人工智能環(huán)境下“科學(xué)教育+”探究式學(xué)習(xí)模式探索

摘 要 文章以“創(chuàng)意玩具智造坊”項目為例，探討了人工智能環(huán)境下“科學(xué)教育+”探究式學(xué)習(xí)模式的構(gòu)建與實施。該模式整合了跨學(xué)科探究項目式學(xué)習(xí)與在線科學(xué)探究平臺、AIGC技術(shù)和虛擬實驗等技術(shù)手段，旨在解決傳統(tǒng)探究式學(xué)習(xí)、項目式學(xué)習(xí)中存在的問題，如師生互動不足、評價反饋低效、資源匱乏、學(xué)生缺乏自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)造力等。研究結(jié)果表明，該模式有效提升了學(xué)生的科學(xué)探究能力、高階思維能力和實踐技能，同時減輕了教師的負(fù)擔(dān)，提高了教學(xué)效率和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 人工智能；探究式學(xué)習(xí)；跨學(xué)科項目；現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)

中圖分類號：G424 " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A " " DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2025.06.020

Exploration of the \"Science Education +\" Inquiry-based Learning Mode

in the Artificial Intelligence Environment

——Taking \"Creative Toy Workshop\" as an Example

ZHANG Shuosi

（Primary School Affiliated to South China Normal University， Guangzhou， Guangdong 510631）

Abstract The article takes the \"Creative Toy Intelligent Manufacturing Workshop\" project as an example. Explored the construction and implementation of the \"Science Education+\" inquiry based learning model in the context of artificial intelligence. This model integrates interdisciplinary inquiry project-based learning with online scientific inquiry platforms， AIGC technology， and virtual experiments， aiming to solve the problems existing in traditional inquiry based learning and project-based learning， such as insufficient teacher-student interaction， inefficient evaluation and feedback， lack of resources， and students' lack of self-learning ability and creativity. The research results indicate that this model effectively enhances students' scientific exploration ability， higher-order thinking ability， and practical skills， while reducing the burden on teachers and improving teaching efficiency and quality.

Keywords artificial intelligence; inquiry-based learning; interdisciplinary projects; modern teaching technologies

當(dāng)前，人工智能技術(shù)發(fā)展迅猛，其在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)從理論探討走向應(yīng)用實踐。在小學(xué)科學(xué)課堂中，為了培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、提升其科學(xué)素養(yǎng)，探究式學(xué)習(xí)是必不可少的學(xué)習(xí)方式。但其在應(yīng)用實踐中出現(xiàn)了一些問題，如因師生互動過少而讓學(xué)生缺乏有效指導(dǎo)、因探究資源不足而限制師生探究活動、因受限于框架而被動探究、學(xué)生缺乏自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)造力等。因此，筆者構(gòu)建了人工智能環(huán)境下的“科學(xué)教育+”探究式學(xué)習(xí)模式，希望應(yīng)用人工智能等技術(shù)手段支持科學(xué)探究學(xué)習(xí)來解決這些問題。下面以“創(chuàng)意玩具智造坊”為例進(jìn)行說明。

1" 探究式學(xué)習(xí)項目活動設(shè)計

1.1" 項目簡介

“創(chuàng)意玩具智造坊”是基于“教科版”小學(xué)科學(xué)四年級下冊“電路”單元內(nèi)容整合設(shè)計的項目式學(xué)習(xí)案例。本項目以玩具工坊產(chǎn)品設(shè)計危機(jī)為情境，發(fā)布智能玩具創(chuàng)意設(shè)計征集令。學(xué)生小組討論確定作品目標(biāo)，并通過閱讀研討等方式了解生活中的傳感器、創(chuàng)意作品和玩具。經(jīng)過科學(xué)探究了解基礎(chǔ)的電路元件和不同類型電路的連接方法，理解傳感器作為一種特殊開關(guān)的應(yīng)用，并按照工程設(shè)計流程制作和完善一個電路與藝術(shù)相結(jié)合的創(chuàng)意智能玩具。

1.2" "跨學(xué)科學(xué)習(xí)目標(biāo)

