王勝明 張慧芳 張晨晨 彭翕成

華中師范大學(xué)教育大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室(430079) 華中師范大學(xué)國(guó)家數(shù)字化學(xué)習(xí)工程技術(shù)研究中心(430079)

1 引言

課程改革日益強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性，普及實(shí)驗(yàn)教學(xué)是推進(jìn)基礎(chǔ)教育改革和落實(shí)課程標(biāo)準(zhǔn)要求的重要保障，有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)在加強(qiáng)學(xué)生對(duì)科學(xué)認(rèn)知的同時(shí)，還可以提高其動(dòng)手、動(dòng)腦、合作與創(chuàng)新能力。但是隨著技術(shù)的變革和科學(xué)學(xué)科的發(fā)展，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)還存在很多問(wèn)題，如教學(xué)內(nèi)容和形式等缺乏創(chuàng)新、教學(xué)效率偏低、評(píng)價(jià)方式片面等問(wèn)題，導(dǎo)致學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提升不能得到真正落實(shí)。

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)將逐步進(jìn)入智能時(shí)代，未來(lái)公民將時(shí)刻處于人工智能系統(tǒng)與產(chǎn)品的環(huán)境中，必須掌握相關(guān)技能才能適應(yīng)居家、交流、娛樂(lè)、學(xué)習(xí)等方式的變化。與此同時(shí)，人工智能的發(fā)展將促使社會(huì)對(duì)數(shù)字技能人才的需求量劇增，相應(yīng)對(duì)中低端技能勞動(dòng)力的需求減少。為適應(yīng)未來(lái)智能社會(huì)對(duì)勞動(dòng)技能的新需求，培養(yǎng)適應(yīng)智能社會(huì)發(fā)展的合格公民和國(guó)家戰(zhàn)略重點(diǎn)的從業(yè)者，美國(guó)、英國(guó)、中國(guó)等多個(gè)國(guó)家紛紛出臺(tái)相關(guān)政策，提出在中小學(xué)開(kāi)展人工智能教育，重視數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、科學(xué)、數(shù)據(jù)科學(xué)等課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，增強(qiáng)學(xué)生的數(shù)據(jù)素養(yǎng)，并掌握人工智能環(huán)境下的核心生活技能和專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)。小學(xué)生是未來(lái)我國(guó)成為世界人工智能創(chuàng)新中心的生力軍，需要具備良好的“思維力”和“創(chuàng)造力”來(lái)適應(yīng)社會(huì)需要，推動(dòng)社會(huì)健康發(fā)展。

2 新時(shí)代科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展新趨勢(shì)

社會(huì)和技術(shù)的發(fā)展對(duì)科學(xué)學(xué)科的發(fā)展也產(chǎn)生了重要的影響，科學(xué)教育的目標(biāo)和科學(xué)素養(yǎng)的內(nèi)涵有了新的發(fā)展，世界各國(guó)紛紛提出將工程實(shí)踐融入科學(xué)教育中，提出在中小學(xué)普及工程與科技人才發(fā)展目標(biāo)。為解決科學(xué)與工程人才短缺的問(wèn)題，美國(guó)于2012年和2013年相繼發(fā)布《K-12科學(xué)教育框架》和《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》(NGSS)，將科學(xué)與工程教育重心下移——科學(xué)教育領(lǐng)域從“科學(xué)與技術(shù)”擴(kuò)展到“科學(xué)、技術(shù)與工程”，注重提升學(xué)生的工程素養(yǎng)。2017年，我國(guó)也發(fā)布了將“工程與技術(shù)”納入科學(xué)學(xué)科的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》，為學(xué)生認(rèn)識(shí)人工智能世界、參與動(dòng)手實(shí)踐、發(fā)展創(chuàng)新能力提供了學(xué)習(xí)平臺(tái)，為學(xué)生提供了新的教育機(jī)會(huì)。但是在一線(xiàn)教學(xué)中，很多教師普遍對(duì)于“融入工程實(shí)踐的科學(xué)教學(xué)”到底應(yīng)該怎么教存在困惑，尤其是小學(xué)階段的科學(xué)實(shí)驗(yàn)課，沒(méi)有成熟的指導(dǎo)建議或者報(bào)告進(jìn)行支持。美國(guó)2018年發(fā)布的《以調(diào)查和設(shè)計(jì)為中心的6-12年級(jí)科學(xué)與工程》只針對(duì)初中和高中階段提出了相關(guān)實(shí)踐策略和教學(xué)指導(dǎo)建議，而國(guó)內(nèi)關(guān)于工程實(shí)踐融入科學(xué)教育的研究和實(shí)踐剛剛起步。

