建AI科學(xué)智慧課堂 創(chuàng)現(xiàn)代教學(xué)新生態(tài)

【摘要】大數(shù)據(jù)和人工智能等信息技術(shù)促進(jìn)了教育的變革，課堂上需要教師轉(zhuǎn)變教與學(xué)的方式、重塑師生的關(guān)系和重新建構(gòu)教學(xué)的結(jié)構(gòu)、探索新的教學(xué)模式。在合肥市師范附屬小學(xué)辦學(xué)理念、育人目標(biāo)以及北京師范大學(xué)項(xiàng)華教授團(tuán)隊(duì)的數(shù)字科學(xué)家理論的指導(dǎo)下，筆者探索出了基于智慧課堂的“三元三化六模塊”科學(xué)教學(xué)模式，從而構(gòu)建出教師主導(dǎo)和學(xué)生主體共長互生的雙主共生教學(xué)體系，打造智能化、數(shù)字化、個(gè)性化的現(xiàn)代科學(xué)新生態(tài)智慧課堂?！娟P(guān)鍵詞】智慧課堂;科學(xué);新生態(tài);教學(xué)模式人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的出現(xiàn)推動(dòng)了教育由傳統(tǒng)的講授為主向信息化、智能化的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)了教育的改革。2018年，智慧教育首次出現(xiàn)在國家規(guī)劃文件《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》中，并被納入教育信息化的“八大行動(dòng)”之一。智慧教育的基本核心之一是智慧教學(xué)，智慧教育的開展實(shí)施離不開智慧教學(xué)，而智慧課堂的構(gòu)建是實(shí)現(xiàn)智慧教學(xué)的基本途徑。2020年，我校在北京師范大學(xué)項(xiàng)華教授數(shù)字科學(xué)家項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的帶領(lǐng)下，開展了基于線上線下的小學(xué)科學(xué)數(shù)字科學(xué)家新生態(tài)項(xiàng)目，同時(shí)結(jié)合學(xué)校育人理念和智慧校園環(huán)境，構(gòu)建了基于智慧教學(xué)的科學(xué)課堂“三元三化六模塊”教學(xué)模式?！叭K”教學(xué)模式科學(xué)新生態(tài)智慧課堂“三元三化六模塊”教學(xué)模式是基于大數(shù)據(jù)時(shí)代背景，通過現(xiàn)代信息技術(shù)與教學(xué)的融合重建教學(xué)結(jié)構(gòu)，以“三元”為理念驅(qū)動(dòng)，以“三化”作為教學(xué)方式及環(huán)境支撐，加上“六模塊”教學(xué)手段的協(xié)作，最終促成目標(biāo)的達(dá)成，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)、雙主共生教學(xué)（圖1）。1.落實(shí)“三元”理念，成就核心素養(yǎng)“三元”理念含有探究、互動(dòng)、成長三元素。基于新課程改革的背景和2017年版小學(xué)科學(xué)課標(biāo)的要求，課堂中學(xué)生主動(dòng)參與探究、師生互動(dòng)成長，發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，是智慧教學(xué)的思想和目標(biāo)。“三元”的提出基于項(xiàng)目化學(xué)習(xí)和雙主共生的理念，課堂中要體現(xiàn)教師的主導(dǎo)作用和學(xué)生的主體地位，教師要對探究、互動(dòng)、成長的教學(xué)全過程進(jìn)行組織和監(jiān)控。整個(gè)課堂教學(xué)始終貫穿“三元”理念，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)造意識(shí)，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。2.踐行“三化”過程，助力雙主共生（1）探究教學(xué)項(xiàng)目化。科學(xué)新課標(biāo)提出，要基于大概念進(jìn)行教學(xué)，而構(gòu)建現(xiàn)代科學(xué)新生態(tài)智慧課堂，由主流教學(xué)范式中的傳遞接受走向項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是一種新趨勢?？茖W(xué)新生態(tài)智慧課堂需要學(xué)生在真實(shí)的情境下產(chǎn)生問題，并嘗試著將科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)等領(lǐng)域概念有機(jī)融合去解決問題。