支架式教學(xué)策略支持AIGC融入小學(xué)科學(xué)探究活動(dòng)的路徑分析

摘要：本文以武漢市某小學(xué)科學(xué)教育校本課程“解剖水葫蘆”為例，分析了科學(xué)核心素養(yǎng)與教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)資源的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并依據(jù)學(xué)習(xí)者特征和教學(xué)資源，設(shè)計(jì)了一種支架式教學(xué)策略支持下AIGC融入科學(xué)教學(xué)的應(yīng)用路徑。教學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，AI教師能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高知識(shí)留存率，強(qiáng)化探究能力。

關(guān)鍵詞：小學(xué)科學(xué)教育；AIGC；支架式教學(xué)；科學(xué)探究能力

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 論文編號(hào)：1674-2117（2024）15-0082-04

引言

生成式人工智能（ArtificialIntelligenceGeneratedContent，AIGC）賦能的AI教師能夠快速解答學(xué)生在探究過程中遇到的難題或能夠在主題場景中進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)，將所學(xué)知識(shí)用于真實(shí)生活中，促進(jìn)學(xué)生的潛在能力向?qū)嶋H能力轉(zhuǎn)化。[1]支架式教學(xué)可為學(xué)生探究活動(dòng)提供必要的支持與引導(dǎo)，支架式教學(xué)策略支持下的AI教師可以協(xié)助學(xué)生更好地理解科學(xué)現(xiàn)象和原理，助力知識(shí)構(gòu)建、內(nèi)化和輸出。[2]因此，本研究選擇武漢市某小學(xué)四年級(jí)科學(xué)教育校本課程“解剖水葫蘆”，設(shè)計(jì)支架式教學(xué)策略支持AI教師融入科學(xué)探究活動(dòng)的應(yīng)用途徑，并以四年級(jí)兩個(gè)平行班作為研究對(duì)象，探究對(duì)比兩個(gè)班學(xué)生科學(xué)探究能力的差異，分析支架式教學(xué)策略支持下AIGC融入科學(xué)探究活動(dòng)對(duì)學(xué)生能力的影響。

教學(xué)內(nèi)容與目標(biāo)分析

1.教學(xué)內(nèi)容

教師以學(xué)校旁邊的一條小河里水葫蘆泛濫現(xiàn)象引入，引導(dǎo)學(xué)生思考水葫蘆在生態(tài)系統(tǒng)中的角色和功能，探討其對(duì)其他生物種類的影響，進(jìn)而思索濕地植物在地球水循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)平衡中的重要作用。引入AI教師、實(shí)驗(yàn)記錄單作為支架，支持學(xué)生自主分層次探究水葫蘆的結(jié)構(gòu)，深入了解水葫蘆的外部形態(tài)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、生長環(huán)境、防治方法等。解剖水葫蘆實(shí)驗(yàn)可幫助學(xué)生了解水葫蘆的特征、作用、漂浮秘密等。學(xué)生在了解水葫蘆的相關(guān)知識(shí)后，可以進(jìn)一步探究濕地植物的凈化過程，即通過調(diào)查報(bào)告、實(shí)驗(yàn)探究、可視化呈現(xiàn)植物凈化水質(zhì)的過程，以發(fā)展科學(xué)思維和探究實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，增?qiáng)環(huán)保意識(shí)和社會(huì)責(zé)任感。[3]

2.教學(xué)目標(biāo)分析（如下頁表1）

應(yīng)用路徑探析

1.學(xué)習(xí)者特征分析

四年級(jí)學(xué)生對(duì)周圍的事物充滿好奇，對(duì)生活中的科學(xué)現(xiàn)象表現(xiàn)出濃厚的興趣，具有強(qiáng)烈的探索欲望。同時(shí)，經(jīng)過小學(xué)三年的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)掌握一定的科學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)，但對(duì)于一些較為抽象的概念，理解水平還停留在表面，更傾向?qū)W習(xí)與實(shí)際生活緊密相關(guān)的科學(xué)知識(shí)。由于四年級(jí)學(xué)生觀察和分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的能力有限，為增加科學(xué)探究的趣味性，筆者設(shè)計(jì)了支架式教學(xué)策略支持AI教師進(jìn)行科學(xué)教學(xué)，以實(shí)時(shí)回答學(xué)生科學(xué)探究過程中遇到的問題，促進(jìn)學(xué)生的知識(shí)內(nèi)化。

