建AI科学智慧课堂 创现代教学新生态

胡兴勇 欧霞 王进生

【摘 要】大数据和人工智能等信息技术促进了教育的变革，课堂上需要教师转变教与学的方式、重塑师生的关系和重新建构教学的结构、探索新的教学模式。在合肥市师范附属小学办学理念、育人目标以及北京师范大学项华教授团队的数字科学家理论的指导下，笔者探索出了基于智慧课堂的“三元三化六模块”科学教学模式，从而构建出教师主导和学生主体共长互生的双主共生教学体系，打造智能化、数字化、个性化的现代科学新生态智慧课堂。

【关键词】智慧课堂;科学;新生态;教学模式

【中图分类号】G434  【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2022）02、03-127-04

人工智能、大数据等新技术的出现推动了教育由传统的讲授为主向信息化、智能化的转变，促进了教育的改革。2018年，智慧教育首次出现在国家规划文件《教育信息化2.0行動计划》中，并被纳入教育信息化的“八大行动”之一。智慧教育的基本核心之一是智慧教学，智慧教育的开展实施离不开智慧教学，而智慧课堂的构建是实现智慧教学的基本途径。

2020年，我校在北京师范大学项华教授数字科学家项目团队的带领下，开展了基于线上线下的小学科学数字科学家新生态项目，同时结合学校育人理念和智慧校园环境，构建了基于智慧教学的科学课堂“三元三化六模块”教学模式。

“三元三化六模块”教学模式

科学新生态智慧课堂“三元三化六模块”教学模式是基于大数据时代背景，通过现代信息技术与教学的融合重建教学结构，以“三元”为理念驱动，以“三化”作为教学方式及环境支撑，加上“六模块”教学手段的协作，最终促成目标的达成，实现项目化学习、双主共生教学（图1）。

1.落实“三元”理念，成就核心素养

“三元”理念含有探究、互动、成长三元素。基于新课程改革的背景和2017年版小学科学课标的要求，课堂中学生主动参与探究、师生互动成长，发展学生的核心素养，是智慧教学的思想和目标。“三元”的提出基于项目化学习和双主共生的理念，课堂中要体现教师的主导作用和学生的主体地位，教师要对探究、互动、成长的教学全过程进行组织和监控。整个课堂教学始终贯穿“三元”理念，培养学生的创新创造意识，提升学生的科学素养。

2.践行“三化”过程，助力双主共生

（1）探究教学项目化。科学新课标提出，要基于大概念进行教学，而构建现代科学新生态智慧课堂，由主流教学范式中的传递接受走向项目式学习是一种新趋势。科学新生态智慧课堂需要学生在真实的情境下产生问题，并尝试着将科学、技术、数学等领域概念有机融合去解决问题。在这样的探究过程中，学生自主学习、与同伴沟通、合作交流，构建了基于真实情境的教学过程，从而不断激发学生学习科学的好奇心，促进学生实证意识及批判、创新等思维的提升，促进学生的自主学习和终身学习。

（2）探究环境数字化。有效教学情境的创设和师生互动的体现等离不开先进的数字化环境，在现代科学新生态智慧课堂中，学校利用“互联网+”、大数据等数字化技术创建科学系统的校本学习资源库，打造智能化、智慧化的学习环境。在教学过程中，师生可以更加灵活自如、高效地交流互动，实现时时处处、动态化的评价信息反馈，帮助学生实现自主学习、个性化学习，从而构建了理想的探究环境。

（3）探究评价具象化。中共中央、国务院发布的《深化新时代教育评价改革总体方案》中指出，促进学生全面发展、评价方法更加多元是教育评价改革的目标之一。我校在这一方案的指导下，构建起学生科学素养评价系统。首先，系统支持教师根据设置的评价标准对学生在课堂教学中体现出的科学素养进行精准化评价。其次，学生、同伴、家长、社区工作人员借助Pad还可以随时用图文并茂的形式记录学生成长的点点滴滴，展现学生科学课以及科技生活的多样性。例如，可以记录每位学生参加的我校一年一度的小科学家峰会暨科技节活动，还可以记录学生参加的各种科技社团活动。最后，系统还支持学生使用电子班牌完成线下扫章打卡，从而增强学生参与的主动性。系统设置了星级评价、等级评价、奖章评价等形式，多角度、多层面地对学生进行评价，从而生成体现学生科学素养的自画像。

