基于對話教學理論和AI智能體的思維鏈教學設(shè)計研究

【中圖分類號】G434【文獻標志碼】A【論文編號】1671-7384（2025）06-032-04

問題的提出

人工智能教育已進入人機協(xié)作的新時期，人工智能時代的人機協(xié)同教育是一種通過智能技術(shù)與人類認知的深度協(xié)作，重構(gòu)教育生態(tài)的新模式。其核心是結(jié)合機器的計算優(yōu)勢與人類的創(chuàng)造力，在虛實融合場景中動態(tài)分配任務(wù)、共享知識，形成雙向賦能的開放系統(tǒng)，旨在降低認知負荷、提升教學精準性，推動教育從單向傳授轉(zhuǎn)向多主體共創(chuàng)，打造更具適應(yīng)性的智慧化教育形態(tài)1?；谙冗M人工智能技術(shù)的教育機器人可定向服務(wù)于中小學教育場景，通過動態(tài)調(diào)配多樣化學習資源、實時追蹤學習軌跡并精準監(jiān)測學業(yè)表現(xiàn)，為高度個性化的智能學習生態(tài)提供系統(tǒng)性支撐[2]。智能技術(shù)支持的教學，支持師生進行多向互動、探索實踐式的學習方式，從而減少單向的知識傳輸，使學生對知識的認知和理解更加深入[3]。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，AI在教育中的角色已從簡單的工具代理演變?yōu)橹С稚疃葘W習的認知伙伴，這為本研究設(shè)計的“師一生-機”協(xié)同對話模式提供了理論依據(jù)[4]。

人工智能技術(shù)在教育領(lǐng)域的實踐應(yīng)用雖逐步普及，但其與學習科學理論及教育原理的系統(tǒng)化融合研究仍顯薄弱[5。當前，生成式人工智能的教育功能多局限于知識檢索與信息供給，而在引導(dǎo)深度學習、培養(yǎng)高階思維以及激發(fā)認知沖突方面存在不足。為了克服上述局限性，人機協(xié)同對話學習模式逐漸興起，其核心在于通過動態(tài)對話協(xié)商機制，激發(fā)學習者的批判性思維、創(chuàng)造性思維和問題解決能力。智能體可以通過多輪對話并激發(fā)認知沖突，引導(dǎo)學習者進行深度思考和知識建構(gòu)。對話教學理論在人工智能時代結(jié)合生成式人工智能的功能，可以實現(xiàn)從師生對話到“生-機”對話的拓展，并進一步發(fā)展為“師-生-機”三者的協(xié)同對話模式。這種模式不僅能夠提供個性化反饋和引導(dǎo)性問題，還能通過人機協(xié)商實現(xiàn)自適應(yīng)路徑選擇和生成式認知建構(gòu)。本研究結(jié)合對話教學理論和人機協(xié)同教育理論，構(gòu)建基于AI智能體的探究式對話思維鏈，并以小學科學課程中的“走馬燈的制作”一課為例，進行教學活動設(shè)計和實踐，探索基于對話教學理論和AI智能體的思維鏈教學活動所帶來的效果。

核心概念和理論基礎(chǔ)

1.生成式人工智能與人機協(xié)同教育

生成式人工智能是基于模型、算法和規(guī)則，生成文本、圖片、視頻和代碼等內(nèi)容的技術(shù)，是基于巨型矢量數(shù)據(jù)庫，憑借自然語言處理（Natural LanguageProcessing，NLP）和機器學習（MachineLearning，ML）等技術(shù)來模擬人類對話的交互型機器人[。其在語言理解、對話交互、內(nèi)容創(chuàng)作和邏輯推理等任務(wù)方面所具有的獨特優(yōu)勢，可為個性化數(shù)字資源高效創(chuàng)建、對話式人機協(xié)同學習、素養(yǎng)導(dǎo)向的教育評價等提供有力支撐。人機協(xié)同教學是人工智能時代的一種新型教學模式，指以人和機器共同達成教育目標為基礎(chǔ)，在一個復(fù)雜、多樣的三元空間中，基于人機協(xié)同關(guān)系，促進師生的認知建構(gòu)，以動態(tài)、發(fā)展的方式推動教育良性發(fā)展的教育過程[7]。近年研究表明，教育中的人機協(xié)同需以學習者為中心，避免技術(shù)主導(dǎo)的“黑箱化”設(shè)計[8]。

