人工智能支持下的跨學(xué)科課程實(shí)踐探索

數(shù)字化轉(zhuǎn)型和跨學(xué)科教學(xué)是當(dāng)前教育改革的兩大核心重點(diǎn)。教育部明確提出了“推進(jìn)教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動(dòng)”和“確保每門課程至少有10%的課時(shí)用于設(shè)計(jì)跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)”的目標(biāo)，旨在發(fā)展學(xué)生的高階思維，培養(yǎng)他們運(yùn)用新工具創(chuàng)新性地解決現(xiàn)實(shí)問題的能力。然而當(dāng)前國內(nèi)關(guān)于數(shù)字化轉(zhuǎn)型的跨學(xué)科教學(xué)研究往往存在“學(xué)科內(nèi)容拼盤化”“學(xué)習(xí)過程娛樂化”“主題活動(dòng)專業(yè)化”等問題[1]。本文嘗試應(yīng)用信息科技課程中的人工智能技術(shù)來解決科學(xué)學(xué)科的問題，通過數(shù)字化技術(shù)開展校園植物主題實(shí)踐活動(dòng)，落實(shí)信息科技與科學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，以期構(gòu)建一種數(shù)字化轉(zhuǎn)型下跨學(xué)科教學(xué)的新模式。一、校園植物主題跨學(xué)科課程背景科學(xué)學(xué)科的核心是探究實(shí)踐，而探索的主題、方法和過程都應(yīng)基于學(xué)校的實(shí)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(dòng)來說，是一種既珍貴又豐富的資產(chǎn)。校園植物在幫助學(xué)生建立科學(xué)觀念、提升科學(xué)探究意識和培養(yǎng)基本科學(xué)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(xué)模式，其中包括教師指導(dǎo)學(xué)生識別校園植物、繪制校園地圖和手工制作植物標(biāo)牌等活動(dòng)。但由于教師資源有限，能夠講解的植物種類不多，導(dǎo)致學(xué)生對其他未知植物的興趣無法轉(zhuǎn)化為實(shí)際的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)。這種教學(xué)方式不僅限制了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，而且不利于學(xué)生的個(gè)性化發(fā)展。隨著人工智能技術(shù)的進(jìn)步，教育領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)入了數(shù)字化時(shí)代。在信息科技課程中，培養(yǎng)學(xué)生在數(shù)字化學(xué)習(xí)和創(chuàng)新方面的核心素養(yǎng)至關(guān)重要。我們需要引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用數(shù)字技術(shù)應(yīng)對現(xiàn)實(shí)問題，在日常生活中選擇恰當(dāng)?shù)臄?shù)字工具進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)，并以創(chuàng)造性的方式解決問題。因此，將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于解決其他學(xué)科學(xué)習(xí)過程中的實(shí)際問題，已成為當(dāng)前跨學(xué)科教學(xué)探索的一個(gè)重要方向。在此背景下，我校在已有校園植物課程的基礎(chǔ)上整合了信息科技課程中的人工智能技術(shù)，旨在引導(dǎo)學(xué)生利用信息科技技能輔助科學(xué)課程的學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)學(xué)科內(nèi)容的有機(jī)結(jié)合。通過這種教學(xué)方式，學(xué)生運(yùn)用人工智能技術(shù)深入探索校園植物，不僅能全面掌握信息科技學(xué)科的知識，還能學(xué)習(xí)植物相關(guān)知識并解決科學(xué)學(xué)習(xí)中的實(shí)際問題，從而有效提升學(xué)生的信息科技和科學(xué)核心素養(yǎng)。二、校園植物主題跨學(xué)科課程設(shè)計(jì)本課程為七年級學(xué)生設(shè)計(jì)，將科學(xué)和人工智能課程巧妙融合，課程結(jié)構(gòu)如圖1所示。教學(xué)采用跨學(xué)科的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)方法，以植物為主題展開。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)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(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)和圖像識別技術(shù)開發(fā)個(gè)人植物識別App，使用二維碼技術(shù)改善校園植物標(biāo)牌的過程。在學(xué)習(xí)自然科學(xué)知識的同時(shí)，學(xué)生將學(xué)會(huì)合理運(yùn)用信息技術(shù)，并體驗(yàn)到人工智能在解決實(shí)際問題中帶來的便捷。我校六年級學(xué)生已初步學(xué)過植物形態(tài)結(jié)構(gòu)與檢索表應(yīng)用方面的知識，同時(shí)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(xué)知識應(yīng)用到解決實(shí)際問題方面還存在一定的困難，在跨學(xué)科思維、問題分析和表達(dá)概括能力方面還有待提高。本課程需要學(xué)生將學(xué)科知識應(yīng)用于校園生活的真實(shí)場景，通過跨學(xué)科思維實(shí)踐，促進(jìn)知識的遷移應(yīng)用和核心概念的再建構(gòu)。這對學(xué)生具有一定挑戰(zhàn)性，但也是跨學(xué)科教學(xué)和新課改理念落地的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。