實驗型智能體在生物模型建構中的教學應用

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》強調發展學生的生物學學科核心素養，包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任。實驗教學作為培養學生科學素養、實踐能力和創新精神的重要途徑，做中學有利于生物學概念的理解和應用。以人工智能（AI）為代表的信息技術是新一輪教育創新發展的重要驅動力，開展AI教與學的研究是發展“AI+”教育的核心任務^[1]。然而，減數分裂與可遺傳變異是高中生物學必修2教學的核心難點。在實驗型課堂中，手工制成的染色體模型多為靜態，不能動態呈現減數分裂中同源染色體配對、互換等關鍵過程，學生容易對“基因重組”“同源染色體分離”“姐妹染色單體分離”等抽象概念產生理解偏差。此外，傳統實驗中教師無法實時跟蹤每位學生的操作，學生無法通過自主糾錯深化理解知識，難以滿足學生個性化的學習需求^[2]。為此，筆者以高中生物學“減數分裂中可遺傳變異的染色體行為”這一大概念為載體，創造性地構建智能體的三維教學交互系統，創建一個可動態模擬染色體聯會、互換及分離過程的智能反饋實驗助手，將抽象的遺傳機制具象化為可交互的生命模型。該范式依托智能體賦能實驗教學，通過培養科學建模能力促進學生核心素養發展，推動教學模式從知識傳遞轉向科學思維的建構，為數字化生命科學實驗教學開辟新路徑。

一、實驗型智能體的設計與創建

（一）“學生為本”的大單元實驗設計

在基因表達與變異的大單元教學內容中，可遺傳變異包括基因重組、突變（基因突變和染色體變異）等。學生的困惑之處在于可遺傳變異與減數分裂知識的分析與綜合。為此，筆者建構減數分裂中的染色體變化模型，對實際操作進行直觀化的辨析。教學中需要讓學生意識到基因重組發生在減數分裂時期，而突變可以發生在真核細胞的任何時期。為了避免學生因模型實驗形成記憶固化，筆者設計實驗引導學生研究可遺傳變異的染色體變化，強調不同之處的可視化。對于本單元的實驗，筆者設計了四個模塊任務（如圖1），各模塊分別構建對應的可遺傳變異模型，結合實驗型智能體給予操作指導，將模塊任務內容有機串聯，系統地開展知識辨析與總結，最終構建完整的知識體系。后文將詳細描述實驗流程。

（二）“因材定制”的實驗智能體

根據本實驗的教學目標和學生需求，利用網頁端的AI應用開發平臺（例如Coze）設計專屬實驗型智能體，創建流程如圖2所示。

1.創建智能體

第一步，編排實驗設計和實驗要求、可遺傳變異內容、減數分裂動態視頻、基因的分離和自由組合定律、視頻網頁鏈接等，以markdown的形式寫入智能體的程序中。將DeepSeek編程的虛擬實驗網頁端口鏈接、設置三階問題任務鏈環節、通關訓練要求、不同問題情境觸發答疑內容、可遺傳變異題型辨析、生活現象相聯系的實例、交互回答幽默風趣等規則要求進行統一編寫。

第二步，選擇與之相匹配的插件，并配置能夠進行隨時溝通的智能對話。學生通過上傳模型圖進行智能識別理解，播放相關視頻，例如通過嗶哩嗶哩觀看動畫等。知識的文本模塊需上傳本實驗的學案，表格內容里插入相關的減數分裂模型圖片集，便于學生上傳圖像時，人工智能能夠更好地理解答疑。

第三步，選擇“豆包”大模型的圖片理解模式。

第四步，在右側的調試界面，進行預覽與調試，反復修正。

第五步，選擇發布平臺，最后復制智能體的鏈接應用于教學具體場景里，也可生成App或搜索智能體，發送到學生平板電腦上，便于學生實時操作。

二、實驗型智能體與實驗教學的深度融合

（一）本單元實驗過程

1.第一任務模塊：重要時期的染色體模型構建

減數第一次分裂前期的任務如下。

實驗操作：將制作好的黏土材料的染色體模型按照同源染色體配對的方式，用兩種顏色區分父方和母方，模擬同源染色體配對形成四分體的形態，并將它們固定在卡紙上。

智能體功能設計：支持學生通過網頁鏈接或智能體界面直接訪問3D模型TRIPO網端（如圖3），從不同角度觀察四分體時期染色體的微觀結構。學生使用鼠標操作，旋轉、縮放畫面，觀察染色體纏繞情況，更直觀地理解這一時期的特點。

減數第一次分裂后期的任務如下。

此階段實驗操作任務如下：學生將同源染色體模型分別移向卡紙兩邊，即細胞的兩極，模擬同源染色體分離的過程。

智能體應實現如下功能：利用動態模擬功能，展示同源染色體分離和非同源染色體自由組合過程。如果學生操作有誤，智能體會通過語音或文字提示錯誤并提供指導。

減數第二次分裂后期的任務如下。

此階段實驗操作任務如下：將經過減數第一次分裂后期的染色體模型放置在卡紙上，形成次級精母細胞。師生操作演示減數第二次分裂后期，即著絲粒分裂、姐妹染色單體分離的過程。

