人工智能技術對跨學科實驗教學的影響

〔摘" "要〕" 在數智化時代，學習空間愈加開放，學習資源愈加豐富，信息技術愈加成熟，給小學教育改革帶來全新的機遇。面對這一機遇，教師應積極轉變傳統教學思想，善于運用人工智能技術為學生構建新型的智慧學習生態場，探索科學教學新路徑，促進學生科學素養和信息素養綜合發展，為其適應現代化社會發展和終身發展奠定基礎。文章結合實際，首先闡述了人工智能技術在小學日常教學中的應用策略，接著探討了人工智能技術對科學跨學科實驗教學的影響，以期借助人工智能技術促推小學教育改革，為數智化時代背景下的科學課程高質量建設帶來有益參考。

〔關鍵詞〕" 小學科學；人工智能；跨學科實驗

〔中圖分類號〕" G424" " " " " " " " 〔文獻標識碼〕" A" " " " "〔文章編號〕" 1674-6317" " （2025）" 05" " 088-090

隨著科技的飛速發展，人工智能應用滲透至各行各業，“人工智能+教育”成為新時代教育改革的探索方向。人工智能技術輔助教學，打造智慧化、虛擬化、多元化的教學空間，成為人工智能與教育結合的落腳點。在人工智能輔助下，課堂形態發生巨大變革，課程資源開放共享，學習過程智慧生成，有利于為學生提供更加高效化、個性化的學習體驗，滿足新生代學生發展需求。如何將人工智能技術與小學學科教育結合，打造數智化時代科學教育新樣態，促進科學教育面向未來，成為現階段相關教師亟待研討的嶄新課題。

一、人工智能技術在教學中的應用

（一）人工智能輔助概念理解

傳統教學通常采用一套標準化教學方法，對科學概念的解釋依賴教材，趨于固式，學生知識的獲得來自他人成熟的經驗，無法充分滿足自我質疑、猜想，導致學生鮮少有機會去追根溯源地探尋科學知識概念的由來，造成淺層化學習問題。而生成式人工智能具備自然語言理解和表達能力，智能程序背后擁有龐大的資源庫，能夠根據學生提問并結合上下提示，向學生推送精準而豐富的答案，從而充分滿足學生個性化認知需求。目前，文本對話類AI技術應用是“人工智能+教育”最為普遍的呈現形式，教師可以將生成式人工智能納入科學教學過程，使用ChatGPT工具引導學生自問自答，讓學生主動地發現問題、提出疑問、解決問題，自由探索科學知識概念的起源。例如，執教《消失的恐龍》一課，教師可以結合ChatGPT工具和虛擬動畫影像，創建一個學生喜聞樂見的虛擬動畫人物，讓學生在提前預習本課教材知識的基礎上，圍繞想知道的問題，與動畫人物展開自由開放的對話，在有趣的人機互動中滿足一系列質疑和猜想，幫助學生了解恐龍的類型、生存的年代、化石中的秘密等。人機互動結束后，教師引導學生回歸真實課堂，說一說在人機互動中的收獲，談一談對恐龍、化石等概念的研究，加深知識記憶。人工智能技術賦能下的智慧課堂，讓學生的知識獲得不再依賴教師傳授。豐富的資源庫和交互形式，既豐富了學生認知，又激活了課堂生機，還緩解了教學壓力，于教于學皆有裨益。

