淺談將“人工智能”引入初中生科學素養的培養過程

　　摘 要：文章以人工智能時代下初中生科學素養的培養過程為研究主題，通過分析初中生科學素養培養的主要內容，以及將人工智能引入初中生科學思維培養與科學能力培養的重要環節的過程，分析人工智能在初中物理的課程設計、教學以及物理科學探究中的應用，對于初中生科學素養培養具有積極地指導意義.

　　王春鋒， 物理通報 發表時間：2021-08-05

　　關鍵詞：人工智能 科學素養 培養

　　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人才培養的模式.當前，“人工智能 + 教育”的發展成為教育現代化的重要趨勢，在此趨 勢下，智能工具對教育的支持轉變了教師的角色，也改變了 對 初 中 生 培 養 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在內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和應用領域.

　　目前，人工智能已經廣泛應用在醫學、工程、交通、教育等多個領域，利用人工智能及其相應理論進行工作的人也不斷增多，諸如工業機器人、移動電子眼等應用已經隨處可見.在未來，人工智能將實現對人的思維、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 科學素養

　　科 學 素 養 對 于 教 師 而 言 不 僅 僅 涵 蓋 其 科 學 知識、技能以及其對待事物的科學態度和科學、理性的工作方式，更是其科學情感和價值觀的重要體現.良好的科學素養表現在其擁有對科學持續的學習興趣、探究能力、創新意識、科學思維及社會責任感，擁有用科學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，科學素養主要的內容包括對事物認知的科學思維以及對科學探究和發現具有飽滿的情感和價值觀.

　　2 將人工智能引入初中生科學素養培養過程的必要性

　　2.1 中學物理教學內容中涉及人工智能知識

　　機器時代的到來使得教育界對學生在社會上競爭力的多寡產生了一定的討論，在首屆中國智能教育大會上，中國人工智能學會理事長李德毅認為當前我國教育系統中人工智能通識教育嚴重不足，普遍存在腦科學和認知心理學的教育不足，上層教育中智能教育的構架無序等問題，因而必須要從中學時代開始普及人工智能教育.之后，伴隨著我國《新一代人工智能發展規劃》的明確規定，人工智能 正式走入中學物理課堂.比如目前中學物理課堂中利用SenseStudy實驗平臺構建人工智能實驗室并且布局物理教育云和大數據，教師需要詳細了解并掌握人工智能的相關概念，熟悉基礎的機器語言和編程等跨學科與專業內容，并在教學過程中加以應用[3].

　　此外，基于 AI引擎的實驗教學系統促使STEM教育 在 中 學 物 理 課 堂 中 得 以 應 用，STEM 是 科 學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)、數學 (Mathematics)的 縮 寫，后 來 還 加 入 了 藝 術(Art)，稱為 STEAM，作為信息化時代下的物理教育，人工智能使得中學生實現了跨領域和跨學科的智能化學習，包括使用平板電腦進行遠程學習，利用APP進行在線答疑輔導，因而在初中生科學素養的培育過程中必須要重視人工智能[4].

　　2.2 中學物理教學信息化要求物理教師掌握人工智能知識

　　信 息 化 教 學 得 益 于 現 代 互 聯 網 科 技 的 快 速 發展，并且在中小學校內諸多學科的實際教學過程中多有應用，且收效顯著.信息化教學可以有效地提升教學效率、節省教學成本、增進教與學的互動、增加學生接受知識的能力，也正因如此，中學物理教學信息化程度得以不斷加深.從教學資源和教學方式來看，目前中學物理教學手段實現了信息化，互聯網實驗平臺和信息教案、基于 Web網絡的遠程授課和電子學堂開始改變傳統的物理課題;從教學內容和價值觀來看，當前中學物理教學偏重信息化 + 物理的教學體系，利 用 Flash動畫和人工智能實驗平臺豐富學生的物理感受，刺激其學習熱情、開拓其學習空間、培養其突破性的創新精神成為目前物理信息化教學的重要目的.比如在學習“牛頓第一定律”這一課時，傳統的教學過程以教師的板書授課展開，教學資源局限于課本和相關參考資料，學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生形成科學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實驗平臺，不僅拓展了基礎概念和案例的類型，豐富了學生的眼界，使得概念更加立體化的展開，學生經由多媒體系統學習實踐，能夠更好地理解牛頓第一定律描述的是一種理想化狀態，繼而形成對客觀物理世界的科學認知.而實現物理教學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備及人工智能設備，還要具有將傳統物理學知識與新的教學媒介進行結合的能力與意識，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素養培養過程的研究

　　3.1 在課程設計中應用

　　課程設計是教者教學能力的體現，也是其科學的物理思想和教學思想在教學環節中的應用.教者在進行課程設計的過程中需要根據既有的物理教學理論和系統方法，以特定的教學目標為指導進行設計.在這一過程中將體現教者的科學思維和對物理學科的科學情感與態度.隨著人工智能在中學物理課程中的普及，人工智能深入到中學物理的課程設計中具有一定的實際價值[5].

　　課程設計環節融入人工智能要從教學資源、教學目標的智能化中進行.比如將機器人學習引入課程設計，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生為主要目標，幫助實現教育體系與方式的革新，目前也已取得了較好的發展，形成了機器人學科教學、機器人輔助教學、機器人輔助測試、機器人代理師生事務等應用情境.在當今初中生的科學素養培育過程中，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，給學生講授物理的科學思維形成過程就是在現實生活中對其進行理解，進而形成科學的思維與想法.通過這一過程使學生了解科學思維的重要類型.通過這種教育方式，學生們在學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，于是當演示結束之后，學生們便明確了其所學習的相關物理概念可以在生活中找到.

　　3.2 在課程教學中使用

　　在針對初中生科學素養的培養過程中，課程教學是重要的環節，在這一過程中利用人工智能可提高教學效率，將學生的科學思維與科學能力更好地結合.比如在課程教學過程中使用人工神經網絡，改善物理知識的教學結構.我們知道，人工神經網絡是對大腦神經功能的一種模擬，其目的在于實現大腦的部分或全部功能，例如，目前已經實現的模擬大腦的運算、邏輯、模式識別、故障診斷等過程.其基于指導式學習算法和非指導式學習算法構建，能夠模擬大多數的自然信息或非自然信息的應對方法.正是由于其這一特性，使得應用在梳理課程教學思路，形成創新點具有重要價值.比如基于人工神經網絡強化對初中生的物理學科素質測評系統，傳統的測評與管理系統缺乏針對性，學生在課程結束后是否形成了特定的科學素養都沒能更好地得以評測.基于人工神經網絡構建的物理課堂教學質量測評系統實現了人化的工作方式，對學生的調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，能夠很好提升學校對學生物理科學素養的培養.

　　4 總結

　　我們處在一個飛速變化的時代，互聯網應用的快速發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，本文研究的主要內容 ——— 人工智能在教育中的應用，就是這樣一個互聯網快速發展之下才產生的現實問題，人工智能系統在當今社會的應用 不 斷 普 及，應 用 規 模 變 大，應 用 領 域 增加，其對現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代化發展的腳步.本文以人工智能結合中學生科學素養的培養為主題，研究了人工智能的主要應用如人工神經網絡等在中學生科學素養培養過程中的應用，對于提高中學生的思維科學性和行為與價值觀的科學性，繼而形成全面的科學素養具有重要意義.