此階段智能體應實現如下功能：智能體借助動畫模擬姐妹染色單體分離的過程，并展示染色體形態的變化。學生可以通過語音交互詢問更多的細節，智能體會結合動畫和語音說明，并根據學生的需求進行播放和演示。

2.第二任務模塊：孟德爾遺傳規律的模型構建（如圖4）

第一階任務：基因定位。

此階段實驗操作任務如下：學生用不同顏色的小紙片表示不同基因，模擬相同基因、等位基因、非等位基因在染色體上的位置關系。

此階段智能體應實現如下功能：智能體實時采集學生制作的圖像，并通過文字或語音反饋錯誤。例如，如果學生將等位基因放在同一條染色體上，智能體會提示：“等位基因應位于同源染色體的相同位置。”學生修正后，智能體會解鎖下一任務并加分獎勵。若學生有疑問，智能體可通過3D動畫展示基因在染色體上的定位。

第二階任務：驗證基因分離定律。

此階段實驗任務如下：學生模擬等位基因分離的過程，記錄配子的基因型（如A或a），并驗證子代性狀分離比為3∶1。

此階段智能體應實現如下功能：智能體可借助動態模擬動畫呈現上述過程，同步進行語音和文字說明，強調基因分離定律發生的時期為減數第一次分裂后期。同時，智能體提供相關的概念解釋和實例，幫助學生理解基因分離定律的本質。

第三階任務：自由組合定律推導。

此階段實驗操作任務如下：細胞內含有兩對同源染色體，學生將A與a定位于第一對同源染色體上，B與b定位于第二對同源染色體上，模擬減數第一次分裂后期等位基因隨同源染色體分離，非等位基因隨非同源染色體自由組合，記錄形成4種類型配子（如AB、Ab、aB、ab）。

此階段智能體應實現如下功能：支持學生上傳4種類型的配子AB、Ab、aB、ab的細胞模型（如圖5①）。如果基因型驗證正確，系統將基于基因自由組合規律（利用DeepSeek編程），自動生成虛擬實驗（如圖5②）。學生可借助智能體進行仿真交互實驗，手動操作四種雌雄配子的隨機組合，最終借助實驗驗證子代性狀呈現9∶3∶3∶1的比例。為保證實驗順利用進行，如遇問題智能體會借助模擬實驗動畫或模型案例等智能反饋，幫助學生主動調整染色體模型。操作正確后給予獎勵并進入下一環節，最后智能體給出完成三階任務的祝福語。

3.第三任務模塊：基因重組的演示與探究

教師引導提出探究問題：什么是基因重組？什么是基因的重新組合？解釋基因重組發生的時期。解釋基因重組的類型。學生思考回答：不同性狀的基因的重新組合，也可以理解為非等位基因的重新組合，發生在減數第一次分裂前期和減數第一次分裂后期，染色體行為分別為同源染色體的非姐妹染色單體互換和同源染色體分離非同源染色體自由組合這兩種類型。學生利用上一任務建構經驗，制作和補充這兩種基因重組的模型，做好記錄，上傳智能體進行反饋。

4.第四任務模塊：與生活實際聯系的知識辨析模型建構

智能體從生活現象到科學問題情境進行設計，引發學生思考：鐮狀細胞貧血、豌豆黃皺綠圓、果蠅的花斑眼等性狀屬于可遺傳變異的哪種類型？學生回答：依次是基因突變、基因重組、染色體結構變異—易位。學生可以構建基因突變，染色體結構變異—易位等染色體模型進行難點的區分。結合先前構建的基因重組—同源染色體的非姐妹單體互換的模型，與染色體結構變異—易位模型（如圖6）進行對比，利用智能體設置辨析圖6右側的智能化習題。支持教師—學生、智能體—學生、教師—智能體等互動解惑，加強學生對知識的掌握。

三、結合教學實際分析實驗型智能體的應用價值

實驗型智能體將傳統的手工模型操作升級為“觀察—探究—應用”一體化的深度學習過程，充分體現了核心素養的培育價值。實驗型智能體通過整合動態實驗模擬、交互式任務和情景化指導，構建了一個多層次、多維度的模型建構實驗學習環境。

