生成式人工智能支持下的初中生物學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)路徑研究

隨著全球教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的加速，生成式人工智能技術(shù)為教育領(lǐng)域帶來(lái)了前所未有的變革。教育部于2022年啟動(dòng)實(shí)施國(guó)家教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動(dòng)，大力推動(dòng)包括生成式人工智能在內(nèi)的數(shù)字技術(shù)賦能教師教學(xué)，提升教育質(zhì)量與效率。在傳統(tǒng)初中生物學(xué)教學(xué)中，教師常面臨備課耗時(shí)長(zhǎng)、抽象概念講解困難及分層作業(yè)設(shè)計(jì)壓力大等挑戰(zhàn)。這些問(wèn)題不僅增加了教師的工作負(fù)擔(dān)，也限制了教學(xué)效果的提升。為解決這些問(wèn)題，筆者以人教版《義務(wù)教育教科書(shū)生物學(xué)七年級(jí)下冊(cè)》“種子的萌發(fā)”為例，運(yùn)用ICDO結(jié)構(gòu)化提問(wèn)方法，為教師提供高效、可復(fù)用的人工智能輔助備課模式。

一、ICDO結(jié)構(gòu)化提問(wèn)四維框架：生成式人工智能支持的教學(xué)設(shè)計(jì)方法論

ICDO結(jié)構(gòu)化提問(wèn)是一種優(yōu)化生成式人工智能交互的提示工程框架，其核心組成包括指令（Instruction）、上下文（Context）、輸入數(shù)據(jù)（InputData）和輸出要求（OutputIndicator）四個(gè)維度[1]。該方法通過(guò)明確教學(xué)目標(biāo)與核心知識(shí)點(diǎn)、構(gòu)建真實(shí)教學(xué)場(chǎng)景、細(xì)化分層任務(wù)要求并規(guī)范內(nèi)容格式與風(fēng)格，引導(dǎo)生成式AI輸出精準(zhǔn)、實(shí)用的教學(xué)設(shè)計(jì)內(nèi)容。教師進(jìn)行ICDO結(jié)構(gòu)化提問(wèn)，能夠快速生成符合教學(xué)需求的課程內(nèi)容，確保生成的內(nèi)容精準(zhǔn)、實(shí)用，避免內(nèi)容的空洞化和泛泛而談。

（一）ICDO結(jié)構(gòu)化提問(wèn)方法釋義

ICDO結(jié)構(gòu)化提問(wèn)方法借鑒了布盧姆分類法等教育目標(biāo)分類理論，融人了建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的核心思想。該方法通過(guò)以下四個(gè)維度實(shí)現(xiàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。 ① 指令：明確教學(xué)目標(biāo)與核心知識(shí)點(diǎn)，確保教學(xué)設(shè)計(jì)聚焦于課程標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)情與需求。② 上下文：結(jié)合真實(shí)教學(xué)場(chǎng)景，構(gòu)建與教學(xué)內(nèi)容相關(guān)的背景信息，以增強(qiáng)教學(xué)設(shè)計(jì)的針對(duì)性。 ③ 輸人數(shù)據(jù)：根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)情，細(xì)化分層任務(wù)要求，確保教學(xué)設(shè)計(jì)滿足不同層次學(xué)生的需求。④ 輸出要求：規(guī)范內(nèi)容格式與風(fēng)格，確保教學(xué)設(shè)計(jì)內(nèi)容精準(zhǔn)、實(shí)用，符合教學(xué)需求。

（二）四步備課流程

筆者提出的“目標(biāo)拆解 $$ 資源生成 $$ 風(fēng)格適配 $$ 優(yōu)化迭代”四步備課流程，旨在通過(guò)生成式人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的高效生成與優(yōu)化。以“種子的萌發(fā)”為例，具體流程如表1所示。

