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

　　摘 要：文章以人工智能時代下初中生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)過程為研究主題，通過分析初中生科學(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)的過程，分析人工智能在初中物理的課程設(shè)計、教學(xué)以及物理科學(xué)探究中的應(yīng)用，對于初中生科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)具有積極地指導(dǎo)意義.

　　王春鋒， 物理通報 發(fā)表時間：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世紀是一個信息化時代，在一定程度上改變了教育行業(yè)人才培養(yǎng)的模式.當前，“人工智能 + 教育”的發(fā)展成為教育現(xiàn)代化的重要趨勢，在此趨 勢下，智能工具對教育的支持轉(zhuǎn)變了教師的角色，也改變了 對 初 中 生 培 養(yǎng) 的 方 法.人 工 智 能 (ArtificialIntelligence)，英文縮寫為 AI.人工智能作為計算機信息科技的一個組成部分，將傳統(tǒng)的智能定義加以細化，企圖使像人一樣思考和處理問題的智能機器成為普適應(yīng)用.隨著人工智能理論的成熟，包括機器人、自然語言處理、計算機視覺和專家系統(tǒng)在內(nèi)的智能機器不斷面世[1].同時也極大地擴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、教育等多個領(lǐng)域，利用人工智能及其相應(yīng)理論進行工作的人也不斷增多，諸如工業(yè)機器人、移動電子眼等應(yīng)用已經(jīng)隨處可見.在未來，人工智能將實現(xiàn)對人的思維、意識和信息處理過程進行模擬，甚至有可能代替人進行決策與管理[2].

　　1.2 科學(xué)素養(yǎng)

　　科 學(xué) 素 養(yǎng) 對 于 教 師 而 言 不 僅 僅 涵 蓋 其 科 學(xué) 知識、技能以及其對待事物的科學(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)在其擁有對科學(xué)持續(xù)的學(xué)習興趣、探究能力、創(chuàng)新意識、科學(xué)思維及社會責任感，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題的能力.而對于初中生而言，科學(xué)素養(yǎng)主要的內(nèi)容包括對事物認知的科學(xué)思維以及對科學(xué)探究和發(fā)現(xiàn)具有飽滿的情感和價值觀.

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

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

　　機器時代的到來使得教育界對學(xué)生在社會上競爭力的多寡產(chǎn)生了一定的討論，在首屆中國智能教育大會上，中國人工智能學(xué)會理事長李德毅認為當前我國教育系統(tǒng)中人工智能通識教育嚴重不足，普遍存在腦科學(xué)和認知心理學(xué)的教育不足，上層教育中智能教育的構(gòu)架無序等問題，因而必須要從中學(xué)時代開始普及人工智能教育.之后，伴隨著我國《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實驗平臺構(gòu)建人工智能實驗室并且布局物理教育云和大數(shù)據(jù)，教師需要詳細了解并掌握人工智能的相關(guān)概念，熟悉基礎(chǔ)的機器語言和編程等跨學(xué)科與專業(yè)內(nèi)容，并在教學(xué)過程中加以應(yīng)用[3].

　　此外，基于 AI引擎的實驗教學(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，后 來 還 加 入 了 藝 術(shù)(Art)，稱為 STEAM，作為信息化時代下的物理教育，人工智能使得中學(xué)生實現(xiàn)了跨領(lǐng)域和跨學(xué)科的智能化學(xué)習，包括使用平板電腦進行遠程學(xué)習，利用APP進行在線答疑輔導(dǎo)，因而在初中生科學(xué)素養(yǎng)的培育過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

　　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)科的實際教學(xué)過程中多有應(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、增進教與學(xué)的互動、增加學(xué)生接受知識的能力，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)方式來看，目前中學(xué)物理教學(xué)手段實現(xiàn)了信息化，互聯(lián)網(wǎng)實驗平臺和信息教案、基于 Web網(wǎng)絡(luò)的遠程授課和電子學(xué)堂開始改變傳統(tǒng)的物理課題;從教學(xué)內(nèi)容和價值觀來看，當前中學(xué)物理教學(xué)偏重信息化 + 物理的教學(xué)體系，利 用 Flash動畫和人工智能實驗平臺豐富學(xué)生的物理感受，刺激其學(xué)習熱情、開拓其學(xué)習空間、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“牛頓第一定律”這一課時，傳統(tǒng)的教學(xué)過程以教師的板書授課展開，教學(xué)資源局限于課本和相關(guān)參考資料，學(xué)生對物理概念的理解扁平化、單一化，很多時候存在一知半解的情況.對實驗探究“力推物動，力撤物止”的直觀感 受較弱，且實驗誤差較大對學(xué)生形成科學(xué)正確的認知也有較大的阻礙.但是信息化課堂利用智能教學(xué)實驗平臺，不僅拓展了基礎(chǔ)概念和案例的類型，豐富了學(xué)生的眼界，使得概念更加立體化的展開，學(xué)生經(jīng)由多媒體系統(tǒng)學(xué)習實踐，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)，繼而形成對客觀物理世界的科學(xué)認知.而實現(xiàn)物理教學(xué)信息化的過程需要物理教師首先具備信息化意識和實踐水平，不僅要會使用各種多媒體設(shè)備及人工智能設(shè)備，還要具有將傳統(tǒng)物理學(xué)知識與新的教學(xué)媒介進行結(jié)合的能力與意識，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)過程的研究

