人工智能技術重塑實驗教學模式

〔摘" "要〕" 本文深度聚焦人工智能技術重塑傳統(tǒng)實驗教學模式，通過系統(tǒng)剖析亮度傳感器、溫度傳感器及聲音傳感器在典型實驗場景中的具體實踐案例，全面探討人工智能技術如何實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的精準采集、實時動態(tài)監(jiān)測與多維可視化呈現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，該技術的深度應用能夠顯著提升學生的實驗操作實踐能力、數(shù)據(jù)分析邏輯思維及科學探究創(chuàng)新興趣，從而為教育信息化快速發(fā)展背景下的小學科學教學改革提供切實可行的實踐參考范式。

〔關鍵詞〕" 小學科學；人工智能；實驗教學；傳感器技術；教育信息化

〔中圖分類號〕" G424" " " " " " " " 〔文獻標識碼〕" A" " " " 〔文章編號〕" 1674-6317" " （2025）20" " 0082-03

2025年，《教育部等九部門關于加快推進教育數(shù)字化的意見》正式落地實施，這一重要政策為我國教育領域的全面革新按下了“快進鍵”。該意見明確將教育數(shù)字化作為關鍵突破口，旨在全方位支撐教育強國建設的宏偉目標，其中人工智能技術與教育教學的深度有機融合成為核心亮點，正有力促使傳統(tǒng)教育教學模式迎來前所未有的顛覆性重塑。

人工智能是對于人類智能進行相關理論、方法的研究，利用先進的技術和技能進行模擬、技術拓展的一種新型技術科學研究，其與教育教學領域的深度融合，正在從根本上重塑實驗教學模式。這種重塑不僅體現(xiàn)在教學工具的升級換代上，更重要的是推動教學理念和教學方法從傳統(tǒng)的定性分析向現(xiàn)代的定量研究轉變，為小學科學實驗教學開辟了全新的發(fā)展空間。

一、透明度數(shù)據(jù)化：讓抽象概念可視化

（一）實時監(jiān)測水質(zhì)，優(yōu)化凈水器設計

在蘇教版科學三年級上冊“設計凈水器”這一實驗教學中，創(chuàng)新性地利用亮度傳感器來測量凈水效果，已成為一種極具實用價值的創(chuàng)新方法。亮度傳感器能夠憑借其高精度的感知能力，精確測量水質(zhì)的透明度，進而通過透明度這一指標間接反映水中雜質(zhì)和污染物的含量情況。這一技術的成功應用，使凈水器的設計過程更加科學合理，有效提升了凈水器的凈水效率。

通過亮度傳感器的實時監(jiān)測功能，我們能夠動態(tài)追蹤凈水器處理水質(zhì)的全過程。當水源進入凈水器的瞬間，傳感器便會迅速記錄下初始的水質(zhì)透明度數(shù)據(jù)。隨著凈水器的持續(xù)工作，水中的雜質(zhì)和污染物被逐步去除，水質(zhì)的透明度也隨之不斷提高。亮度傳感器能夠敏銳捕捉到這一細微的變化過程，并將其精準轉化為具體的數(shù)值，使師生能夠直觀、清晰地了解凈水器的實際凈水效果。

除了實現(xiàn)實時監(jiān)測外，亮度傳感器在凈水器的性能評估和優(yōu)化方面也發(fā)揮著重要作用。通過對比不同小組在同一水源條件下設計的不同凈水器的凈水效果數(shù)據(jù)，我們能夠客觀、科學地篩選出性能更優(yōu)的凈水器設計方案，這一數(shù)據(jù)對比也成為評價不同小組設計優(yōu)劣的重要指標。同時，基于亮度傳感器反饋的詳細數(shù)據(jù)，學生和教師可以共同對凈水器的設計進行有針對性的改進和優(yōu)化，進一步提高其凈水效率和工作穩(wěn)定性。

