教學(xué)智能體在探究式教學(xué)中的應(yīng)用

〔摘" "要〕" 隨著生成式人工智能的快速發(fā)展，基于大模型的智能體已經(jīng)逐步具備了啟發(fā)性內(nèi)容生成、情境理解、信息檢索與整合等能力。本研究探討教學(xué)智能體在小學(xué)科學(xué)探究式教學(xué)中的應(yīng)用策略及案例。針對(duì)當(dāng)前科學(xué)探究教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)，提出利用教學(xué)智能體實(shí)現(xiàn)個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑設(shè)計(jì)、創(chuàng)設(shè)與科學(xué)家對(duì)話情境、課堂互動(dòng)與協(xié)作支持、制定計(jì)劃與數(shù)據(jù)分析、評(píng)價(jià)與反饋機(jī)制等策略。以“垃圾分類與氣候變化”主題為例，展示教學(xué)智能體在科學(xué)探究各環(huán)節(jié)的作用，旨在為人工智能時(shí)代教師開(kāi)展科學(xué)探究活動(dòng)提供理論和實(shí)踐參考。

〔關(guān)鍵詞〕" 小學(xué)科學(xué)；教學(xué)智能體；科學(xué)探究

〔中圖分類號(hào)〕" G424" " " " " " " " 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕" A" " " " 〔文章編號(hào)〕" 1674-6317" " （2025）13" " 0022-03

2022"年版《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》指出，科學(xué)課程旨在培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，為學(xué)生的終身發(fā)展奠定基礎(chǔ)，其中指出科學(xué)探究是探索和了解自然、獲得科學(xué)知識(shí)、解決科學(xué)問(wèn)題的主要途徑，在探究實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力、技術(shù)與工程實(shí)踐能力和自主學(xué)習(xí)能力。由此可見(jiàn)，新課標(biāo)強(qiáng)調(diào)將科學(xué)探究貫穿于科學(xué)課程學(xué)習(xí)的整個(gè)過(guò)程，在科學(xué)探究實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中必不可少的部分。然而，在一線教學(xué)實(shí)踐中，教師在開(kāi)展科學(xué)探究時(shí)仍面臨諸多挑戰(zhàn)。例如教師開(kāi)展科學(xué)探究活動(dòng)時(shí)仍缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，如探究話語(yǔ)導(dǎo)向不明確、無(wú)法針對(duì)不同學(xué)生的思維發(fā)展水平提供個(gè)性化的支持，導(dǎo)致一些學(xué)生在科學(xué)探究能力的培養(yǎng)上進(jìn)展緩慢，甚至停滯不前。

近年來(lái)，以ChatGPT為代表的生成式人工智能技術(shù)，在啟發(fā)性內(nèi)容生成、對(duì)話情境理解、信息檢索與整合等領(lǐng)域展現(xiàn)出卓越的性能，教學(xué)智能體是指借助生成式人工智能技術(shù)，針對(duì)教育領(lǐng)域的多場(chǎng)景需求和多角色服務(wù)特點(diǎn)而創(chuàng)建的智能工具，可以在具體的教學(xué)情境中，扮演專家、同行、評(píng)價(jià)者等角色，以文字、聲音、圖像等方式與學(xué)生進(jìn)行及時(shí)交互。本研究旨在探討教學(xué)智能體賦能下的小學(xué)科學(xué)探究式教學(xué)策略，并設(shè)計(jì)切實(shí)可行的教學(xué)案例，以期為教學(xué)智能體助力個(gè)性化、精準(zhǔn)化的科學(xué)探究式教學(xué)提供參考和借鑒。

一、教學(xué)智能體在小學(xué)科學(xué)探究式教學(xué)中的應(yīng)用策略

（一）個(gè)性化學(xué)習(xí)路徑設(shè)計(jì)

