交叉學(xué)科視角下小學(xué)科學(xué)的創(chuàng)新教學(xué)實(shí)踐

【摘 要】本文以AI計(jì)算模擬種群增長(zhǎng)作為案例，探討了利用生成式AI在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的創(chuàng)新應(yīng)用。文章強(qiáng)調(diào)了AI在科學(xué)研究中的重要性，并闡述了其在小學(xué)科學(xué)教育中的應(yīng)用背景和意義。通過(guò)跨學(xué)科的單元設(shè)計(jì)，課程結(jié)合生物學(xué)、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)，AI工具模擬種群的增長(zhǎng)，加深對(duì)生物學(xué)原理的理解，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維和科學(xué)探究能力。

【關(guān)鍵詞】AI模擬；大模型；自動(dòng)化編程

【中圖分類號(hào)】G434" "【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2025）02-077-05

當(dāng)今時(shí)代，人工智能（AI）技術(shù)正以其前所未有的速度和規(guī)模滲透到各個(gè)領(lǐng)域，其中之一便是科學(xué)教育。AI for Science，即人工智能在科學(xué)研究中的應(yīng)用，已經(jīng)成為一個(gè)跨學(xué)科交叉的新趨勢(shì)。

在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，AI的應(yīng)用背景和意義尤為突出。小學(xué)生正處于好奇心和探索欲望最為強(qiáng)烈的時(shí)期。AI技術(shù)的引入可以極大地激發(fā)他們對(duì)科學(xué)的興趣和熱情。通過(guò)AI輔助的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和模擬，學(xué)生能夠在安全的虛擬環(huán)境中探索自然界的奧秘，體驗(yàn)科學(xué)探究的過(guò)程，這不僅能夠增強(qiáng)他們的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，還能夠培養(yǎng)他們的科學(xué)思維和問(wèn)題解決能力。

用AI計(jì)算模擬“生物與環(huán)境的相互作用”單元整體設(shè)計(jì)

生物學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，需要嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析得出大多數(shù)結(jié)論。然而，生物與環(huán)境的關(guān)系研究往往耗時(shí)且復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的獲取需要較長(zhǎng)時(shí)間。AI計(jì)算模擬提供了一種快速獲取結(jié)果的有效途徑。通過(guò)模擬，我們可以在短時(shí)間內(nèi)預(yù)測(cè)生物種群增長(zhǎng)、環(huán)境變化等復(fù)雜現(xiàn)象。AI作為工具，能夠加速科學(xué)探究，幫助學(xué)生和研究人員快速獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，是解決生物與環(huán)境問(wèn)題的重要輔助手段。

1.單元學(xué)習(xí)目標(biāo)

在單元整體設(shè)計(jì)上，課程結(jié)合生物學(xué)、數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)，為學(xué)生提供了一個(gè)跨學(xué)科學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，培養(yǎng)他們的計(jì)算思維和科學(xué)探究能力。學(xué)生將學(xué)習(xí)使用AI工具來(lái)模擬種群增長(zhǎng)、明確生物與環(huán)境的關(guān)系，這不僅加深了對(duì)生物學(xué)原理的理解，還能發(fā)展創(chuàng)新和創(chuàng)造力，在提升技術(shù)應(yīng)用能力的同時(shí)，掌握科學(xué)思維和科學(xué)探究的方法，并倡導(dǎo)落實(shí)生物安全的社會(huì)責(zé)任。

2.單元內(nèi)容分析

在信息科技方面，學(xué)生將通過(guò)生活中的實(shí)例，體驗(yàn)算法的存在，并學(xué)習(xí)用自然語(yǔ)言、流程圖等方式描述算法。在科學(xué)課程方面，學(xué)生將探索生物與環(huán)境之間的密切聯(lián)系，理解生物如何適應(yīng)環(huán)境的變化，并認(rèn)識(shí)到生物對(duì)環(huán)境的影響。綜合這兩個(gè)學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)，本單元的學(xué)習(xí)內(nèi)容將圍繞“身邊的算法”和“生物與環(huán)境的相互作用”展開，旨在培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)字素養(yǎng)、科學(xué)探究能力，培養(yǎng)他們的實(shí)踐能力和創(chuàng)新思維。