（二）精準測量透明度，探索巖石的奧秘

事實上，亮度傳感器的應用領域遠不止水質(zhì)監(jiān)測，它在其他科學實驗中同樣能發(fā)揮重要作用。在巖石和礦物質(zhì)透明度的教學過程中，透明度作為一項重要的物理性質(zhì)，以往的教學方式難以對其進行精準測量和量化分析。而借助亮度傳感器，我們能夠精確測量不同巖石和礦物質(zhì)的透明度，為學生提供直觀、量化的數(shù)據(jù)支持，幫助他們更深入地了解這些巖石和礦物質(zhì)的本質(zhì)特點。

通過亮度傳感器，學生可以對不同巖石樣本的透光性進行測量和比較。這一實踐操作不僅有助于學生理解巖石的礦物組成和結構特征，更能極大地激發(fā)他們對巖石成因和演化過程的探索興趣。例如，在觀察巖漿巖時，學生通過亮度傳感器測量其透光性，能夠據(jù)此推斷出巖石中礦物的結晶程度以及巖漿冷卻的速度等重要信息。對于沉積巖和變質(zhì)巖，亮度傳感器同樣能夠揭示出巖石中顆粒的大小、排列方式以及變質(zhì)作用的程度等關鍵特征。

在實驗教學環(huán)節(jié)，亮度傳感器的應用更是發(fā)揮了不可替代的重要作用。教師可以基于亮度傳感器設計一系列富有啟發(fā)性的實驗，引導學生親手操作，通過測量不同條件下巖石樣本透光性的變化，深入理解巖石的物理和化學性質(zhì)。這種全新的教學方式，不僅有效提高了學生的動手實踐能力，更在實踐過程中培養(yǎng)了他們的實驗設計能力和數(shù)據(jù)分析能力。

二、溫度精確化：捕捉細微變化中的科學規(guī)律

（一）“熱水變涼”實驗中的動態(tài)溫度監(jiān)測

以蘇教版科學四年級下冊的“熱水變涼”實驗為例，在傳統(tǒng)的教學模式中，往往只能使用溫度計進行粗略的溫度測量，這種測量方式不僅精度有限，而且難以捕捉到溫度變化的細微過程。而引入溫度傳感器后，學生能夠更加精確地測量和記錄溫度數(shù)據(jù)，從而得以深入探究熱量傳遞和溫度變化的內(nèi)在規(guī)律。此外，學生還可以利用溫度傳感器進一步拓展實驗內(nèi)容和深度，探究如加入冰塊、冷水或不同種類的鹽等不同物質(zhì)對熱水冷卻速度的影響。

溫度傳感器的出現(xiàn)，為這一經(jīng)典實驗帶來了全新的變革。其極高的靈敏度能夠精準感知溫度的細微波動，有效避免了因傳統(tǒng)測量誤差導致的對熱量傳遞和溫度變化規(guī)律的誤判。借助溫度傳感器提供的高精度溫度數(shù)據(jù)，學生能夠繪制出更為精確的溫度隨時間變化曲線，通過對這一曲線的分析，學生可以直觀發(fā)現(xiàn)熱水冷卻過程中速率的階段性差異，進而深入理解熱傳遞在不同階段的特性。

（二）“種子萌發(fā)條件”實驗中的溫度控制

在蘇教版科學三年級下冊“種子萌發(fā)條件”的探究實驗中，溫度傳感器扮演著關鍵角色。在以往的實驗中，學生只能依靠簡單的環(huán)境感知或簡單的溫度計進行溫度測量，難以精確把控種子所處環(huán)境的溫度，導致實驗結果的準確性和可重復性受到影響。而如今，借助溫度傳感器，學生能夠精準監(jiān)測不同環(huán)境下種子周圍的溫度細微變化，為實驗的精確開展提供了有力保障。