在這樣的探究過程中，學(xué)生自主學(xué)習(xí)、與同伴溝通、合作交流，構(gòu)建了基于真實(shí)情境的教學(xué)過程，從而不斷激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的好奇心，促進(jìn)學(xué)生實(shí)證意識(shí)及批判、創(chuàng)新等思維的提升，促進(jìn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)。（2）探究環(huán)境數(shù)字化。有效教學(xué)情境的創(chuàng)設(shè)和師生互動(dòng)的體現(xiàn)等離不開先進(jìn)的數(shù)字化環(huán)境，在現(xiàn)代科學(xué)新生態(tài)智慧課堂中，學(xué)校利用“互聯(lián)網(wǎng)+”、大數(shù)據(jù)等數(shù)字化技術(shù)創(chuàng)建科學(xué)系統(tǒng)的校本學(xué)習(xí)資源庫，打造智能化、智慧化的學(xué)習(xí)環(huán)境。在教學(xué)過程中，師生可以更加靈活自如、高效地交流互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)時(shí)時(shí)處處、動(dòng)態(tài)化的評(píng)價(jià)信息反饋，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)、個(gè)性化學(xué)習(xí)，從而構(gòu)建了理想的探究環(huán)境。（3）探究評(píng)價(jià)具象化。中共中央、國務(wù)院發(fā)布的《深化新時(shí)代教育評(píng)價(jià)改革總體方案》中指出，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展、評(píng)價(jià)方法更加多元是教育評(píng)價(jià)改革的目標(biāo)之一。我校在這一方案的指導(dǎo)下，構(gòu)建起學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)評(píng)價(jià)系統(tǒng)。首先，系統(tǒng)支持教師根據(jù)設(shè)置的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對學(xué)生在課堂教學(xué)中體現(xiàn)出的科學(xué)素養(yǎng)進(jìn)行精準(zhǔn)化評(píng)價(jià)。其次，學(xué)生、同伴、家長、社區(qū)工作人員借助Pad還可以隨時(shí)用圖文并茂的形式記錄學(xué)生成長的點(diǎn)點(diǎn)滴滴，展現(xiàn)學(xué)生科學(xué)課以及科技生活的多樣性。例如，可以記錄每位學(xué)生參加的我校一年一度的小科學(xué)家峰會(huì)暨科技節(jié)活動(dòng)，還可以記錄學(xué)生參加的各種科技社團(tuán)活動(dòng)。最后，系統(tǒng)還支持學(xué)生使用電子班牌完成線下掃章打卡，從而增強(qiáng)學(xué)生參與的主動(dòng)性。系統(tǒng)設(shè)置了星級(jí)評(píng)價(jià)、等級(jí)評(píng)價(jià)、獎(jiǎng)?wù)略u(píng)價(jià)等形式，多角度、多層面地對學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)，從而生成體現(xiàn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的自畫像。3.妙用“六模塊”，巧達(dá)新目標(biāo)“六模塊”是智慧課堂教學(xué)中的六個(gè)模塊。教學(xué)模塊是教學(xué)中特定的教學(xué)結(jié)構(gòu)，承擔(dān)著重要的作用，始終圍繞學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展為中心，有著具體的教學(xué)目標(biāo)方向。一節(jié)完整的課堂教學(xué)由多個(gè)教學(xué)模塊組成，“三元六化六模塊”教學(xué)模式共分為六個(gè)核心教學(xué)模塊。模塊一：學(xué)情診斷，數(shù)據(jù)分析。學(xué)生對于已學(xué)過的科學(xué)概念的認(rèn)識(shí)和理解情況怎樣？他們的最近發(fā)展區(qū)在哪里？以往的教師往往都是憑感覺猜測，而我們現(xiàn)在就可以利用智慧課堂軟件對學(xué)生已掌握的科學(xué)知識(shí)情況進(jìn)行調(diào)查，通過大數(shù)據(jù)分析快速找到全班學(xué)生知識(shí)的生長點(diǎn)進(jìn)行探究。在探究活動(dòng)完成后，科學(xué)知識(shí)是否都已經(jīng)掌握了、對哪些科學(xué)知識(shí)的理解存在著不足、每個(gè)學(xué)生哪些地方還需要教師單獨(dú)講解等，我們可以根據(jù)平臺(tái)提供的大數(shù)據(jù)對學(xué)生進(jìn)行有針對性的教學(xué)。