①科學(xué)目標(biāo)：認(rèn)識基礎(chǔ)的電路元件；能用各種電路元件連接不同類型的電路；能夠在不同情境中應(yīng)用不同傳感器、電路解決問題。②工程目標(biāo)：設(shè)計智能玩具的制作方案；為智能玩具選擇合適的材料；根據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)對智能玩具進(jìn)行測試，并對作品原型進(jìn)行迭代更新。③技術(shù)目標(biāo)：掌握制作智能玩具的技術(shù)方法；用傳感器實現(xiàn)電路的智能化控制；能根據(jù)設(shè)計方案選擇恰當(dāng)?shù)墓ぞ咧谱髦悄芡婢摺＂軘?shù)學(xué)目標(biāo)：根據(jù)工程設(shè)計方案做預(yù)算；設(shè)計和制作電路時具有電路布局、元件擺放等空間觀念。⑤藝術(shù)目標(biāo)：在智能電路設(shè)計中融入藝術(shù)元素，具有一定的觀賞性，如外觀設(shè)計、顏色搭配等。⑥社會研究目標(biāo)：了解智能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，認(rèn)識科技對社會的影響。

1.3" 活動過程設(shè)計

該項目式學(xué)習(xí)活動設(shè)計的理論依據(jù)是5E教學(xué)模式，它是由美國生物學(xué)課程研究會（BSCS）提出的一種基于建構(gòu)主義的探究式教學(xué)模式。BSCS實證研究證明，5E教學(xué)模式比傳統(tǒng)的教學(xué)模式更有利于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與學(xué)業(yè)成績?；顒舆^程有五個環(huán)節(jié)，分別是問題聚焦、科學(xué)探究、設(shè)計制作、創(chuàng)意拓展和評價反思。

問題聚焦：創(chuàng)設(shè)玩具工坊產(chǎn)品設(shè)計危機(jī)情境，提出核心問題“小組要設(shè)計一個什么樣的創(chuàng)意智能玩具？”然后觀看人工智能科普視頻、了解創(chuàng)意物品、玩具圖文資料，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)作要素是電路與玩具，激發(fā)學(xué)生興趣與靈感。最后，小組明確本次項目實踐的目標(biāo)，并做好組內(nèi)分工。

科學(xué)探究：鞏固學(xué)習(xí)開展科學(xué)探究的一般步驟。認(rèn)識電路元器件，進(jìn)行點亮一個LED燈實驗探究，結(jié)合虛擬實驗學(xué)習(xí)電路知識。然后進(jìn)行點亮兩個LED燈實驗探究挑戰(zhàn)，學(xué)習(xí)多種電路類型的設(shè)計。再探究導(dǎo)體與絕緣體，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計制作一個智能開關(guān)。

設(shè)計制作：展示與解釋工程設(shè)計過程。調(diào)查市場上的創(chuàng)意玩具，展示“好玩具”的評價標(biāo)準(zhǔn)，讓學(xué)生思考如何設(shè)計制作智能玩具，鼓勵他們提出自己的見解。學(xué)生根據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)在小組內(nèi)討論智能玩具設(shè)計方案，并按方案將創(chuàng)意智能玩具制作出來，再根據(jù)測試結(jié)果和交流意見迭代更新產(chǎn)品。最后，學(xué)生展示交流作品。

創(chuàng)意拓展：如果利用這些傳感器改造生活中的物品，可以使其更加便利。讓學(xué)生盡可能想出更多創(chuàng)意點子，并用思維導(dǎo)圖記錄。選擇其中一個創(chuàng)意點子，小組合作繪制這個創(chuàng)意點子的設(shè)想圖。

評價反思：評價貫穿整個學(xué)習(xí)實踐過程，如口頭上的互評、點評，文字評價與建議，作品測試等。在實踐結(jié)束后，學(xué)生還需回顧自己的學(xué)習(xí)過程，對自己的表現(xiàn)進(jìn)行自評，并通過一份基礎(chǔ)測驗卷檢驗其對知識的掌握程度。

2" 用技術(shù)強(qiáng)化探究式學(xué)習(xí)

在“創(chuàng)意玩具智造坊”項目教學(xué)過程中，筆者應(yīng)用了多種技術(shù)手段搭建人工智能教學(xué)環(huán)境，用技術(shù)整合教與學(xué)。在這些技術(shù)的支持下，可以很好地解決常規(guī)開展科學(xué)探究項目式學(xué)習(xí)時遇到的問題。

