AI工具赋能小学科学游戏化教学的课堂实践

编者按：

人工智能技术为小学科学课堂的教与学方式变革提供了新的可能。本文立足县域小学科学教学实际，以三个学期的课堂实践探索为基础，系统梳理了AI工具融入科学游戏化教学的操作路径与实践策略。我们将AI工具在科学课堂中的功能归纳为情境生成、认知支撑和即时反馈三种类型，并构建了“目标定位-工具择取-活动嵌入-思维深化”的实施框架。通过对三个典型课例的深入分析，发现AI赋能游戏化教学在激发学生探究欲望、降低抽象概念理解难度、提升课堂互动质量方面具有明显成效，但也面临技术内容准确性不足、虚拟体验与真实操作脱节等现实制约。建议小学推进AI赋能科学课堂应秉持“技术服务于探究”的基本立场，构建工具审核、教师研修与课堂实践协同推进的实施机制。

小学科学课程承担着培养学生科学素养、激发探究兴趣的重要使命。然而，在县域小学科学课堂上，一个长期存在的困境是：当教学内容涉及抽象的自然现象或动态过程时，学生常常只能通过教师的语言描述和课本中的静态插图来理解。以“食物在体内的旅行”为例，多数学生能够背诵“口腔-食道-胃-小肠-大肠”的顺序，但当教师追问“食物在胃里变成了什么”“小肠为什么要那么长”时，教室里往往陷入沉默。这种“记住了名称却不理解过程”的现象表明，科学概念的符号化记忆并未转化为真正的理解性认知。

游戏化教学被视为突破这一困境的有效途径。当学习内容以闯关、角色扮演、任务挑战等形式呈现时，学生的参与度和思维投入程度都会明显增加。但现实难题是：县域小学教师的工作负担较重，手工设计制作游戏化教具和活动需要大量时间与精力，难以在常态课中持续实施。近两年来，一批免费、易用的AI工具进入教育领域，为这一困境的解决提供了新的可能。AI能够根据教师的教学需求快速生成互动游戏、动态情境和虚拟实验，大幅降低了游戏化教学的实施门槛。

然而，工具本身并不能自动产生良好的教学效果。AI进入科学课堂后，教师面临三个需要回答的问题：AI在科学教学中适合做什么、不适合做什么；怎样把AI工具和科学探究活动有机结合起来；AI赋能之后，学生的科学学习究竟发生了怎样的变化。本文正是围绕这三个问题，在县域小学科学课堂中展开了实践探索。

通过多个课例的实践比较，AI工具在科学课堂中的功能可归为三种类型：情境生成、认知支撑和及时反馈。三类功能之间的关系可以这样理解：情境生成是引发探究的“导火索”，认知支撑是理解概念的“脚手架”，即时反馈是巩固知识的“检验器”。

1.情境生成功能

科学探究常由疑问驱动，疑问源于认知冲突。以往教师多凭口述或静止图画创设情境，但在应对“湖面封冻”“种子萌发”等动态自然现象时，传统方式显得乏力。AI的图形生成与动态演示功能能够将文字描述快速转化为鲜活的视觉画面，帮助学生建立整体感知。值得留意的是，情境创设的核心不在于视觉效果，而在于能否激发疑问。在“水结冰了”课例中，AI生成初冬与深冬湖面对照图，学生自然发问：“水是怎样变成冰的？”这些疑问便成为后续实验探究的真实驱动力。

2.认知支撑功能

小学科学的许多核心概念涉及动态过程和微观变化，如天体运动、物态变化、生物体内的生理过程等。这些内容超出了小学生的认知范围，学生对“看不见”“摸不着”的现象往往感到难以理解。AI的可视化功能可以将这类抽象过程转化为直观的动态演示，帮助学生建立正确的概念模型。这类功能的价值在于降低了外部认知负荷——学生不必在头脑中费力想象过程如何发生，而是可以直接观察过程的动态演化，从而把认知资源集中在“为什么会这样”的深层理解上。需要说明的是，AI演示应该在学生产生疑问、有了探究方向之后呈现，而不是在学生还没有思考之前就直接给出答案。