3.妙用“六模块”，巧达新目标

“六模块”是智慧课堂教学中的六个模块。教学模块是教学中特定的教学结构，承担着重要的作用，始终围绕学生核心素养的发展为中心，有着具体的教学目标方向。一节完整的课堂教学由多个教学模块组成，“三元六化六模块”教学模式共分为六个核心教学模块。

模块一：学情诊断，数据分析。学生对于已学过的科学概念的认识和理解情况怎样？他们的最近发展区在哪里？以往的教师往往都是凭感觉猜测，而我们现在就可以利用智慧课堂软件对学生已掌握的科学知识情况进行调查，通过大数据分析快速找到全班学生知识的生长点进行探究。在探究活动完成后，科学知识是否都已经掌握了、对哪些科学知识的理解存在着不足、每个学生哪些地方还需要教师单独讲解等，我们可以根据平台提供的大数据对学生进行有针对性的教学。例如，在教学教科版六年级下册“在星空中（二）”时，课前可以利用智慧课堂软件对学生的知识情况进行前测：你能根据夜晚星空图找到北斗七星和小熊星座吗？你能根据夜晚星空图找到北极星和大熊星座吗？你还了解哪些星座呢？……通过平台前测分析能够很好地帮助教师了解学生对前一课星座知识的掌握情况，从而帮助教师基于学生情况进行有针对性的教学。

模块二：创设情境，引发问题。传统的科学教学主要以知识传授为重点，忽略了真实情境的创设及让学生在情境中发现问题。情境创设是学生有效、高效学习的前提条件。现代信息技术的发展和广泛应用为打造智能化的学习环境提供了条件，为有效情境的创设提供了“脚手架”。借助VR、虚拟实验室等先进技术可以让学生真实自然地面对一个情境，进而身临其境地体验、安全高效地开展科学实验。例如，教学教科版六年级下册“我们来造‘环形山’”时，教师先出示月亮由远及近的图片，同时配乐朗诵关于月亮的诗句，激发学生对月球探究的兴趣。再让学生戴上VR眼镜“登上月球”，让学生能够近距离地观察体验月球表面的环形山，有利于学生总结出环形山的特点，极大地激发了学生对于月球表面“环形山”成因的探究。

模块三：分析问题，设计方案。智慧教学的最高境界就是让学生自己去寻找是什么、为什么，让学生自己去发现怎么办，而设计方案、优化方案就是学生解决问题的第一步。基于智慧课堂信息化平台，学生利用思维工具和信息资源认真分析自己提出的问题，并设计解决方案，通过平台的共享和交流功能，进一步优化探究方案。

模块四：信息加工，自主探究。教师利用智慧课堂信息化平台中的H5动画、虚拟实验室等个性化工具引导学生观察猜想、自主学习和探究;学生利用智慧课堂信息化平台自主收集整理各种与当前探究问题相关的信息，主动对信息进行加工和分析。

模块五：得出结论，意义建构。学生在经历了科学系统的、有层次的探究后，通过科学小团队的合作和交流互动，再通过智慧课堂信息化平台分享自己的探究成果和相关学习资源，得出探究问题的结论，促进学生对于探究问题的科学概念的理解和认识，提升学生的科学思维，促进科学知识的意义建构。

模块六：评价反思，拓展迁移。探究活动完成后，教师要有效地引导学生进行总结、评价和反思，同时还可以借助智慧课堂信息化平台，通过线上和线下相结合，帮助学生进行反思评价，并进行知识迁移和拓展提高。

“三元三化六模块”教学模式的特点

1.观察结果数字化

借助传感器等技术设备可以对科学探究过程中现象不明显的实验进行实时监测、跟踪采集数据，再将采集到的数据传输至学生Pad端形成折线图或者柱状图等，实现探究过程数据化。

例如，在教学教科版五年级下册“一年为什么有四季”时，课本中通过模拟古人“立竿见影”的做法，利用地球仪上大头针影长不同，推导出四季产生的原因，对于影长与温度变化的关系推导过程思维跨度比较大，学生难以建立联系。教师可以借助数显温度计进行定量实验，测量地球仪某一地点二分二至（春分、秋分、夏至、冬至）正午时分的温度差别。以安徽省某小学为例，打开光源，将数显温度计金属头与该地所在位置连接，在二分二至正午时分点停留时间均控制为20s，分别测量地轴倾斜和不倾斜时的温度。再将采集到的数据无线传输至智慧课堂信息化平台生成折线图，通过定量实验，使学生能够更加准确地分析四季的成因与地轴倾斜的关系。