3.單元內(nèi)容跨學(xué)科設(shè)計(jì)框架

本單元以“計(jì)算思維”為核心（圖1），圍繞“分析問(wèn)題與抽象建?！薄扒蠼鈫?wèn)題與總結(jié)遷移”“算法與自動(dòng)化”三個(gè)維度展開。通過(guò)四個(gè)課時(shí)，我們將信息科技與生物學(xué)的知識(shí)點(diǎn)相結(jié)合。

第一課時(shí)“用AI計(jì)算：模擬生物種群的增長(zhǎng)”將引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用計(jì)算思維，對(duì)真實(shí)的生物種群增長(zhǎng)問(wèn)題進(jìn)行抽象簡(jiǎn)化與數(shù)學(xué)建模，并在算法設(shè)計(jì)和自動(dòng)求解中親歷問(wèn)題解決的過(guò)程。

第二課時(shí)將深入探討“初探國(guó)門生物安全”，通過(guò)AI計(jì)算模擬，讓學(xué)生建立J型和S型曲線，并探索這一曲線在生物學(xué)中的實(shí)際意義。

第三課時(shí)“用AI計(jì)算：探究生物與環(huán)境的相互作用”，讓學(xué)生通過(guò)AI技術(shù)模擬生物與環(huán)境之間的復(fù)雜關(guān)系，分析環(huán)境變化對(duì)生物的影響，以及生物如何適應(yīng)環(huán)境變化。

第四課時(shí)“用AI計(jì)算：實(shí)驗(yàn)生態(tài)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡結(jié)合項(xiàng)目”實(shí)踐DIY生物與環(huán)境的科學(xué)游戲，讓學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐，通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)探索生態(tài)系統(tǒng)的平衡機(jī)制，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的總結(jié)遷移。

4.學(xué)習(xí)者分析

在本單元的學(xué)習(xí)中，五年級(jí)學(xué)生將基于他們已有的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)、簡(jiǎn)單的抽象思維能力和小組合作經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步發(fā)展跨學(xué)科學(xué)習(xí)能力。他們需要將數(shù)學(xué)知識(shí)與生物學(xué)概念相結(jié)合，學(xué)習(xí)種群增長(zhǎng)的基本概念，并將其應(yīng)用于實(shí)際問(wèn)題。面對(duì)新知學(xué)習(xí)、實(shí)踐應(yīng)用和遷移應(yīng)用的挑戰(zhàn)，我們將采取分步驟教學(xué)、實(shí)際案例研究、小組合作和反饋修正的策略，以幫助學(xué)生克服困難，有效地將知識(shí)應(yīng)用于新的情境中。

用AI計(jì)算模擬種群增長(zhǎng)的教學(xué)實(shí)施

本課程通過(guò)分析問(wèn)題、求解問(wèn)題和總結(jié)遷移，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行形式化、模型化和自動(dòng)化的思考，以系統(tǒng)化的方式進(jìn)行總結(jié)和遷移。以兔子種群數(shù)量為例，教師介紹了J型曲線和兔子數(shù)列模型，讓學(xué)生通過(guò)AI自動(dòng)計(jì)算和修改科學(xué)假設(shè)來(lái)探究種群增長(zhǎng)。課程還拓展到大腸桿菌繁殖等新問(wèn)題，強(qiáng)調(diào)在資源有限的環(huán)境下S型曲線的應(yīng)用。

1.教學(xué)內(nèi)容分析

教學(xué)從“分析問(wèn)題”開始，讓學(xué)生理解澳大利亞野兔種群?jiǎn)栴}的重要性和復(fù)雜性。接著，“構(gòu)建模型”階段引入兔子數(shù)列模型，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)如何將現(xiàn)實(shí)世界的生物學(xué)問(wèn)題抽象成數(shù)學(xué)模型。在“算法求解”環(huán)節(jié)，通過(guò)流程圖算法，學(xué)生將學(xué)習(xí)如何設(shè)計(jì)和實(shí)施求解過(guò)程。教學(xué)內(nèi)容進(jìn)一步延伸到“自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)”，鼓勵(lì)學(xué)生將算法轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行的代碼，體驗(yàn)編程的實(shí)際應(yīng)用。最后，在“AI幫助生成代碼”部分，學(xué)生將接觸AI輔助編程，學(xué)習(xí)如何利用AI技術(shù)修正模型，并通過(guò)S型和J型曲線理解種群增長(zhǎng)的不同模式。

2.學(xué)習(xí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)