在實驗過程中，學生可以靈活設置不同的溫度環(huán)境，例如利用恒溫箱和冷藏柜分別營造溫暖和寒冷的環(huán)境。通過溫度傳感器的實時反饋，學生能夠清晰觀察到在溫暖環(huán)境下，當溫度維持在約25℃ 時，種子能夠較早開始萌動，幼芽突破種皮的速度也較快；而在寒冷環(huán)境中，當溫度處于5℃ 左右時，種子的萌發(fā)進程明顯受阻，發(fā)芽數(shù)量稀少。

隨著實驗的持續(xù)進行，學生以一周為周期，每天定時記錄種子的萌發(fā)數(shù)量，并將這些數(shù)據(jù)與溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)進行有機結合。通過詳細的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與深入分析，學生不僅能夠直觀了解溫度對種子萌發(fā)速度和發(fā)芽率的影響，還能利用計算機技術生成發(fā)芽率與溫度的對應曲線，從而清晰界定出種子萌發(fā)所需的適宜溫度范圍。這一過程不僅培養(yǎng)了學生的數(shù)據(jù)收集和分析能力，更讓他們親身體驗了科學探究的基本方法和過程。

三、分貝可視化：讓聲音特性數(shù)據(jù)化

（一）音量量化傳導：探究不同介質(zhì)傳聲效率

在蘇教版科學三年級下冊“探究聲音在不同介質(zhì)中傳播”的實驗教學中，聲音傳感器如同連接抽象聲學世界與具象數(shù)據(jù)的橋梁，將聲波在不同介質(zhì)中的傳播特性轉化為可測量、可對比的分貝數(shù)值。當聲源在空氣、水、固體等介質(zhì)中振動時，傳感器以毫秒級響應捕獲聲信號強度，為學生構建起“介質(zhì)特性—傳聲效率”的直觀認知鏈條：如固體傳聲的高效性驗證：選取50厘米長的金屬棒作為實驗樣本，用相同力度敲擊一端時，貼附在另一端的聲音傳感器顯示分貝值達75dB，較空氣中高出30dB。當金屬棒受敲擊振動時，分子間的緊密連接使機械波傳遞幾乎無能量損耗，而空氣分子因間距大、碰撞概率低，導致聲能快速衰減。學生通過觸摸金屬棒振動端與空氣傳聲的聽覺延遲對比，進一步感知到固體傳聲“速度快、損耗小”的特點。

在蘇教版科學三年級下冊“土電話”的實驗中，經(jīng)典的棉線傳聲實驗中，學生自主對比了棉線繃緊與松弛兩種狀態(tài)的傳聲效果。當棉線被繃緊時，傳聲分貝值達65dB；而松弛狀態(tài)下僅為50dB，15dB的差異直觀驗證了介質(zhì)緊張度對傳聲的影響。通過更深入地探究發(fā)現(xiàn)，當棉線張力達到一定程度時，聲波沿直線傳播的能量損耗最小，若張力不足，棉線會因橫向振動消耗聲能，這一現(xiàn)象引導學生關聯(lián)到弦樂器中“琴弦松緊影響音高”的生活實例，實現(xiàn)知識遷移。

（二）振動幅值量化：解析音量與振動的關聯(lián)

在蘇教版科學三年級下冊《不同的聲音》一課中，通過聲音傳感器與鼓面振動實驗的結合，將“振動產(chǎn)生聲音”的科學原理轉化為可視化的動態(tài)數(shù)據(jù)模型。學生在敲擊鼓面的實踐中，通過“力度控制—振動觀察—數(shù)據(jù)記錄”的探究流程，建立起多變量之間的因果關聯(lián)。敲擊力度與音量的動態(tài)對應：輕敲鼓面時，傳感器記錄的分貝值約為60dB，此時鼓面泡沫顆粒的跳動高度為1cm～2cm；而重敲鼓面時，分貝值迅速升至85dB，顆粒跳起高度達到4cm～5cm。這種“力度—振幅—音量”的同步變化，通過高速攝像機的慢放畫面進一步驗證——重敲時鼓下面皮革的形變幅度是輕敲時的3倍，印證了“振動幅度越大，聲波能量越強”的物理規(guī)律。學生可以同步利用相關軟件繪制形成“敲擊力度—分貝值”曲線，呈現(xiàn)出明顯的正相關關系，強化了對變量關聯(lián)的數(shù)學表達能力。

