教學智能體在探究式教學中的應用

〔摘" "要〕" 隨著生成式人工智能的快速發展，基于大模型的智能體已經逐步具備了啟發性內容生成、情境理解、信息檢索與整合等能力。本研究探討教學智能體在小學科學探究式教學中的應用策略及案例。針對當前科學探究教學面臨的挑戰，提出利用教學智能體實現個性化學習路徑設計、創設與科學家對話情境、課堂互動與協作支持、制定計劃與數據分析、評價與反饋機制等策略。以“垃圾分類與氣候變化”主題為例，展示教學智能體在科學探究各環節的作用，旨在為人工智能時代教師開展科學探究活動提供理論和實踐參考。

〔關鍵詞〕" 小學科學；教學智能體；科學探究

〔中圖分類號〕" G424" " " " " " " " 〔文獻標識碼〕" A" " " " 〔文章編號〕" 1674-6317" " （2025）13" " 0022-03

2022"年版《義務教育科學課程標準》指出，科學課程旨在培養學生的核心素養，為學生的終身發展奠定基礎，其中指出科學探究是探索和了解自然、獲得科學知識、解決科學問題的主要途徑，在探究實踐中培養學生的科學探究能力、技術與工程實踐能力和自主學習能力。由此可見，新課標強調將科學探究貫穿于科學課程學習的整個過程，在科學探究實踐中培養學生的科學探究能力，是培養學生科學學科核心素養中必不可少的部分。然而，在一線教學實踐中，教師在開展科學探究時仍面臨諸多挑戰。例如教師開展科學探究活動時仍缺乏相關經驗，如探究話語導向不明確、無法針對不同學生的思維發展水平提供個性化的支持，導致一些學生在科學探究能力的培養上進展緩慢，甚至停滯不前。

近年來，以ChatGPT為代表的生成式人工智能技術，在啟發性內容生成、對話情境理解、信息檢索與整合等領域展現出卓越的性能，教學智能體是指借助生成式人工智能技術，針對教育領域的多場景需求和多角色服務特點而創建的智能工具，可以在具體的教學情境中，扮演專家、同行、評價者等角色，以文字、聲音、圖像等方式與學生進行及時交互。本研究旨在探討教學智能體賦能下的小學科學探究式教學策略，并設計切實可行的教學案例，以期為教學智能體助力個性化、精準化的科學探究式教學提供參考和借鑒。

一、教學智能體在小學科學探究式教學中的應用策略

（一）個性化學習路徑設計

中小學創新教育面對全體學生，培養每一名學生的創新思維技能。但目前學校教育的班級制度使教師難以以有限的時間和精力對眾多學生進行個性化的指導。但隨著生成式人工智能的發展，教師可以利用教學智能體針對學生的學習狀況與特征，為其制定有針對性的學習計劃，從而提高其掌握科學知識的效率。例如，對于對天文學感興趣的學生，智能體可以推薦相關的科普文章、視頻和實驗項目，引導學生深入了解宇宙的奧秘。同時，智能體還可以根據學生的表現，及時調整學習內容和難度，確保學生既能感受到挑戰，又不會因難度過大而失去信心。同時，教師還可以根據學生和智能體之間的互動資料來設計專門的教案、課件以及作業測驗，以實現精確教學的目的。

（二）創設學生與科學家對話的情境

弘揚科學家精神，培養青少年像科學家一樣思維，一個重要的教學策略就是用智能體創設讓學生與科學家對話的情境。教學智能體可以通過模擬科學家的思維方式和研究方法，讓學生通過與科學家的對話，激發學生對科學的興趣和熱愛。例如，教師可以在“豆包”"“智譜清言”等平臺上搜索“愛因斯坦”“牛頓”等智能體，讓學生在對話與實踐中體會科學家的嚴謹態度和科學方法。教師也可以自己動手創建與課程教學內容有關的智能體用于教學，可以運用蘇格拉底“產婆術”對話法，使用提示語告訴智能體，不宜直接向學習者提供答案，要采用啟發式、誘導式的提問、追問、爭辯等方式展開多輪交流，讓學生對智能體的解答進行批判性思考，避免單純地依靠智能體抄答案。