本單元的學(xué)習(xí)重點(diǎn)在于培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維，特別是抽象與建模的能力。學(xué)生通過(guò)兔子數(shù)列的計(jì)算與分析，深入理解并應(yīng)用計(jì)算思維中分析問(wèn)題的關(guān)鍵步驟。此外，動(dòng)手實(shí)踐是學(xué)習(xí)的重點(diǎn)之一，學(xué)生將學(xué)習(xí)如何運(yùn)用AI生成代碼，通過(guò)程序驗(yàn)證算法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化計(jì)算，并在與AI的多輪交互中不斷迭代優(yōu)化解決方案。本單元的學(xué)習(xí)難點(diǎn)主要集中在理解種群增長(zhǎng)的J型曲線和S型曲線，以及將這些科學(xué)概念與AI技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行自動(dòng)化計(jì)算和模型改進(jìn)。學(xué)生需要通過(guò)科學(xué)探究的方式，理解這兩種曲線背后的生態(tài)學(xué)原理，并能夠運(yùn)用AI生成代碼，通過(guò)程序進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)計(jì)算思維中的自動(dòng)化計(jì)算。此外，學(xué)生還需通過(guò)修改科學(xué)假設(shè)后的模型改進(jìn)探究，將所學(xué)知識(shí)遷移應(yīng)用到新的類似問(wèn)題中，提高綜合應(yīng)用能力。

3.學(xué)習(xí)活動(dòng)

學(xué)習(xí)活動(dòng)的組織將圍繞“國(guó)門生物安全用AI計(jì)算模擬種群增長(zhǎng)”的任務(wù)主線展開?；顒?dòng)從“問(wèn)題引入”開始，讓學(xué)生了解生物種群增長(zhǎng)趨勢(shì)與國(guó)門生物安全的關(guān)系。接著，在“分析問(wèn)題”階段，學(xué)生將學(xué)習(xí)如何將種群增長(zhǎng)問(wèn)題抽象并建模。在“求解問(wèn)題”環(huán)節(jié)，學(xué)生將從模型轉(zhuǎn)向算法描述，并利用AI進(jìn)行自動(dòng)化計(jì)算。在“改進(jìn)探究”階段，學(xué)生將修改科學(xué)假設(shè)，用AI進(jìn)行模擬探究。最后，在“總結(jié)遷移”環(huán)節(jié)，學(xué)生將總結(jié)問(wèn)題解決方法，并準(zhǔn)備將所學(xué)知識(shí)遷移應(yīng)用到其他情境中。

4.教學(xué)流程

在本次課程中，我們通過(guò)一系列精心設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，引導(dǎo)學(xué)生從實(shí)際案例出發(fā)，逐步抽象出數(shù)學(xué)模型，并最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化求解。課程的核心是探討種群增長(zhǎng)問(wèn)題，特別是J型和S型增長(zhǎng)曲線。

（1）課程引入環(huán)節(jié)。我們以小明在國(guó)外游玩時(shí)因攜帶一束花而被海關(guān)扣留的情境作為引子，引入國(guó)門生物安全的主題。我們強(qiáng)調(diào)了生物安全管理的重要性，并以18世紀(jì)澳大利亞野兔泛濫的案例為例，讓學(xué)生思考兔子種群增長(zhǎng)趨勢(shì)及其對(duì)生態(tài)安全的影響。學(xué)生在觀看視頻的過(guò)程中，將思考并討論兔子增長(zhǎng)趨勢(shì)和種群增長(zhǎng)對(duì)生態(tài)安全的影響。

（2）抽象建模環(huán)節(jié)。我們通過(guò)生動(dòng)的案例引導(dǎo)學(xué)生理解野兔種群的增長(zhǎng)規(guī)律。從初始條件出發(fā)，即初始時(shí)刻有一對(duì)成年野兔，教師講解每對(duì)成年野兔每月都會(huì)產(chǎn)生一對(duì)小野兔的生長(zhǎng)規(guī)則；通過(guò)圖表展示不同時(shí)間點(diǎn)的種群變化，幫助學(xué)生直觀理解種群數(shù)量的變化過(guò)程。接著，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行討論，鼓勵(lì)他們思考如何用數(shù)學(xué)模型表示這一增長(zhǎng)規(guī)律，并計(jì)算出第n個(gè)月時(shí)的種群數(shù)量，如圖2。

