人工智能支持下的跨學科課程實踐探索

數(shù)字化轉(zhuǎn)型和跨學科教學是當前教育改革的兩大核心重點。教育部明確提出了“推進教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動”和“確保每門課程至少有10%的課時用于設計跨學科主題學習”的目標，旨在發(fā)展學生的高階思維，培養(yǎng)他們運用新工具創(chuàng)新性地解決現(xiàn)實問題的能力。然而當前國內(nèi)關于數(shù)字化轉(zhuǎn)型的跨學科教學研究往往存在“學科內(nèi)容拼盤化”“學習過程娛樂化”“主題活動專業(yè)化”等問題[1]。本文嘗試應用信息科技課程中的人工智能技術來解決科學學科的問題，通過數(shù)字化技術開展校園植物主題實踐活動，落實信息科技與科學學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，以期構建一種數(shù)字化轉(zhuǎn)型下跨學科教學的新模式。一、校園植物主題跨學科課程背景科學學科的核心是探究實踐，而探索的主題、方法和過程都應基于學校的實際情況。我校位于市郊，校園內(nèi)植物種類繁多，綠化覆蓋率極高。充分利用這些校園植物資源，對于開展生物探究活動來說，是一種既珍貴又豐富的資產(chǎn)。校園植物在幫助學生建立科學觀念、提升科學探究意識和培養(yǎng)基本科學研究方法等方面扮演著無可替代的角色。過去，我校的校園植物課程沿用了傳統(tǒng)教學模式，其中包括教師指導學生識別校園植物、繪制校園地圖和手工制作植物標牌等活動。但由于教師資源有限，能夠講解的植物種類不多，導致學生對其他未知植物的興趣無法轉(zhuǎn)化為實際的學習機會。這種教學方式不僅限制了學生的自主學習能力，而且不利于學生的個性化發(fā)展。隨著人工智能技術的進步，教育領域已經(jīng)進入了數(shù)字化時代。在信息科技課程中，培養(yǎng)學生在數(shù)字化學習和創(chuàng)新方面的核心素養(yǎng)至關重要。我們需要引導學生運用數(shù)字技術應對現(xiàn)實問題，在日常生活中選擇恰當?shù)臄?shù)字工具進行探究性學習，并以創(chuàng)造性的方式解決問題。因此，將數(shù)字化技術應用于解決其他學科學習過程中的實際問題，已成為當前跨學科教學探索的一個重要方向。在此背景下，我校在已有校園植物課程的基礎上整合了信息科技課程中的人工智能技術，旨在引導學生利用信息科技技能輔助科學課程的學習，實現(xiàn)兩個學科內(nèi)容的有機結合。通過這種教學方式，學生運用人工智能技術深入探索校園植物，不僅能全面掌握信息科技學科的知識，還能學習植物相關知識并解決科學學習中的實際問題，從而有效提升學生的信息科技和科學核心素養(yǎng)。二、校園植物主題跨學科課程設計本課程為七年級學生設計，將科學和人工智能課程巧妙融合，課程結構如圖1所示。教學采用跨學科的項目化學習方法，以植物為主題展開。在教師的指導下，學生將經(jīng)歷使用植物識別App識別校園植物并創(chuàng)建檢索表，運用機器學習和圖像識別技術開發(fā)個人植物識別App，使用二維碼技術改善校園植物標牌的過程。在學習自然科學知識的同時，學生將學會合理運用信息技術，并體驗到人工智能在解決實際問題中帶來的便捷。我校六年級學生已初步學過植物形態(tài)結構與檢索表應用方面的知識，同時對人工智能與圖像識別有了一定的了解。然而他們在將所學知識應用到解決實際問題方面還存在一定的困難，在跨學科思維、問題分析和表達概括能力方面還有待提高。本課程需要學生將學科知識應用于校園生活的真實場景，通過跨學科思維實踐，促進知識的遷移應用和核心概念的再建構。這對學生具有一定挑戰(zhàn)性，但也是跨學科教學和新課改理念落地的關鍵環(huán)節(jié)。三、人工智能支持的植物主題跨學科課程本課程共分為三個課時。第一課時，學生將學習如何使用植物識別App識別校園植物，并更新校園植物檢索表。第二課時，學生將動手制作校園植物識別的機器學習程序，深入了解機器學習的特性和圖像識別技術的原理。第三課時，學生將搜索和編輯校園植物分類信息，并利用二維碼技術制作校園植物的電子掛牌。