核心素养视域下AI技术在小学科学教学中的应用有效性探究

核心素养是我国当前新一轮基础教育改革的重要导向，核心素养是基于学生所学知识、能力和品质的综合体现。小学是学生科学认知发展和科学素养形成的重要阶段，科学课程不仅是为了培养学生科学知识，更是为学生树立科学探究能力、科学思维、科学实践能力。随着人工智能(AI)技术的进步，教育信息化程度不断提高，探索如何将AI 应用于小学科学教学，是教育工作者亟待解决的问题。

一、个性化学习支持系统的应用

基于学生核心素养提升的小学科学教育倡导学生科学观念、科学思维、科学探究与态度责任等方面均获得良好发展，这就为 AI 技术与教学结合创造良好的环境条件，也给小学生 AI 个性化学习的支持系统开发提供促进效应。首先，利用人工智能的智能诊断工具，对小学生现有的科学认知基础、学习兴趣以及思维风格方面进行判断，并为小学生的个性化发展提供适宜性的路径。人工智能学习平台可以根据学生答题成绩的差异程度对作业的难易程度或不同知识点进行难度递进或交替学习方式，使每个学生所处的学习路径是各自在“最近发展区”内的学习。其次，基于人工智能技术驱动的虚拟学习与交互学习平台，更加突显了小学生科学研究方法与科学思维应用发展的教育教学水平。人工智能技术支持的虚拟实验与 VR 或 AR 技术应用环境下的探究性学习能够激发小学生的探究与实践学习兴趣爱好，同时增强了小学生探究实验的危险性规避，并且在安全基础上反复实践有助于小学生掌握科学探究以及动手习惯行为等学习活动方式的养成。最后，人工智能技术为小学生的学业评价个性化、发展性、多元性、过程性助力。人工智能大数据的智能采集能够记录小学生的学业学习的起始、发展、变迁的过程，生成变化的、发展的人工智能学习画像，对小学生学习行为习惯进行量化，为学生家长或任课教师提供学业数据分析服务，并结合教师对学生的反馈和建议，能够更加有效地促进小学生学与教方式方法的转变以及优化。

二、智能虚拟实验平台的应用

在核心素养视域这个背景下，小学科学教学强调的是学生在真实情境中开展探究性学习，提升科学思维与实践能力。因为实验条件、安全因素等限制，传统课堂难以满足每位学生的动手需求。因此，构建基于 AI 技术的智能虚拟实验平台成为有效补充。以“水的沸腾与温度变化”为例，该实验是小学科学课程中的重要内容。传统教学中，受限于设备数量和操作安全，学生往往只能被动观察教师演示，难以亲自操作。而通过 AI 驱动的虚拟实验平台，学生可以在交互式环境中自主完成实验全过程。平台利用AI 技术模拟真实的烧杯、酒精灯、温度计等器材，学生通过拖拽操作加热装置，实时观察水温变化，并记录数据。AI 系统会根据学生的操作给予即时反馈，例如温度计使用不当或数据记录错误时，系统会提示正确操作方法。此外，平台还能根据学生的学习轨迹自动推荐拓展任务，如“在不同海拔下水的沸点是否相同”，引导学生进行深度探究。该虚拟实验平台还融合了语音识别和自然语言处理技术，学生可通过语音提问与系统互动，系统则根据问题内容提供个性化指导。这种人机互动有效激发了学生的学习兴趣，促进了科学探究能力的形成。

三、智能课堂互动与评价系统的应用

核心素养视域下，小学科学课程教学需要充分发挥学生在真实的教学情境中的积极主体性和理性思维能力，而通过结合AI 技术实现的智能课堂互动与课堂评价系统能够帮助小学科学课程教学实现这一要求。比如，在小学科学课程《植物的光合作用》教学中教师结合使用了 AI 智能教学课堂系统。课堂教学前，通过使用 AI 教学课堂的智能课堂预习功能，结合智能教学系统的小视频与相应的课堂练习题对学生的学习情况、预习情况进行自动分析处理，并通过给教师和学生分别提供学情分析报告与学生学习报告的方式为学生进行小结。课堂教学期间，学生与教师之间可使用AI 教学课堂中的互动教学环节如提问、抢答、讨论、调查等，学生通过平板设备反馈信息，如正确率、正确人数、答错人数及比例、参与人数及比例等信息能够被系统直接自动获取，并被用来提示教师及时调整教学过程。另外，通过AI 技术实现的语音识别系统，能够帮助教师及时收集学生发言信息，能够辅助分析学生的口语表达能力、思维水平等。在教学课程结束的时候，课堂上获取到的信息以及课后布置的作业、调查等工作能够被教学AI 系统收集并对其进行分析，从而能够形成学生在课堂上的学习成果与评价数据，能够及时给学生、家长提供关于学生的学习状态，并形成科学素养方面的测量结果，如学生的科学知识水平、科学探究能力等方面的信息。

四、情境化教学与项目式学习支持的应用

从核心素养的角度来讲，小学科学课程旨在要求学生在真实问题的情境中进行项目学习，以提升学生科学探究、实践综合运用的能力。人工智能辅助项目式学习则可以为真实情境化教学服务。例如针对《垃圾分类与环境保护》这个项目，老师借助人工智能技术，设计仿真城市，模拟小区垃圾处理情景，创设一个真实情境。然后让学生借助人工智能平台，做一名“环保小达人”，通过虚拟地走访，去采集垃圾，整理有关垃圾的数据信息，然后分析垃圾的危害，讨论如何整治垃圾。在项目学习的实施过程中，人工智能提供的学习支持智能学习路径选择、根据自己学习兴趣，提供学习支持的有关垃圾分类的视频、关于如何保护环境的故事、同学的发言等。人工智能还可以支持学生的分组学习，可以有多小组成员在人工智能学习空间里完成团队的各部分工作，如垃圾分类方案的设计、制作垃圾分类的宣传海报、进行垃圾分类等。还可以借助人工智能语音助理回答学生的问题，支持学生的项目学习。

四、结语

以核心素养为引领，AI 为小学科学教学开拓了新路径、提供了新支撑，学生个性化学习、虚拟实验、AI 评价、情境化教学都有助于提升小学科学教学，促进小学生科学素养和实践能力的全面培养。AI 在小学科学教学中的应用探索刚刚起步，有待进一步探索与实践，在应用中不断进行完善。应当继续加大小学科学AI 教学资源建设、小学科学教师AI 应用培训和AI 应用科学伦理建设，促进小学科学教学与AI 技术深度融合，推动高质量教育。

【参考文献】

[1]教育部. 中国学生发展核心素养[M]. 北京: 北京师范大学出版社, 2016.

[2]王晓红. 人工智能在基础教育中的应用现状与前景分析[J]. 电化教育研究, 2022(6): 45-50.