǔ)言處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)和專(zhuān)家系統(tǒng)在內(nèi)的智能機(jī)器不斷面世[1].同時(shí)也極大地?cái)U(kuò)充了人工智能的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用領(lǐng)域.

　　目前，人工智能已經(jīng)廣泛應(yīng)用在醫(yī)學(xué)、工程、交通、教育等多個(gè)領(lǐng)域，利用人工智能及其相應(yīng)理論進(jìn)行工作的人也不斷增多，諸如工業(yè)機(jī)器人、移動(dòng)電子眼等應(yīng)用已經(jīng)隨處可見(jiàn).在未來(lái)，人工智能將實(shí)現(xiàn)對(duì)人的思維、意識(shí)和信息處理過(guò)程進(jìn)行模擬，甚至有可能代替人進(jìn)行決策與管理[2].

　　1.2 科學(xué)素養(yǎng)

　　科 學(xué) 素 養(yǎng) 對(duì) 于 教 師 而 言 不 僅 僅 涵 蓋 其 科 學(xué) 知識(shí)、技能以及其對(duì)待事物的科學(xué)態(tài)度和科學(xué)、理性的工作方式，更是其科學(xué)情感和價(jià)值觀的重要體現(xiàn).良好的科學(xué)素養(yǎng)表現(xiàn)在其擁有對(duì)科學(xué)持續(xù)的學(xué)習(xí)興趣、探究能力、創(chuàng)新意識(shí)、科學(xué)思維及社會(huì)責(zé)任感，擁有用科學(xué)的思維方式處理日常生活中遇到的各種各樣問(wèn)題的能力.而對(duì)于初中生而言，科學(xué)素養(yǎng)主要的內(nèi)容包括對(duì)事物認(rèn)知的科學(xué)思維以及對(duì)科學(xué)探究和發(fā)現(xiàn)具有飽滿(mǎn)的情感和價(jià)值觀.

　　2 將人工智能引入初中生科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)過(guò)程的必要性

　　2.1 中學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容中涉及人工智能知識(shí)

　　機(jī)器時(shí)代的到來(lái)使得教育界對(duì)學(xué)生在社會(huì)上競(jìng)爭(zhēng)力的多寡產(chǎn)生了一定的討論，在首屆中國(guó)智能教育大會(huì)上，中國(guó)人工智能學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)李德毅認(rèn)為當(dāng)前我國(guó)教育系統(tǒng)中人工智能通識(shí)教育嚴(yán)重不足，普遍存在腦科學(xué)和認(rèn)知心理學(xué)的教育不足，上層教育中智能教育的構(gòu)架無(wú)序等問(wèn)題，因而必須要從中學(xué)時(shí)代開(kāi)始普及人工智能教育.之后，伴隨著我國(guó)《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》的明確規(guī)定，人工智能 正式走入中學(xué)物理課堂.比如目前中學(xué)物理課堂中利用SenseStudy實(shí)驗(yàn)平臺(tái)構(gòu)建人工智能實(shí)驗(yàn)室并且布局物理教育云和大數(shù)據(jù)，教師需要詳細(xì)了解并掌握人工智能的相關(guān)概念，熟悉基礎(chǔ)的機(jī)器語(yǔ)言和編程等跨學(xué)科與專(zhuān)業(yè)內(nèi)容，并在教學(xué)過(guò)程中加以應(yīng)用[3].

　　此外，基于 AI引擎的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)促使STEM教育 在 中 學(xué) 物 理 課 堂 中 得 以 應(yīng) 用，STEM 是 科 學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)、數(shù)學(xué) (Mathematics)的 縮 寫(xiě)，后 來(lái) 還 加 入 了 藝 術(shù)(Art)，稱(chēng)為 STEAM，作為信息化時(shí)代下的物理教育，人工智能使得中學(xué)生實(shí)現(xiàn)了跨領(lǐng)域和跨學(xué)科的智能化學(xué)習(xí)，包括使用平板電腦進(jìn)行遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)，利用APP進(jìn)行在線(xiàn)答疑輔導(dǎo)，因而在初中生科學(xué)素養(yǎng)的培育過(guò)程中必須要重視人工智能[4].