2.對話教學理論

傳統(tǒng)意義上的對話教學是指教師與學生以雙向尊重信任為前提，以師生、生生對話互動為教學形式與原則，以教師引導(dǎo)下的學生自主學習、相互啟發(fā)為主要特征，以孔子與蘇格拉底等的對話教學理念為代表的一種教學形式[9]。智能時代的教學對話主體包含傳統(tǒng)課堂中自然人主體（學生、教師）以及人工智能賦能的技術(shù)主體（機器人教師，如智能機器人、ChatGPT類智能對話模型）。這使得原本只有師生雙主體、雙邊對話的教學活動轉(zhuǎn)為人類教師、機器人教師以及學生三主體之間多邊教學交互與互動，且其中的ChatGPT對話具有生成性，使得教學活動實現(xiàn)從雙主體向三主體的革命性轉(zhuǎn)變[10]。對話教學是在民主平等、尊重信任的氛圍中，師生之間、生生之間，彼此相互理解、相互合作、相互對話，在經(jīng)驗共享、雙向互動交流的過程中創(chuàng)生知識和教學意義，從而促進師生共同發(fā)展的教學形態(tài)[11]。

基于對話教學理論和AI智能體的思維鏈教學活動設(shè)計

1.基于對話教學理論和AI智能體的思維鏈教學模型設(shè)計

基于對話教學理論和AI智能體的思維鏈教學模型（圖1）以對話教學理論為基礎(chǔ)，以AI智能體為實踐載體，將對話問題鏈與探究思維鏈有機結(jié)合，形成了一種人機協(xié)同的課堂思維訓練結(jié)構(gòu)。該模型旨在通過構(gòu)建AI智能體支持下的對話思維鏈，引導(dǎo)學生深入探究實驗內(nèi)容，從而掌握相關(guān)原理。

2.基于對話教學理論和AI智能體的思維鏈設(shè)計

基于對話教學理論和AI智能體的思維鏈是一種以學生為中心的問題教學結(jié)構(gòu)，通過AI智能體的提問和引導(dǎo)，促進學生對原理的探究和獨立思考，從而促進學生對知識的掌握與運用。在該思維鏈的設(shè)計中，問題設(shè)計是關(guān)鍵起始點，問題應(yīng)具有啟發(fā)性、層次性與關(guān)聯(lián)性，從簡單現(xiàn)象到復(fù)雜原理逐步引導(dǎo)。其次，將復(fù)雜學習任務(wù)拆解為可操作的子任務(wù)，降低難度，明確學習路徑，便于學生有序推進學習進程，逐步積累成果。另外，學生學習采取小組合作形式，促進學生間優(yōu)勢互補與協(xié)同思維。在整個過程中，對話式教學貫穿始終，教師與學生、學生之間、學生與AI智能體之間圍繞問題展開深度對話，在交流中澄清疑惑、拓展思路、深化理解，推動思維向縱深發(fā)展。在本節(jié)課原理探究中，AI智能體先從塑料袋上升實驗中的現(xiàn)象提問，鼓勵學生思考蠟燭加熱與空氣流動、密度變化之間的關(guān)系，并幫助學生理解熱空氣密度小會上升、冷空氣密度大會下沉的基本概念，再進一步聯(lián)系走馬燈結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)學生想象空氣在容器內(nèi)的循環(huán)流動，進而深入到走馬燈的轉(zhuǎn)動原理層面追問，激發(fā)學生好奇心與探索欲，驅(qū)動思維持續(xù)運轉(zhuǎn)。

3.基于對話教學理論和智能體的思維鏈教學活動設(shè)計

思維鏈教學活動的設(shè)計（圖2）是促進學生深度學習與思維發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。該教學活動在教師的組織引導(dǎo)下，以AI智能體為載體完成對話探究過程，從而達到學生小組合作交流、自主建構(gòu)知識的目的。

