探究AI輔助初中科學課教與學的途徑

何仕陽

【摘 要】通過人工智能（AI）輔助初中科學教師進行數據分析和個性化教學，可以提高教師的工作效率，使教學更加精準和個性化。同時，教師仍然扮演著重要的角色，他們可以根據AI提供的分析結果和反饋，制定相應的教學策略和計劃，關注學生的情感需求和學習動力，為每位學生提供有針對性的學習支持。

【關鍵詞】人工智能；智能輔導；智能分析；個性化教學

【中圖分類號】G434? ?【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2024）02、03-134-03

人工智能（AI）是指計算機系統或機器模擬出來的能夠模仿人類智能行為的能力。在教育領域，AI可以輔助教師進行教學活動，提供個性化的學習支持，改善教學效果。它可以分析學生的學習數據，為每位學生推薦適合其水平和需求的學習資源和路徑。同時，AI還可以作為智能輔導系統，回答學生的問題，提供解析和示范，加強學生對知識的理解和掌握。此外，AI還可以提供教學資源和內容，如教學課件、實驗模擬等，豐富教學方式和體驗。利用AI技術輔助初中科學課的學習和教學可以為師生提供更豐富的教育體驗和個性化的學習支持。

開發智能輔導系統

初中科學智能輔導系統是基于AI技術開發的一種學習輔助工具，旨在為初中生提供個性化的科學學習支持和指導。它能夠根據學生的知識水平和學習需求，提供定制化的學習計劃、解答問題和給予反饋建議；可以根據學生的錯題和薄弱點，推薦相關的學習資源和練習題，幫助學生有針對性地提高。智能輔導系統應具備以下功能。

（1）制定個性化學習路徑。根據學生的學習情況和目標，智能輔導系統會為每位學生制定個性化的學習路徑。它會根據學生已掌握和尚未掌握的知識點以及學習進度等因素，推薦適合的學習內容和順序。

（2）題目解析和習題推薦。對于學生遇到的問題和習題，智能輔導系統能夠進行解析和講解，并根據學生的錯誤類型和理解程度推薦相關的習題來幫助其鞏固知識。

（3）實時答疑和輔導。學生可以通過系統向智能輔導系統提問，并獲得即時的答案和解釋。系統通過自然語言理解和處理技術，能夠準確理解學生的問題，并給予相應的回答、例證或解決方案。

（4）學習進度監控。智能輔導系統可以跟蹤學生的學習進度和表現，記錄學生的學習數據和行為。這些數據有助于系統了解學生的弱點和需求，為教師提供詳細的學情報告，以便進行個性化指導和教學安排。

（5）學習資源推薦。智能輔導系統會根據學生的學習需求和興趣，推薦適合的學習資源，包括教材、在線課程、學習視頻等。這樣可以豐富學習內容，激發學生的學習興趣。

目前有許多人工智能輔助學習軟件可供使用，如谷歌學術（Google Scholar）：提供學術文獻檢索和引用分析功能，幫助學生查找和閱讀相關研究論文；Coursera：提供在線課程和學位項目，結合人工智能技術進行學習路徑個性化推薦和自動化評估；Khan Academy：提供大量在線教學視頻和練習題，通過人工智能技術為學生提供個性化的學習計劃和反饋；Quizlet：提供在線卡片和測驗功能，使用人工智能技術幫助學生記憶和復習學習內容；Wolfram Alpha：一個知識搜索引擎，利用人工智能和自然語言處理技術為用戶提供廣泛的計算、數據和知識查詢服務。

以上只是一小部分人工智能輔助學習軟件的案例，隨著技術的發展，將會有更多的創新和應用涌現。學生和教育機構可以根據自己的需求，在此基礎上選擇適合的人工智能輔助學習軟件來提升學習效果。

建立虛擬實驗平臺

對于初中科學課程來說，虛擬實驗平臺是一種非常有用的工具。通過虛擬實驗平臺，學生可以在課堂上進行實驗模擬和操作練習，提高實驗技能和科學素養。虛擬實驗平臺供學生進行物理、化學或生物實驗模擬。這樣的平臺可以提供安全可靠的實驗環境，并讓學生通過探索和實踐深入理解實驗原理和現象。以下是初中科學虛擬實驗平臺的幾個應用場景。

（1）實驗模擬。虛擬實驗平臺可以模擬各種實驗過程，讓學生在虛擬環境下掌握實驗流程和原理。如在化學實驗中，學生可以使用虛擬實驗平臺進行酸堿中和、電解反應等實驗模擬，了解不同物質的化學性質和反應規律。

