“備教學(xué)評”一致性背景下的科學(xué)與人工智能融通式教學(xué)

〔摘""要〕"《教育部等十八部門關(guān)于加強新時代中小學(xué)科學(xué)教育工作的意見》和教育部辦公廳發(fā)布的《關(guān)于加強中小學(xué)人工智能教育的通知》強調(diào)，在教育“雙減”中做好科學(xué)教育加法，引導(dǎo)學(xué)生廣泛參與探究實踐；科學(xué)與人工智能教育相吻合，將培養(yǎng)科學(xué)精神、提升科學(xué)素質(zhì)、引導(dǎo)孩子編織當(dāng)科學(xué)家的夢想，落實到中小學(xué)教育全過程。本文探討了“備—教—學(xué)—評”一致性背景下的小學(xué)科學(xué)與人工智能融通式教學(xué)?！碴P(guān)鍵詞〕"小學(xué)科學(xué)；人工智能；融通式教學(xué)山區(qū)小學(xué)如何緊跟科技與人工智能教育的發(fā)展步伐，踐行“培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神和實踐創(chuàng)新能力”的科學(xué)教育理念，在教育“雙減”中做好科學(xué)教育的加法？筆者結(jié)合所在山區(qū)學(xué)校師資力量、場館條件和辦學(xué)特色，經(jīng)過多年的探索與實踐，創(chuàng)新地構(gòu)建“1·2·3”科學(xué)與人工智能融通的教育模式，即“一體為本、兩翼推進、三普助力”模式，因地制宜探索山區(qū)小學(xué)科學(xué)教育新樣態(tài)。一、“一體為本”，落實科學(xué)課程教學(xué)義務(wù)教育科學(xué)課程是一門體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的綜合性基礎(chǔ)課程，是貫徹落實立德樹人根本任務(wù)的重要部分，是提升全民科學(xué)素質(zhì)，建設(shè)創(chuàng)新型國家的基礎(chǔ)。開齊、開足、開好小學(xué)科學(xué)課程是國家戰(zhàn)略意志的體現(xiàn)，是學(xué)?？茖W(xué)教育的主體，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神和實踐創(chuàng)新能力的基石?，F(xiàn)實的教育環(huán)境下，科學(xué)專職教師占全?？茖W(xué)教師的比例很低，山區(qū)小學(xué)尤為突出。為化解這一矛盾，學(xué)校通過三“大”途徑，解決科學(xué)課程落實過程中面臨的專職科學(xué)學(xué)科教師不足、學(xué)科教科研力量薄弱等問題，開足開好科學(xué)課。（一）融匯式重整，組建“大科學(xué)”教研團隊學(xué)校針對科學(xué)、信息科技、綜合實踐、勞動教育學(xué)科素養(yǎng)之間具有重復(fù)性、相似性、互補性的特點，融匯這四門國家課程內(nèi)容上的“相同塊”“相似塊”“重復(fù)塊”，充分考慮學(xué)科知識體系和學(xué)生的身心發(fā)展規(guī)律，以“大科學(xué)”理念將四門學(xué)科內(nèi)容進行“梳理”“重構(gòu)”“整合”，組建“科學(xué)—信息科技—綜合實踐—勞動教育”的“大”科學(xué)教研組。重整既有效解決四門學(xué)科專職教師較少、單獨教科研氛圍不濃等問題，又充分發(fā)揮各學(xué)科名師骨干專業(yè)特長的引領(lǐng)作用，實現(xiàn)“1+1gt;2”的效果。四支教研隊伍，左右聯(lián)動，將不同學(xué)科的知識交叉運用，融合成新的知識體系，既解決了師資不足的問題，又使學(xué)?？茖W(xué)教研形成了規(guī)模，匯集起了真正落實科學(xué)課程的新動能。