金角魚的應(yīng)用入選UNESCO“教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型創(chuàng)新案例”。

來源：發(fā)布時間：2022-05-30

【編者按】

下文所呈現(xiàn)的案例被收錄到UNESCO“教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型創(chuàng)新案例”。

該案例所屬的創(chuàng)新領(lǐng)域是:

◇ 改善教學(xué)（增加學(xué)生的動力和參與度，促進知識和技能的獲取，優(yōu)化評估和評價系統(tǒng)，改善學(xué)習(xí)成果）

◇ 創(chuàng)建有利的環(huán)境(教室，實驗室，健康、安全、趣味盎然、能夠滿足學(xué)習(xí)者個性化需求的在線學(xué)習(xí)平臺)

案例發(fā)起人和實施者是：

◇ 發(fā)起人：上海奉賢區(qū)教育學(xué)院教學(xué)研究中心，上海金角魚軟件有限公司

◇ 實施者：上海金角魚軟件有限公司，上海奉賢區(qū)教育學(xué)院教學(xué)研究中心，上海古華中學(xué)等

完整的案例材料，包括主報告和附件兩部分。編者對主報告做了形式上的改編。下文是主報告《Use numerical simulation and artificial intelligence to Change the mode of physics teaching in Junior high school》所對應(yīng)中文版的論文形式。

UNESCO“關(guān)于在教育中運用先進信息通訊技術(shù)和人工智能的數(shù)字化轉(zhuǎn)型創(chuàng)新做法”案例

用數(shù)值仿真和人工智能

改變初中物理教學(xué)模式

1 案例概況

對于初中物理教學(xué)，普遍存在情境創(chuàng)設(shè)乏力、學(xué)生動手操作機會較少的情況；諸多教學(xué)難點的解決呼喚新的技術(shù)手段，如二力平衡、電學(xué)故障、電學(xué)動態(tài)、分子動理論等。為提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生參與度和學(xué)習(xí)效果，在物理教學(xué)的諸多環(huán)節(jié)需要創(chuàng)設(shè)更多生動、直觀、能激發(fā)學(xué)生思維的互動情境。為解決上述問題，需要把數(shù)值仿真和人工智能技術(shù)引入到初中物理教學(xué)中。

在這樣的背景和目標驅(qū)動下，2020年2月上海奉賢區(qū)教育學(xué)院教學(xué)研究中心和上海金角魚軟件有限公司聯(lián)合發(fā)起《在線教學(xué)背景下初中物理課堂教學(xué)與金角魚初中物理軟件的有效整合教學(xué)研究》項目。該項目先是在上海古華中學(xué)等十余所奉賢區(qū)學(xué)校實施，后來擴展到上海的楊浦區(qū)、閔行區(qū)、浦東新區(qū)、嘉定區(qū)，進而又延伸到江蘇省和浙江省的部分學(xué)校。據(jù)不完全統(tǒng)計，該項目累計涉及學(xué)校500所以上、教師1500名以上。隨著實踐的深入，本項目后來演變?yōu)椤度诤戏抡婕夹g(shù)學(xué)科素養(yǎng)導(dǎo)向的初中物理教學(xué)法實踐研究》。
該項目目的是運用數(shù)值仿真和人工智能技術(shù)為初中物理教學(xué)注入新的活力，造就學(xué)生探究式學(xué)習(xí)的場景，激發(fā)學(xué)生動手、動腦、動心、動情，改變“教”和“學(xué)”的模式；探索基于學(xué)科素養(yǎng)融合仿真技術(shù)和人工智能的初中物理教學(xué)法，用新的方法和工具武裝新一代教師，培養(yǎng)學(xué)科素養(yǎng)達標的高素質(zhì)學(xué)生。

2 已解決的問題

該項目突出學(xué)科素養(yǎng)培養(yǎng)目標，聚焦科學(xué)思維和科學(xué)探究，把傳統(tǒng)教學(xué)推進到數(shù)字化教學(xué)模式，改變了教和學(xué)的方式。它強調(diào)技術(shù)和教學(xué)深度融合，倡導(dǎo)探究式教學(xué)，打造出了一個個鮮活的新型高效課堂。

（1）解決了教師情境創(chuàng)設(shè)難的問題：用仿真技術(shù)創(chuàng)設(shè)互動情境，實現(xiàn)了日常教學(xué)中的難點突破和探究式教學(xué)。

（2）解決了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性調(diào)動問題：用數(shù)值仿真/人工智能/互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)實現(xiàn)了“課堂四動（情境互動/問題拉動/數(shù)據(jù)聯(lián)動/平臺驅(qū)動）”，通過“課堂四動”引發(fā)“學(xué)生四動（動手/動腦/動心/動情）”。

（3）解決了應(yīng)試教育和素質(zhì)教育相背的問題，緩解了教師復(fù)習(xí)課難以講授的問題：復(fù)習(xí)探究化是二者融通的橋梁，讓分數(shù)和學(xué)科素養(yǎng)俱增。