（一）形成動態模擬的智能實驗系統

智能實驗系統實現了三大功能。一是通過動畫和虛擬仿真實驗，立體式地呈現減數分裂過程（如四分體形成、同源染色體分離等），以及可遺傳變異的一些微觀場景（如染色體結構變異易位、基因重組、基因突變等），幫助學生直觀理解抽象概念，多角度觀察四分體結構。借助3D模型展示基因在染色體上的定位，幫助學生更好地理解基因定位的空間關聯。二是在驗證基因自由組合時，智能體通過編程仿真虛擬實驗生成配子結合結果，自動計算子代表型比例（9∶3∶3∶1）。三是動態模擬的可視化并非簡單的“圖形呈現”，而是借助技術賦能搭建了一個“可觀察、可交互、可推理”的認知腳手架。學生利用黏土模型將建構上傳到智能體，參考平臺反饋建議實時操作，這種互動機制允許智能體從現實世界的場景中獲取經驗，并據此改進它們的行為策略，以此增強整個系統的智能性、互動性和協作能力^[3]。總之，學生向實驗智能體提出問題，對比基因重組與染色體變異的模型圖，提高辨析理解能力，不僅能夠即時修正操作錯誤，更能在“動手—反饋—反思”的循環中深化對遺傳學核心概念的理解，通過具象化操作，從“記憶概念”轉向“理解機制”，深化結構與功能觀、進化與適應觀理解。

（二）驅動交互式游戲任務

以交互式游戲的方式開展教學活動成效明顯。一是構建以游戲任務驅動的關卡，實驗型智能體即時反饋進行闖關互動，激發學生學習探索欲望。教師設計“基因定位→分離定律→自由組合定律”三階問題鏈驅動思維進階，培養學生的歸納、演繹與模型建構能力，強化科學思維的嚴謹性與批判性。二是每階段任務配備智能體驅動的動態評估引擎，發布時提供簡短的引導詞語或圖文情境說明，設計任務鏈的進度提示，幫助學生快速理解任務目標。學生通過上傳黏土模型或使用交互式模型（建模軟件如Unity）完成任務，每一任務完成后，智能體根據學生的完成情況提出對應問題，回答正確后方可進入下一階段并給予獎勵（積分或徽章）；依據學生上傳的模型進行回答，智能體提供詳細的反饋和改進建議；對于多次錯誤，智能體提供額外的學習資源，如視頻講解或模擬實驗，在完成任務中思維得到鍛煉，增強學生學習的自信心和探究能力。三是借助智能體優化后的問題驅動三級探究任務，使學生逐步掌握基因在染色體上的位置、分離定律和自由組合定律的邏輯原理。總之，實驗智能體驅動的動態評估系統在提供即時反饋的同時，更能引導學生深入思考，使他們不僅掌握生物學原理，而且學會獨立思考，解決問題。智能體游戲形式的交互反饋，提高了學生學習的交互性和趣味性。即時反饋和個性化指導可幫助學生高效完成學習目標，助其在“做中學”“學中思”“思中總結”的過程中構建出遺傳學兩大規律的內在聯系和知識體系。

（三）聯系生活實際助力情境化教學

一是結合生活案例（鐮狀細胞貧血、果蠅花斑眼等）嵌入教學互動環節，聯系生活實際創設實驗情境。情境化教學能將復雜的遺傳學原理融入真實的生活場景，引導學生在探究中學習，在實踐中成長。二是利用智能體從生活現象到科學問題情境進行教學設計，幫助學生分組構建減數分裂中可遺傳變異的染色體變化模型，完成基因突變、基因重組、染色體結構變異等概念的構建任務。這有助于學生直觀理解減數分裂過程中染色體的變化及其對遺傳變異的影響。三是教師開展從現象到規律的實驗教學，引導學生觀察減數分裂染色體行為與可遺傳變異的內在聯系，結合遺傳學理論解析實驗現象，指導學生運用知識解決現實問題，如遺傳病的預防與治療、農作物育種等，實現知識遷移與科學實踐能力的同步提升。總之，在生命科學教學中，教師可以利用智能體創設理論聯系實際的教學情境，提高學生的認知水平和理解深度。

未來我們可以構建一個智能學習生態系統：教師將轉型為學習設計者，借助任務引導開拓學生思維，支持學生用智能體設置個性化學習方案，借助智能體交互實現深度學習探究，形成“教師引導—學生探究—智能體反饋”的立體化學習場域，最終構建起知識獲取與實踐應用貫通的新型教學模式，最大化釋放人工智能的教學賦能價值。

注：本文系遼寧省丹東市“十四五”教育科學規劃課題“基于結構與功能觀的高中生大單元教學策略實踐探究”（項目編號：DJK24002）的研究成果。

參考文獻

[1] 夏立新，楊宗凱，黃榮懷，等.教育數字化與新時代教育變革（筆談）[J].華中師范大學學報（人文社會科學版），2023（5）：1-22.

[2] 伊麗梅.“扣子”智能體在高中生物學教學中的應用[J].生物學教學，2025（1）：49-52.

[3] 宛平，顧小清.從他者闡釋走向他主同一：多智能體賦能教師學習的實踐轉變[J].現代遠距離教育，2024（6）：16-24.

（作者系遼寧省丹東市第一中學教師）

責任編輯：祝元志