（二）跨領(lǐng)域呈現(xiàn)，設(shè)計“大單元”校本作業(yè)現(xiàn)行的多個版本的小學(xué)教材是依據(jù)《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準（2022年版）》13個科學(xué)核心概念，按物理、化學(xué)、生物、地理、工程、技術(shù)等不同領(lǐng)域進行細化編排，包括物質(zhì)與能量、結(jié)構(gòu)與功能、系統(tǒng)與模型、穩(wěn)定與變化4個跨學(xué)科概念。以筆者所任教地區(qū)教材為例，教學(xué)內(nèi)容豐富多彩，教學(xué)活動充分體現(xiàn)實踐性和探究性，但作為課堂教學(xué)延續(xù)和學(xué)生學(xué)習(xí)情況檢閱手段的跟蹤練習(xí)與操作，卻在現(xiàn)行各版本的教材中均未體現(xiàn)，“讀本式”學(xué)科教材成了兼職教師落實科學(xué)課程的難點，科學(xué)教研組設(shè)計具有探究性、開放性、整合性特點的“大單元”校本作業(yè)，立足科學(xué)“大單元”視角設(shè)計基礎(chǔ)課堂練習(xí)題、實驗操作探究題、實踐活動拓展題?！按髥卧弊鳂I(yè)設(shè)計遵循系統(tǒng)性、層次性、強化整體設(shè)計，改變學(xué)生的學(xué)習(xí)方法，杜絕死記硬背結(jié)論性知識，引導(dǎo)學(xué)生懂得搜集、處理信息的同時還貼近生活。讓作業(yè)成為學(xué)生檢查自己學(xué)習(xí)效果的一種方式，成為學(xué)生展示自我、自由發(fā)展、不斷成長的舞臺?；趩卧w“視角”，跨領(lǐng)域呈現(xiàn)，進行校本作業(yè)設(shè)計，站在單元之上，教師看清全局，摸清教材中的脈絡(luò)，是實現(xiàn)專兼職教師科學(xué)課堂高質(zhì)量教學(xué)的重要途徑。（三）開放式陣地，開展“大概念”科學(xué)探究由于科學(xué)課程、人工智能校本課程和個性社團活動時間有限，常有學(xué)生探究沒有完成的現(xiàn)象或有學(xué)生感覺“不過癮”。甚至還有部分學(xué)生通過課堂學(xué)習(xí)，了解了科學(xué)原理，便想利用課余時間自行選擇器材、自行實驗，擴大研究范圍，探索更多未知。為滿足這些不同層次、不同興趣學(xué)生的不同需求，我們利用課間、課余時間、節(jié)假日全天等，開放人工智能實驗室、紅領(lǐng)巾勞動基地、科學(xué)實驗室、綜合實踐活動室等，加強人工智能與其他各門課程的滲透融合，涌現(xiàn)出了“垃圾智能分揀裝置”“智慧校園小氣象站”“旋風(fēng)解魔方機器人”“物聯(lián)網(wǎng)系列機器人”等實用又有創(chuàng)意的作品，這些科學(xué)實踐場所不僅成為學(xué)生探索科學(xué)的樂園，還將各科學(xué)陣地朝數(shù)字化、智能化方向升華?？茖W(xué)陣地的開放，既引領(lǐng)學(xué)生的科學(xué)思維向縱深發(fā)展，理解科學(xué)、技術(shù)、社會與環(huán)境的關(guān)系，又創(chuàng)設(shè)了人人可參與、人人可實踐、人人可創(chuàng)新的低平臺活動空間，使學(xué)生感受到“大科學(xué)”教育的魅力。二、“兩翼推進”，凸顯科學(xué)教育特色《教育部等十八部門關(guān)于加強新時代中小學(xué)科學(xué)教育工作的意見》明確要求，打造“家門口”科學(xué)教育陣地，為中小學(xué)生提供更加優(yōu)質(zhì)的科學(xué)教育，全面提高學(xué)生科學(xué)素質(zhì)，培育具備科學(xué)家潛質(zhì)、愿意獻身科學(xué)研究事業(yè)的青少年群體。筆者所在學(xué)校緊緊錨定“人工智能”科技前沿，充分結(jié)合山區(qū)小學(xué)特有的地域優(yōu)勢，融合科學(xué)、信息科技、勞動教育、綜合實踐等學(xué)科，構(gòu)建以“低成本玩轉(zhuǎn)高科技”為核心的兩大科學(xué)教育特色課程。