二、教學(xué)實(shí)踐：生成式人工智能在“種子的萌發(fā)”中的應(yīng)用

（一）案例實(shí)施：目標(biāo)梯度拆解與資源動(dòng)態(tài)生成

1.目標(biāo)分層：核心素養(yǎng)導(dǎo)向的三級(jí)拆解策略

教師依據(jù)《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱“課標(biāo)”）和學(xué)情，對(duì)核心概念進(jìn)行梯度式拆解，明確每個(gè)課時(shí)的具體教學(xué)目標(biāo)?！胺N子的萌發(fā)”為3課時(shí)，教學(xué)內(nèi)容包括了解種子的基本結(jié)構(gòu)及其功能，探究種子萌發(fā)所需的外部條件，掌握種子從吸水到胚根突破種皮的生理過(guò)程。根據(jù)ICDO結(jié)構(gòu)化提問(wèn)法利用DeepSeek生成提示詞，生成教學(xué)設(shè)計(jì)，采用差異化支持策略，以表現(xiàn)性任務(wù)與課堂互動(dòng)反饋雙線驅(qū)動(dòng)評(píng)估，確保目標(biāo)落地（見(jiàn)表2）。

表1生成式AI支持的四步備課流程

通過(guò)類比解決七年級(jí)學(xué)生易混淆“子葉”與“胚乳”功能的學(xué)情痛點(diǎn)。導(dǎo)人環(huán)節(jié)增設(shè)認(rèn)知沖突，例如提問(wèn)“蟲(chóng)蛀種子為何不能萌發(fā)”，引導(dǎo)學(xué)生思考完整胚的重要性；實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)約束材料，僅提供干種子與浸泡種子進(jìn)行對(duì)比，聚焦“吸水膨脹是萌發(fā)的前提”的探究目標(biāo)。同時(shí)，放大胚結(jié)構(gòu)。

表2七年級(jí)下冊(cè)“種子的萌發(fā)”（第1課時(shí)）優(yōu)化前的教學(xué)設(shè)計(jì)

以第1課時(shí)“觀察種子的結(jié)構(gòu)”為例，將本節(jié)課內(nèi)容（表2）進(jìn)行資源再生成，接著運(yùn)用ICDO結(jié)構(gòu)化提問(wèn)法，讓DeepSeek設(shè)計(jì)提示詞如下。

針對(duì)第1課時(shí)“觀察種子的結(jié)構(gòu)”進(jìn)行細(xì)化，寫(xiě)明教學(xué)流程，如教學(xué)環(huán)節(jié)、教師活動(dòng)、學(xué)生活動(dòng)、設(shè)計(jì)意圖。深化知識(shí)點(diǎn)與學(xué)情適配。結(jié)合課標(biāo)中“生物體的結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)”核心觀念，重點(diǎn)剖析胚芽、胚軸、胚根的功能聯(lián)系，并或播放解剖動(dòng)畫(huà)，并融入袁隆平研究種子的案例，滲透科學(xué)精神與德育。細(xì)化教學(xué)方法與分層任務(wù)。采用問(wèn)題引導(dǎo)式學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)遞進(jìn)問(wèn)題鏈，覆蓋布盧姆認(rèn)知層級(jí)：從“標(biāo)出菜豆種子結(jié)構(gòu)名稱”（記憶）到“對(duì)比單雙子葉種子差異”（分析），再到“討論種皮破損的種子能否存活”（評(píng)價(jià)）。針對(duì)學(xué)困生提供標(biāo)注模板，為能力較強(qiáng)學(xué)生增設(shè)“繪制種子萌發(fā)后結(jié)構(gòu)發(fā)育流程圖”的進(jìn)階任務(wù)，實(shí)現(xiàn)差異化支持。增強(qiáng)互動(dòng)性與評(píng)估實(shí)效。教師語(yǔ)言生活化，例如“像拆禮物一樣剝開(kāi)種皮，探索內(nèi)部秘密”，激發(fā)學(xué)生興趣；評(píng)估環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)“種子結(jié)構(gòu)解密卡”制作任務(wù)，要求學(xué)生結(jié)合功能與生活類比，并利用“紅綠燈卡”實(shí)時(shí)反饋理解程度，確保核心素養(yǎng)目標(biāo)落地。