更換不同材質(zhì)的鼓面（牛皮紙、塑料膜）進行對比實驗時，傳感器數(shù)據(jù)揭示了振動介質(zhì)的差異化影響。厚度0.3毫米的牛皮紙鼓面在相同敲擊力度下，分貝值比0.1毫米的塑料膜低10dB。這是因為牛皮紙纖維結構疏松，振動時內(nèi)部摩擦消耗更多能量；而塑料膜質(zhì)地均勻、彈性好，能維持更長時間的振動。傳感器反饋的數(shù)據(jù)差異能夠進一步揭示振動介質(zhì)對音量的影響，拓展學生的科學認知。

四、教學實踐成效與未來發(fā)展路徑

經(jīng)過一段時間的教學實踐，引入人工智能傳感器技術的教學班級取得了顯著的教學成效。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，學生實驗報告中的數(shù)據(jù)引用量較傳統(tǒng)教學模式有所提升，實驗設計的創(chuàng)新性方案增加了65%，科學探究興趣測評得分提高了42%。這些數(shù)據(jù)表明，人工智能技術與傳感器技術的深度融合，不僅大幅提升了教學效率，更重要的是有效培養(yǎng)了學生“用數(shù)據(jù)說話”的科學思維方式，為學生的科學素養(yǎng)提升奠定了堅實基礎。

展望未來，人工智能技術在小學科學實驗教學中的應用可以從以下三個維度進一步深化：首先拓展傳感器類型，除了目前應用較廣的亮度、溫度和聲音傳感器外，還可以引入濕度、壓力、距離等更多類型的傳感器，以覆蓋更多的科學實驗場景，滿足多樣化的教學需求。其次是積極探索跨學科融合路徑，將傳感器采集的數(shù)據(jù)與數(shù)學建模、編程設計、藝術創(chuàng)作等學科有機結合，例如可以嘗試用聲音數(shù)據(jù)生成可視化藝術作品，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維和跨學科應用能力。最后是構建云端實驗數(shù)據(jù)平臺，通過這一平臺實現(xiàn)不同學校、不同地區(qū)之間的實驗數(shù)據(jù)共享與對比分析，形成區(qū)域性的科學實驗數(shù)據(jù)庫，為科學教育研究和教學實踐提供更廣闊的發(fā)展空間。

人工智能與傳感器技術在教育領域的深度應用，正在深刻重塑小學科學實驗的教學范式。這種變革不僅僅是教學工具的簡單升級，更是科學思維培養(yǎng)模式的根本性革新。它讓每個小學生都能在數(shù)據(jù)化的實驗過程中，親身體驗科學家探索未知世界的基本過程和方法，這或許正是教育數(shù)字化轉型賦予科學教育的深層價值和意義所在。未來，隨著技術的不斷進步和教學實踐的深入開展，人工智能必將在小學科學教育中發(fā)揮更加重要的作用，推動小學科學教育邁向新的發(fā)展高度。

【本文系廈門市思明區(qū)教育科學“十四五”規(guī)劃2022年度課題“STEM視域下小學人工智能課程設計與實踐研究”（課題號：Z2022X0523）和福建省教育科學“十四五”規(guī)劃2024年度課題“生態(tài)文明教育融入小學科學課程的實踐研究”（課題號：FJJKXX24-340）的研究成果】

參考文獻

[1]白書華，李素玲，丁良喜.人工智能在教育發(fā)展中的問題及對策[J].中國高?？萍迹?019（9）：94-96