（二）人工智能輔助情境探索

情境于學生而言，猶水之于魚，將科學知識置于特定且具有一定情緒色彩的情境中呈現，可以顯著激發學生探究興趣，也更容易讓學生理解知識、內化知識，生成更豐富的學習體驗。人工智能技術改變了傳統知識呈現形式，讓紙質教材走向諸如數字教材、視頻教材、虛擬教材等新型教材，教學內容由靜態、平面、線性走向動態、立體、交互，為教學情境創設提供了更多有利契機。例如，執教《觀察星空》一課，教師依托人工智能技術，將本課知識內容置于兩大情境中呈現。一是通過星空3D模型，帶領學生全方位認識星空，了解不同星座的特征，并讓學生根據3D星空成像結構去發揮想象，選擇喜歡的星星組成圖案，生成“我的星座”。依托3D星空模型，搭建看星星、建星座的教學情境，不僅讓學生對星空有了直觀認識，而且還能夠有效鍛煉學生空間建模能力。二是以3D星空模型為基礎，繼續引入VR技術，讓學生戴上VR眼鏡暢游星海，在繁多的星辰中尋找北斗七星，開啟一場精彩紛呈的探索之旅。相較于單純地利用多媒體為學生呈現相關圖片、視頻，以3D星空模型和VR技術為基礎的人工智能應用，為學生情境化學習提供了更為真實的體驗，有利于促進知識建構的自然發生，幫助學生實現深度學習。

（三）人工智能輔助課堂練評

人工智能不僅使個性化學習成為常態，而且大數據監測系統、智能運算系統、云資源庫等，還能夠根據每位學生學情，量身定制課堂訓練計劃，讓每一水平層級的學生都能夠獲得適應自我最近發展區的鍛煉，從而提升科學探究能力。同時，學生的訓練成果會及時反饋到教師終端，教師根據學生真實訓練評價，全面了解其學習情況，并提供針對性的教學輔導，以此落實因材施教。例如，執教《尋找遺傳與變異的秘密》一課，前期在人機交互、3D模型等人工智能技術輔助下，學生對孟德爾的研究發現和基因遺傳有了初步認識，教師抓住契機，利用智能題庫系統為學生打造遷移訓練平臺。為了增強訓練的趣味性，可以將訓練模式設置成積分挑戰賽的形式，遵循由易到難的規律，呈現相關練習題，積分達標才能挑戰下一關。讓學生比一比、賽一賽，誰能最快榮獲“最強王者”稱號。在訓練過程中，智能題庫系統會快速判斷學生答題對錯，而且會自動測算學生出錯率，并為學生推送與錯題相關的學習資源，直至學生達到積分要求才會讓其進入下一階段挑戰。教師從后臺查看學生答題數據，了解每一位學生的認知短板，以此為依據優化教學輔導，提升輔導有效性和針對性。人工智能輔助下的課堂練評精準高效、有序有趣，能夠讓每一位學生獲得適應自身發展的鍛煉機會，在步步反饋、層層提升中實現科學能力進階。

二、人工智能技術對跨學科實驗教學的影響

新課標提出“加強課程綜合，注重關聯”的教學倡導，主張教師樹立跨學科育人理念，多維統整教學資源，創新實驗生成，促使學生在跨學科實驗中發展綜合能力。傳統模式下的小學跨學科實驗存在資源難查、過程難控、數據難收等問題，需要學生東奔西跑地去查閱學科資料，優化實驗方案，無形中為跨學科實驗增加了諸多難題。而人工智能輔助下的小學跨學科實驗設計，依托龐大的資源庫、仿真的實驗室、便捷的數字化教學系統，能夠有效解決上述問題，讓學生“足不出戶”便可以完成跨學科實驗探索，獲得良好的學習體驗。毋庸置疑，人工智能技術對小學跨學科實驗教學具有積極的影響，其優勢主要體現在以下幾個方面。