三、人工智能支持的植物主題跨學(xué)科課程本課程共分為三個(gè)課時(shí)。第一課時(shí)，學(xué)生將學(xué)習(xí)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(shí)，學(xué)生將動(dòng)手制作校園植物識別的機(jī)器學(xué)習(xí)程序，深入了解機(jī)器學(xué)習(xí)的特性和圖像識別技術(shù)的原理。第三課時(shí)，學(xué)生將搜索和編輯校園植物分類信息，并利用二維碼技術(shù)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(shù)促進(jìn)跨學(xué)科學(xué)習(xí)，筆者將本課程的關(guān)鍵教學(xué)活動(dòng)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(rèn)出這些植物嗎？”來激發(fā)學(xué)生的好奇心和認(rèn)知沖突，進(jìn)而喚起他們的學(xué)習(xí)興趣。接著，教師向?qū)W生展示了往屆學(xué)生編制的校園植物檢索表。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生開始分析植物的特點(diǎn)，探索檢索表的構(gòu)成，總結(jié)出檢索表的關(guān)鍵要素（如二分法、分類標(biāo)準(zhǔn)），并學(xué)習(xí)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(xué)生的檢索表來識別校園中的多種植物。最后，教師與學(xué)生一起總結(jié)了使用檢索表識別植物的基本流程。在本活動(dòng)中，學(xué)生通過使用上屆學(xué)生制作的植物檢索表開展學(xué)習(xí)，從而在操作中學(xué)會(huì)如何運(yùn)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(chǔ)。（二）使用植物識別App鑒定校園未知植物在上一個(gè)活動(dòng)中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)校園內(nèi)植被豐富多樣，不僅包括往屆學(xué)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(zhǔn)確識別所有植物。此時(shí)，教師順勢引導(dǎo)學(xué)生使用植物識別App。教師布置任務(wù)，要求學(xué)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(xué)生需要至少從三個(gè)不同角度拍攝每棵植物，以確保植物名稱的準(zhǔn)確性。同時(shí)，學(xué)生需要將識別結(jié)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(dòng)中，教師鼓勵(lì)學(xué)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(shù)拓寬學(xué)生的認(rèn)知視野，并促進(jìn)科學(xué)學(xué)習(xí)的深入發(fā)展。（三）更新繪制校園植物檢索表學(xué)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(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)活動(dòng)一中總結(jié)的檢索表繪制方法，學(xué)生制作了新的校園植物檢索表。隨后，小組成員上臺(tái)展示他們制作的檢索表，并與教師和同學(xué)共同交流評價(jià)。通過不斷的修改和優(yōu)化，一份經(jīng)過師生共同認(rèn)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(dòng)融合了前兩個(gè)活動(dòng)中學(xué)到的檢索表繪制方法和新識別的植物信息，學(xué)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(yùn)用學(xué)科知識和創(chuàng)新思維的能力得到培養(yǎng)。（四）機(jī)器學(xué)習(xí)識別圖像，自制校園植物識別App在學(xué)生熟練掌握使用檢索表識別植物之后，教師引入了一個(gè)新的挑戰(zhàn)：使用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)開發(fā)一個(gè)專屬于本校的個(gè)性化植物識別App?？紤]到從零開始編寫程序的復(fù)雜性，教師向?qū)W生提供了一個(gè)代碼框架，并輔以詳細(xì)的代碼注釋。學(xué)生通過逐步運(yùn)行和調(diào)整程序，嘗試錄入桂花葉片的特征。學(xué)生成功錄入桂花葉片特征后，教師便指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用遷移學(xué)習(xí)的方法，自行添加代碼，以實(shí)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(lì)學(xué)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(xué)生的程序代碼示例。在本活動(dòng)中，學(xué)生通過運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)開發(fā)校園植物識別程序，掌握了機(jī)器學(xué)習(xí)的基本流程。此外，教師鼓勵(lì)學(xué)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(dòng)設(shè)計(jì)為學(xué)生提供了自主探索和創(chuàng)造的機(jī)會(huì)，讓他們體驗(yàn)到編程的樂趣和成就感。（五）測試程序，思考影響機(jī)器學(xué)習(xí)準(zhǔn)確率的因素在完成校園植物識別程序的構(gòu)建后，教師引導(dǎo)學(xué)生反思：自己制作的程序能否一直準(zhǔn)確識別未知植物。接著，教師引入了“準(zhǔn)確率”這一概念，即機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測正確的結(jié)果占所有測試樣本的百分比。