例如，在教學(xué)教科版六年級(jí)下冊“在星空中（二）”時(shí)，課前可以利用智慧課堂軟件對學(xué)生的知識(shí)情況進(jìn)行前測：你能根據(jù)夜晚星空圖找到北斗七星和小熊星座嗎？你能根據(jù)夜晚星空圖找到北極星和大熊星座嗎？你還了解哪些星座呢？……通過平臺(tái)前測分析能夠很好地幫助教師了解學(xué)生對前一課星座知識(shí)的掌握情況，從而幫助教師基于學(xué)生情況進(jìn)行有針對性的教學(xué)。模塊二：創(chuàng)設(shè)情境，引發(fā)問題。傳統(tǒng)的科學(xué)教學(xué)主要以知識(shí)傳授為重點(diǎn)，忽略了真實(shí)情境的創(chuàng)設(shè)及讓學(xué)生在情境中發(fā)現(xiàn)問題。情境創(chuàng)設(shè)是學(xué)生有效、高效學(xué)習(xí)的前提條件?，F(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用為打造智能化的學(xué)習(xí)環(huán)境提供了條件，為有效情境的創(chuàng)設(shè)提供了“腳手架”。借助VR、虛擬實(shí)驗(yàn)室等先進(jìn)技術(shù)可以讓學(xué)生真實(shí)自然地面對一個(gè)情境，進(jìn)而身臨其境地體驗(yàn)、安全高效地開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)。例如，教學(xué)教科版六年級(jí)下冊“我們來造‘環(huán)形山’”時(shí)，教師先出示月亮由遠(yuǎn)及近的圖片，同時(shí)配樂朗誦關(guān)于月亮的詩句，激發(fā)學(xué)生對月球探究的興趣。再讓學(xué)生戴上VR眼鏡“登上月球”，讓學(xué)生能夠近距離地觀察體驗(yàn)月球表面的環(huán)形山，有利于學(xué)生總結(jié)出環(huán)形山的特點(diǎn)，極大地激發(fā)了學(xué)生對于月球表面“環(huán)形山”成因的探究。模塊三：分析問題，設(shè)計(jì)方案。智慧教學(xué)的最高境界就是讓學(xué)生自己去尋找是什么、為什么，讓學(xué)生自己去發(fā)現(xiàn)怎么辦，而設(shè)計(jì)方案、優(yōu)化方案就是學(xué)生解決問題的第一步?；谥腔壅n堂信息化平臺(tái)，學(xué)生利用思維工具和信息資源認(rèn)真分析自己提出的問題，并設(shè)計(jì)解決方案，通過平臺(tái)的共享和交流功能，進(jìn)一步優(yōu)化探究方案。模塊四：信息加工，自主探究。教師利用智慧課堂信息化平臺(tái)中的H5動(dòng)畫、虛擬實(shí)驗(yàn)室等個(gè)性化工具引導(dǎo)學(xué)生觀察猜想、自主學(xué)習(xí)和探究;學(xué)生利用智慧課堂信息化平臺(tái)自主收集整理各種與當(dāng)前探究問題相關(guān)的信息，主動(dòng)對信息進(jìn)行加工和分析。模塊五：得出結(jié)論，意義建構(gòu)。學(xué)生在經(jīng)歷了科學(xué)系統(tǒng)的、有層次的探究后，通過科學(xué)小團(tuán)隊(duì)的合作和交流互動(dòng)，再通過智慧課堂信息化平臺(tái)分享自己的探究成果和相關(guān)學(xué)習(xí)資源，得出探究問題的結(jié)論，促進(jìn)學(xué)生對于探究問題的科學(xué)概念的理解和認(rèn)識(shí)，提升學(xué)生的科學(xué)思維，促進(jìn)科學(xué)知識(shí)的意義建構(gòu)。模塊六：評(píng)價(jià)反思，拓展遷移。探究活動(dòng)完成后，教師要有效地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行總結(jié)、評(píng)價(jià)和反思，同時(shí)還可以借助智慧課堂信息化平臺(tái)，通過線上和線下相結(jié)合，幫助學(xué)生進(jìn)行反思評(píng)價(jià)，并進(jìn)行知識(shí)遷移和拓展提高。“三元三化六模塊”教學(xué)模式的特點(diǎn)1.觀察結(jié)果數(shù)字化借助傳感器等技術(shù)設(shè)備可以對科學(xué)探究過程中現(xiàn)象不明顯的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、跟蹤采集數(shù)據(jù)，再將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至學(xué)生Pad端形成折線圖或者柱狀圖等，實(shí)現(xiàn)探究過程數(shù)據(jù)化。例如，在教學(xué)教科版五年級(jí)下冊“一年為什么有四季”時(shí)，課本中通過模擬古人“立竿見影”的做法，利用地球儀上大頭針影長不同，推導(dǎo)出四季產(chǎn)生的原因，對于影長與溫度變化的關(guān)系推導(dǎo)過程思維跨度比較大，學(xué)生難以建立聯(lián)系。