2.教學(xué)資源分析

本節(jié)課采用華中師范大學(xué)國家數(shù)字化學(xué)習(xí)工程技術(shù)研究中心團(tuán)隊(duì)研制的AI教師，并結(jié)合星火大模型、三維數(shù)字人、視頻追蹤等技術(shù)，生成具有學(xué)校IP的“小英”老師，她支持文字、語音提問，即時(shí)理解提問意圖，生成準(zhǔn)確答案，使用語音合成技術(shù)講解問題答案，為學(xué)生提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。[4]

在本節(jié)課中，教師共設(shè)計(jì)五份記錄單，為不同層次的學(xué)生提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)方案。

記錄單一：水葫蘆自主學(xué)習(xí)單，記錄想要了解的問題，小組交流，提煉關(guān)鍵性問題并向AI教師提問，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和發(fā)散思維。

記錄單二：解剖水葫蘆學(xué)習(xí)單，分離水葫蘆的各部分。水葫蘆的葉柄膨大如葫蘆，但大多數(shù)學(xué)生都不知道“葫蘆狀的部位”是什么，此時(shí)學(xué)生需要借助AI教師，認(rèn)識(shí)、記錄水葫蘆各分部的名稱，如葉柄、莖、葉、根等。

記錄單三：分類濕地植物，學(xué)生向AI教師尋求幫助。

記錄單四：學(xué)生完成濕地植物凈水過程模型設(shè)計(jì)圖，在完成過程中，可以向AI教師提問，了解設(shè)計(jì)圖的基本模式。

記錄單五：觀察、檢測和記錄濕地植物的凈水過程。學(xué)生需收集污水池、沉淀池及凈水池?cái)?shù)據(jù)，如溫度、酸堿度、溶解氧、魚類活動(dòng)及水質(zhì)類別等參數(shù)，學(xué)生可以借助AI教師甄別水質(zhì)凈化效果。

3.教學(xué)實(shí)施過程（如下圖）

（1）吸引與聯(lián)想：創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，激發(fā)深度思考

真實(shí)情境能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望，因此情境式教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的有效途徑之一。[5]教師播放預(yù)先錄制的視頻，直觀展示學(xué)校旁邊小河里繁殖的大量水葫蘆，并介紹小河的水質(zhì)情況，激發(fā)學(xué)生思考生物與環(huán)境的關(guān)系。在該環(huán)節(jié)中，教師以記錄單一為牽引，引導(dǎo)學(xué)生與“小英”老師積極互動(dòng)。例如，學(xué)生可向“小英”老師提問：①水葫蘆是濕地植物嗎？②水葫蘆有什么作用？③水葫蘆為什么可以漂浮在水面？④水葫蘆是否可食用？學(xué)生根據(jù)互動(dòng)情況填寫自主學(xué)習(xí)單，借助互動(dòng)內(nèi)容實(shí)現(xiàn)認(rèn)知的初步建構(gòu)。

（2）探究與體驗(yàn)：剖析內(nèi)部構(gòu)造，構(gòu)建特征網(wǎng)絡(luò)

在該環(huán)節(jié)，教師會(huì)展示水葫蘆實(shí)物，并講解、解剖步驟，而“小英”老師則帶領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識(shí)水葫蘆及其構(gòu)造。為豐富學(xué)習(xí)體驗(yàn)，在該環(huán)節(jié)中讓學(xué)生親自動(dòng)手解剖水葫蘆，觀察其橫、縱切面，并將水葫蘆構(gòu)造以及切面特點(diǎn)記錄在實(shí)驗(yàn)記錄單上，以幫助學(xué)生構(gòu)建知識(shí)的內(nèi)在聯(lián)系，提升其探究實(shí)踐能力。

