人工智能技術(shù)對跨學(xué)科實驗教學(xué)的影響

〔摘" "要〕" 在數(shù)智化時代，學(xué)習(xí)空間愈加開放，學(xué)習(xí)資源愈加豐富，信息技術(shù)愈加成熟，給小學(xué)教育改革帶來全新的機遇。面對這一機遇，教師應(yīng)積極轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)教學(xué)思想，善于運用人工智能技術(shù)為學(xué)生構(gòu)建新型的智慧學(xué)習(xí)生態(tài)場，探索科學(xué)教學(xué)新路徑，促進學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和信息素養(yǎng)綜合發(fā)展，為其適應(yīng)現(xiàn)代化社會發(fā)展和終身發(fā)展奠定基礎(chǔ)。文章結(jié)合實際，首先闡述了人工智能技術(shù)在小學(xué)日常教學(xué)中的應(yīng)用策略，接著探討了人工智能技術(shù)對科學(xué)跨學(xué)科實驗教學(xué)的影響，以期借助人工智能技術(shù)促推小學(xué)教育改革，為數(shù)智化時代背景下的科學(xué)課程高質(zhì)量建設(shè)帶來有益參考。

〔關(guān)鍵詞〕" 小學(xué)科學(xué)；人工智能；跨學(xué)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(fā)展，人工智能應(yīng)用滲透至各行各業(yè)，“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(shù)輔助教學(xué)，打造智慧化、虛擬化、多元化的教學(xué)空間，成為人工智能與教育結(jié)合的落腳點。在人工智能輔助下，課堂形態(tài)發(fā)生巨大變革，課程資源開放共享，學(xué)習(xí)過程智慧生成，有利于為學(xué)生提供更加高效化、個性化的學(xué)習(xí)體驗，滿足新生代學(xué)生發(fā)展需求。如何將人工智能技術(shù)與小學(xué)學(xué)科教育結(jié)合，打造數(shù)智化時代科學(xué)教育新樣態(tài)，促進科學(xué)教育面向未來，成為現(xiàn)階段相關(guān)教師亟待研討的嶄新課題。

一、人工智能技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

（一）人工智能輔助概念理解

傳統(tǒng)教學(xué)通常采用一套標準化教學(xué)方法，對科學(xué)概念的解釋依賴教材，趨于固式，學(xué)生知識的獲得來自他人成熟的經(jīng)驗，無法充分滿足自我質(zhì)疑、猜想，導(dǎo)致學(xué)生鮮少有機會去追根溯源地探尋科學(xué)知識概念的由來，造成淺層化學(xué)習(xí)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(jù)學(xué)生提問并結(jié)合上下提示，向?qū)W生推送精準而豐富的答案，從而充分滿足學(xué)生個性化認知需求。目前，文本對話類AI技術(shù)應(yīng)用是“人工智能+教育”最為普遍的呈現(xiàn)形式，教師可以將生成式人工智能納入科學(xué)教學(xué)過程，使用ChatGPT工具引導(dǎo)學(xué)生自問自答，讓學(xué)生主動地發(fā)現(xiàn)問題、提出疑問、解決問題，自由探索科學(xué)知識概念的起源。例如，執(zhí)教《消失的恐龍》一課，教師可以結(jié)合ChatGPT工具和虛擬動畫影像，創(chuàng)建一個學(xué)生喜聞樂見的虛擬動畫人物，讓學(xué)生在提前預(yù)習(xí)本課教材知識的基礎(chǔ)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(zhì)疑和猜想，幫助學(xué)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(jié)束后，教師引導(dǎo)學(xué)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(shù)賦能下的智慧課堂，讓學(xué)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(xué)生認知，又激活了課堂生機，還緩解了教學(xué)壓力，于教于學(xué)皆有裨益。

