【人工智能】小学科学 | 人工智能赋能抽象概念具象化转译的路径——以教科版《科学》五年级下册《地球——宇宙的奇迹》为例

【摘要】对小学生而言，“地球”“宇宙”都是非常抽象的概念。在科学课程中教学相关概念，面临着“时空尺度感知存在障碍、天体作用机制不可观测、系统探究缺少具体实验支撑”三重壁垒。对此，教师可依托人工智能工具对抽象概念进行具象化转译，破解难题。以教科版《科学》五年级下册《地球——宇宙的奇迹》一课为例，教师构建了“智能筛选—符号解构—情境重构—逻辑建构”具象化转译路径，以此有效降低学生的认知负担，同步发展学生的空间想象与科学论证能力，为小学科学地球与宇宙科学的教学提供参考。

【关键词】人工智能；地球与宇宙；抽象概念；具象化转译

《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称《课程标准》）对“宇宙中的地球”这一内容提出了教学建议，要求教师引导学生通过模拟实验、模型制作等方式，获得直接经验和数据，并借助信息技术手段使天体运动具象化，加深学生对天体系统的大小、相对位置、层次等的认识，帮助学生建立空间观念，产生探究地球与宇宙科学的兴趣。然而，该领域中的科学概念常带有抽象属性，是小学科学教学中的难点，具体体现在以下三个方面。一是时空尺度感知存在障碍。教材中，日地距离、恒星演化周期等均以数字呈现，且光年等天文单位脱离生活经验，学生无法形成具象感知。二是天体作用机制不可观测。地磁场辐射屏蔽效应、大气保温效应、行星热平衡等内在过程无法用肉眼观察，学生难以建立“磁场—大气—液态水—生命”的完整因果逻辑。三是系统探究缺少具体实验支撑。以星系演化过程为例，教师难以组织对照实验，探究活动缺少变量调控、连续观测、数据对比的条件，导致探究学习流于形式。一线调研显示，教科版《科学》五年级下册《地球——宇宙的奇迹》一课多依靠静态插图和短视频呈现、文字科普等方式开展教学，停留在浅层。学生难以理解尺度差异对行星宜居环境的影响，其空间思维、论证素养培育不足。如何破解这些教学难点？

随着人工智能技术在教育领域的不断落地应用，依托人工智能破解地球与宇宙科学领域的教学难点成为可能。相较于传统多媒体手段只能呈现预设好的静态内容或固定流程的动画，人工智能可根据教学需求、学生认知水平快速生成适配的具象化内容，为抽象科学概念的转译提供了新的路径。以教科版《科学》五年级下册《地球——宇宙的奇迹》一课的教学实践为例，教师可依托人工智能，构建“智能筛选—符号解构—情境重构—逻辑建构”具象化转译路径，实现地球与宇宙科学领域抽象概念的具象化转化，有效降低学生的认知负担，同步发展学生的空间想象与科学论证能力。

认知负荷理论阐明，人类的工作记忆容量存在明确上限。课堂上，一次性呈现大量天文参数极易造成认知过载，阻碍学生对科学概念的理解。人工智能具备智能信息筛选、任务阶梯拆分等能力，可自动剔除冗余的天体数据，按照学生认知梯度提供核心变量，削减外在认知负荷，为学生的抽象思维过程预留充足的空间。教学《地球——宇宙的奇迹》一课前，教师依托人工智能完成信息精简、界面轻量化处理、任务分层分发三步操作。

一是信息精简。课前，人工智能筛除了天王星、海王星、小行星、彗星等与行星宜居性无关的冗余信息，仅推送太阳、地球、火星等与生命相关的天体信息。同时生成生活化类比，如“宜居带是恒星周围、行星表面有可能存在稳定液态水的轨道距离范围”，降低学生的认知门槛。

二是界面轻量化处理。仿真初始界面仅保留太阳、地球、火星三个可调节模型，只开放轨道距离、大气厚度两类核心变量，其他天体和次要参数统一锁定，以减少无关信息的干扰。

三是任务分层分发。人工智能依据学生的预习反馈匹配三层差异化任务：基础层仅调控轨道距离，观测温度变化；进阶层同步调控轨道、大气等变量，对比数据差异；创新层整合磁场、大气、距离等多重条件，推导宜居规律。该操作能够使任务适配处于不同认知水平的学生，实现因材施教。

教师依托人工智能智能筛选机制实现阶梯式信息供给，使抽象概念的具象化转译成为可能。人工智能筛选冗余信息、拆分探究任务，能够有效释放学生的工作记忆容量，用于抽象概念的加工。经过信息精简后，课堂上出现认知过载、跟不上学习节奏的学生比例大幅下降；且认知基础较弱的学生能够跟随分层任务逐步推进探究，其术语理解程度与仿真操作参与度显著提升。界面轻量化与任务分层分发则为学生搭建了具象认知支架，保障各类课堂活动有序开展。

根据皮亚杰的认知发展阶段理论，五、六年级的学生正处于由具体运算向形式运算过渡的阶段。地磁场、大气圈层、宜居带、太阳辐射等科学概念脱离学生的日常经验，单一的文字介绍无法激活学生的具象感知，学习容易停留在机械记忆层面。人工智能具备自然语言交互能力，是符号解构环节的核心工具。它依托自然语言处理技术，搭建“科学概念—生活化类比事物—动态示意图”的桥梁，将抽象的科学概念转化为学生可感知的日常事物，深化他们的理解。

《地球——宇宙的奇迹》一课的符号解构环节以核心问题“地球依靠哪些独特条件维持生命存续”为主线，全程使用人工智能开展交互式教学。在情境导入环节，教师展示地球液态水与生命多样性的实景图片，抛出核心问题，引导学生自主梳理地磁场、大气圈层、宜居带、太阳辐射等概念。在智能互动环节，学生使用平板电脑登录交互平台，自主向智能体提问，提问次数不受限制，可随时补充尚未理解的知识点。在分层类比环节，人工智能分层生成生活化类比事物以及动态示意图。以地磁场这一概念的阐释为例：人工智能将其类比为雨伞，为地球遮挡暴雨，阻挡宇宙高能辐射对地表的冲击；动态示意图直观演示辐射抵达、发生偏转的全过程。大气圈层则被类比为兼具防晒、保温双重功能的透气外套，动态示意图呈现其削弱强光、锁住地表热量的双重作用。在自主解释环节，学生结合生活经验阐释科学术语，人工智能即时判定学生表达的科学性与完整性。在分享互证环节，小组成员互相讲解科学概念的内涵；人工智能汇总班级共性疑问，统一推送补充素材，帮助学生完成符号解构。

符号解构是人工智能具象化转译路径的核心环节，也是开展因果探究与系统论证的起点。人工智能支持自主提问、双向交互，按需生成多元类比事物并配套展示动态示意图，形成完整的符号转译链条。借助这类交互学习，学生对地磁场、大气圈层、宜居带、太阳辐射等概念的理解明显加深。抽象符号与日常事物之间建立起稳定的联结，从根源上减少了机械记忆等浅层学习行为，为后续学习奠定了认知基础。