2.資源生成：多模態(tài)素材的智能化生成路徑

教師利用DeepSeek生成初步教學(xué)設(shè)計(jì)，參考經(jīng)典教學(xué)案例，將教材內(nèi)容拍照后上傳到DeepSeek，輸人設(shè)計(jì)好的提示詞，生成教學(xué)內(nèi)容。以第1課時(shí)“觀察種子的結(jié)構(gòu)”為例，運(yùn)用ICDO結(jié)構(gòu)化提問(wèn)的方法，讓DeepSeek按提示詞執(zhí)行任務(wù)，使知識(shí)點(diǎn)與學(xué)情更加適配，細(xì)化教學(xué)方法與分層任務(wù)，增強(qiáng)互動(dòng)性與評(píng)估實(shí)效，生成詳細(xì)完整的教學(xué)設(shè)計(jì)（見(jiàn)表3）。

表3七年級(jí)下冊(cè)“種子的萌發(fā)”（第1課時(shí)）優(yōu)化后的教學(xué)設(shè)計(jì)

3.風(fēng)格適配：教學(xué)語(yǔ)言的場(chǎng)景化重構(gòu)

教師根據(jù)教學(xué)風(fēng)格和學(xué)生特點(diǎn)，調(diào)整生成內(nèi)容的表達(dá)方式。如導(dǎo)入環(huán)節(jié)教師活動(dòng)部分，先展示兩顆種子（完整的與蟲(chóng)蛀過(guò)的），向DeepSeek提問(wèn)“為什么被蟲(chóng)蛀過(guò)的種子無(wú)法發(fā)芽”，這部分導(dǎo)入內(nèi)容簡(jiǎn)單，表述平鋪直敘，未能有效激發(fā)學(xué)生興趣。要想用幽默風(fēng)趣的風(fēng)格吸引學(xué)生的注意力，可以更改教學(xué)風(fēng)格，首先利用DeepSeek設(shè)計(jì)一段提示詞：破除“種子完整性不影響萌發(fā)”的前科學(xué)概念，使七年級(jí)生物學(xué)課堂更加生動(dòng)有趣，結(jié)合懸念、故事化表達(dá)和互動(dòng)提問(wèn)，激發(fā)學(xué)生的好奇心，降低抽象概念的理解難度，需包含類比推理問(wèn)題，導(dǎo)入環(huán)節(jié)不超過(guò)3分鐘。然后將上述提示詞輸入DeepSeek并執(zhí)行，導(dǎo)入環(huán)節(jié)內(nèi)容經(jīng)過(guò)風(fēng)格適配得到優(yōu)化后的輸出結(jié)果：“同學(xué)們，今天老師帶來(lái)了兩顆‘神秘種子’一—它們看起來(lái)差不多，但命運(yùn)卻完全不同?。ㄕ故就暾N子和被蟲(chóng)蛀過(guò)的種子）第一顆種子圓潤(rùn)飽滿，像一名蓄勢(shì)待發(fā)的小戰(zhàn)士；第二顆種子有蟲(chóng)洞，仿佛被‘偷襲’過(guò)猜一猜：如果把它們同時(shí)種進(jìn)土里，誰(shuí)會(huì)成功發(fā)芽？為什么那顆‘受傷’的種子可能永遠(yuǎn)沉睡？揭秘時(shí)刻：原來(lái)，種子就像一個(gè)小型‘營(yíng)養(yǎng)倉(cāng)庫(kù)’！蟲(chóng)子啃咬時(shí)，不僅破壞了它的‘外衣’，還吃掉了關(guān)鍵的‘能量包’（結(jié)合動(dòng)畫(huà)或剖面圖講解胚的結(jié)構(gòu)）接下來(lái)，我們一起當(dāng)‘種子偵探’，解剖觀察它們的秘密！