（一）多學(xué)科整合，構(gòu)建項目探究活動課程山區(qū)縣城有著廣袤的自然生態(tài)資源和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動的實踐環(huán)境，為所在地的小學(xué)提供了豐富的科技資源和實踐機會。與勞動實踐整合。學(xué)校以現(xiàn)有一塊占地5畝的紅領(lǐng)巾勞動實踐基地、一間設(shè)施齊全能容納一個教學(xué)班的烹飪室為陣地，充分挖掘勞動教育、綜合實踐活動中的科學(xué)教育內(nèi)涵，整合開發(fā)以蔬菜“種植—烹飪”為主題的項目實踐活動課程，課程分為“種植挖土—除草施肥—修剪搭架—手工扦插—營養(yǎng)烹飪”等五大板塊。以班級為單位，學(xué)生自主設(shè)計、合作管理，在學(xué)?！疤槭袌觥弊杂山灰资斋@的蔬菜、后期的烹飪等，學(xué)生通過春種秋收體驗氣候變化對生命的影響，感受一粒粒種子從萌發(fā)、生長、成熟再到親手烹飪、品嘗美食，感受生物與環(huán)境的變化。五大項目實踐活動課程把“田間地頭”和“小廚房”變成“天然科學(xué)實驗室”，既在勞動實踐過程中體驗生活、感悟生命，保持對自然生命的好奇心，又從親近自然走向親近科學(xué)，助推基本科學(xué)能力的發(fā)展。與信息科技整合。在此基礎(chǔ)上，信息科學(xué)組結(jié)合智能物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)課程內(nèi)容，拓展并共享科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程與技術(shù)等學(xué)科外延，開設(shè)以菜園“智慧—物聯(lián)”為主題的項目探究活動課程，課程由“信息采集—土壤監(jiān)測—智能物聯(lián)—自動澆灌—小氣象站”五個部分組成。學(xué)生經(jīng)歷土壤濕度等各種傳感器的使用，將獲取的各種數(shù)據(jù)同步到物聯(lián)網(wǎng)云平臺上，實現(xiàn)設(shè)備的控制與反饋的真實探究，如實時觀測、自動澆水?！爸腔邸锫?lián)”的五個項目探究活動課程把“田間地頭”的勞動實踐基地升華成“信息科學(xué)數(shù)字實驗室”，通過智慧菜園系統(tǒng)設(shè)計和信息技術(shù)融合應(yīng)用，讓學(xué)生感受菜園數(shù)字化的同時，又引領(lǐng)學(xué)生的科學(xué)思維向縱深發(fā)展，理解科學(xué)、技術(shù)、社會與環(huán)境的關(guān)系，感受“大科學(xué)”教育的魅力。（二）普及加競賽，構(gòu)建人工智能特色課程人工智能是引領(lǐng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要驅(qū)動力，小學(xué)階段是提高全民科學(xué)素養(yǎng)和培養(yǎng)拔尖創(chuàng)新型人才的重要啟蒙期，是推開“科學(xué)之窗”遠眺創(chuàng)新世界的黃金期。如何緊緊抓住這一育人的時間窗口，在資源相對薄弱的山區(qū)小學(xué)開展學(xué)生全員普惠的人工智能普及教育？鑿開硬件“銅墻”——普惠式課程套件。作為山區(qū)縣城小學(xué)，開展人工智能教育曾經(jīng)面臨著許多考驗。首先硬件“燒錢”，筆者所在的學(xué)校教研團隊基于開源硬件，自行設(shè)計開模，3D打印研發(fā)了面向六個年級的開源人工智能普及學(xué)習(xí)套件；同步開發(fā)科技類競賽、開源軟硬件、開源+3D建模三大社團課程，這樣使用開源硬件、自主建模設(shè)計，3D打印結(jié)構(gòu)的人工智能學(xué)習(xí)套件，將硬件造價成本降至最低，為在山區(qū)小學(xué)開展人工智能普惠教學(xué)打下了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。