教師可以借助數(shù)顯溫度計(jì)進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)，測量地球儀某一地點(diǎn)二分二至（春分、秋分、夏至、冬至）正午時(shí)分的溫度差別。以安徽省某小學(xué)為例，打開光源，將數(shù)顯溫度計(jì)金屬頭與該地所在位置連接，在二分二至正午時(shí)分點(diǎn)停留時(shí)間均控制為20s，分別測量地軸傾斜和不傾斜時(shí)的溫度。再將采集到的數(shù)據(jù)無線傳輸至智慧課堂信息化平臺(tái)生成折線圖，通過定量實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能夠更加準(zhǔn)確地分析四季的成因與地軸傾斜的關(guān)系。2.微觀、瞬間、漫長運(yùn)動(dòng)可視化由于小學(xué)階段的學(xué)生處于形象直觀思維逐步向抽象邏輯思維過渡的階段，所以在小學(xué)科學(xué)學(xué)習(xí)中“眼見為實(shí)”成為學(xué)生觀察的重要證據(jù)。運(yùn)用智慧課堂平臺(tái)軟件可以將微觀的結(jié)構(gòu)、變化和抽象的事物呈現(xiàn)出來，讓科學(xué)教學(xué)和學(xué)生的思維過程可視化。如微觀的變化、瞬間的變化、漫長的變化等。例如，在教學(xué)教科版五年級(jí)下冊“金屬熱脹冷縮嗎”時(shí)，課本中借助一個(gè)銅球在常溫下剛好可以通過一個(gè)銅環(huán)來研究金屬的熱脹冷縮。先將銅球加熱觀察能否通過銅環(huán)，再將銅球放入冷水中觀察能否通過銅環(huán)。此實(shí)驗(yàn)操作對于小學(xué)生存在一定難度，學(xué)生難以將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與銅球微觀的改變抽象地聯(lián)系起來。我們借助手機(jī)顯微鏡將金屬絲在受熱、受冷后的體積變化放大，學(xué)生通過智慧課堂信息化平臺(tái)將各組觀察到的現(xiàn)象錄成短視頻進(jìn)行分享交流，金屬球體積的變化直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生眼前。在教學(xué)教科版四年級(jí)上冊“聲音的高與低”時(shí)，可以利用延時(shí)攝影技術(shù)，將直尺伸出桌面不同長度時(shí)的振動(dòng)情況放慢，便于學(xué)生觀察到尺子振動(dòng)快慢變化，總結(jié)出直尺發(fā)出聲音的高低與振動(dòng)快慢的關(guān)系。教學(xué)教科版六年級(jí)下冊“控制鐵生銹的速度”時(shí)，借助延時(shí)攝影技術(shù)將鐵在不同環(huán)境下一段時(shí)間內(nèi)生銹的情況拍攝下來，并通過播放軟件的加速功能將鐵銹變化的長期過程直觀地呈現(xiàn)給學(xué)生，幫助學(xué)生總結(jié)出影響鐵生銹的因素。3.實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀化傳統(tǒng)科學(xué)課堂中，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究結(jié)束后，往往采用語言描述或畫圖的方式展示自己的觀察結(jié)果。學(xué)生描述的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不夠準(zhǔn)確，其他學(xué)生難以在腦海中形成具體畫面。學(xué)生使用Pad將實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象進(jìn)行拍照或錄像，再通過智慧課堂信息化平臺(tái)實(shí)時(shí)分享，可以讓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更直觀地呈現(xiàn)，利于學(xué)生分析總結(jié)規(guī)律。例如，在教學(xué)教科版六年級(jí)下冊“月相變化”時(shí)，需要教師引導(dǎo)學(xué)生通過模擬實(shí)驗(yàn)來探究月相變化的規(guī)律。模擬實(shí)驗(yàn)前，教師先帶學(xué)生們明確月相變化是由于日、地、月三者的位置關(guān)系及運(yùn)動(dòng)情況造成的，同時(shí)還與月球本身不發(fā)光、不透明的特點(diǎn)有關(guān)。再設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)（圖2）：用黑白球模擬月球，白的一面模擬月球被太陽照亮的部分，在圓形呼啦圈上不同位置分別粘有8個(gè)一半涂黑一半涂白的黑白球（白的一面正對著太陽），表示月球一個(gè)月當(dāng)中運(yùn)行的不同位置，學(xué)生分別按逆時(shí)針順序觀察8個(gè)黑白球，并把黑白球的樣子拍攝下來分享至智慧課堂信息化平臺(tái)中，學(xué)生可以直觀地總結(jié)出月相