（2）實驗操作。虛擬實驗平臺還可以模擬實驗設備和操作手段。這樣學生可以通過平臺進行實驗操作的訓練，掌握實驗技能和安全規范。例如，在物理實驗中，學生可以通過虛擬實驗平臺進行簡單的機械組裝和運動仿真，鍛煉操作技能。

（3）數據分析。虛擬實驗平臺可以實時記錄并展示實驗數據，方便學生進行數據處理和分析。學生可以通過虛擬實驗平臺獲取實驗數據，并進行計算和圖形化展示，從而更好地了解實驗結果和原理。例如，在生物實驗中，學生可以使用虛擬實驗平臺觀察細胞的結構和變化，進一步加深對生命科學的理解。

目前國內外有較多的虛擬實驗平臺可供使用，推薦使用與科學學科相關的平臺。Labster：提供各種科學和工程領域的虛擬實驗室模擬，學生可以在虛擬環境中進行實驗操作和觀察結果；ADInstruments：提供生命科學和工程學科的虛擬實驗平臺，包括生理學、生物學、工程和醫學等領域；TeachEngineering：提供虛擬實驗和工程項目，覆蓋多個工程學科，如機械、電氣、計算機等；PhET Interactive Simulations：由科羅拉多大學波爾得分校開發的虛擬實驗平臺，包含多個科學學科，如物理學、化學、生物學等。

這些虛擬實驗平臺旨在為學生提供與實際實驗相似的體驗，幫助他們在沒有實際實驗設備或實驗室的情況下進行實踐學習。

推薦個性化學習方案

通過收集和分析學生的數據，AI可以了解學生的學習偏好和需求，從而提供更加個性化的學習內容和學習路徑。

（1）定制化學習計劃。根據學生的興趣和學習能力，制定個性化的學習計劃。將課程內容分解成小模塊，安排適合學生自主學習的時間和方式。

（2）差異化教學。根據學生的不同學習需求，提供差異化的教學資源和活動。例如，針對理解較困難的學生，可以提供額外的解釋材料；而對于掌握較好的學生，可以提供更深入的探究任務。

（3）多樣化的學習資源。提供多種多樣的學習資源，包括教科書、練習題、實驗視頻、交互式學習工具等。這樣學生可以選擇適合自己學習風格和喜好的資源進行學習。

（4）個性化反饋和指導。通過技術工具或教師的指導，給予學生個性化的反饋和指導。及時發現學生的學習困難和問題，并提供針對性的輔導和支持。

（5）小組合作學習。鼓勵學生進行小組合作學習，通過討論、合作實踐等方式促進彼此之間的學習和思考。這樣可以提高學生的互動能力和合作能力。

（6）利用技術工具。結合在線學習平臺和教育科技工具，為學生提供自主學習和探究的環境。如虛擬實驗平臺、在線模擬器等，讓學生能夠靈活地進行實驗和觀察。

（7）學習評估和調整。根據學生的學習表現和反饋結果，及時調整個性化學習方案，以適應學生的學習進度和需求。

經實踐，筆者推薦一些能夠為學生提供個性化學習方案的平臺。Khan Academy提供了廣泛的在線教育資源，包括視頻課程、練習題和測驗，可以根據學生的個體需求和學習進度來自定義學習計劃。SMART Learning Suite Online是一個交互式學習平臺，通過個性化的學習工具和資源支持學生的個體化學習。它提供了實時協作、互動投票、個性化反饋等功能，幫助學生更好地參與學習。ScootPad是一個個性化學習和評估平臺，主要面向初中學段學生。它提供了針對學生需求的個性化學習路徑、自適應練習和實時進度跟蹤，幫助學生在不同學科中取得進步。Phypho是一款智能手機實驗程序App，支持用戶根據需要自主開發。平臺全面、系統地整合了智能手機中搭載的所有傳感器，預置了門類齊全、數量眾多的探究性實驗樣例[1]。初中科學的個性化學習方案應該是靈活多樣的，注重學生的興趣和需求。這些平臺都致力于根據學生的興趣、能力和學習風格提供個性化的學習方案。學生可以通過這些平臺自主選擇課程、參與互動和練習，從而更好地滿足他們的學習需求。