中小學(xué)創(chuàng)新教育面對(duì)全體學(xué)生，培養(yǎng)每一名學(xué)生的創(chuàng)新思維技能。但目前學(xué)校教育的班級(jí)制度使教師難以以有限的時(shí)間和精力對(duì)眾多學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化的指導(dǎo)。但隨著生成式人工智能的發(fā)展，教師可以利用教學(xué)智能體針對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況與特征，為其制定有針對(duì)性的學(xué)習(xí)計(jì)劃，從而提高其掌握科學(xué)知識(shí)的效率。例如，對(duì)于對(duì)天文學(xué)感興趣的學(xué)生，智能體可以推薦相關(guān)的科普文章、視頻和實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生深入了解宇宙的奧秘。同時(shí)，智能體還可以根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)，及時(shí)調(diào)整學(xué)習(xí)內(nèi)容和難度，確保學(xué)生既能感受到挑戰(zhàn)，又不會(huì)因難度過(guò)大而失去信心。同時(shí)，教師還可以根據(jù)學(xué)生和智能體之間的互動(dòng)資料來(lái)設(shè)計(jì)專門的教案、課件以及作業(yè)測(cè)驗(yàn)，以實(shí)現(xiàn)精確教學(xué)的目的。

（二）創(chuàng)設(shè)學(xué)生與科學(xué)家對(duì)話的情境

弘揚(yáng)科學(xué)家精神，培養(yǎng)青少年像科學(xué)家一樣思維，一個(gè)重要的教學(xué)策略就是用智能體創(chuàng)設(shè)讓學(xué)生與科學(xué)家對(duì)話的情境。教學(xué)智能體可以通過(guò)模擬科學(xué)家的思維方式和研究方法，讓學(xué)生通過(guò)與科學(xué)家的對(duì)話，激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)的興趣和熱愛(ài)。例如，教師可以在“豆包”"“智譜清言”等平臺(tái)上搜索“愛(ài)因斯坦”“牛頓”等智能體，讓學(xué)生在對(duì)話與實(shí)踐中體會(huì)科學(xué)家的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度和科學(xué)方法。教師也可以自己動(dòng)手創(chuàng)建與課程教學(xué)內(nèi)容有關(guān)的智能體用于教學(xué)，可以運(yùn)用蘇格拉底“產(chǎn)婆術(shù)”對(duì)話法，使用提示語(yǔ)告訴智能體，不宜直接向?qū)W習(xí)者提供答案，要采用啟發(fā)式、誘導(dǎo)式的提問(wèn)、追問(wèn)、爭(zhēng)辯等方式展開(kāi)多輪交流，讓學(xué)生對(duì)智能體的解答進(jìn)行批判性思考，避免單純地依靠智能體抄答案。

（三）課堂互動(dòng)與協(xié)作支持

智能體可以作為虛擬教師或同伴，為學(xué)生提供情感和認(rèn)知支持。例如，智能體還可以作為學(xué)習(xí)伙伴，通過(guò)文本圖片、語(yǔ)音交互等方式與學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)，增強(qiáng)課堂的趣味性和參與感。它能夠根據(jù)學(xué)生的反應(yīng)和情緒狀態(tài)，提供適時(shí)的鼓勵(lì)和引導(dǎo)，幫助學(xué)生保持積極的學(xué)習(xí)態(tài)度。此外，智能體可以模擬教師的角色，讓學(xué)生逐步掌握“觀察—發(fā)現(xiàn)—假設(shè)—實(shí)驗(yàn)—總結(jié)”的科學(xué)研究方法。智能體可以通過(guò)與用戶的互動(dòng)，個(gè)性化輔導(dǎo)學(xué)生按照科學(xué)方法學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，并與其他學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)。這種互動(dòng)方式可以打破傳統(tǒng)課堂的師生界限，營(yíng)造更加開(kāi)放、平等的課堂氛圍，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性。

（四）制定計(jì)劃與數(shù)據(jù)分析

在科學(xué)探究活動(dòng)中，教學(xué)智能體能夠輔助學(xué)生制定探究計(jì)劃，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析幫助學(xué)生理解探究結(jié)果。例如，在實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中，利用智能體模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓學(xué)生在虛擬情境中觀察科學(xué)現(xiàn)象，提高動(dòng)手能力和科學(xué)思維能力。智能體可以與學(xué)生一起完成科學(xué)實(shí)驗(yàn)，共同分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并討論實(shí)驗(yàn)結(jié)果。此外，智能體還能根據(jù)學(xué)生需求提供豐富的學(xué)習(xí)資源。這種協(xié)作學(xué)習(xí)方式可以培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神和溝通能力，幫助學(xué)生更好地理解和掌握科學(xué)知識(shí)。

