朱思楠

【摘 要】智慧教育作為當今中小學(xué)信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合的產(chǎn)物，正在快速進入中國校園，而其重要實現(xiàn)形式——人工智能技術(shù)也是驅(qū)動教育方式轉(zhuǎn)型的必然結(jié)果。學(xué)生能否建立微粒觀，發(fā)展學(xué)生的宏觀辨識與微觀探析等核心素養(yǎng)，是科學(xué)教師的重要挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)教學(xué)中，圖文結(jié)合的方式很難激發(fā)學(xué)生的空間想象力，筆者在智慧教育研究過程中，深入融合跨學(xué)科、跨領(lǐng)域合作研究方面的探索，利用晶體可視化動態(tài)模型設(shè)計軟件VESTA解決中小學(xué)教育教學(xué)過程中學(xué)生微粒觀建立困難問題。

【關(guān)鍵詞】STEAM課程 模型建構(gòu) 人工智能技術(shù)實踐

2018年4月，教育部發(fā)布了《教育信息化2.0行動計劃》后，基于新興技術(shù)（人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等），依托各類智能設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)的智慧教育創(chuàng)新研究如雨后春筍般積極開展。智慧課堂作為優(yōu)質(zhì)媒介將人工智能概念帶入中小學(xué)課堂，借助人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)快速推進智慧教育生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建。新時代教師的教育教學(xué)也應(yīng)將多領(lǐng)域、多學(xué)科、多知識結(jié)合起來，借助人工智能資源優(yōu)勢，給予學(xué)生更多的思考空間，讓其利用現(xiàn)有的生活經(jīng)驗解決實際生活中的問題，從而獲得更多的知識與技能。

一、智慧教育理念賦能：尋找學(xué)生學(xué)習(xí)過程中的“疑惑點”

在實際教學(xué)中，“物質(zhì)構(gòu)成的奧秘”這一主題一直是教學(xué)的難點，學(xué)生難以理解。微觀粒子是一種無形的存在，學(xué)生需要依靠想象能力去理解。因此，物質(zhì)微粒觀的構(gòu)建至關(guān)重要，有助于學(xué)生宏觀辨識與微觀探析等核心素養(yǎng)的發(fā)展。學(xué)生掌握跨學(xué)科融合制作微觀粒子模型的基本方法，就能獨立運用模型構(gòu)建的方法理解微觀粒子的真實形態(tài)、基本構(gòu)型、形態(tài)變化等知識，從而實現(xiàn)對微粒觀核心素養(yǎng)的培育。

微粒觀本身是一種觀念，而微觀世界又是看不見、摸不著的，由于其沒有貼近現(xiàn)實生活，若沒有輔助手段學(xué)生很難在自己的腦海中建立起微觀粒子的直觀形象，學(xué)生好不容易培養(yǎng)的興趣很可能因主題枯燥、抽象而消失殆盡。教師可以借助先進的多媒體技術(shù)搭建模型，幫助學(xué)生獲得更加直觀的認識，從而培養(yǎng)學(xué)生的微粒觀。如何用微粒的觀念引領(lǐng)學(xué)生從五彩繽紛的宏觀世界步入神奇莫測的微觀世界，是筆者一直思考的問題。

最終，筆者把“神秘武器”定在“理想模型”這一科學(xué)方法上，即通過掌握科學(xué)知識、藝術(shù)性設(shè)計與制作、科學(xué)實驗探究課程的三個部分內(nèi)容實施來達成。結(jié)合當今學(xué)科融合的指導(dǎo)性觀點，我們構(gòu)建了將科學(xué)、數(shù)學(xué)、美術(shù)、信息技術(shù)、語文、英語等多學(xué)科有機結(jié)合，通過使用黏土設(shè)計制作常見物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的課程?；谝陨媳尘芭c問題，我們計劃以STEAM理念為基礎(chǔ)開展系列跨學(xué)科融合課程，以微觀粒子知識為切入點，促進學(xué)生思維的發(fā)展和學(xué)習(xí)能力的提升。學(xué)生通過自制的理想模型，加深對知識的理解，實現(xiàn)“宏觀、微觀、符號”的統(tǒng)一。

二、智慧教育知識賦能：開發(fā)教師教學(xué)的“創(chuàng)新點”

智慧教育系統(tǒng)中包含了智慧學(xué)習(xí)環(huán)境、新型教學(xué)模式和現(xiàn)代教育制度三重境界。這項研究正是扎根于智慧學(xué)習(xí)環(huán)境，運用VESTA（Visualization for Electronic and Structural Analysis）軟件豐富的三維展示性能，發(fā)掘新型教學(xué)模式。劉金華教授在《VESTA 軟件在典型晶體結(jié)構(gòu)教學(xué)中的應(yīng)用》文章中指出學(xué)生對于微粒的認知難以深入，主要是因為缺乏足夠的空間想象能力。VESTA的使用就像是在顯示終端上建立了一間3D虛擬仿真實驗室，在教學(xué)中可以彌補學(xué)生空間想象力的不足，提高學(xué)生的抽象思維能力。利用模型化教學(xué)，構(gòu)建實物化科學(xué)課堂的研究探索有益于學(xué)生空間想象能力提升。