（3）聯(lián)系與解釋：發(fā)掘深層關(guān)聯(lián)，歸納要素功能

在本環(huán)節(jié)中，以記錄單二和三為牽引，融合AI教師搭建學(xué)習(xí)支架。學(xué)生通過討論、交流更好地認(rèn)識(shí)了水葫蘆的構(gòu)造，并引發(fā)對(duì)水葫蘆漂浮在水面與自身結(jié)構(gòu)有關(guān)的思考，從而理解結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。通過給濕地植物分類，學(xué)生了解到金魚藻、狐尾藻、黑藻等沉水植物，水葫蘆、四角菱、蕪萍等漂浮植物，睡蓮、水鱉、荇菜等浮葉植物，香蒲、梭魚草、美人蕉等挺水植物，水生鳶尾、燈心草、半邊蓮等濕生植物。

（4）遷移與應(yīng)用：聚焦實(shí)際需求，延展知識(shí)脈絡(luò)

“濕地植物能夠凈化水質(zhì)，那么如何凈化湖泊的水質(zhì)呢？你能制作一個(gè)模型模擬水質(zhì)凈化過程嗎？”教師拋出本環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)任務(wù)，并播放實(shí)拍視頻《南湖水的治理過程》，引導(dǎo)學(xué)生了解污水凈化的過程。學(xué)生動(dòng)手制作一個(gè)濕地植物水葫蘆凈水器，并觀察和記錄凈水器的運(yùn)行情況，完成記錄單四；凈水模型包括污水收集器皿、沉淀池和植物凈化池。沉淀池是一個(gè)凈水器，學(xué)生可以自主選擇制作材料完成凈水器制作（向AI教師提問，獲取活性炭、石英砂、過濾紗布等材料的功能）。由于水葫蘆的凈化能力很強(qiáng)，植物凈化池里放多少水葫蘆合適？是不是越多越好？學(xué)生可以借助AI教師獲得這類問題的答案。

（5）反思與升華：立足核心素養(yǎng)，共筑綠色生態(tài)

在課程尾聲，學(xué)校生態(tài)保護(hù)社團(tuán)發(fā)出“長江大保護(hù)小衛(wèi)士”招募令，邀請(qǐng)志愿者參與長江濕地生態(tài)保護(hù)活動(dòng)，制訂植物凈水方案，并完成記錄單五。此任務(wù)立足學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的生成，能夠有效檢驗(yàn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)情況、科學(xué)概念掌握情況以及科學(xué)實(shí)踐探究情況。同時(shí)，借助AI教師實(shí)時(shí)反饋、持續(xù)學(xué)習(xí)的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)學(xué)生深化科學(xué)知識(shí)的認(rèn)知，培養(yǎng)創(chuàng)新思維與自主學(xué)習(xí)能力。

應(yīng)用效果分析

1.研究工具

為進(jìn)一步驗(yàn)證支架式教學(xué)融入AIGC的探究效果，研究團(tuán)隊(duì)在武漢市某小學(xué)隨機(jī)選取四年級(jí)兩個(gè)平行班，分別作為對(duì)照班與實(shí)驗(yàn)班開展實(shí)驗(yàn)，課前采用問卷星發(fā)放問卷，測量兩個(gè)班學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)，課后從知識(shí)留存率和探究能力兩個(gè)方面評(píng)價(jià)教學(xué)效果。為避免前測對(duì)后測產(chǎn)生“練習(xí)效應(yīng)”影響，前后測題目均圍繞“解剖水葫蘆”這一知識(shí)點(diǎn)設(shè)置10道客觀題，內(nèi)容不同但難度相似，每題10分。探究能力部分采用Likert五點(diǎn)量表測量學(xué)生的探究能力，包含提出問題、猜想假設(shè)、制訂計(jì)劃、實(shí)驗(yàn)實(shí)施和結(jié)論解釋五個(gè)維度，每149369e808b7f79369a74359636026ff個(gè)維度均設(shè)置4道題目，共計(jì)20題。所采用的Likert五點(diǎn)量表包含從“完全不符”到“完全符合”五種不同程度的選項(xiàng)，學(xué)生從中選擇符合其自身認(rèn)知事實(shí)的答案，分值對(duì)應(yīng)1～5分。采用可靠性分析與主成分分析分別測量量表的信度與效度，其中Cronbach’s alpha為0.954，KMO為0.872，表明量表的信效度較高。