（1）教學準備

教師根據(jù)課程標準，結(jié)合三年級學生認知發(fā)展規(guī)律，設(shè)計本節(jié)課的教學自標，并從學生的已有生活經(jīng)驗出發(fā)，進行課程整體教學設(shè)計。同時，教師選定適配的智能體工具，將與熱空氣、氣流運動等相關(guān)的知識以及常見的實驗案例、現(xiàn)象解釋等素材導(dǎo)入智能體知識庫，確保智能體能夠在教學過程中提供精準且符合學生理解水平的信息支持。

（2）創(chuàng)設(shè)情境

教師通過播放一段走馬燈轉(zhuǎn)動視頻吸引學生注意力，引發(fā)學生對物體為何能自動旋轉(zhuǎn)的好奇。智能體隨即補充展示古代走馬燈在節(jié)日慶典中的應(yīng)用場景圖片，講述其在文化傳承中的意義，在科普中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的同時，進一步激發(fā)學生探究熱情，自然地導(dǎo)入塑料袋上升實驗，并將其作為理解走馬燈轉(zhuǎn)動原理的關(guān)鍵切入點。

（3）啟發(fā)引導(dǎo)

教師展示本實驗的實驗用品以及實驗用品名稱與使用方式。借助AI智能體播放該實驗演示動畫，詳細介紹實驗步驟及安全注意事項，確保學生在實驗過程中操作規(guī)范、用火安全。教師向?qū)W生介紹AI智能體在實驗過程中扮演的角色與作用，引導(dǎo)學生主動與AI智能體進行交互，并對學生進行分組，為接下來的合作探究做準備。

（4）合作探究

學生分組進行實驗準備與操作，在觀察到點燃蠟燭后塑料袋緩緩上升現(xiàn)象時，產(chǎn)生疑惑。此時，AI智能體依據(jù)學生問題，詢問學生觀察到的實驗現(xiàn)象，根據(jù)學生的回答進一步追問，引導(dǎo)學生思考塑料袋上升、蠟燭與空氣之間的關(guān)系，由此進行走馬燈的轉(zhuǎn)動原理探究，從而為制作走馬燈奠定基礎(chǔ)。在這個過程中，AI智能體向?qū)W生提供熱空氣密度小于冷空氣、熱空氣上升形成氣流推動塑料袋等基礎(chǔ)原理信息，并以簡單動畫形式展示空氣分子受熱運動狀態(tài)。教師則引導(dǎo)學生圍繞AI智能體反饋展開小組討論，鼓勵學生思考生活中類似現(xiàn)象，如熱氣球升空等，促使學生在對話交流中初步構(gòu)建熱空氣與物體運動關(guān)聯(lián)的認知框架，逐步深化對實驗原理的探究。

（5）總結(jié)思考

在實驗結(jié)束后的成果匯報環(huán)節(jié)，各小組展示實驗發(fā)現(xiàn)與結(jié)論。智能體從科學原理準確性、實驗設(shè)計合理性、團隊協(xié)作等多維度評價學生表現(xiàn)，為學生提供改進方向與知識強化點。教師在此基礎(chǔ)上總結(jié)熱空氣上升原理在生活中的廣泛應(yīng)用，如通風系統(tǒng)設(shè)計等，引導(dǎo)學生將實驗知識遷移至生活實際，提升知識應(yīng)用能力與科學思維廣度，完成探究式對話思維鏈的完整構(gòu)建與知識內(nèi)化。

基于對話教學理論和智能體的探究式對話思維鏈的應(yīng)用案例分析

本研究以小學科學課程中的“走馬燈的制作原理探究”一課為實踐載體，基于對話教學理論和AI智能體構(gòu)建探究式思維鏈。該課程的教學目標是通過塑料袋上升實驗培養(yǎng)學生探究走馬燈轉(zhuǎn)動原理，具備制作簡單走馬燈的能力，并以小組的形式制作走馬燈。