　　3.1 在課程設(shè)計中應(yīng)用

　　課程設(shè)計是教者教學(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.教者在進行課程設(shè)計的過程中需要根據(jù)既有的物理教學(xué)理論和系統(tǒng)方法，以特定的教學(xué)目標為指導(dǎo)進行設(shè)計.在這一過程中將體現(xiàn)教者的科學(xué)思維和對物理學(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)計中具有一定的實際價值[5].

　　課程設(shè)計環(huán)節(jié)融入人工智能要從教學(xué)資源、教學(xué)目標的智能化中進行.比如將機器人學(xué)習引入課程設(shè)計，眾所周知，機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器人以學(xué)生為主要目標，幫助實現(xiàn)教育體系與方式的革新，目前也已取得了較好的發(fā)展，形成了機器人學(xué)科教學(xué)、機器人輔助教學(xué)、機器人輔助測試、機器人代理師生事務(wù)等應(yīng)用情境.在當今初中生的科學(xué)素養(yǎng)培育過程中，教育機器人將抽象的概念加以生動地演繹，如通過聯(lián)系日常生活中存在的對象概念，如路與電路、上樓梯與做功等，給學(xué)生講授物理的科學(xué)思維形成過程就是在現(xiàn)實生活中對其進行理解，進而形成科學(xué)的思維與想法.通過這一過程使學(xué)生了解科學(xué)思維的重要類型.通過這種教育方式，學(xué)生們在學(xué)習時會不自覺地進行自我演示，提升對知識的綜合理解程度，于是當演示結(jié)束之后，學(xué)生們便明確了其所學(xué)習的相關(guān)物理概念可以在生活中找到.

　　3.2 在課程教學(xué)中使用

　　在針對初中生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)過程中，課程教學(xué)是重要的環(huán)節(jié)，在這一過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)過程中使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，改善物理知識的教學(xué)結(jié)構(gòu).我們知道，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是對大腦神經(jīng)功能的一種模擬，其目的在于實現(xiàn)大腦的部分或全部功能，例如，目前已經(jīng)實現(xiàn)的模擬大腦的運算、邏輯、模式識別、故障診斷等過程.其基于指導(dǎo)式學(xué)習算法和非指導(dǎo)式學(xué)習算法構(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)新點具有重要價值.比如基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強化對初中生的物理學(xué)科素質(zhì)測評系統(tǒng)，傳統(tǒng)的測評與管理系統(tǒng)缺乏針對性，學(xué)生在課程結(jié)束后是否形成了特定的科學(xué)素養(yǎng)都沒能更好地得以評測.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的物理課堂教學(xué)質(zhì)量測評系統(tǒng)實現(xiàn)了人化的工作方式，對學(xué)生的調(diào)查與測評從性格特點、課前與課后對特定問題的認知改變、心理認同等方面進行，不僅在測試體系上更加全面，在評價考核體系上也更加具有效率，能夠很好提升學(xué)校對學(xué)生物理科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng).

　　4 總結(jié)

　　我們處在一個飛速變化的時代，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，就是這樣一個互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展之下才產(chǎn)生的現(xiàn)實問題，人工智能系統(tǒng)在當今社會的應(yīng)用 不 斷 普 及，應(yīng) 用 規(guī) 模 變 大，應(yīng) 用 領(lǐng) 域 增加，其對現(xiàn)代化教育體系的影響可謂是深遠的.不僅對教育體系和教育管理體系造成有益的影響，還進一步推動了教育面向現(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)過程中的應(yīng)用，對于提高中學(xué)生的思維科學(xué)性和行為與價值觀的科學(xué)性，繼而形成全面的科學(xué)素養(yǎng)具有重要意義.