2.1" WISE平臺搭建教學(xué)環(huán)境

本次項目實踐使用基于網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)探究環(huán)境WISE平臺（wise.scnu.edu.cn）開展教學(xué)活動。在準(zhǔn)備階段，教師根據(jù)“創(chuàng)意玩具智造坊”教學(xué)設(shè)計在平臺上搭建整個實踐活動的學(xué)習(xí)地圖，并將每一課的學(xué)習(xí)資料放在對應(yīng)的支架上。教師可以在平臺上整合各種資源以開展教學(xué)活動，如搜索引擎、網(wǎng)頁文本、網(wǎng)站視頻、虛擬實驗平臺，都可以直接嵌在任務(wù)頁面上。在開放的時間里，學(xué)生可以自由選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容，滿足了其不同學(xué)習(xí)進(jìn)度的需求。學(xué)生在自主學(xué)習(xí)時，作答能夠得到即時反饋，其可根據(jù)反饋指引重做任務(wù)或進(jìn)行下一步任務(wù)。平臺上記錄了學(xué)生所有作答、修改的情況，幫助教師掌握學(xué)生學(xué)習(xí)知識的認(rèn)知過程。教師還能在后臺實時監(jiān)控各個小組的學(xué)習(xí)進(jìn)度，以便對有學(xué)習(xí)困難的小組進(jìn)行更有針對性的指導(dǎo)。

2.2" 虛擬實驗輔助知識理解

虛擬實驗平臺可以讓學(xué)生在一個模擬的真實環(huán)境中進(jìn)行實驗操作，不僅彌補(bǔ)了物理條件的限制，還極大地提高了教學(xué)的直觀性和互動性。虛擬實驗讓學(xué)生能夠更加直觀地理解那些抽象的科學(xué)概念。例如，在科學(xué)探究環(huán)節(jié)“點亮LED燈”一課中，學(xué)生在實際操作中成功點亮了燈，但對于電流如何在電路中流動、如何形成閉合回路等背后的物理原理可能仍然感到困惑。因此，在學(xué)生完成實物實驗操作后，讓他們再利用虛擬實驗開展探究，可以直接觀察到電流的流動路徑和電路的閉合狀態(tài)，從而加深對探究結(jié)果和科學(xué)概念的理解。在虛擬實驗中，學(xué)生還可以自由地調(diào)整電路材料，觀察不同變量對實驗結(jié)果的影響，這種自主探索的過程有助于學(xué)生形成系統(tǒng)的科學(xué)思維。

2.3" AIGC給予高效反饋

AIGC技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，為教師和學(xué)生提供了一種個性化且高效的反饋機(jī)制。在問題聚焦環(huán)節(jié)，學(xué)生與AIGC提問互動，精準(zhǔn)了解更多關(guān)于人工智能、創(chuàng)意作品、玩具等方面的信息。在設(shè)計制作環(huán)節(jié)，學(xué)生設(shè)計了創(chuàng)意智能玩具方案，教師使用AIGC自動化評估學(xué)生的方案設(shè)計，減輕了教師的工作負(fù)擔(dān)。同時，AIGC技術(shù)能夠及時提供客觀、標(biāo)準(zhǔn)一致的評價與建議，幫助學(xué)生及時了解自己的方案設(shè)計水平和需要改進(jìn)的地方，從而提高學(xué)習(xí)效率和質(zhì)量。

設(shè)定AIGC角色時，需要教師提供相應(yīng)的信息幫助AIGC精準(zhǔn)理解教學(xué)需求，生成及時、個性化的反饋，如提供學(xué)生背景和任務(wù)要求確保反饋的有效性。以下為根據(jù)本次“創(chuàng)意玩具智造坊”項目實踐反饋需求輸入的Prompt：你是一位專業(yè)的教學(xué)評價專家。你的任務(wù)是分析用戶（教師）提供的四年級學(xué)生小組在項目學(xué)習(xí)中設(shè)計的成果方案，對方案進(jìn)行深度評估，并幫助教師向?qū)W生提供有針對性的反饋。你的能力有：①反饋學(xué)習(xí)與總結(jié)：能針對學(xué)生的設(shè)計方案進(jìn)行有效的反饋，并向用戶展示你的學(xué)習(xí)總結(jié)。②方案評估：能夠準(zhǔn)確理解和分析用戶（教師）提供的小學(xué)四年級學(xué)生在“創(chuàng)意玩具智造坊”項目學(xué)習(xí)中的成果設(shè)計方案。③反饋生成：根據(jù)評估結(jié)果，生成針對性的反饋，幫助用戶（教師）簡潔清晰地向小學(xué)四年級學(xué)生給予反饋。

3" 教學(xué)效果分析總結(jié)