在課程結(jié)束后，共回收104份問卷，其中實(shí)驗(yàn)班52份、對(duì)照班52份，回收率100%，剔除無效問卷后得到103份，有效率99.03%，將數(shù)據(jù)錄入SPSS 27.0進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，分別得出組統(tǒng)計(jì)量、T檢驗(yàn)結(jié)果、方差齊性檢驗(yàn)結(jié)果等分析結(jié)果。

2.研究結(jié)果

（1）知識(shí)留存率

由無重復(fù)雙因素方差分析可知，對(duì)照班均值56.59分，實(shí)驗(yàn)班均值54.77分，p=0.52＞0.05，前測成績不存在顯著差異，說明實(shí)驗(yàn)班與對(duì)照班具有同質(zhì)性。課后實(shí)驗(yàn)班的知識(shí)留存率（M=69.21）提升幅度大于對(duì)照班（M=61.68），說明支架式教學(xué)支持的AIGC能夠?yàn)榭茖W(xué)課程帶來更好的教學(xué)效果?？赡艿脑蛴校孩貯I教師提供更快速、具體的知識(shí)反饋，幫助學(xué)生及時(shí)識(shí)別和修正錯(cuò)誤，促進(jìn)知識(shí)的鞏固與記憶，有助于提升知識(shí)留存率；②支架式教學(xué)融入AIGC增強(qiáng)課堂交互性和學(xué)生參與度，借助概念解釋、探究實(shí)踐與思維培養(yǎng)等課堂環(huán)節(jié)，提高學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的興趣和投入。

（2）探究能力

如表2所示，五個(gè)維度的研究結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)班得分均高于對(duì)照班，p值均低于0.05，存在顯著性差異。

①提出問題方面。AI教師在教學(xué)過程中起到了積極的引導(dǎo)作用，為學(xué)生提供個(gè)性化的支持和反饋，有助于學(xué)生更好地理解和探索水葫蘆的基本特征，增強(qiáng)提出問題的能力。

②猜想假設(shè)方面。AI教師采用的啟發(fā)式方法能夠激發(fā)學(xué)生思考與探究，實(shí)驗(yàn)班學(xué)生能夠發(fā)散思維，猜想水葫蘆的生長狀態(tài)與水質(zhì)凈化功能之間的內(nèi)在聯(lián)系。

③制訂計(jì)劃方面。AI教師清晰的陳述邏輯能夠支撐學(xué)生構(gòu)建認(rèn)知支架，明確解剖水葫蘆實(shí)驗(yàn)的基本步驟，引導(dǎo)學(xué)生在制訂計(jì)劃的過程中優(yōu)化學(xué)習(xí)策略，深化知識(shí)點(diǎn)的理解程度。

④實(shí)驗(yàn)實(shí)施方面。AI教師能夠提供標(biāo)準(zhǔn)化的操作步驟和指導(dǎo)，幫助學(xué)生遵循科學(xué)原理設(shè)計(jì)出合理且有效的實(shí)驗(yàn)方案。

⑤結(jié)論解釋方面：支架式教學(xué)與AI教師的融合，可創(chuàng)建支持性的學(xué)習(xí)環(huán)境，穿插于探究過程的概念和原理指導(dǎo)，幫助學(xué)生輸出完整的知識(shí)脈絡(luò)體系，合理解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

總結(jié)

本課以水葫蘆為例，沿著“激發(fā)—感知—內(nèi)化—建?！敵觥边@一教學(xué)主線，按照“吸引與聯(lián)想”“探究與體驗(yàn)”“聯(lián)系與解釋”“遷移與應(yīng)用”“反思與升華”五個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，深入剖析了支架式教學(xué)融入AI教師的路徑。支架式教學(xué)強(qiáng)調(diào)學(xué)生的主體地位，借助于AI教師和實(shí)驗(yàn)觀察單，調(diào)動(dòng)了學(xué)生的積極性，使學(xué)生主動(dòng)建構(gòu)知識(shí)，發(fā)展自主探究和主動(dòng)學(xué)習(xí)的能力，為終身學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。

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第一作者簡介：張璐（1986.12—）女，漢族，湖北武漢人，本科，一級(jí)教師，小學(xué)科學(xué)專職教師。

基金項(xiàng)目：2022年湖北省武漢市漢陽區(qū)教師個(gè)人課題立項(xiàng)“基于小學(xué)科學(xué)教學(xué)中實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)建構(gòu)的研究”。