2.微观、瞬间、漫长运动可视化

由于小学阶段的学生处于形象直观思维逐步向抽象逻辑思维过渡的阶段，所以在小学科学学习中“眼见为实”成为学生观察的重要证据。运用智慧课堂平台软件可以将微观的结构、变化和抽象的事物呈现出来，让科学教学和学生的思维过程可视化。如微观的变化、瞬间的变化、漫长的变化等。

例如，在教学教科版五年级下册“金属热胀冷缩吗”时，课本中借助一个铜球在常温下刚好可以通过一个铜环来研究金属的热胀冷缩。先将铜球加热观察能否通过铜环，再将铜球放入冷水中观察能否通过铜环。此实验操作对于小学生存在一定难度，学生难以将实验现象与铜球微观的改变抽象地联系起来。我们借助手机显微镜将金属丝在受热、受冷后的体积变化放大，学生通过智慧课堂信息化平台将各组观察到的现象录成短视频进行分享交流，金属球体积的变化直观地呈现在学生眼前。在教学教科版四年级上册“声音的高与低”时，可以利用延时摄影技术，将直尺伸出桌面不同长度时的振动情况放慢，便于学生观察到尺子振动快慢变化，总结出直尺发出声音的高低与振动快慢的关系。教学教科版六年级下册“控制铁生锈的速度”时，借助延时摄影技术将铁在不同环境下一段时间内生锈的情况拍摄下来，并通过播放软件的加速功能将铁锈变化的长期过程直观地呈现给学生，帮助学生总结出影响铁生锈的因素。

3.实验现象直观化

传统科学课堂中，学生在实验探究结束后，往往采用语言描述或画图的方式展示自己的观察结果。学生描述的实验现象不够准确，其他学生难以在脑海中形成具体画面。学生使用Pad将实验中观察到的现象进行拍照或录像，再通过智慧课堂信息化平台实时分享，可以让实验现象更直观地呈现，利于学生分析总结规律。

例如，在教学教科版六年级下册“月相变化”时，需要教师引导学生通过模拟实验来探究月相变化的规律。模拟实验前，教师先带学生们明确月相变化是由于日、地、月三者的位置关系及运动情况造成的，同时还与月球本身不发光、不透明的特点有关。再设计模拟实验（图2）：用黑白球模拟月球，白的一面模拟月球被太阳照亮的部分，在圆形呼啦圈上不同位置分别粘有8个一半涂黑一半涂白的黑白球（白的一面正对着太阳），表示月球一个月当中运行的不同位置，学生分别按逆时针顺序观察8个黑白球，并把黑白球的样子拍摄下来分享至智慧课堂信息化平台中，学生可以直观地总结出月相变化的规律。

随着人工智能技术迅猛发展，环境变得日益智能化，传感无所不在，社会形态开始走向智慧社会，现代科学出现了一种新的形态——计算，计算形态将变革新的学习方式和课堂教学结构。在探索未来课堂教学结构的时候，应该处理好科学教育中的不变与变的关系。比如科学思想、科学精神、人机共生理念始终不变，激发学生的好奇心和探究本能始终不变，变化的是教育活动的形式和手段。“三元三化六模块”教学模式，就是对这种未来课堂教学结构的探索，用来努力提升学生的科学核心素养。

注：本文系2021年度合肥市教育科学规划立项课题“基于绿色指标评价大数据下教与学方式改进的实践研究”（课题立项号：HJG21155 ）阶段性研究成果之一

参考文献

刘邦奇，吴晓如.智慧课堂：新理念 新模式 新实践[M]. 北京：北京师范大学出版社，2019.

项华，毛澄洁. 数字科学家计划：构建课程、教师、测评三位一体的“数字原住民”教学新体系[J]. 中国信息技术教育，2021（3）.

刘邦奇. 智慧课堂[M]. 北京：北京师范大学出版社，2019.

聂庭芳，胡成. 中小学“智慧校园”建设视域下的智慧教学模式探究[J]. 当代教育论坛，2021（3）.

王育齐，陈永恒. 大数据时代背景下智慧教学模式的研究[J]. 中国信息化，2019（1）.

喻伯军. 小學科学教学关键问题指导[M]. 北京：高等教育出版社，2020.