“創(chuàng)意玩具智造坊”項目通過WISE平臺整合教與學(xué)，融合虛擬實驗技術(shù)和AIGC技術(shù)，實現(xiàn)了教學(xué)資源的豐富化和教學(xué)方法的創(chuàng)新，為學(xué)生提供了一個更加高效、互動和個性化的學(xué)習(xí)環(huán)境。在項目實踐中不僅減輕了教師的負(fù)擔(dān)，還通過學(xué)習(xí)地圖、個性化反饋促進(jìn)了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力，實現(xiàn)了教學(xué)效率和質(zhì)量的雙重提升。學(xué)生在探究學(xué)習(xí)中表現(xiàn)出色，展現(xiàn)出了良好的創(chuàng)新思維和實踐技能，教學(xué)效果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

3.1" 學(xué)生整體表現(xiàn)情況

學(xué)生在開展“創(chuàng)意玩具智造坊”項目探究學(xué)習(xí)時表現(xiàn)出了極大興趣，上課積極性很高。他們能夠按照自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度去探索，并在平臺上及時反饋小組討論情況。全班十一個小組最終全部設(shè)計制作出創(chuàng)意智能玩具，且作品質(zhì)量較高，并在全校公開展示了作品成果。在期末科學(xué)知識測驗中，本班學(xué)生取得了年級第一的好成績，說明他們在項目實踐中很好地吸收了電路知識。另外，經(jīng)過科學(xué)素養(yǎng)調(diào)查問卷前后測數(shù)據(jù)分析對比，發(fā)現(xiàn)本班學(xué)生的科學(xué)探究能力、高階思維能力、智能素養(yǎng)都有了一定程度的提高。

3.2" 其他優(yōu)勢情況

3.2.1" 豐富課程教學(xué)資源

本次課程的教學(xué)資源非常豐富和多樣化，除了將常規(guī)的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計成學(xué)習(xí)地圖，還將網(wǎng)站視頻、拓展資料網(wǎng)頁、搜索引擎、虛擬實驗資源等整合在一起。學(xué)生在學(xué)習(xí)時，可以隨時使用相應(yīng)的學(xué)習(xí)資源，查閱各種信息。這些豐富的課程教學(xué)資源有助于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和參與度。

3.2.2" 創(chuàng)新教育教學(xué)方法

技術(shù)加持下的探究式學(xué)習(xí)模式，學(xué)生能夠更主動地參與學(xué)習(xí)實踐，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決問題的能力。教師還利用人工智能技術(shù)收集和分析學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，從而了解學(xué)生在此教育教學(xué)方法下的學(xué)習(xí)效果。

3.2.3" 提升教師教學(xué)效率

在WISE平臺上搭建學(xué)習(xí)地圖時，教師需提前設(shè)計各種類型的任務(wù)內(nèi)容和反饋指引，任務(wù)作答形式有選擇、判斷、連線、畫圖、填空、問答等。學(xué)生的客觀性作答都可以得到即時反饋，設(shè)計方案等主觀性較強(qiáng)的作答也可以使用AIGC技術(shù)得到高效反饋。這些都可以提升教師的教學(xué)效率，從而讓教師更有針對性地輔導(dǎo)學(xué)生。

3.2.4" 提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力

人工智能環(huán)境下“科學(xué)教育+”探究式學(xué)習(xí)模式的設(shè)計目的之一是讓學(xué)生能夠自主學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)。通過作答的即時反饋，學(xué)生能夠從中得到高效指引，從而進(jìn)行自我行動評估和學(xué)習(xí)策略調(diào)整，提升其自主學(xué)習(xí)能力。學(xué)習(xí)平臺的開放性，學(xué)習(xí)方式的互動性，都能顯著提高學(xué)生的參與度和實踐能力。

4 結(jié)語

本文通過“創(chuàng)意玩具智造坊”項目的設(shè)計與實踐，深入探討人工智能環(huán)境下“科學(xué)教育+”探究式學(xué)習(xí)模式的實施效果與影響。在智能化教學(xué)平臺上，學(xué)生可接觸到更廣泛的知識和信息，進(jìn)行更深層次的互動和協(xié)作，得到更高效的反饋和指引。實踐研究結(jié)果表明，該模式有效地提升了學(xué)生的科學(xué)探究能力、高階思維能力和實踐技能。

基金項目：廣州市教育科學(xué)規(guī)劃課題“人工智能環(huán)境下‘科學(xué)教育+’探究式學(xué)習(xí)模式的構(gòu)建與實施”（202315833）。

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