3.即时反馈功能

在科学学习中，学生需要有机会检验自己的想法是否正确，并在试错中修正认知。传统的课堂练习和作业通常无法提供即时反馈——学生要等到第二天教师批改后才能知道对错，此时由于“时过境迁”，修正的意愿大打折扣。AI驱动的互动游戏和闯关任务可以在学生完成操作的同时给出反馈：对了进入下一关，错了收到提示性信息重新思考。这种“操作-反馈-修正”的即时循环方式使得学习过程更加连贯。

在对AI工具的功能有了清晰认识之后，笔者构建了一个包含四个环节的课堂实施框架。

第一步：明确需求、锚定目标。备课时教师需追问三个问题：难点在哪、AI能否助力突破、怎样用才会优于传统方式。若答案模糊，则不强行引入。唯有当内容涉及抽象动态过程、常规手段难以直观呈现或需学生在试误中自主建构概念时，方考虑使用AI。

第二步：选择工具，适配条件。县域小学硬件各有差异，工具选择必须考虑“可用性”。笔者所任教的学校学生没有平板，教室多媒体可联网但网速不快。基于此，笔者主要使用AI互动游戏生成平台和AI图像素材生成工具。工具选择的基本原则是“课前一验”——AI生成内容存在偶尔出错的概率，教师必须在课前亲自测试，确认所有信息准确无误后再用于课堂。

第三步：嵌入流程，有机融合。笔者以科学课堂“聚焦-探究-研讨-拓展”的教学流程为骨架，将AI活动嵌入不同环节：聚焦环节，AI用于创设问题情境；探究环节，AI作为认知支架；研讨和拓展环节，AI闯关游戏发挥即时反馈功能。需要指明的是，在任何环节中AI都应居于“辅助”位置。

第四步：深化思维，建构意义。这是框架的落脚点。AI行使“支架”功能之后，教师必须组织学生进行充分的交流研讨，引导学生从操作体验中提炼科学概念。AI提供了“经历”，但“意义”的建构必须在师生对话中完成。

1.“食物在体内的旅行”—— 闯关游戏中的概念建构

四年级“食物在体内的旅行”教学难点在于消化过程发生在体内无法直接观察，学生对器官“顺序”和“协同工作”缺乏系统认识。笔者在课前利用AI互动游戏平台设计了一个“食物旅行闯关”游戏，设三个关卡：第一关将五个消化器官按顺序拖放到位；第二关将器官与功能描述匹配；第三关判断关于消化过程的表述正误并说明理由。

课堂教学按“画路线-闯关-讨论-归纳”展开。笔者先让学生在活动手册上画“食物进入身体后经过了哪些地方”，学生画出的路线五花八门——有的画出了“口腔-心脏-胃-肠”，有的把气管和食道画在了一起。这些不同画法成为后续闯关的认知基础，学生带着自己的“版本”进入游戏，在试错中发现不足，再根据即时反馈逐步修正。闯关完成后组织学生交流：哪一关出错了？当时怎么想的？现在怎么理解？学生发言涉及对“胃和小肠谁先谁后”等问题的认识变化。这堂课中，AI闯关游戏提供了一个“安全试错”环境，即时反馈让他们立刻知道对错并有动力寻找正确答案。

2.“水结冰了”—— 情境创设中的探究启动

三年级“水结冰了”的教学重点是观察水的结冰过程，理解水与冰是同一种物质的不同形态。学生已有“冬天水会结冰”的生活经验，但对结冰过程缺乏具体认知。

导入环节，AI生成两幅对比图片——初冬波光粼粼的湖面和深冬冰封的湖面。展示后问学生：“这两个地方是同一个湖，你看出了什么不同？”学生很容易说出“一幅有冰，一幅没冰”。笔者接着追问：“水是怎么变成冰的？”这些问题自然构成了后续实验的探究方向。学生分组进行结冰实验，在试管中装水插入温度计，放入冰盐混合物，每隔一分钟记录温度和水的外观变化。实验完成后，AI动态演示水从液态到固态的完整变化过程，帮助学生回顾、确认观察到的关键变化。最后全班进行实验记录对比和AI演示，归纳出“水在0摄氏度时开始结冰”。AI在本课承担了两个功能：导入时制造认知冲突，实验后串联观察帮助学生形成系统认识。学生亲自动手操作和记录温度变化是任何AI演示都无法替代的。