　　2.2 中學(xué)物理教學(xué)信息化要求物理教師掌握人工智能知識(shí)

　　信 息 化 教 學(xué) 得 益 于 現(xiàn) 代 互 聯(lián) 網(wǎng) 科 技 的 快 速 發(fā)展，并且在中小學(xué)校內(nèi)諸多學(xué)科的實(shí)際教學(xué)過(guò)程中多有應(yīng)用，且收效顯著.信息化教學(xué)可以有效地提升教學(xué)效率、節(jié)省教學(xué)成本、增進(jìn)教與學(xué)的互動(dòng)、增加學(xué)生接受知識(shí)的能力，也正因如此，中學(xué)物理教學(xué)信息化程度得以不斷加深.從教學(xué)資源和教學(xué)方式來(lái)看，目前中學(xué)物理教學(xué)手段實(shí)現(xiàn)了信息化，互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和信息教案、基于 Web網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程授課和電子學(xué)堂開(kāi)始改變傳統(tǒng)的物理課題;從教學(xué)內(nèi)容和價(jià)值觀來(lái)看，當(dāng)前中學(xué)物理教學(xué)偏重信息化 + 物理的教學(xué)體系，利 用 Flash動(dòng)畫(huà)和人工智能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)豐富學(xué)生的物理感受，刺激其學(xué)習(xí)熱情、開(kāi)拓其學(xué)習(xí)空間、培養(yǎng)其突破性的創(chuàng)新精神成為目前物理信息化教學(xué)的重要目的.比如在學(xué)習(xí)“牛頓第一定律”這一課時(shí)，傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程以教師的板書(shū)授課展開(kāi)，教學(xué)資源局限于課本和相關(guān)參考資料，學(xué)生對(duì)物理概念的理解扁平化、單一化，很多時(shí)候存在一知半解的情況.對(duì)實(shí)驗(yàn)探究“力推物動(dòng)，力撤物止”的直觀感 受較弱，且實(shí)驗(yàn)誤差較大對(duì)學(xué)生形成科學(xué)正確的認(rèn)知也有較大的阻礙.但是信息化課堂利用智能教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，不僅拓展了基礎(chǔ)概念和案例的類(lèi)型，豐富了學(xué)生的眼界，使得概念更加立體化的展開(kāi)，學(xué)生經(jīng)由多媒體系統(tǒng)學(xué)習(xí)實(shí)踐，能夠更好地理解牛頓第一定律描述的是一種理想化狀態(tài)，繼而形成對(duì)客觀物理世界的科學(xué)認(rèn)知.而實(shí)現(xiàn)物理教學(xué)信息化的過(guò)程需要物理教師首先具備信息化意識(shí)和實(shí)踐水平，不僅要會(huì)使用各種多媒體設(shè)備及人工智能設(shè)備，還要具有將傳統(tǒng)物理學(xué)知識(shí)與新的教學(xué)媒介進(jìn)行結(jié)合的能力與意識(shí)，這也凸顯出物理教師使用信息工具的能力.

　　3 將人工智能引入初中生科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)過(guò)程的研究

　　3.1 在課程設(shè)計(jì)中應(yīng)用

　　課程設(shè)計(jì)是教者教學(xué)能力的體現(xiàn)，也是其科學(xué)的物理思想和教學(xué)思想在教學(xué)環(huán)節(jié)中的應(yīng)用.教者在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)的過(guò)程中需要根據(jù)既有的物理教學(xué)理論和系統(tǒng)方法，以特定的教學(xué)目標(biāo)為指導(dǎo)進(jìn)行設(shè)計(jì).在這一過(guò)程中將體現(xiàn)教者的科學(xué)思維和對(duì)物理學(xué)科的科學(xué)情感與態(tài)度.隨著人工智能在中學(xué)物理課程中的普及，人工智能深入到中學(xué)物理的課程設(shè)計(jì)中具有一定的實(shí)際價(jià)值[5].