通過(guò)對(duì)中美科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中“科學(xué)與工程實(shí)踐”的維度、構(gòu)成要素進(jìn)行分析，我們可以看出其與國(guó)際教育技術(shù)協(xié)會(huì)所提出的“計(jì)算思維”過(guò)程性定義有很大的一致性。計(jì)算思維是使用科學(xué)工具進(jìn)行抽象模擬以尋求問(wèn)題解決最優(yōu)化方案的系統(tǒng)過(guò)程，其所包含的抽象、建模、問(wèn)題分解等概念十分有助于培養(yǎng)學(xué)生的思考能力和問(wèn)題解決能力，很多學(xué)者提出應(yīng)將計(jì)算思維整合到科學(xué)教學(xué)中去。這與人工智能時(shí)代人才要求標(biāo)準(zhǔn)具有高度的一致性。人工智能時(shí)代對(duì)人的創(chuàng)造能力、邏輯思考能力和解決復(fù)雜問(wèn)題能力有較高要求，能夠發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并能綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)解決復(fù)雜問(wèn)題的創(chuàng)新型人才是人工智能時(shí)代所急需的。而小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)課程正是鍛煉學(xué)生實(shí)踐和創(chuàng)新能力的有效途徑，所以我們認(rèn)為在人工智能時(shí)代小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)整合計(jì)算思維的培養(yǎng)。

3 整合計(jì)算思維的小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新

計(jì)算思維起源于計(jì)算機(jī)學(xué)科，近年來(lái)一些計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的學(xué)者試圖將計(jì)算思維整合到科學(xué)教學(xué)中，但是由于缺乏科學(xué)教育的相關(guān)背景，很多人直接用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的術(shù)語(yǔ)來(lái)描述科學(xué)課程中的計(jì)算思維。真正的整合應(yīng)該充分考慮計(jì)算和科學(xué)之間的本質(zhì)聯(lián)系，再探求整合的關(guān)鍵點(diǎn)與路徑。目前國(guó)內(nèi)外有專(zhuān)家就整合計(jì)算思維的科學(xué)實(shí)踐進(jìn)行了研究，如Cary Sneider(NGSS的編者之一)列舉了模擬、數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)自動(dòng)收集與分析三項(xiàng)實(shí)踐。西北大學(xué)計(jì)算機(jī)系David Weintrop等人根據(jù)NGSS等文獻(xiàn)以及課堂觀(guān)察，提出了數(shù)據(jù)、建模與模擬、計(jì)算問(wèn)題解決和系統(tǒng)性思考四大實(shí)踐類(lèi)型。華東師范大學(xué)的周佳偉、王祖浩提出融合計(jì)算思維特征的科學(xué)實(shí)踐包括建模與模擬和數(shù)據(jù)收集與分析兩大類(lèi)。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，分析對(duì)比工程設(shè)計(jì)核心概念和計(jì)算思維核心要素，并參考《以調(diào)查和設(shè)計(jì)為中心的6—12年級(jí)科學(xué)與工程》中的相關(guān)實(shí)踐策略，結(jié)合小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)特點(diǎn)和當(dāng)前人工智能教育重點(diǎn)，認(rèn)為應(yīng)該在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中著重培養(yǎng)學(xué)生的抽象、模擬、批判等思維，并培養(yǎng)學(xué)生建模、設(shè)計(jì)、模擬、數(shù)據(jù)收集與分析等實(shí)踐能力，并從課程資源、課程設(shè)計(jì)和課程評(píng)價(jià)等方面探討整合計(jì)算思維的小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

3.1 課程資源

現(xiàn)在的學(xué)生有“數(shù)字原生代”之稱(chēng)，他們?cè)谏钪幸呀?jīng)并將持續(xù)應(yīng)用各種信息技術(shù)和智能技術(shù)。在進(jìn)行課程資源開(kāi)發(fā)時(shí)，建議教師能夠借鑒或創(chuàng)建體現(xiàn)工程設(shè)計(jì)思路和計(jì)算思維實(shí)踐的數(shù)字資源，一方面可以克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源安全性低、效率低、可重用性低等約束，另一方面也可更好將計(jì)算思維實(shí)踐融入到科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中去。由于整合計(jì)算思維的科學(xué)課程的開(kāi)發(fā)理念較新、技術(shù)門(mén)檻也較高，建議教師們采用“外部引入+本土化升級(jí)”的方式進(jìn)行。以往的科學(xué)實(shí)驗(yàn)課程中的實(shí)物模型、實(shí)驗(yàn)器材等可以往計(jì)算思維實(shí)踐的方向進(jìn)行升級(jí)，如掌上實(shí)驗(yàn)室、科學(xué)模擬探究軟件等已經(jīng)在科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有大量的嘗試。在教學(xué)過(guò)程中，教師可以設(shè)計(jì)基于計(jì)算思維實(shí)踐的教學(xué)活動(dòng)，進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)與升級(jí)。目前國(guó)際上有一些科研機(jī)構(gòu)和高校也在進(jìn)行相關(guān)實(shí)踐，如美國(guó)麻省理工學(xué)院的Project GUTS項(xiàng)目、西北大學(xué)的CT-STEM項(xiàng)目和新墨西哥州立大學(xué)的GK-12 DISSECT項(xiàng)目等，由高校的課程研究人員發(fā)起，并召集當(dāng)?shù)氐目茖W(xué)教師成立工作坊，一起開(kāi)發(fā)相關(guān)課程資源。教師們可以借鑒此類(lèi)教學(xué)資源，并模仿、吸收和學(xué)習(xí)此類(lèi)課程教學(xué)與設(shè)計(jì)的方法，結(jié)合自身實(shí)際進(jìn)行改進(jìn)。