3.“昼夜交替”——虚拟实验中的假设检验

六年级“昼夜交替现象”要求学生理解昼夜交替的原因是地球自转造成的。这一概念涉及天体相对运动，空间想象难度大。传统教学用手电筒和地球仪演示，局限在于学生提出不同假设时教师很难逐一验证。

本课使用AI虚拟实验工具，界面呈现地球与太阳的简化模型，学生从预设的六种运动方式中选择一种，点击“运行”后工具以动画模拟该方式下地球昼夜交替的变化。课堂按“提出假设-虚拟验证-对比判断”推进。学生先在记录单上写下自己的猜测和理由，然后在小组内依次运行对应的模拟场景，观察是否产生昼夜交替及周期是否符合实际。模拟结束后各小组汇报，全班对比分析不同假设的结论，最终筛选出“地球自转”是唯一符合事实的解释。AI虚拟实验的核心价值在于“快速验证不同假设”，让每位学生都可以亲自检验自己的想法，经历完整“假设-检验-确认或否证”的科学推理过程。

1.学生学习状态的变化

学生参与度的变化最为直观。使用AI游戏化教学的几节课中，发言人数明显多于常规课，主动提问次数也显著增加。闯关游戏后的讨论环节，许多平时沉默的学生也愿意分享“闯关经历”和“错题体会”。AI游戏化设计降低了参与心理门槛——学生在游戏中犯错不会感到丢脸。

在“食物在体内的旅行”课后简答题中，实验班学生展现出优势。他们能更准确具体地写出消化器官顺序，对胃的作用描述也精准，如“像搅拌机一样把食物磨碎”“胃液帮助分解蛋白质”，概念理解呈现积极变化。更令人惊喜的是，学生质疑意识显著增强。AI生成植物图片出错时，学生能敏锐指出问题，经查证确认AI有误。笔者把这一“教学事故”当成教育契机，让学生明白机器也会犯错，要学会用证据验证而非盲从，这正是培育科学素养的核心批判性思维。

2.教师教学体验的变化

AI工具大大减轻教师备课制作教具的负担。以往设计课堂闯关活动时，手工绘制教具要耗费教师大量时间，如今输入知识要点与活动模式，AI很快就能生成教学素材，教师只需结合学情调整完善。省下的时间能用来钻研教学重难点、分析学生认知特点。但智能工具也对教师提出新要求，教师要依靠专业功底辨别内容正误，合理把控使用频率，相关鉴别能力会在日常教学中逐步积累。

3.实施中的制约因素

AI给出的内容时常出现常识纰漏，图示、数值容易出错，教师课前必须逐项核查，这十分考验教师专业功底。课堂要兼顾虚拟演示与实体操作，虚拟实验虽便捷，但过度使用会误导学生对科学探究的理解。城乡办学硬件差距也阻碍落地，设施完善的学校可安排学生实操，乡村小规模学校只能依靠手机简易展示。

经实践验证，AI工具在小学科学游戏化教学中作用显著。其一，它能承担情境生成、认知支撑与即时反馈功能，不同功能各有其适用场景，教师需依据教学目标和学情灵活选用。其二，“目标定位-工具择取-活动嵌入-思维深化”四步框架，明确AI是探究的助力而非替代品。其三，AI赋能能提升学生参与度、促进概念理解、培养质疑意识，但技术准确性和虚实平衡问题不容忽视。

给一线教师的建议是：从小环节、单工具入手尝试，对AI生成的内容仔细核验。学校要把AI课堂实践纳入校本教研，助力教师培养“设计思维”。教育管理部门则要建立区域推荐机制，培训内容从技术操作拓展到融合教学设计。

作者单位 │ 广东廉江市实验学校

内容来源 │《中小学信息技术教育》2026年9期

排版 | 伊   丹        初审 | 仲玉维复审 | 卢秋红        终审 | 苏金柱