穿透軟件“鐵壁”——圖形化編程軟件。軟件方面，開源硬件使用的編程環(huán)境主要是代碼編程，對于小學(xué)生來說門檻高、難度大，難以普及?，F(xiàn)有的開源圖形化編程平臺無法對接自主開發(fā)的人工智能學(xué)習(xí)套件，筆者所在小學(xué)的科學(xué)教研團隊在“免費開源圖形化編程平臺”基礎(chǔ)上，二次開發(fā)人工智能學(xué)習(xí)套件的硬件模塊圖形化編程庫，形成“使用開源硬件—3D建模打印—圖形化編程教學(xué)”的人工智能教學(xué)環(huán)境。這樣的圖形化編程的機器人造價僅有兩三百元，為山區(qū)人工智能教育普及降低門檻，鋪平道路。突破競賽“瓶頸”——3D建模設(shè)計結(jié)構(gòu)。3D打印技術(shù)與人工智能相結(jié)合，為各類科技競賽提供了更多優(yōu)勢和可能性。在機器人、無人機、模型等科技競賽中，3D打印技術(shù)使學(xué)生能夠通過創(chuàng)意設(shè)計軟件定制各種競賽個性化的硬件，這在傳統(tǒng)科技競賽中是無法實現(xiàn)的。此外，通過3D打印，學(xué)生可以根據(jù)自己的設(shè)計需求，精確地打印出不同場景所需的零件，這不僅提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的互動性和趣味性，還促進了學(xué)生創(chuàng)造力和實踐能力的提升，突破了科技競賽“作品”實現(xiàn)難的瓶頸。三、“三普助力”，推動鄉(xiāng)村科學(xué)教育在縣域內(nèi)的縣城小學(xué)和鄉(xiāng)村小學(xué)，科學(xué)教育發(fā)展不均衡，鄉(xiāng)村小學(xué)人工智能教育課程資源和師資力量相對匱乏，筆者所在學(xué)校通過“課程資源送出去”"“鄉(xiāng)村教師請進來”和“城鄉(xiāng)學(xué)生共分享”的方式推動鄉(xiāng)村人工智能教育普及，在鄉(xiāng)村小學(xué)播下科學(xué)教育的種子。一是送教普及，課程全覆蓋?！按罂茖W(xué)”組組織“人工智能創(chuàng)客實驗室”骨干教師建設(shè)本地化的優(yōu)質(zhì)人工智能課程資源，為各鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村小學(xué)師生定期開展送教送培活動，將自主研發(fā)的優(yōu)質(zhì)人工智能課程資源與鄉(xiāng)村學(xué)校共享。二是研訓(xùn)普及，師資全覆蓋。教育發(fā)展的核心是教師，鄉(xiāng)村科學(xué)教師的質(zhì)量和數(shù)量直接關(guān)系到縣域內(nèi)科學(xué)教育質(zhì)量的高低和科學(xué)教育的發(fā)展水平。利用縣內(nèi)科學(xué)名優(yōu)骨干教師團隊及配套教學(xué)套件，每學(xué)期為縣域內(nèi)農(nóng)村科技輔導(dǎo)員進行人工智能專業(yè)素養(yǎng)提升的培訓(xùn)。三是競賽普及，學(xué)校全覆蓋。小學(xué)科技類競賽在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、科學(xué)思維和動手實踐能力方面具有重要意義，對學(xué)生的個人成長和發(fā)展有著深遠的積極影響。山區(qū)小學(xué)受經(jīng)濟等各方面條件限制，參加科技競賽的項目和人數(shù)無法滿足學(xué)生發(fā)展的需求，在縣域內(nèi)搭建科技競賽平臺，制定競賽規(guī)則，開展競賽培訓(xùn)，組織競賽開展