（二）人工智能輔助情境探索

情境于學(xué)生而言，猶水之于魚，將科學(xué)知識置于特定且具有一定情緒色彩的情境中呈現(xiàn)，可以顯著激發(fā)學(xué)生探究興趣，也更容易讓學(xué)生理解知識、內(nèi)化知識，生成更豐富的學(xué)習(xí)體驗。人工智能技術(shù)改變了傳統(tǒng)知識呈現(xiàn)形式，讓紙質(zhì)教材走向諸如數(shù)字教材、視頻教材、虛擬教材等新型教材，教學(xué)內(nèi)容由靜態(tài)、平面、線性走向動態(tài)、立體、交互，為教學(xué)情境創(chuàng)設(shè)提供了更多有利契機。例如，執(zhí)教《觀察星空》一課，教師依托人工智能技術(shù)，將本課知識內(nèi)容置于兩大情境中呈現(xiàn)。一是通過星空3D模型，帶領(lǐng)學(xué)生全方位認識星空，了解不同星座的特征，并讓學(xué)生根據(jù)3D星空成像結(jié)構(gòu)去發(fā)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(xué)情境，不僅讓學(xué)生對星空有了直觀認識，而且還能夠有效鍛煉學(xué)生空間建模能力。二是以3D星空模型為基礎(chǔ)，繼續(xù)引入VR技術(shù)，讓學(xué)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(xué)生呈現(xiàn)相關(guān)圖片、視頻，以3D星空模型和VR技術(shù)為基礎(chǔ)的人工智能應(yīng)用，為學(xué)生情境化學(xué)習(xí)提供了更為真實的體驗，有利于促進知識建構(gòu)的自然發(fā)生，幫助學(xué)生實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)。

（三）人工智能輔助課堂練評

人工智能不僅使個性化學(xué)習(xí)成為常態(tài)，而且大數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)、智能運算系統(tǒng)、云資源庫等，還能夠根據(jù)每位學(xué)生學(xué)情，量身定制課堂訓(xùn)練計劃，讓每一水平層級的學(xué)生都能夠獲得適應(yīng)自我最近發(fā)展區(qū)的鍛煉，從而提升科學(xué)探究能力。同時，學(xué)生的訓(xùn)練成果會及時反饋到教師終端，教師根據(jù)學(xué)生真實訓(xùn)練評價，全面了解其學(xué)習(xí)情況，并提供針對性的教學(xué)輔導(dǎo)，以此落實因材施教。例如，執(zhí)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(shù)輔助下，學(xué)生對孟德爾的研究發(fā)現(xiàn)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(tǒng)為學(xué)生打造遷移訓(xùn)練平臺。為了增強訓(xùn)練的趣味性，可以將訓(xùn)練模式設(shè)置成積分挑戰(zhàn)賽的形式，遵循由易到難的規(guī)律，呈現(xiàn)相關(guān)練習(xí)題，積分達標才能挑戰(zhàn)下一關(guān)。讓學(xué)生比一比、賽一賽，誰能最快榮獲“最強王者”稱號。在訓(xùn)練過程中，智能題庫系統(tǒng)會快速判斷學(xué)生答題對錯，而且會自動測算學(xué)生出錯率，并為學(xué)生推送與錯題相關(guān)的學(xué)習(xí)資源，直至學(xué)生達到積分要求才會讓其進入下一階段挑戰(zhàn)。教師從后臺查看學(xué)生答題數(shù)據(jù)，了解每一位學(xué)生的認知短板，以此為依據(jù)優(yōu)化教學(xué)輔導(dǎo)，提升輔導(dǎo)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(xué)生獲得適應(yīng)自身發(fā)展的鍛煉機會，在步步反饋、層層提升中實現(xiàn)科學(xué)能力進階。

二、人工智能技術(shù)對跨學(xué)科實驗教學(xué)的影響

新課標提出“加強課程綜合，注重關(guān)聯(lián)”的教學(xué)倡導(dǎo)，主張教師樹立跨學(xué)科育人理念，多維統(tǒng)整教學(xué)資源，創(chuàng)新實驗生成，促使學(xué)生在跨學(xué)科實驗中發(fā)展綜合能力。傳統(tǒng)模式下的小學(xué)跨學(xué)科實驗存在資源難查、過程難控、數(shù)據(jù)難收等問題，需要學(xué)生東奔西跑地去查閱學(xué)科資料，優(yōu)化實驗方案，無形中為跨學(xué)科實驗增加了諸多難題。而人工智能輔助下的小學(xué)跨學(xué)科實驗設(shè)計，依托龐大的資源庫、仿真的實驗室、便捷的數(shù)字化教學(xué)系統(tǒng)，能夠有效解決上述問題，讓學(xué)生“足不出戶”便可以完成跨學(xué)科實驗探索，獲得良好的學(xué)習(xí)體驗。毋庸置疑，人工智能技術(shù)對小學(xué)跨學(xué)科實驗教學(xué)具有積極的影響，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