為全面解釋如何借助人工智能技術促進跨學科學習，筆者將本課程的關鍵教學活動介紹如下。（一）使用植物檢索表鑒定校園植物上課伊始，教師通過展示校園植物的圖片并提出問題“你們能認出這些植物嗎？”來激發(fā)學生的好奇心和認知沖突，進而喚起他們的學習興趣。接著，教師向?qū)W生展示了往屆學生編制的校園植物檢索表。在教師的指導下，學生開始分析植物的特點，探索檢索表的構成，總結出檢索表的關鍵要素（如二分法、分類標準），并學習如何使用檢索表。他們還歸納出繪制檢索表的一般步驟（如圖2），并利用往屆學生的檢索表來識別校園中的多種植物。最后，教師與學生一起總結了使用檢索表識別植物的基本流程。在本活動中，學生通過使用上屆學生制作的植物檢索表開展學習，從而在操作中學會如何運用和繪制檢索表，為后面更新和完善檢索表環(huán)節(jié)打下基礎。（二）使用植物識別App鑒定校園未知植物在上一個活動中，學生發(fā)現(xiàn)校園內(nèi)植被豐富多樣，不僅包括往屆學生制作的檢索表中的品種，而且增添了眾多新植物，這使得原有的檢索表無法覆蓋現(xiàn)有的植物種類，難以用來幫助自己準確識別所有植物。此時，教師順勢引導學生使用植物識別App。教師布置任務，要求學生在15分鐘內(nèi)至少識別出5種檢索表之外的校園植物，并使用App拍攝每種植物的葉片和整體植株。學生需要至少從三個不同角度拍攝每棵植物，以確保植物名稱的準確性。同時，學生需要將識別結果匯總，以表格形式記錄照片、植物名稱和分類特征。在本活動中，教師鼓勵學生利用AI圖像識別程序來輔助識別未知植物，旨在通過人工智能技術拓寬學生的認知視野，并促進科學學習的深入發(fā)展。（三）更新繪制校園植物檢索表學生以小組形式合作，整理利用植物識別App鑒定出的植物信息，并確立新的分類標準。根據(jù)活動一中總結的檢索表繪制方法，學生制作了新的校園植物檢索表。隨后，小組成員上臺展示他們制作的檢索表，并與教師和同學共同交流評價。通過不斷的修改和優(yōu)化，一份經(jīng)過師生共同認可的供全校參考的最優(yōu)校園植物檢索表最終形成（如圖3）。本活動融合了前兩個活動中學到的檢索表繪制方法和新識別的植物信息，學生以小組合作的形式研究和討論，更新并繪制出新的校園植物檢索表，綜合運用學科知識和創(chuàng)新思維的能力得到培養(yǎng)。（四）機器學習識別圖像，自制校園植物識別App在學生熟練掌握使用檢索表識別植物之后，教師引入了一個新的挑戰(zhàn)：使用機器學習技術開發(fā)一個專屬于本校的個性化植物識別App?？紤]到從零開始編寫程序的復雜性，教師向?qū)W生提供了一個代碼框架，并輔以詳細的代碼注釋。學生通過逐步運行和調(diào)整程序，嘗試錄入桂花葉片的特征。學生成功錄入桂花葉片特征后，教師便指導學生運用遷移學習的方法，自行添加代碼，以實現(xiàn)第二種植物——玉蘭的特征錄入，以及無植物場景的錄入。最后，教師鼓勵學生將代碼整合和優(yōu)化，并加入創(chuàng)意功能，完成校園版植物識別程序的開發(fā)。圖4展示的是某組學生的程序代碼示例。在本活動中，學生通過運用機器學習技術開發(fā)校園植物識別程序，掌握了機器學習的基本流程。此外，教師鼓勵學生發(fā)揮創(chuàng)造性，為程序增添新功能，如等待功能、語音輸出等，以優(yōu)化程序。這樣的活動設計為學生提供了自主探索和創(chuàng)造的機會，讓他們體驗到編程的樂趣和成就感。（五）測試程序，思考影響機器學習準確率的因素在完成校園植物識別程序的構建后，教師引導學生反思：自己制作的程序能否一直準確識別未知植物。接著，教師引入了“準確率”這一概念，即機器學習預測正確的結果占所有測試樣本的百分比。學生以小組為單位，使用多種植物的照片來測試程序的準確性，進行10次統(tǒng)計之后由教師匯總結果（植物名稱已在上一課時利用檢索表識別完畢）。通過分析統(tǒng)計結果，學生注意到不同小組的程序準確率存在差異。教師通過展示多組學生的完整代碼，引導學生思考影響準確率的因素。學生觀察到，程序中錄入植物信息的次數(shù)，即訓練次數(shù)，會影響準確率。他們發(fā)現(xiàn)，錄入植物信息的次數(shù)越多，準確率越高，從而得出結論：機器學習使用的數(shù)據(jù)量越大，識別準確率越高。