3.2 課程設(shè)計(jì)

基于將科學(xué)教學(xué)內(nèi)容與計(jì)算思維實(shí)踐進(jìn)行有效整合的總體理念，教師可以從以下兩個(gè)維度來(lái)進(jìn)行課程設(shè)計(jì)。一是從計(jì)算思維實(shí)踐出發(fā)來(lái)選擇可以體現(xiàn)建模、設(shè)計(jì)、模擬、數(shù)據(jù)收集與分析等實(shí)踐能力的科學(xué)內(nèi)容進(jìn)行設(shè)計(jì)，如選擇課程中關(guān)于氣候、氣象、地質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)等涵蓋學(xué)生模擬、建模等實(shí)踐的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容來(lái)培養(yǎng)學(xué)生相關(guān)實(shí)踐能力。二是借助計(jì)算思維實(shí)踐來(lái)解決科學(xué)領(lǐng)域中的問(wèn)題，教師呈現(xiàn)一個(gè)具體的生活實(shí)例或者生活問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)抽象、建模、數(shù)據(jù)分析等相關(guān)實(shí)踐從而解決相關(guān)問(wèn)題。同時(shí)，在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)時(shí)，從學(xué)生的學(xué)習(xí)認(rèn)知規(guī)律出發(fā)來(lái)設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，處理好計(jì)算思維內(nèi)容與科學(xué)內(nèi)容之間的編排次序和呈現(xiàn)形式。此外，在實(shí)施教學(xué)時(shí)候，可以借鑒涵蓋工程設(shè)計(jì)和科學(xué)探究的經(jīng)典“科學(xué)-工程”教學(xué)方法。如通過(guò)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)(LBD教學(xué)法)、基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)(DBL教學(xué)法)和基于設(shè)計(jì)的科學(xué)(DBS)。

3.3 課程評(píng)價(jià)

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)過(guò)程性評(píng)價(jià)重視不夠，很多教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行課程終結(jié)性評(píng)價(jià)時(shí)，往往會(huì)選擇紙筆測(cè)試，而忽視學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的表現(xiàn)(動(dòng)手、觀(guān)察、設(shè)計(jì)、合作等能力)，只把理論知識(shí)水平作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，是存在局限性的?？茖W(xué)實(shí)驗(yàn)課程倡導(dǎo)學(xué)生親身經(jīng)歷探究為主的學(xué)習(xí)活動(dòng)，同時(shí)，整合計(jì)算思維的科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)應(yīng)該兼顧科學(xué)與計(jì)算，比較理想的方式是讓學(xué)生通過(guò)計(jì)算工具進(jìn)行科學(xué)創(chuàng)作，對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的行為和作品進(jìn)行評(píng)價(jià)。這些作品可以是學(xué)生對(duì)自然現(xiàn)象進(jìn)行模擬所制作的科學(xué)模型，也可以是對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和分析之后得到的某個(gè)科學(xué)發(fā)現(xiàn)。這些待評(píng)價(jià)行為和作品既能展示學(xué)生對(duì)科學(xué)內(nèi)容和本質(zhì)的理解，又能體現(xiàn)學(xué)生的計(jì)算思維實(shí)踐能力。此外，由于一般作品創(chuàng)作都會(huì)經(jīng)歷“設(shè)計(jì)—?jiǎng)?chuàng)造—應(yīng)用—修改—再創(chuàng)造”的過(guò)程，對(duì)學(xué)生進(jìn)行評(píng)價(jià)的時(shí)候應(yīng)該基于不同的階段進(jìn)行必要的評(píng)價(jià)和反饋，即重視過(guò)程性評(píng)價(jià)。