DeepSeek生成的教學(xué)導(dǎo)人內(nèi)容生動(dòng)有趣，降低了學(xué)生理解抽象概念的難度，使抽象生物學(xué)概念轉(zhuǎn)化為符合七年級(jí)學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)的鮮活敘事。此外，為破除“種子萌發(fā)與環(huán)境無(wú)關(guān)”的前科學(xué)概念，還可利用DeepSeek生成設(shè)計(jì)與地理學(xué)科結(jié)合的跨學(xué)科問(wèn)題鏈，探究自然地理環(huán)境對(duì)種子萌發(fā)的影響，進(jìn)行跨學(xué)科整合[2]。

4.優(yōu)化迭代：雙循環(huán)反饋修正

教師結(jié)合教學(xué)反饋，對(duì)生成內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化。針對(duì)需要修改的內(nèi)容，利用DeepSeek設(shè)計(jì)生成提示詞，限定DeepSeek的生成范圍，逐步提升生成內(nèi)容的準(zhǔn)確性與適用性。雖然DeepSeek在教學(xué)設(shè)計(jì)中展現(xiàn)出高效性和創(chuàng)新性，但其生成內(nèi)容可能受到訓(xùn)練數(shù)據(jù)偏差或提示詞設(shè)計(jì)不足的影響，需進(jìn)行人工審核與修正。

（二）生成式人工智能的適配性分析

在“種子的萌發(fā)”這一課例中，生成式人工智能展現(xiàn)了顯著的優(yōu)勢(shì)。教師可以在1小時(shí)內(nèi)生成初步框架，在2小時(shí)內(nèi)完成設(shè)計(jì)，縮短備課時(shí)間。生成式人工智能快速生成教學(xué)設(shè)計(jì)框架、實(shí)驗(yàn)方案等，教師只需微調(diào)和優(yōu)化，資源生成效率提升。生成式人工智能能夠生成跨學(xué)科教學(xué)設(shè)計(jì)，如結(jié)合地理學(xué)科探究環(huán)境對(duì)種子萌發(fā)的影響，跨學(xué)科整合豐富了教學(xué)內(nèi)容。生成式人工智能生成詳細(xì)的分層任務(wù)設(shè)計(jì)，如為基礎(chǔ)薄弱學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)步驟模板，為優(yōu)生設(shè)計(jì)拓展探究任務(wù)，分層任務(wù)設(shè)計(jì)更具系統(tǒng)性和針對(duì)性，滿足不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。生成式人工智能生成生活化、生動(dòng)化的教學(xué)語(yǔ)言，如將子葉比喻為“能量包”，這種生活化的語(yǔ)言風(fēng)格降低了對(duì)抽象概念的理解難度，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。然而，生成式人工智能在復(fù)雜實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的支持有限，生成的內(nèi)容可能不夠精準(zhǔn)，需要教師進(jìn)行人工修正和補(bǔ)充。學(xué)生表示對(duì)生成式人工智能生成的內(nèi)容更感興趣，課堂參與度顯著提升。

三、反思展望：生成式人工智能教學(xué)應(yīng)用的邊界突破與生態(tài)重構(gòu)

（一）智能協(xié)同形成新范式

傳統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計(jì)主要依靠教師的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備，教師的教學(xué)能力和水平在很大程度上制約著教學(xué)設(shè)計(jì)的質(zhì)量。在人工智能技術(shù)日臻成熟的背景下，以生成式人工智能為代表的互動(dòng)生成教學(xué)設(shè)計(jì)模式日益成為中學(xué)課程設(shè)計(jì)新的風(fēng)向標(biāo)[3]。通過(guò)ICDO結(jié)構(gòu)化提問(wèn)的方法與四步備課流程，教師能夠快速生成符合課程標(biāo)準(zhǔn)、適配學(xué)情的教學(xué)設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)教學(xué)資源的高效迭代。在使用DeepSeek的過(guò)程中，自動(dòng)化生成教學(xué)設(shè)計(jì)框架、實(shí)驗(yàn)方案等基礎(chǔ)內(nèi)容，減少教師機(jī)械性勞動(dòng)，使其更專注于教學(xué)策略優(yōu)化。通過(guò)遞進(jìn)式問(wèn)題鏈與跨學(xué)科整合，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)。生成式人工智能的四步備課流程與ICDO結(jié)構(gòu)化提問(wèn)方法，雖以初中生物學(xué)“種子的萌發(fā)”為例進(jìn)行設(shè)計(jì)，但其底層邏輯具有學(xué)科適配潛力，可遷移至其他學(xué)科。