1.“走馬燈的制作一原理探究”的教學過程

依據(jù)基于對話教學理論和AI智能體的思維鏈教學模型，設(shè)計本節(jié)課各教學環(huán)節(jié)的具體教學內(nèi)容與教學活動。

在教學過程中，首先，教師通過播放一段走馬燈旋轉(zhuǎn)視頻吸引學生注意力，引發(fā)其對走馬燈為何能自動旋轉(zhuǎn)的好奇。如表1所示，AI智能體隨即補充展示古代走馬燈在節(jié)日慶典中的應(yīng)用場景圖片，并講述其在文化傳承中的意義，進一步激發(fā)學生探究熱情，自然地導(dǎo)入塑料袋上升實驗，將其作為理解走馬燈旋轉(zhuǎn)原理的關(guān)鍵切入點。在合作探究中，學生分組進行實驗準備與操作，待觀察到點燃蠟燭后塑料袋上升現(xiàn)象，智能體依據(jù)學生問題，詢問學生觀察到的實驗現(xiàn)象，根據(jù)學生的回答進一步追問，引導(dǎo)學生思考塑料袋上升、蠟燭與空氣之間的關(guān)系，由此進行走馬燈的原理探究，從而為制作走馬燈奠定基礎(chǔ)。

2.基于對話教學理論和AI智能體的思維鏈教學活動應(yīng)用效果評估

為系統(tǒng)評估該教學模式的實際效果，本研究從問卷調(diào)查、課堂觀察與學生作品分析三個方面進行多維度驗證。問卷調(diào)查結(jié)果顯示，學生對AI智能體引導(dǎo)的對話互動表現(xiàn)出較高接受度，普遍認為其能夠有效激發(fā)探究興趣并降低學習焦慮。課堂觀察表明，學生在實驗討論中主動提問與協(xié)作交流的頻率明顯增加。并且，學生的最終作品進一步驗證了AI智能體輔助知識建構(gòu)與應(yīng)用的有效性。整體而言，該教學模式通過人機協(xié)同的動態(tài)對話機制，不僅優(yōu)化了課堂互動結(jié)構(gòu)，還促進了學生自主學習能力與高階思維能力的發(fā)展，為智能技術(shù)賦能探究式教學提供了可行路徑。

研究結(jié)論

本研究基于對話教學理論與生成式人工智能技術(shù)，構(gòu)建了“師-生-機”三者協(xié)同的思維鏈教學模式，并以小學科學課程為例展開實踐應(yīng)用。實踐表明，在理論層面，該模式通過AI智能體的動態(tài)問題鏈設(shè)計與自適應(yīng)反饋機制，實現(xiàn)了對話教學從師生互動向人機協(xié)同的轉(zhuǎn)換，促進了學生的知識生成與思維發(fā)展；在實踐層面，教學實驗表明，AI智能體的即時引導(dǎo)與教師的策略性干預(yù)互相補充，既保障了探究活動的結(jié)構(gòu)化推進，又通過開放性對話激發(fā)了學生的批判性思維與知識遷移能力。然而，研究也發(fā)現(xiàn)AI智能體在交互靈活性與個性化支持上仍存在局限性，過度依賴預(yù)設(shè)知識庫可能會抑制學生的獨立探究深度。未來研究會進一步關(guān)注學生思維多元化的發(fā)展需求，從學生個體認知差異出發(fā)，設(shè)計分層問題鏈以適配不同思維偏好，并拓展創(chuàng)造性思維、系統(tǒng)性思維等多元目標模塊，推動學生從單一知識掌握轉(zhuǎn)向多維能力協(xié)調(diào)發(fā)展；并構(gòu)建多智能體協(xié)同教學模式，通過多智能體的角色分工，模擬真實教學中的多元互動場景，提供知識引導(dǎo)、協(xié)作支持與激發(fā)認知沖突等教學服務(wù)，促進學生發(fā)展。

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作者單位：首都師范大學教師教育學院北京市海淀區(qū)教育科學研究院中國人民大學附屬小學首都師范大學教育學院

編輯：張曉震