（五）評(píng)價(jià)與反饋機(jī)制

評(píng)價(jià)與反饋是科學(xué)探究教學(xué)過(guò)程中不可或缺的環(huán)節(jié)，而教學(xué)智能體在這一環(huán)節(jié)同樣能夠發(fā)揮重要作用。智能體可以實(shí)時(shí)記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程和表現(xiàn)，包括他們的互動(dòng)探究時(shí)間、學(xué)習(xí)內(nèi)容等。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的深度分析，智能體能夠生成個(gè)性化的反饋報(bào)告，不僅可以幫助教師及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和困難，還可以為教師提供調(diào)整教學(xué)策略的依據(jù)。例如，如果智能體發(fā)現(xiàn)某個(gè)學(xué)生在某個(gè)知識(shí)點(diǎn)上反復(fù)出錯(cuò)，它就可以提醒教師在這個(gè)知識(shí)點(diǎn)上加強(qiáng)講解和練習(xí)。

二、教學(xué)智能體在小學(xué)科學(xué)探究式教學(xué)中的應(yīng)用案例

本研究以科學(xué)探究學(xué)習(xí)場(chǎng)景為例闡述教學(xué)智能體的應(yīng)用?？茖W(xué)探究則是指?jìng)€(gè)體圍繞著一個(gè)明確的問(wèn)題或任務(wù)，通過(guò)假設(shè)、推理、驗(yàn)證等一系列的探索過(guò)程而最終解決問(wèn)題或完成任務(wù)的各類活動(dòng)。教學(xué)智能體可以通過(guò)學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)定，提供多模態(tài)項(xiàng)目資源生成、評(píng)價(jià)與反饋等多種能力的實(shí)現(xiàn)與拓展，同時(shí)支持人機(jī)交互與多智能體交互模式。教學(xué)智能體可以首先依據(jù)預(yù)設(shè)的學(xué)習(xí)情境，建立驅(qū)動(dòng)問(wèn)題引導(dǎo)框架，如下圖所示。在此基礎(chǔ)上，教學(xué)智能體能夠與學(xué)習(xí)者開(kāi)展多模態(tài)形式的在線討論，并依據(jù)學(xué)習(xí)者的特點(diǎn)與學(xué)習(xí)意圖，采用個(gè)性化對(duì)話路徑與交互策略，最終引導(dǎo)學(xué)習(xí)者自主提出項(xiàng)目的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。我們以“垃圾分類與氣候變化”主題為例，闡述教學(xué)智能體在科學(xué)探究各個(gè)環(huán)節(jié)的作用。

（一）創(chuàng)設(shè)情境與問(wèn)題提出

真實(shí)且有趣的情境是激發(fā)學(xué)生探究興趣的關(guān)鍵，基于真實(shí)情境引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)并提出問(wèn)題，從而激發(fā)其進(jìn)行深入探究與完成項(xiàng)目的內(nèi)在動(dòng)力。例如，針對(duì)“垃圾分類與氣候變化”這一環(huán)保主題，教學(xué)智能體可以利用圖片生成能力，為學(xué)生呈現(xiàn)如“被垃圾污染的海洋生態(tài)系統(tǒng)”“因垃圾隨意填埋導(dǎo)致的大量溫室氣體排放”等情境，讓學(xué)生直觀感受到垃圾分類的重要性。在此基礎(chǔ)上，智能體引導(dǎo)學(xué)生提出問(wèn)題，如“垃圾分類如何減少溫室氣體排放？”“不同垃圾處理方式對(duì)氣候變化的影響有何不同？”這些問(wèn)題為后續(xù)的探究活動(dòng)指明了方向，使學(xué)生能夠帶著明確的目的進(jìn)入探究過(guò)程。

（二）做出假設(shè)并制定計(jì)劃

在學(xué)生提出問(wèn)題后，教學(xué)智能體幫助學(xué)生梳理已有知識(shí)，引導(dǎo)他們做出合理的假設(shè)。例如，智能體可以提示學(xué)生根據(jù)已知的垃圾處理方式（如填埋、焚燒、回收等）對(duì)溫室氣體排放的影響，假設(shè)“垃圾分類能夠有效減少填埋和焚燒過(guò)程中產(chǎn)生的溫室氣體，從而緩解氣候變化”。隨后，智能體協(xié)助學(xué)生制定詳細(xì)的探究計(jì)劃，將復(fù)雜的探究任務(wù)分解為多個(gè)可操作的子任務(wù)，如“了解垃圾分類的具體方法”“設(shè)計(jì)垃圾分類相關(guān)實(shí)驗(yàn)方案”“面向市民設(shè)計(jì)垃圾分類相關(guān)社會(huì)調(diào)查問(wèn)卷”等，并為每個(gè)子任務(wù)提供策略性指導(dǎo)。這不僅幫助學(xué)生明確了探究步驟，還培養(yǎng)了他們的問(wèn)題解決能力。