（三）課堂互動與協作支持

智能體可以作為虛擬教師或同伴，為學生提供情感和認知支持。例如，智能體還可以作為學習伙伴，通過文本圖片、語音交互等方式與學生進行互動，增強課堂的趣味性和參與感。它能夠根據學生的反應和情緒狀態，提供適時的鼓勵和引導，幫助學生保持積極的學習態度。此外，智能體可以模擬教師的角色，讓學生逐步掌握“觀察—發現—假設—實驗—總結”的科學研究方法。智能體可以通過與用戶的互動，個性化輔導學生按照科學方法學習，引導學生進行思考，并與其他學生進行互動。這種互動方式可以打破傳統課堂的師生界限，營造更加開放、平等的課堂氛圍，激發學生的學習興趣和主動性。

（四）制定計劃與數據分析

在科學探究活動中，教學智能體能夠輔助學生制定探究計劃，并通過數據分析幫助學生理解探究結果。例如，在實驗探究過程中，利用智能體模擬實驗環境，讓學生在虛擬情境中觀察科學現象，提高動手能力和科學思維能力。智能體可以與學生一起完成科學實驗，共同分析實驗數據，并討論實驗結果。此外，智能體還能根據學生需求提供豐富的學習資源。這種協作學習方式可以培養學生的團隊合作精神和溝通能力，幫助學生更好地理解和掌握科學知識。

（五）評價與反饋機制

評價與反饋是科學探究教學過程中不可或缺的環節，而教學智能體在這一環節同樣能夠發揮重要作用。智能體可以實時記錄學生的學習過程和表現，包括他們的互動探究時間、學習內容等。通過對這些數據的深度分析，智能體能夠生成個性化的反饋報告，不僅可以幫助教師及時了解學生的學習進度和困難，還可以為教師提供調整教學策略的依據。例如，如果智能體發現某個學生在某個知識點上反復出錯，它就可以提醒教師在這個知識點上加強講解和練習。

二、教學智能體在小學科學探究式教學中的應用案例

本研究以科學探究學習場景為例闡述教學智能體的應用。科學探究則是指個體圍繞著一個明確的問題或任務，通過假設、推理、驗證等一系列的探索過程而最終解決問題或完成任務的各類活動。教學智能體可以通過學習任務設定，提供多模態項目資源生成、評價與反饋等多種能力的實現與拓展，同時支持人機交互與多智能體交互模式。教學智能體可以首先依據預設的學習情境，建立驅動問題引導框架，如下圖所示。在此基礎上，教學智能體能夠與學習者開展多模態形式的在線討論，并依據學習者的特點與學習意圖，采用個性化對話路徑與交互策略，最終引導學習者自主提出項目的驅動問題。我們以“垃圾分類與氣候變化”主題為例，闡述教學智能體在科學探究各個環節的作用。

（一）創設情境與問題提出

真實且有趣的情境是激發學生探究興趣的關鍵，基于真實情境引導學生發現并提出問題，從而激發其進行深入探究與完成項目的內在動力。例如，針對“垃圾分類與氣候變化”這一環保主題，教學智能體可以利用圖片生成能力，為學生呈現如“被垃圾污染的海洋生態系統”“因垃圾隨意填埋導致的大量溫室氣體排放”等情境，讓學生直觀感受到垃圾分類的重要性。在此基礎上，智能體引導學生提出問題，如“垃圾分類如何減少溫室氣體排放？”“不同垃圾處理方式對氣候變化的影響有何不同？”這些問題為后續的探究活動指明了方向，使學生能夠帶著明確的目的進入探究過程。

