【摘要】随着教育数字化战略的深入推进，人工智能技术为小学科学教学模式的革新提供了全新的可能。本文以教科版科学二年级上册电子教材中“地球家园”单元的教学实践为基底，创新性地引入人工智能技术作为支撑，探索小学科学“1+N”跨学科融合教学的新路径。研究围绕“动物的家”“设计小房子”“建造小房子”等核心案例，结合“地球家园”单元的观察与实践内容，详细阐述了AI工具如何赋能情境创设、探究支持、个性化学习与成果评价等关键教学环节。本文论证了在AI支持下，以科学课(“1”)为核心，有机融合工程、技术、艺术、语文等多学科(“N”)的教学模式，能够更有效地引导1~2年级学生从生活经验出发，建构对地球生态的系统认知，实现从具象体验到抽象思维、从知识获得到素养提升的跨越，为指向核心素养的科学课堂创新提供实践范例。

【关键词】小学科学；人工智能；“1+N”模式；跨学科教学

小学科学教育是培养学生科学素养、创新精神和实践能力的关键起点。传统的1~2年级科学教学虽注重从生活经验出发，但在引导学生进行系统性探究、处理真实复杂问题和实现个性化深度学习方面常面临挑战。跨学科学习(STEM/STEAM)理念虽已兴起，但在实践层面，如何找到有效的“锚点”，实现有深度的融合而非简单的知识拼盘，仍是一线教学的难点。

人工智能技术的迅猛发展，特别是其在大数据分析、自然语言处理、图像识别与生成、虚拟仿真等方面的能力，为破解上述难题提供了有效的工具。它能够创设沉浸式学习情境，提供智能探究支架，实现对学习过程的精准分析与反馈。本研究提出“1+N”跨学科融合教学模式，即以科学课程的核心概念与探究实践为根本立足点(“1”)，利用人工智能作为“连接器”与“放大器”，自然、动态地融入工程设计与技术应用、数学分析、艺术表达、语言逻辑等其他学科要素(“N”)，形成以解决真实问题为导向的深度学习项目。

本文以教科版科学二年级上册“地球家园”单元的教学为例，该单元内容贴近学生生活，蕴含丰富的跨学科探究契机。笔者将展示如何借助AI技术，将教材中“动物的家”“我们的家”“设计小房子”等系列案例升级为以人工智能为支撑的“1+N”跨学科项目式学习活动，从而赋能科学课堂，实现教学范式的创新。

教学过程遵循“真实问题驱动一AI辅助探究一跨学科整合创造一智能反馈迭代”的流程，以一个核心学科或主题为引领(“1”)，有机融合多个其他学科的知识与方法(“N”)，形成立体化的知识网络与综合性的问题解决能力。

学生观看由AI生成的关于地球家园不同风貌(海洋、森林、城市、沙漠)的短视频，激发了学习兴趣。教师引导学生提出驱动性问题：“如何向远方的朋友介绍并保护我们独特的地球家园(或校园一角)？”之后开展AI支持的个性化探究实践，学生分组，选择感兴趣的角度(如“校园的树木朋友”“天空的云朵日记”“花园中的小动物”)开展探究。

学生使用AI问答助手，查询关于选定动植物的科学知识、相关古诗词或神话传说，实现科学与人文的融合，再开展观察与记录：用智能设备拍摄、录制，并用AI工具进行标注、分类和初步分析。AI平台会根据各小组的探究进度和遇到的问题，智能推送差异化的学习资源包(如针对“水的循环”小组推送相关科学实验视频、成语故事和节水公益广告），实现“一人一策”，优化学生个性化学习路径。

在传统教学中，学生从“家”的概念扩展到“地球家园”主要依靠观察、讨论和想象。AI的介入，能使这一认知过程更加直观、交互和系统化。

在“动物的家”案例中，教师可利用AI图像识别工具(搭载相关程序的平板电脑，可使用百度识图、花伴侣等App)，带领学生在校园或公园实地拍摄各种巢穴、洞穴；对校园或社区中的动植物、岩石类型进行分类，验证并丰富学生对“地球家园中有土壤、岩石、水、动物、植物、人”等科学观念的认知，同时提高学生的科学探究兴趣。AI不仅能实时识别动物种类，更能通过增强现实(AR)技术，在学生观察的实体鸟巢旁叠加显示信息图层，展示该鸟类所需的食物链、对树木种类的依赖、对气候的要求等。这便将一个具体的“动物的家”，瞬间关联到“地球家园有什么”的宏观要素网络：动物、植物、气候、地理。学生还可以使用AI绘画工具，根据描述生成“如果气候变暖/变冷，这个家可能会变成什么样”的对比图，直观地理解家园与环境的统一性。在此过程中，科学探究(生物与环境)融入了技术应用(AI识别与AR)和艺术表达(AI绘画)，初步体现了“1+N”的融合。

“我们的家”案例可延伸为“数字家园地图”项目。学生先绘制自家的简易平面图，随后，在“我们的校园”实践中，学生分组利用平板电脑上的传感设备(或连接便携式传感器)测量校园不同区域的温度、湿度、光照和噪声，AI程序自动将数据可视化，生成一张“校园环境数据地图”。

学生对比家庭环境数据(如通过查询天气App历史数据获取自家周边的平均数据），讨论家庭与校园这两个“家园”的异同。AI的数据处理能力可将原本模糊的“感觉”转化为清晰的“证据”，帮助学生用初步的数据思维理解“局部一整体”关系。这一活动整合了科学(环境测量）、数学(数据记录与简单比较)和信息科技(数据采集与可视化），是“1+N”模式的生动体现。学生还可以以此为素材，将自己观察到的上述地球家园故事进行整理、润色，完成个性化的自然笔记或科普短文，提升有条理、有情感的语文表达能力。

AI能够模拟复杂过程，提供实时反馈，帮助学生建立事物间动态、深层次的联系。

在探究“家里的物品”来源时，学生可使用AI语音助手或教育搜索引擎，通过自然语言提问：“我的木质书桌从哪里来？”AI不仅可以给出“树木一木材一工厂一商店”的文字链，更能推荐一段展示森林生态、木材加工过程的短视频。更重要的是，可以链接到“我们周围的空气”实验：在虚拟实验室软件中，学生通过拖拽参数，模拟不同空气质量(如含氧量、污染物浓度)下，同一片森林中树木的生长速度变化，并通过AI图表生成工具，实时生成生长对比曲线图，使学生直观分析数据规律，初步建立用数据说话的科学思维。这使得“物品一树木生长一空气与阳光”的认知链条从静态知识变为动态可交互的模型，科学、技术、环境教育在此深度融合。