（三）收集證據(jù)與信息處理

在收集證據(jù)階段，教學(xué)智能體會(huì)為學(xué)生提供一些簡(jiǎn)單易用的工具和資源。例如，智能體可以推薦一些可靠的網(wǎng)站或資源，讓學(xué)生查找不同垃圾處理方式的溫室氣體排放數(shù)據(jù)。如果需要社會(huì)調(diào)研，智能體可以指導(dǎo)學(xué)生如何設(shè)計(jì)一份調(diào)查問(wèn)卷或者是訪談提綱。對(duì)于數(shù)據(jù)處理，智能體可以幫助學(xué)生將數(shù)據(jù)繪制成柱狀圖或折線圖，直觀地展示垃圾分類與溫室氣體排放之間的關(guān)系。智能體還會(huì)引導(dǎo)學(xué)生觀察圖表，找出數(shù)據(jù)中的規(guī)律，從而得出初步結(jié)論。這樣，學(xué)生不僅能輕松收集和處理數(shù)據(jù)，還能從中發(fā)現(xiàn)有價(jià)值的信息，為后續(xù)的探究提供支持。

（四）得出結(jié)論與表達(dá)交流

在得出結(jié)論階段，教學(xué)智能體根據(jù)學(xué)生分析的數(shù)據(jù)和信息，引導(dǎo)他們總結(jié)垃圾分類對(duì)氣候變化的具體影響，如“垃圾分類能夠顯著減少溫室氣體排放，有效緩解氣候變化”。智能體還幫助學(xué)生優(yōu)化表達(dá)方式，如撰寫科學(xué)探究報(bào)告、制作演示文稿等，確保學(xué)生能夠清晰、準(zhǔn)確地表達(dá)自己的觀點(diǎn)和發(fā)現(xiàn)。此外，智能體還可以組織學(xué)生進(jìn)行在線討論或展示活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生之間的交流與合作，進(jìn)一步提升學(xué)生的科學(xué)表達(dá)和溝通能力。

（五）總結(jié)反思與遷移應(yīng)用

在科學(xué)探究的最后階段，教學(xué)智能體引導(dǎo)學(xué)生對(duì)整個(gè)探究過(guò)程進(jìn)行總結(jié)和反思，幫助他們思考在探究過(guò)程中遇到的問(wèn)題、解決方法以及可以改進(jìn)的地方。例如，智能體可以提出反思問(wèn)題，如“在數(shù)據(jù)收集過(guò)程中，哪些因素可能影響了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性？”“在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，還有哪些可以改進(jìn)的地方？”這不僅有助于學(xué)生總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，還培養(yǎng)了他們的批判性思維能力。此外，智能體還鼓勵(lì)學(xué)生將所學(xué)知識(shí)和方法遷移到其他實(shí)際問(wèn)題中，如“如何在學(xué)校或社區(qū)推廣垃圾分類以應(yīng)對(duì)氣候變化？”通過(guò)這種方式，學(xué)生能夠?qū)⒖茖W(xué)探究成果應(yīng)用于實(shí)際生活，進(jìn)一步加深對(duì)垃圾分類與氣候變化關(guān)系的理解，同時(shí)也增強(qiáng)了他們的社會(huì)責(zé)任感和環(huán)保意識(shí)。

三、總結(jié)與展望

教學(xué)智能體在協(xié)助學(xué)生開(kāi)展科學(xué)探究學(xué)習(xí)中，可以有效地幫助他們克服探究過(guò)程中遇到的困難，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和實(shí)驗(yàn)探究能力。然而，教學(xué)智能體在教育領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于發(fā)展階段，還存在一些不足之處，如知識(shí)的準(zhǔn)確性和權(quán)威性有待進(jìn)一步提高，與實(shí)際教學(xué)的融合還需要不斷優(yōu)化。未來(lái)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和教育理念的更新，教學(xué)智能體有望在科學(xué)探究教學(xué)中發(fā)揮更大的作用，為學(xué)生提供更加個(gè)性化、高效的學(xué)習(xí)支持。

【本文系廣州市教育科學(xué)規(guī)劃2024年度擬立項(xiàng)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(shí)施”研究成果。課題編號(hào)：202315833】

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