學(xué)生以小組為單位，使用多種植物的照片來測試程序的準(zhǔn)確性，進(jìn)行10次統(tǒng)計(jì)之后由教師匯總結(jié)果（植物名稱已在上一課時(shí)利用檢索表識別完畢）。通過分析統(tǒng)計(jì)結(jié)果，學(xué)生注意到不同小組的程序準(zhǔn)確率存在差異。教師通過展示多組學(xué)生的完整代碼，引導(dǎo)學(xué)生思考影響準(zhǔn)確率的因素。學(xué)生觀察到，程序中錄入植物信息的次數(shù)，即訓(xùn)練次數(shù)，會(huì)影響準(zhǔn)確率。他們發(fā)現(xiàn)，錄入植物信息的次數(shù)越多，準(zhǔn)確率越高，從而得出結(jié)論：機(jī)器學(xué)習(xí)使用的數(shù)據(jù)量越大，識別準(zhǔn)確率越高。此外，學(xué)生還發(fā)現(xiàn)，在訓(xùn)練次數(shù)相同的情況下，植物圖片背景的雜亂程度也會(huì)影響準(zhǔn)確率，背景雜亂的圖片會(huì)導(dǎo)致準(zhǔn)確率下降，而清晰整潔的圖片則有助于提高準(zhǔn)確率。因此，學(xué)生進(jìn)一步得出結(jié)論：機(jī)器學(xué)習(xí)使用的數(shù)據(jù)質(zhì)量越好，準(zhǔn)確率越高。在本活動(dòng)中，學(xué)生通過小組合作測試訓(xùn)練模型，通過實(shí)踐探索確定了影響機(jī)器學(xué)習(xí)準(zhǔn)確率的關(guān)鍵因素，這不僅促進(jìn)了學(xué)生對機(jī)器學(xué)習(xí)本質(zhì)的理解，還培養(yǎng)了他們的科學(xué)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(shù)之后，學(xué)生通過觀看關(guān)于圖像識別原理的視頻，深入了解了人工智能的工作機(jī)制，并總結(jié)了圖像識別技術(shù)在鑒定物種名稱時(shí)的一般步驟。教師引導(dǎo)學(xué)生將圖像識別技術(shù)的步驟與檢索表的使用步驟進(jìn)行對比，使學(xué)生發(fā)現(xiàn)人類和機(jī)器在識別新物種時(shí)存在共同點(diǎn)，即都遵循“提取特征—特征匹配—鑒定結(jié)果”這一新物種識別的基本模型（如圖5）。本活動(dòng)通過比較檢索表與圖像識別技術(shù)的應(yīng)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(xué)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(dòng)從信息編碼的角度出發(fā)，讓學(xué)生認(rèn)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(biāo)牌，以記錄植物的相關(guān)信息。在制作植物二維碼的過程中，學(xué)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(kuò)展信息，例如鏈接到與目標(biāo)植物相似的其他植物，幫助學(xué)生區(qū)分相似物種；介紹與目標(biāo)植物同科同屬的其他植物，加深學(xué)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(xué)生現(xiàn)場觀察和定位。學(xué)生將制作好的二維碼貼在校園植物上，利用手機(jī)掃描即可快速獲取該植物的相關(guān)信息。四、人工智能技術(shù)支持的校園植物主題跨學(xué)科課程的反思與啟發(fā)（一）人工智能助力真實(shí)情景問題解決，提升高階思維能力在本案例中，學(xué)生運(yùn)用人工智能技術(shù)探索校園植物，通過這一過程學(xué)習(xí)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(yàn)自然與植物的魅力。由于科學(xué)學(xué)科教師數(shù)量有限，無法滿足學(xué)生對各種植物學(xué)習(xí)的個(gè)性化需求，因此采用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)因材施教，滿足了學(xué)生的個(gè)性化需求，并使學(xué)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(xué)基礎(chǔ)知識的學(xué)生來說，植物的多樣性和獨(dú)特性是難以辨識的。通過機(jī)器學(xué)習(xí)和圖像識別的實(shí)踐，學(xué)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(jī)器學(xué)習(xí)，以及App的開發(fā)。在制作過程中，學(xué)生能夠?qū)Ρ群瓦w移“人類識別萬物”與“機(jī)器識別萬物”的方式，在理解人類視角的同時(shí)，探索機(jī)器視角的原理，并建立人類與機(jī)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(xué)生培養(yǎng)了解決生活中其他問題的計(jì)算思維，發(fā)現(xiàn)事物背后的規(guī)律，并學(xué)會(huì)運(yùn)用人工智能解決實(shí)際問題。這種思維方式符合人工智能教育的目標(biāo)，能夠幫助學(xué)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(shù)融入科學(xué)和信息科技課堂的跨學(xué)科教學(xué)中，通過運(yùn)用信息科技課堂中的人工智能技術(shù)解決其他學(xué)科問題，不僅體現(xiàn)了數(shù)字技術(shù)對教學(xué)的助力，還實(shí)現(xiàn)了學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，促進(jìn)了知識與能力的提升。通過解決學(xué)科內(nèi)及真實(shí)情境中的問題，學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)相關(guān)學(xué)科的同時(shí)，提高學(xué)科思維和高階思維能力，掌握解決實(shí)際問題的能力。（二）人工智能賦能校園文化建設(shè)，提升師生榮譽(yù)感本案例圍繞校園植物主題展開，旨在深化校園文化建設(shè)。通過參與校園植物相關(guān)的實(shí)踐活動(dòng)，學(xué)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(qiáng)對學(xué)校的歸屬感和榮譽(yù)感。學(xué)生