（二）技術(shù)應(yīng)用是雙刃劍

生成式人工智能雖然為教學(xué)提供了新思路，但存在局限性。過(guò)度依賴生成式工具可能導(dǎo)致教師教學(xué)設(shè)計(jì)能力退化，并且生成式人工智能對(duì)復(fù)雜實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的支持不足，尤其是在涉及多變量控制的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，需增強(qiáng)生成式人工智能在復(fù)雜情境中的適配性。建議結(jié)合優(yōu)化提示詞，增強(qiáng)教學(xué)設(shè)計(jì)的適配性；提供優(yōu)秀的案例進(jìn)行迭代，增加教師教學(xué)設(shè)計(jì)能力與生成式人工智能協(xié)作技能的雙重培訓(xùn)；在使用生成式人工智能進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，教師需要注意生成式人工智能使用的倫理邊界，規(guī)避數(shù)據(jù)隱私風(fēng)險(xiǎn)，堅(jiān)持教師主導(dǎo)性原則。

（三）教育生態(tài)再進(jìn)化

生成式人工智能在教學(xué)設(shè)計(jì)中有廣闊的應(yīng)用前景。它可以協(xié)助教師設(shè)計(jì)復(fù)雜的跨學(xué)科項(xiàng)目，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)；多模態(tài)生成技術(shù)的整合將豐富教學(xué)設(shè)計(jì)，讓教學(xué)內(nèi)容更加生動(dòng)直觀，更能激發(fā)學(xué)生興趣。此外，學(xué)校推行DeepSeek的本地部署，建立共享教學(xué)案例庫(kù)，將促進(jìn)生成式人工智能與學(xué)科教學(xué)的深度融合，推動(dòng)教學(xué)模式的創(chuàng)新與變革。實(shí)踐表明，生成式人工智能結(jié)合ICDO結(jié)構(gòu)化提問(wèn)方法，能夠顯著提升備課效率和教學(xué)設(shè)計(jì)質(zhì)量。通過(guò)“目標(biāo)拆解 $$ 資源生成 $$ 風(fēng)格適配 $$ 優(yōu)化迭代”四步備課流程，教師能夠快速生成符合課程標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)情需求的教學(xué)設(shè)計(jì)。生成式人工智能的應(yīng)用促進(jìn)了跨學(xué)科整合和分層任務(wù)設(shè)計(jì)，不僅減輕了教師的工作負(fù)擔(dān)，而且促進(jìn)了學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。然而，生成式人工智能在復(fù)雜實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的支持有限，需進(jìn)一步優(yōu)化。未來(lái)的研究應(yīng)關(guān)注生成式人工智能在其他學(xué)科中的適配性，以及如何更好地結(jié)合教師的專業(yè)知識(shí)和生成式人工智能技術(shù)，推動(dòng)教育模式的創(chuàng)新與變革。

注：本文系福建省教育科學(xué)規(guī)劃2024年常規(guī)課題“中小學(xué)教師資格考試與科學(xué)教師專業(yè)發(fā)展的關(guān)系研究”（編號(hào)：FJJKZX24-350）的研究成果。

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（作者永樹(shù)其系云南省文山壯族苗族自治州廣南縣第四中學(xué)校教師；張鋒系福建省普通教育教學(xué)研究室正高級(jí)教師）

責(zé)任編輯：祝元志