進行自動化評估和反饋

利用人工智能技術進行作業和測驗的自動評估和批改，以及給予學生及時的反饋和建議，可以減輕教師的工作量，為學生提供即時的學習糾正和指導。

（1）在線學習平臺。使用在線學習平臺，學生可以完成各種形式的自動化評估，包括選擇題、填空題、判斷題等。這些題目可以根據學生的答案自動評分，并提供即時反饋，指出答案的正確與否以及解析。

（2）交互式學習工具。利用交互式學習工具，如模擬器、虛擬實驗平臺等，學生可以進行實驗操作或模擬實踐，系統會自動記錄學生的操作和結果，并給予反饋。通過對實驗過程和結果的分析，學生可以了解自己的實驗技能和理解程度。

（3）數據分析和可視化展示。將學生的學習數據進行分析和可視化展示，幫助他們更好地了解自己的學習情況。如生成學習報告、圖表和圖形，顯示學生在不同知識點或技能方面的掌握程度和進步情況。

PowerSchool是一個綜合的學生信息管理系統，它可以用于學生學業評估、成績記錄和報告生成。它提供了學生和教師的在線平臺，用于查看個人學術成績、出勤情況和作業任務等。Blackboard是一個廣泛應用的在線學習平臺，它提供了學生學習的虛擬環境和評估工具。教師可以使用Blackboard來分發作業、批改作業、發布測驗和檢查學生進展。Moodle是一種開源的學習管理系統，它被全球各類學校和機構廣泛采用。這些系統都具備自動化學業評估的功能，可以幫助學校、教師和學生更便捷地進行學習評估和學術管理。每個系統的具體功能和特點可能有所不同，選擇適合的系統應根據實際需求和學校環境來確定。需要注意的是，自動化評估和反饋可以為學生提供方便快捷的評估方式，并及時獲取反饋和指導。然而，教師的角色仍然不可或缺，他們可以根據學生的評估結果和反饋，進行更深入的分析和指導，提供個性化的支持和幫助。

輔助教師進行數據分析和個性化教學

利用AI技術對學生的學習數據進行分析，為教師提供詳細的學生學習情況報告。教師可以根據這些報告進行個性化的輔導和教學安排，針對學生的特點和需要提供更有針對性的指導。

（1）自動化評估和反饋。AI可以幫助教師進行自動化的學生作業評估和反饋。通過分析學生的答案，AI可以自動評分，并給出即時的反饋，指導學生進行糾正和改進。

（2）學習數據分析。AI可以對學生的學習數據進行收集和分析，包括學習進度、知識點掌握情況、常見錯誤等。教師可以通過AI生成的學生學習報告，了解每位學生的學習情況，發現學生的問題和困難點。

（3）學習路徑個性化推薦?；趯W生的學習數據和歷史表現，AI可以為每位學生推薦個性化的學習路徑和資源。這些學習路徑和資源可以根據學生的水平和需求進行定制，幫助學生更好地理解和掌握知識。

（4）學習過程監控。AI可以監控學生的學習過程，包括學習時間、學習行為等。教師可以通過監控結果了解學生的學習態度和進度，并針對性地進行干預和輔導。Schoology是一個綜合的學習管理系統，旨在促進學習者之間的協作和個性化學習。它提供了課程管理、在線評估和學生反饋等功能，以支持學生學習的評估和監控。通過AI輔助初中科學教師進行數據分析和個性化教學，可以提高教師的工作效率，使教學更加精準和個性化。AI技術的應用讓傳統課堂變成“數智”課堂，通過貫穿教學全過程的細致、多維度數據采集與匯總分析，既讓教師更充分地了解學情，減輕了教學壓力，又能幫助學生更好地了解自己的薄弱之處，學習變得更有針對性，減輕課業負擔[2]。系統會對學生的學習偏好進行分析，呈現可視化圖表，表明學生的優勢和薄弱方面。

需要注意的是，AI目前仍然有一些局限性。例如，它可能無法像人類教師那樣處理情感和人際交互，也可能無法適應某些復雜的教學環境。因此，在教學過程中，AI僅作為輔助工具，教師仍然發揮著重要作用。另外，在應用AI技術進行教學時，還需要合理的隱私保護措施，了解學生的個人數據安全和隱私保護政策。

參考文獻

張懷華. 體驗·創新： 用好App優化物理實驗探究教學[J]. 中小學數字化教學，2022（12）：82-87.

牛雅瓊. 構建數智課堂 助力“雙減”落地[J]. 中小學數字化教學，2022（2）：23-27.

作者單位：浙江杭州市臨安區錦城第三初級中學

編? ?輯：徐靖程