本課程以小學(xué)科學(xué)課的“物質(zhì)成分”部分為目標，充分發(fā)揮信息技術(shù)在課程教學(xué)中的幫助作用，結(jié)合信息技術(shù)手段將一套基于探究的增強現(xiàn)實學(xué)習(xí)工具的設(shè)計和開發(fā)引入課堂學(xué)習(xí)。教師引導(dǎo)學(xué)生通過運用晶體可視化動態(tài)模型設(shè)計軟件VESTA，并將VESTA軟件與實物模型探究相結(jié)合。整個過程，學(xué)生自主查詢、設(shè)計、制作三維微粒模型，進行一系列基于探究的觀察學(xué)習(xí)。

三、智慧教學(xué)工具賦能：跨學(xué)科融合點亮學(xué)生“能力點”

微粒觀是小學(xué)階段的學(xué)習(xí)重點與難點。微粒觀主要包括幾個方面的內(nèi)容：第一，物質(zhì)是由微粒結(jié)合而成，人類無法通過肉眼直接觀察它們；第二，微粒與微粒之間間隙有大有小，各有不同，這有效地決定了它們的性質(zhì)；第三，微粒與微粒之間存在的化學(xué)鍵造成它們的相互作用。有智慧教育背景下的VESTA軟件的技術(shù)支持，微粒觀的概念會成為學(xué)生未來學(xué)習(xí)物理、化學(xué)專業(yè)知識的重要助力。微粒觀的運用對人的空間想象能力也會起到一定的幫助作用。

本課程充分體現(xiàn)STEAM理念，作為集科學(xué)、技術(shù)、工程、藝術(shù)、數(shù)學(xué)多學(xué)科融合的綜合教育，STEAM一直在教育教學(xué)實踐工作中大放異彩?；趯W(xué)生的認知發(fā)展規(guī)律，我們在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中融合語文、美術(shù)、數(shù)學(xué)等學(xué)科，將抽象內(nèi)容具體化，隱性內(nèi)容顯性化。學(xué)生通過實際動手操作感悟物質(zhì)的微粒分子、原子的結(jié)構(gòu)特點、微觀本質(zhì)和成鍵規(guī)律。教師通過引導(dǎo)學(xué)生動手自制物質(zhì)微粒模型、動腦思考物質(zhì)結(jié)構(gòu)空間效果、自主探究VESTA軟件使用方法，有效激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；通過模型模擬將二維、三維進行高效轉(zhuǎn)化，幫助學(xué)生理解每種存在物質(zhì)的空間構(gòu)型，實現(xiàn)物質(zhì)與球棍模型雙重表征的有效關(guān)聯(lián)。

四、智慧評價機制賦能：增添學(xué)生學(xué)習(xí)中的“閃光點”

此外，在智慧課堂教學(xué)的過程中，本課程基于深化新時代教育評價改革總體方案發(fā)展綱要指導(dǎo)所形成的體現(xiàn)過程評價、綜合能力評價、成長檔案袋為主體的全面評價檔案，致力于從重德、重發(fā)展的評價機制出發(fā)，有效地幫助學(xué)生將人工智能與學(xué)習(xí)知識進行有機結(jié)合，實現(xiàn)學(xué)生全面發(fā)展，達成更加科學(xué)的育人目標。為此，我們利用人工智能技術(shù)對學(xué)生在課堂中的表現(xiàn)進行詳細的記錄。課程結(jié)束后，教師可以通過整理、分析智慧課堂教學(xué)中學(xué)生的課堂表現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄，了解學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，為學(xué)生制訂個性化的學(xué)習(xí)方案，給學(xué)生提供不同的學(xué)習(xí)方法、學(xué)習(xí)策略的指導(dǎo)，做到因材施教、個性化指導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，加速提升智慧課堂教學(xué)的質(zhì)量和水平。將人工智能技術(shù)應(yīng)用于課堂教學(xué)中，為學(xué)校的智慧教育和學(xué)生的個性化評價提供了良好的技術(shù)支持。

小學(xué)科學(xué)作為化學(xué)、物理、生物、地理等學(xué)科的“地基”，具有融合的特點。而科學(xué)中的化學(xué)學(xué)科知識特點與思維方式就是宏觀與微觀的相互聯(lián)系。學(xué)生無法通過肉眼觀察微觀粒子，無法與宏觀世界進行有機的聯(lián)系，故本課程以人工智能先進技術(shù)為媒介，通過構(gòu)建模型等直觀手段幫助學(xué)生在宏觀世界和微觀世界之間搭建橋梁。

本課程以智慧教育為有效抓手，借鑒建構(gòu)主義學(xué)習(xí)觀，依托VESTA 軟件的技術(shù)支持讓學(xué)生體會學(xué)習(xí)不是簡單的知識傳遞，而是自己建構(gòu)知識框架體系的過程。學(xué)生是課堂的主人，自主研究搭建、展示、拆分球棍模型，小組合作理解物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)特點。學(xué)生從微觀粒子水平方面認識物質(zhì)構(gòu)成的規(guī)律，以微粒的本質(zhì)結(jié)構(gòu)為線索，思維從宏觀物質(zhì)過渡到微觀層面，為今后的知識學(xué)習(xí)打下更加堅實的基礎(chǔ)。

【參考文獻】

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