【AI赋能】小学科学 | 从“刻舟求剑”到“AI寻剑”——技术支持下的探究学习设计

科学教学应引导学生通过探究实践，在真实情境中形成科学观念，发展科学思维。实践中，传统探究教学常面临三重困境：一是情境创设依赖教师语言描述，难以让学生真正身临其境；二是探究过程中学生的思维活动内隐，教师难以及时捕捉并予以支持；三是个性化反馈不足，难以满足不同学生的学习需求。1与此同时，人工智能、虚拟现实等技术的发展，可以创设沉浸式情境，可以让思维过程可视化，可以实现即时性、个性化的学习反馈，为破解上述困境提供了新的可能。但随之而来的问题是：技术是否会遮蔽科学思维的本质？是否会让学生沉溺于“好玩”而忽略“好学”？是否会加重教师负担而非减轻？[这些问题指向一个核心追问：如何将技术有机融入探究学习，既发挥技术优势，又不偏离科学育人的根本目标？现以三年级《运动和位置》一课为例，分析以“刻舟求剑”寓言为情境载体，以自主研发的“AI寻剑”游戏为核心工具，探索技术支持下的探究学习设计路径。

技术支持下的探究学习，并非简单地将数字化工具嵌入课堂，而应遵循以下设计理念和原则。

情境是探究发生的土壤。一个优质的情境能够激发好奇、锚定问题、驱动思考。技术的价值在于强化情境的真实感与吸引力，而非用炫酷的视听效果替代情境本身。[3]“刻舟求剑”作为经典寓言，具有天然的叙事张力和探究空间。学生虽然熟悉故事，却未必思考过其中的科学道理，这正是开展探究学习的绝佳机会。技术的作用是让这个古老故事“活”起来，动态呈现“船行剑留”的过程，交互式展示不同参照系下的运动状态，让学生在沉浸体验中发现问题、在操作中建构概念。

科学思维往往是内隐的。学生如何判断运动状态？如何选择参照物？如何描述位置？这些思维过程若不外显，教师便难以诊断并予以支持。技术可以将内隐的思维通过可视化工具“呈现”出来，学生在“AI寻剑”游戏中输入的定位指令被实时记录，成功与失败的操作被数据化呈现，多次定位点被自动连成轨迹线，这些技术设计让思维“可见”，也为教师的针对性指导提供了依据。[4]

真实世界的科学问题往往是复杂的、不确定的。传统课堂中的探究任务常被简化为“有标准答案”的练习，失去了探究的本真意味。技术支持可以让探究任务更接近真实，在“AI寻剑”游戏中，学生需要面对“沟通失败”的挑战，根据同伴的反馈调整表达，并在多次尝试中总结规律。这种人机互动、生生互动的设计，让探究从完成练习变为解决问题，从被动接受变为主动参与。[5]

基于上述理念，《运动和位置》一课设计了“情境唤醒一概念建构一方法习得一思维迁移”四阶探究路径，将“刻舟求剑”这一传统文化资源与现代AI技术深度融合。

探究始于问题，问题生于情境。课堂伊始，教师播放“刻舟求剑”动画，学生在熟悉的故事情境中自然进入学习状态。

教师提问：“为何船上的人都哈哈大笑？”学生凭直觉回答：“船走了，剑没动，记号不对了。”这一回答虽未使用科学术语，却准确触及了“运动”与“静止”的相对关系。教师顺势追问：“船走了’是说船怎么了？‘剑没动’呢？”引导学生尝试用更精确的语言描述，并引入科学概念：物体位置的变化称为运动，位置不变称为静止。

单一的教师讲述难以让学生直观理解“船行剑留”的动态关系。该环节运用动态演示技术，在屏幕上呈现船向前行驶、剑在水中静止的画面，通过反复播放和暂停，强化学生对“位置变化”的视觉感知，为后续探究奠定认知基础。

当学生对“运动与静止取决于位置是否变化”形成初步认识后，教师将学生思维拉回故事情境：“楚人用船上记号找剑，为什么行不通？”学生回应：“记号跟着船动了。”教师追问：“那应该用什么物体做标记？”学生审视故事场景后提出：“可以用那个不动的小礁石。”

这一发现的关键在于，学生自主意识到判断位置是否变化，需要一个“不动”的参照标准，这正是“参照物”概念的核心。

为帮助学生深入理解参照物的相对性，该环节运用交互式白板技术。教师呈现同一场景，引导学生分别以“小船”和“小礁石”为参照物，观察剑的运动状态，学生发现：以小礁石为参照，剑的位置不变，是静止的；以小船为参照，剑的位置在变化，是运动的。同一物体呈现出截然相反的运动状态，这一强烈的认知冲突通过技术手段被清晰呈现，让学生体验到运动的相对性，对同一物体运动状态的描述，会因参照物不同而不同。

确立参照物之后，新的问题自然浮现：如何客观、准确地描述物体的位置？教师再次聚焦情境：“假设你是岸边的路人，如何准确告知楚人剑的位置？”

学生最初的描述往往模糊，如“在小礁石下面”。教师扮演困惑的楚人追问：“‘下面’是哪个方向？正下方还是斜下方？离礁石多远？”学生在“沟通失败”的体验中，切身感受到日常语言的模糊性，从而自主生成对精确描述方法的内在需求。教师顺势引导：“要想让别人准确找到目标，必须说清两个关键信息：方向和距离。”

表1“AI寻剑”游戏的核心设计

为让学生在真实任务中习得“方向+距离”的描述方法，该环节引入自主研发的“AI寻剑”游戏，游戏的核心设计见表1。

游戏规则为：两人一组，一人担任导航员，一人担任寻剑者。导航员面向屏幕描述剑的位置，如“以小礁石为参照，正南方20米处”，寻剑者背对屏幕，根据指令在界面中点击定位。AI系统实时判断定位是否准确，并给出反馈：“距离正确，方向偏东5米，请调整。”若指令模糊，如只说“那边”，系统会提示：“请说明方向和距离。”

学生在游戏中经历了指令从模糊到精确、执行从失败到成功的完整过程。AI游戏的即时反馈机制让每一次尝试都成为学习的机会，同伴合作让表达与倾听、指令与执行形成闭环。

当学生能够熟练描述静态物体的位置后，教师抛出新问题：“如果楚人掉落的不是剑，而是一条小鱼，入水后游走了。只告诉楚人小鱼‘现在’的位置还有用吗？”学生立刻意识到描述“某一时刻”的位置无效，因为“等楚人过去，鱼早就不在那儿了”。教师顺势引出核心问题：“面对运动的物体，我们该如何掌握它的行踪？”

此时技术介入，教师利用动态模拟系统展示小鱼沿曲线游动的过程，分三步推进教学。

第一步，多点定位。教师在游动路径上选取A、B、C三个关键点，让学生分组描述各点相对于小礁石的方向和距离，完成三份独立的位置描述。第二步，自动连点成线。模拟系统将学生描述的三个位置点在屏幕上自动标记，并用平滑曲线连接，形成完整的运动轨迹。学生惊讶地发现“把这些点连起来，就是它走过的路！”第三步，概念引入与生活拓展。

教师由此引入科学概念“物体在运动过程中经过的所有位置点连成的线，称为运动轨迹’。”随后展示汽车导航路径线、共享单车骑行记录、台风路径预测图等实例，引导学生分析其中的“参照物”“位置点”和“轨迹”。学生恍然大悟，自己在课堂上经历的思考方法，正是现代定位与导航技术的核心科学原理。