（二）做出假設并制定計劃

在學生提出問題后，教學智能體幫助學生梳理已有知識，引導他們做出合理的假設。例如，智能體可以提示學生根據已知的垃圾處理方式（如填埋、焚燒、回收等）對溫室氣體排放的影響，假設“垃圾分類能夠有效減少填埋和焚燒過程中產生的溫室氣體，從而緩解氣候變化”。隨后，智能體協助學生制定詳細的探究計劃，將復雜的探究任務分解為多個可操作的子任務，如“了解垃圾分類的具體方法”“設計垃圾分類相關實驗方案”“面向市民設計垃圾分類相關社會調查問卷”等，并為每個子任務提供策略性指導。這不僅幫助學生明確了探究步驟，還培養了他們的問題解決能力。

（三）收集證據與信息處理

在收集證據階段，教學智能體會為學生提供一些簡單易用的工具和資源。例如，智能體可以推薦一些可靠的網站或資源，讓學生查找不同垃圾處理方式的溫室氣體排放數據。如果需要社會調研，智能體可以指導學生如何設計一份調查問卷或者是訪談提綱。對于數據處理，智能體可以幫助學生將數據繪制成柱狀圖或折線圖，直觀地展示垃圾分類與溫室氣體排放之間的關系。智能體還會引導學生觀察圖表，找出數據中的規律，從而得出初步結論。這樣，學生不僅能輕松收集和處理數據，還能從中發現有價值的信息，為后續的探究提供支持。

（四）得出結論與表達交流

在得出結論階段，教學智能體根據學生分析的數據和信息，引導他們總結垃圾分類對氣候變化的具體影響，如“垃圾分類能夠顯著減少溫室氣體排放，有效緩解氣候變化”。智能體還幫助學生優化表達方式，如撰寫科學探究報告、制作演示文稿等，確保學生能夠清晰、準確地表達自己的觀點和發現。此外，智能體還可以組織學生進行在線討論或展示活動，促進學生之間的交流與合作，進一步提升學生的科學表達和溝通能力。

（五）總結反思與遷移應用

在科學探究的最后階段，教學智能體引導學生對整個探究過程進行總結和反思，幫助他們思考在探究過程中遇到的問題、解決方法以及可以改進的地方。例如，智能體可以提出反思問題，如“在數據收集過程中，哪些因素可能影響了數據的準確性？”“在實驗設計中，還有哪些可以改進的地方？”這不僅有助于學生總結經驗教訓，還培養了他們的批判性思維能力。此外，智能體還鼓勵學生將所學知識和方法遷移到其他實際問題中，如“如何在學校或社區推廣垃圾分類以應對氣候變化？”通過這種方式，學生能夠將科學探究成果應用于實際生活，進一步加深對垃圾分類與氣候變化關系的理解，同時也增強了他們的社會責任感和環保意識。

三、總結與展望

教學智能體在協助學生開展科學探究學習中，可以有效地幫助他們克服探究過程中遇到的困難，提高學生的學習興趣和實驗探究能力。然而，教學智能體在教育領域的應用仍處于發展階段，還存在一些不足之處，如知識的準確性和權威性有待進一步提高，與實際教學的融合還需要不斷優化。未來，隨著技術的不斷進步和教育理念的更新，教學智能體有望在科學探究教學中發揮更大的作用，為學生提供更加個性化、高效的學習支持。

【本文系廣州市教育科學規劃2024年度擬立項課題“人工智能環境下‘科學教育+’探究式學習模式的構建與實施”研究成果。課題編號：202315833】

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.義務教育科學課程標準[M].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2]盧宇，余京蕾，陳鵬鶴，等.生成式人工智能的教育應用與展望：以ChatGPT系統為例[J].中國遠程教育，2023（4）：24-31，51.

[3]黎加厚.教育智能體與中小學科學教育[J].中小學科學教育，2024（6）：25-34.

[4]陳琴，龐麗娟.科學探究：本質、特征與過程的思考[J].教育科學，2005（1）：1-5.

[5]盧宇，余京蕾，陳鵬鶴.基于大模型的教學智能體構建與應用研究[J].中國電化教育，2024（7）：99-108