（一）輕松整合跨學(xué)科實驗資源

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

（二）輕松理解跨學(xué)科實驗原理

在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，跨學(xué)科實驗開展的目的不是讓學(xué)生模仿操作走舊路，而是借實驗陣地激活學(xué)生創(chuàng)新思維，鍛煉學(xué)生綜合能力，幫助學(xué)生依托各學(xué)科學(xué)習(xí)建立完整的知識體系，在真實學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)中發(fā)展核心素養(yǎng)。人工智能輔助下的跨學(xué)科實驗教學(xué)，強調(diào)生成性和自主性，即把學(xué)生作為實驗主體，通過大數(shù)據(jù)資源和人機交互技術(shù)，讓學(xué)生自由地猜想、驗證，通過多學(xué)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(gòu)。人工智能技術(shù)在幫助學(xué)生理解實驗原理方面體現(xiàn)了極大優(yōu)勢。以“驗證聲能存在”跨學(xué)科實驗為例，學(xué)生可以通過龐大的學(xué)習(xí)資源庫尋找聲能存在的證據(jù)，認識聲能作用對象，為創(chuàng)新實驗思路提供借鑒；也可以基于猜想去搜索相關(guān)實驗?zāi)Ｐ?，?D環(huán)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(jié)，設(shè)計更加科學(xué)完善的實驗方案?？傊?，人工智能技術(shù)融入跨學(xué)科實驗教學(xué)，賦予了學(xué)生更為廣闊自由的探索空間，讓各種創(chuàng)想成為現(xiàn)實，促進了學(xué)生對實驗原理的理解，有利于學(xué)生從“根部”探究科學(xué)本質(zhì)。

（三）輕松獲取跨學(xué)科實驗數(shù)據(jù)

人工智能時代，數(shù)字化設(shè)備和技術(shù)的應(yīng)用為科學(xué)實驗教學(xué)改革帶來諸多有利契機，能夠有效解決實驗數(shù)據(jù)收集難、分析難等問題，促進實驗過程可視化，促推科學(xué)實驗從“是不是”“對不對”的研究轉(zhuǎn)向“為什么是”“為什么對”，進而幫助學(xué)生對事物或現(xiàn)象本質(zhì)形成更深刻的理解。以“驗證聲能存在”跨學(xué)科實驗為例，傳統(tǒng)實驗中，學(xué)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(shù)字化科學(xué)實驗探究系統(tǒng)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(shù)據(jù)。學(xué)生在整理、分析數(shù)據(jù)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(shè)提供參考。

三、結(jié)語

綜上所述，人工智能時代，教科書從紙質(zhì)化轉(zhuǎn)向數(shù)字化，課堂從線下轉(zhuǎn)向線上，讓個性化、智慧化學(xué)習(xí)成為現(xiàn)實。人工智能技術(shù)應(yīng)用于小學(xué)課程，是時代發(fā)展的應(yīng)然，是教學(xué)改革的必然。教師要不斷提升自身信息素養(yǎng)，加強對人工智能技術(shù)的研究，在日常教學(xué)和跨學(xué)科實驗教學(xué)中，捕捉人工智能滲透契機，打造科學(xué)教學(xué)新樣態(tài)，促進學(xué)生綜合素養(yǎng)發(fā)展。

參考文獻

[1]李想.人工智能融入小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)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(xué)科學(xué)課堂教學(xué)[J].中國現(xiàn)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(xué)科學(xué)實驗教學(xué)發(fā)展趨勢與實踐創(chuàng)新[J].中小學(xué)實驗與裝備，2020（1）：53-54