（3）求解算法環(huán)節(jié)。我們引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)流程圖來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)算法，用以計(jì)算兔子種群的增長(zhǎng)。學(xué)生將按照流程圖的步驟，從初始化開始，逐步推導(dǎo)出每個(gè)月的兔子數(shù)量，直到得出第n個(gè)月的總兔子數(shù)。我們鼓勵(lì)學(xué)生思考算法背后的數(shù)學(xué)原理，即斐波那契數(shù)列，并探討其在現(xiàn)實(shí)世界中的應(yīng)用，如圖3。

（4）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化求解環(huán)節(jié)。我們將向?qū)W生展示如何利用AI技術(shù)將流程圖轉(zhuǎn)換為Python程序，以自動(dòng)化求解兔子種群增長(zhǎng)問(wèn)題。首先，教師解釋流程圖的邏輯，并指導(dǎo)學(xué)生如何用自然語(yǔ)言描述算法。然后，教師示范如何與AI互動(dòng)，輸入提示語(yǔ)讓AI生成Python代碼，并解釋代碼的工作原理。最后，教師引導(dǎo)學(xué)生如何將AI計(jì)算的結(jié)果可視化，并在Moodle平臺(tái)（學(xué)校內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)討論平臺(tái)）上分享討論。

（5）模型優(yōu)化環(huán)節(jié)。我們將引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)AI的輔助來(lái)理解非理想環(huán)境下種群增長(zhǎng)的S型曲線。教師介紹S型曲線，解釋其與J型曲線的區(qū)別，并引導(dǎo)學(xué)生如何在AI的幫助下，根據(jù)現(xiàn)實(shí)條件如資源限制和天敵存在等因素，調(diào)整模型參數(shù)來(lái)模擬兔子種群的增長(zhǎng)趨勢(shì)。

（6）課程總結(jié)環(huán)節(jié)。我們將總結(jié)本次課程內(nèi)容，回顧從實(shí)際案例出發(fā)，逐步抽象出數(shù)學(xué)模型的過(guò)程。分析了J型增長(zhǎng)的條件與特點(diǎn)，通過(guò)AI輔助，將種群增長(zhǎng)模型轉(zhuǎn)化為算法，并最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化求解。學(xué)生通過(guò)與AI的互動(dòng)，模擬了非理想環(huán)境下的S型曲線增長(zhǎng)，體驗(yàn)了從問(wèn)題到模型再到算法的完整過(guò)程，并在線上平臺(tái)交流了模擬結(jié)果，有效提升了他們的數(shù)學(xué)建模和問(wèn)題解決技能。

5.教學(xué)評(píng)價(jià)

本課程的教學(xué)評(píng)價(jià)體系綜合了課堂活動(dòng)參與、小組互動(dòng)討論和課后作業(yè)三個(gè)部分，以全面評(píng)估學(xué)生的學(xué)習(xí)成效。

其中，課堂活動(dòng)參與占評(píng)價(jià)的40%，重點(diǎn)考查學(xué)生在“學(xué)生活動(dòng)二”中連一連流程圖的完成情況，以及“學(xué)生活動(dòng)三”（圖4）中對(duì)AI計(jì)算模擬兔子增長(zhǎng)的探究結(jié)果分享。小組互動(dòng)討論占評(píng)價(jià)的30%，通過(guò)“學(xué)生活動(dòng)四”中在環(huán)境資源有限條件下的AI交互探究結(jié)果分享，評(píng)價(jià)學(xué)生在小組合作中的表現(xiàn)和貢獻(xiàn)，以及他們對(duì)科學(xué)假設(shè)的理解和模型改進(jìn)的能力。課后作業(yè)占評(píng)價(jià)的30%，學(xué)生需完成“遷移應(yīng)用新問(wèn)題”的作業(yè)，探究大腸桿菌菌群分裂趨勢(shì)。

創(chuàng)新特色與總結(jié)反思

本節(jié)課的特色體現(xiàn)在跨學(xué)科教學(xué)的深度融合，具體表現(xiàn)為：“AI for Science”強(qiáng)調(diào)了人工智能在科學(xué)研究中的應(yīng)用，促進(jìn)了科學(xué)與技術(shù)的交叉融合；運(yùn)用大模型進(jìn)行自動(dòng)化編程展示了如何通過(guò)先進(jìn)的AI模型簡(jiǎn)化編程過(guò)程，提高效率；突出科學(xué)思維與計(jì)算思維，強(qiáng)調(diào)了在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的雙重思維方式，以適應(yīng)未來(lái)社會(huì)的需求；生生互動(dòng)與快速反饋的教學(xué)評(píng)價(jià)通過(guò)互動(dòng)討論和即時(shí)反饋，增強(qiáng)了學(xué)生的參與感和學(xué)習(xí)動(dòng)力，提升了教學(xué)效果。這四個(gè)特色共同構(gòu)建了一個(gè)創(chuàng)新、互動(dòng)和高效的學(xué)習(xí)環(huán)境。