3 所采用的技術(shù)和方案

所應(yīng)用的技術(shù)主要是數(shù)值仿真(CAE)和人工智能(AI)。具體而言，它們是：

（1）建立物理對象的數(shù)學(xué)模型及其相應(yīng)的數(shù)值計算方案，形成高精度、高魯棒性的CAE技術(shù)。仿真對象有電路、分子、熱機、滑動、齒輪、聲波、音階、光路、柔性物體等。

（2）構(gòu)建壓力/壓強等數(shù)字傳感器，形成直觀精密的探究環(huán)境。

（3）對電路/滑輪組/光路等用戶設(shè)計進行智能評估。

《金角魚初中物理》是探究式三維智能情境教學(xué)SAAS系統(tǒng)。它建立了200多個交互式仿真探究情境，支撐充滿感性感知和理性提升的學(xué)習(xí)過程和師生交互過程，還蘊含PBL教學(xué)思想和STEM手段。它解決了諸多教學(xué)難點，形成了生動完整的數(shù)字化線上物理教學(xué)平臺，支持教師使用、師生共用、學(xué)生初學(xué)、提升和和考前綜合能力提高。

4 運用技術(shù)帶來的成功、機會或好處

課堂變得更活躍了。學(xué)生們興趣盎然、參與度極大提高，他們喜歡自己動手操作，動手引發(fā)了動腦。教師講解變少提問變多，學(xué)生思維被激發(fā)起來了。師生交互層次和強度提升，課堂的內(nèi)容得到了延展和深化。
動手探究應(yīng)用到了復(fù)習(xí)課，繼續(xù)貫徹學(xué)科素養(yǎng)教學(xué)目標。有了基于應(yīng)用和深度學(xué)習(xí)的情境，難上的復(fù)習(xí)課變得生動和簡單，教學(xué)轉(zhuǎn)化率迅速提升。該項目持續(xù)開展的教研活動惠及了上海奉賢全區(qū)百余位物理老師，幫助奉賢區(qū)初中物理2020年中考杰出率提升 5.6%。
技術(shù)為教研注入了活力。三十余節(jié)各級公開課，起到了教學(xué)創(chuàng)新示范的作用，加速IT和物理教學(xué)的深度融合，促進了教師成長，上海浙江江蘇等地數(shù)十位教師，在各級教學(xué)評比、論文評選中獲得優(yōu)異成績。

5 面臨的挑戰(zhàn)和局限性

本項目面臨的挑戰(zhàn)主要是:

（1）很多教師還沒有把發(fā)展學(xué)生的思維放到主要的課堂教學(xué)目標里，還沒有充分認識到“做”對激發(fā)思維的巨大價值。

（2）一些老師們還存在對仿真技術(shù)的不信賴傾向，沒有認識到數(shù)值仿真的科學(xué)依據(jù)和對教學(xué)和科研的深刻價值。

先進平臺的應(yīng)用受到如下的局限：電子設(shè)備在學(xué)校的配備和應(yīng)用上問題重重；學(xué)生在家使用電子設(shè)備也受到嚴格的管制。

建議學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)和教師盡可能地擴展“做中學(xué)”和探究式教學(xué)的內(nèi)容和范圍，鼓勵深度學(xué)習(xí)，并且真正把每個學(xué)生的動手操作放到更加重要的位置。

電子設(shè)備在中國的個別學(xué)校有著很好的應(yīng)用，學(xué)校對電子設(shè)備做了很好的管控；既發(fā)揮了電子設(shè)備促進學(xué)生主動學(xué)習(xí)的作用，又避開了電子設(shè)備濫用的弊端。有些先進做法，值得學(xué)習(xí)和推廣。

6 后續(xù)行動

該項目深受師生喜愛，得到領(lǐng)導(dǎo)的支持和肯定，激發(fā)了數(shù)百位杰出中青年教師積極投身教研，改進自己的教學(xué)，幫助了青年教師快速成長。它還有力地支撐了2020年以來線上教學(xué)和其后的線上線下混合式教學(xué)。通過幾十節(jié)公開課的示范和帶動，信息技術(shù)和人工智能對于物理教學(xué)的價值被接受。

后續(xù)行動主要是：

（1）堅定持續(xù)地進行“融合仿真技術(shù)學(xué)科素養(yǎng)導(dǎo)向的初中物理教學(xué)法”實踐研究，與更多學(xué)校和老師聯(lián)合教研，構(gòu)筑完整的PST（教學(xué)法-空間-技術(shù)）框架體系。

（2）繼續(xù)深度打造基于上述研究的常態(tài)化應(yīng)用案例，幫助更多教師特別是青年教師快速成長。

（3）響應(yīng)教育信息化2.0的號召，突破試驗范圍，參與到90個“信息化教學(xué)實驗區(qū)”建設(shè)中去，通過模式/方法的總結(jié)提升和應(yīng)用示范的輻射帶動，使技術(shù)和教育/教學(xué)的深度融合落到實處。