此外，學生還發(fā)現(xiàn)，在訓練次數(shù)相同的情況下，植物圖片背景的雜亂程度也會影響準確率，背景雜亂的圖片會導致準確率下降，而清晰整潔的圖片則有助于提高準確率。因此，學生進一步得出結論：機器學習使用的數(shù)據(jù)質(zhì)量越好，準確率越高。在本活動中，學生通過小組合作測試訓練模型，通過實踐探索確定了影響機器學習準確率的關鍵因素，這不僅促進了學生對機器學習本質(zhì)的理解，還培養(yǎng)了他們的科學探究精神。（六）探索圖像識別原理，歸納物種分類檢索模型在使用了AI圖像識別技術之后，學生通過觀看關于圖像識別原理的視頻，深入了解了人工智能的工作機制，并總結了圖像識別技術在鑒定物種名稱時的一般步驟。教師引導學生將圖像識別技術的步驟與檢索表的使用步驟進行對比，使學生發(fā)現(xiàn)人類和機器在識別新物種時存在共同點，即都遵循“提取特征—特征匹配—鑒定結果”這一新物種識別的基本模型（如圖5）。本活動通過比較檢索表與圖像識別技術的應用步驟，巧妙地概括了課程內(nèi)容，并通過歸納新物種識別的一般模型，有效提升了學生的高階思維能力。（七）植物二維碼制作與數(shù)字掛牌本活動從信息編碼的角度出發(fā)，讓學生認識到二維碼等編碼方式能夠承載大量信息，因此可以利用二維碼創(chuàng)建數(shù)字化的校園植物標牌，以記錄植物的相關信息。在制作植物二維碼的過程中，學生使用二維碼編輯器，輸入他們收集的所有植物資料，包括植物名稱、分類信息和形態(tài)特征。二維碼還能夠包含更多擴展信息，例如鏈接到與目標植物相似的其他植物，幫助學生區(qū)分相似物種；介紹與目標植物同科同屬的其他植物，加深學生對植物分類的理解；記錄植物在校園的具體位置，便于其他學生現(xiàn)場觀察和定位。學生將制作好的二維碼貼在校園植物上，利用手機掃描即可快速獲取該植物的相關信息。四、人工智能技術支持的校園植物主題跨學科課程的反思與啟發(fā)（一）人工智能助力真實情景問題解決，提升高階思維能力在本案例中，學生運用人工智能技術探索校園植物，通過這一過程學習植物特征，探究物種分類的規(guī)律，并制作植物檢索表，深刻體驗自然與植物的魅力。由于科學學科教師數(shù)量有限，無法滿足學生對各種植物學習的個性化需求，因此采用人工智能技術實現(xiàn)因材施教，滿足了學生的個性化需求，并使學生在自主探索中培養(yǎng)了利用信息科技解決問題的能力。對于沒有植物學基礎知識的學生來說，植物的多樣性和獨特性是難以辨識的。通過機器學習和圖像識別的實踐，學生能夠初步了解人工智能開發(fā)的完整過程，包括數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)分類、機器學習，以及App的開發(fā)。在制作過程中，學生能夠?qū)Ρ群瓦w移“人類識別萬物”與“機器識別萬物”的方式，在理解人類視角的同時，探索機器視角的原理，并建立人類與機器識別新事物的一般模型[2]。通過解決具體的植物分類問題，學生培養(yǎng)了解決生活中其他問題的計算思維，發(fā)現(xiàn)事物背后的規(guī)律，并學會運用人工智能解決實際問題。這種思維方式符合人工智能教育的目標，能夠幫助學生以更廣闊的視野和更深入的思維探索世界。本案例展示了如何將人工智能技術融入科學和信息科技課堂的跨學科教學中，通過運用信息科技課堂中的人工智能技術解決其他學科問題，不僅體現(xiàn)了數(shù)字技術對教學的助力，還實現(xiàn)了學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，促進了知識與能力的提升。通過解決學科內(nèi)及真實情境中的問題，學生能夠在學習相關學科的同時，提高學科思維和高階思維能力，掌握解決實際問題的能力。（二）人工智能賦能校園文化建設，提升師生榮譽感本案例圍繞校園植物主題展開，旨在深化校園文化建設。通過參與校園植物相關的實踐活動，學生不僅能夠在制作App和二維碼掛牌的過程中培養(yǎng)對自然的深厚情感和生命意識，還能積極參與到塑造校園文化的過程中，從而增強對學校的歸屬感和榮譽感。學生