（一）輕松整合跨學科實驗資源

人工智能技術鏈接“云端”，方便師生隨時隨地調取所需資源，順利推進跨學科實驗開展。具體而言，在小學教學中，跨學科實驗相較傳統實驗多了整合性，需要不同學科教師合作教學，共同幫助學生解決實驗中遇到的系列問題。而受制于多種因素，跨學科實驗存在諸多現實問題，如聯合教學的問題、知識整合的問題、跨學科輔導的問題等。這些問題拖長了跨學科實驗時間，難以幫助學生建立完整的知識體系。而通過人工智能技術助力，教師整合資源不用跨域而行，只要一個網絡終端、一個在線平臺，就可以輕松將各學科資源整合到跨學科實驗中來。同時，各科教師還可以依托智慧教學平臺在線合作，打造“雙師”型課堂，突破聯合教學難互動、知識整合難生成、跨學科輔導難踐行等難題，幫助學生輕松獲取實驗資源，解決實驗問題，更方便快捷地完成實驗操作。例如，執教“神奇的能量”這一單元，教師聯合設計“證明聲能存在”的實驗，同時鏈接語文、美術、音樂、數學等學科，為學生布置四個任務：從文學典故、音樂演奏中尋找聲能存在的證據；根據單元學過的能量知識，合作設計證明聲能存在的實驗方案，繪制實驗圖紙；利用數學知識統計數據，計算聲能大小，探索聲能大小與哪些因素相關；基于跨學科實驗研究，寫一篇關于聲能利用的小論文，為智能生活出謀劃策。各學科教師依托人工智能大課堂聯合共育，根據學生需求，為其提供與本次實驗相關的學習資源，助力學生突破各項實驗難點，幫助學生順利地完成實驗任務，建立與聲能相關的完整知識體系。

（二）輕松理解跨學科實驗原理

在小學科學教學中，跨學科實驗開展的目的不是讓學生模仿操作走舊路，而是借實驗陣地激活學生創新思維，鍛煉學生綜合能力，幫助學生依托各學科學習建立完整的知識體系，在真實學習、深度學習中發展核心素養。人工智能輔助下的跨學科實驗教學，強調生成性和自主性，即把學生作為實驗主體，通過大數據資源和人機交互技術，讓學生自由地猜想、驗證，通過多學科資源助力，加深對實驗原理的理解，最終完成有效的實驗架構。人工智能技術在幫助學生理解實驗原理方面體現了極大優勢。以“驗證聲能存在”跨學科實驗為例，學生可以通過龐大的學習資源庫尋找聲能存在的證據，認識聲能作用對象，為創新實驗思路提供借鑒；也可以基于猜想去搜索相關實驗模型，在3D環境中親歷實驗生成，加深實驗認知；還可以通過AI繪圖軟件繪制實驗圖紙，修改實驗細節，設計更加科學完善的實驗方案。總之，人工智能技術融入跨學科實驗教學，賦予了學生更為廣闊自由的探索空間，讓各種創想成為現實，促進了學生對實驗原理的理解，有利于學生從“根部”探究科學本質。

（三）輕松獲取跨學科實驗數據

人工智能時代，數字化設備和技術的應用為科學實驗教學改革帶來諸多有利契機，能夠有效解決實驗數據收集難、分析難等問題，促進實驗過程可視化，促推科學實驗從“是不是”“對不對”的研究轉向“為什么是”“為什么對”，進而幫助學生對事物或現象本質形成更深刻的理解。以“驗證聲能存在”跨學科實驗為例，傳統實驗中，學生只能靠事物表征變化驗證聲能的存在，但無法準確測算聲能的大小，影響了實驗探究深度。在人工智能輔助下，可以將聲音傳感器、數字化科學實驗探究系統融入實驗過程中，將抽象的聲能變化進行可視化加工，獲得精準的實驗數據。學生在整理、分析數據中，知曉聲能的存在，獲知影響聲能大小的因素，從而為智慧生活建設提供參考。

三、結語

綜上所述，人工智能時代，教科書從紙質化轉向數字化，課堂從線下轉向線上，讓個性化、智慧化學習成為現實。人工智能技術應用于小學課程，是時代發展的應然，是教學改革的必然。教師要不斷提升自身信息素養，加強對人工智能技術的研究，在日常教學和跨學科實驗教學中，捕捉人工智能滲透契機，打造科學教學新樣態，促進學生綜合素養發展。

參考文獻

[1]李想.人工智能融入小學科學課堂教學的實踐分析[J].名師在線（中英文），2023（22）：2-4，12.

[2]張龍，林宏宇.牽手人工智能"助力小學科學課堂教學[J].中國現代教育裝備，2021（22）：21-23.

[3]王勝明，張慧芳，張晨晨，等.人工智能視域下小學科學實驗教學發展趨勢與實踐創新[J].中小學實驗與裝備，2020（1）：53-54