　　課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)融入人工智能要從教學(xué)資源、教學(xué)目標(biāo)的智能化中進(jìn)行.比如將機(jī)器人學(xué)習(xí)引入課程設(shè)計(jì)，眾所周知，機(jī)器人是人工智能體系中重要的組成部分，隨之而誕生的教育機(jī)器人以學(xué)生為主要目標(biāo)，幫助實(shí)現(xiàn)教育體系與方式的革新，目前也已取得了較好的發(fā)展，形成了機(jī)器人學(xué)科教學(xué)、機(jī)器人輔助教學(xué)、機(jī)器人輔助測(cè)試、機(jī)器人代理師生事務(wù)等應(yīng)用情境.在當(dāng)今初中生的科學(xué)素養(yǎng)培育過(guò)程中，教育機(jī)器人將抽象的概念加以生動(dòng)地演繹，如通過(guò)聯(lián)系日常生活中存在的對(duì)象概念，如路與電路、上樓梯與做功等，給學(xué)生講授物理的科學(xué)思維形成過(guò)程就是在現(xiàn)實(shí)生活中對(duì)其進(jìn)行理解，進(jìn)而形成科學(xué)的思維與想法.通過(guò)這一過(guò)程使學(xué)生了解科學(xué)思維的重要類(lèi)型.通過(guò)這種教育方式，學(xué)生們?cè)趯W(xué)習(xí)時(shí)會(huì)不自覺(jué)地進(jìn)行自我演示，提升對(duì)知識(shí)的綜合理解程度，于是當(dāng)演示結(jié)束之后，學(xué)生們便明確了其所學(xué)習(xí)的相關(guān)物理概念可以在生活中找到.

　　3.2 在課程教學(xué)中使用

　　在針對(duì)初中生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)過(guò)程中，課程教學(xué)是重要的環(huán)節(jié)，在這一過(guò)程中利用人工智能可提高教學(xué)效率，將學(xué)生的科學(xué)思維與科學(xué)能力更好地結(jié)合.比如在課程教學(xué)過(guò)程中使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，改善物理知識(shí)的教學(xué)結(jié)構(gòu).我們知道，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是對(duì)大腦神經(jīng)功能的一種模擬，其目的在于實(shí)現(xiàn)大腦的部分或全部功能，例如，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的模擬大腦的運(yùn)算、邏輯、模式識(shí)別、故障診斷等過(guò)程.其基于指導(dǎo)式學(xué)習(xí)算法和非指導(dǎo)式學(xué)習(xí)算法構(gòu)建，能夠模擬大多數(shù)的自然信息或非自然信息的應(yīng)對(duì)方法.正是由于其這一特性，使得應(yīng)用在梳理課程教學(xué)思路，形成創(chuàng)新點(diǎn)具有重要價(jià)值.比如基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)化對(duì)初中生的物理學(xué)科素質(zhì)測(cè)評(píng)系統(tǒng)，傳統(tǒng)的測(cè)評(píng)與管理系統(tǒng)缺乏針對(duì)性，學(xué)生在課程結(jié)束后是否形成了特定的科學(xué)素養(yǎng)都沒(méi)能更好地得以評(píng)測(cè).基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的物理課堂教學(xué)質(zhì)量測(cè)評(píng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了人化的工作方式，對(duì)學(xué)生的調(diào)查與測(cè)評(píng)從性格特點(diǎn)、課前與課后對(duì)特定問(wèn)題的認(rèn)知改變、心理認(rèn)同等方面進(jìn)行，不僅在測(cè)試體系上更加全面，在評(píng)價(jià)考核體系上也更加具有效率，能夠很好提升學(xué)校對(duì)學(xué)生物理科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng).

　　4 總結(jié)

　　我們處在一個(gè)飛速變化的時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的快速發(fā)展使我們感受到真切的便利的同時(shí)也使我們陷入了一些矛盾之中，本文研究的主要內(nèi)容 ——— 人工智能在教育中的應(yīng)用，就是這樣一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展之下才產(chǎn)生的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，人工智能系統(tǒng)在當(dāng)今社會(huì)的應(yīng)用 不 斷 普 及，應(yīng) 用 規(guī) 模 變 大，應(yīng) 用 領(lǐng) 域 增加，其對(duì)現(xiàn)代化教育體系的影響可謂是深遠(yuǎn)的.不僅對(duì)教育體系和教育管理體系造成有益的影響，還進(jìn)一步推動(dòng)了教育面向現(xiàn)代化發(fā)展的腳步.本文以人工智能結(jié)合中學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)為主題，研究了人工智能的主要應(yīng)用如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等在中學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)過(guò)程中的應(yīng)用，對(duì)于提高中學(xué)生的思維科學(xué)性和行為與價(jià)值觀的科學(xué)性，繼而形成全面的科學(xué)素養(yǎng)具有重要意義.