1.AI for Science是跨學(xué)科交叉教學(xué)新趨勢(shì)

AI for Science作為跨學(xué)科交叉教學(xué)的新趨勢(shì)，正逐漸改變著科學(xué)教育的面貌。通過(guò)結(jié)合生物學(xué)與信息科技，本教學(xué)單元以國(guó)門生物安全為背景，引入兔子種群增長(zhǎng)趨勢(shì)的問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生對(duì)生物與環(huán)境相互作用的興趣。教學(xué)過(guò)程中，生物教師和AI教師的協(xié)同合作，為學(xué)生提供了一個(gè)互動(dòng)性強(qiáng)、反饋迅速的學(xué)習(xí)環(huán)境。學(xué)生在探究兔子種群增長(zhǎng)趨勢(shì)的同時(shí)，還能通過(guò)AI計(jì)算模擬，深入理解J型曲線和S型曲線，進(jìn)一步逼近真實(shí)問(wèn)題。

2.運(yùn)用大模型進(jìn)行自動(dòng)化編程

運(yùn)用大模型進(jìn)行自動(dòng)化編程是本節(jié)課的又一亮點(diǎn)。教師帶領(lǐng)學(xué)生在VS Code編輯器上編輯，其AI聊天區(qū)提供了即時(shí)的編程輔助和問(wèn)題解答，幫助開發(fā)者快速解決編碼難題。代碼編輯區(qū)展示了如何通過(guò)自然語(yǔ)言描述或流程圖輸入，學(xué)生用自然語(yǔ)言輸入關(guān)鍵信息，如將流程圖直接截頻發(fā)送給AI，并提出需求“根據(jù)流程圖將兔子增長(zhǎng)趨勢(shì)可視化出來(lái)”。之后，AI能夠理解并轉(zhuǎn)化為具體的程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化編程和可視化輸出，解決了學(xué)生不會(huì)編程的難題。如圖5。

3.課程突出科學(xué)思維與計(jì)算思維的融合

在分析問(wèn)題環(huán)節(jié)，學(xué)生學(xué)習(xí)如何進(jìn)行抽象和建模，抓住問(wèn)題的核心，排除非關(guān)鍵細(xì)節(jié)，形成兔子增長(zhǎng)的數(shù)學(xué)模型，并將其轉(zhuǎn)化為流程圖，這是科學(xué)思維中構(gòu)建假設(shè)和模型的過(guò)程。求解問(wèn)題時(shí)，學(xué)生設(shè)計(jì)算法，用自然語(yǔ)言與AI交互，將科學(xué)思維中的規(guī)律識(shí)別與計(jì)算思維中的算法描述相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化編程。通過(guò)這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)，學(xué)生不僅能夠掌握科學(xué)探究的方法，還能培養(yǎng)計(jì)算思維中的算法設(shè)計(jì)和自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)能力，為解決實(shí)際問(wèn)題提供強(qiáng)有力的工具。

4.生生互動(dòng)與快速反饋的教學(xué)評(píng)價(jià)

在評(píng)價(jià)方面的特色是生生互動(dòng)和快速反饋的教學(xué)評(píng)價(jià)。在課堂上，我們?cè)O(shè)置了四大活動(dòng)，授課教師在不斷地與學(xué)生溝通的過(guò)程中，觀察學(xué)生活動(dòng)是不是能夠完成并實(shí)現(xiàn)，如學(xué)生能不能將問(wèn)題抽象為數(shù)學(xué)模型、能否將模型轉(zhuǎn)換為算法、能否用AI編程實(shí)現(xiàn)算、是否能實(shí)現(xiàn)可視化等，讓學(xué)生在討論區(qū)去發(fā)帖、去回帖，教師可以及時(shí)地、實(shí)時(shí)地看到學(xué)生的回復(fù)，通過(guò)課堂的小測(cè)，授課教師能夠及時(shí)掌握到學(xué)生的學(xué)情。

注：本文系北京市數(shù)字教育研究課題“人工智能賦能學(xué)生個(gè)性化發(fā)展的探索研究”（編號(hào)：BDEC2024YB013）研究成果

編" "輯：張瑩