【人工智能+实验教学】小学科学 | “科”与“学”携手——人工智能辅助实验教学的实践策略研究

【摘要】：本研究对人工智能与小学科学实验教学的深度融合策略进行了分析，研究采用理论研究法与案例分析法等方法，提出了“虚实融合实验、搭建个性化框架、实时采集数据、开展多元评价”的四阶段实践策略，主张将人工智能嵌入实验教学的各个环节，构建沉浸式、精准化的实验教学新模式，推动实验教学智能化、数字化升级。研究表明，在小学科学实验教学中科学融入人工智能，能够可视化展示实验现象、精准调控实验过程、提供个性化探究框架、动态提供反馈信息，让学生深刻体会科学实验的魅力，促进其科学思维与实践能力的发展。因此，对人工智能辅助小学科学实验教学的策略进行深入研究，对丰富实验教学理论、推动教学改革、培育科学核心素养等具有重要的理论与实践意义。

【关键词】：人工智能；小学科学；实验教学

实验是科学教学的重要组成部分，兼具情境化、问题导向、实践探究等特征，承担着培养学生科学观念与思维、提升学生探究实践能力、树立学生科学态度与社会责任等重要职责。传统的小学科学实验教学基本采取班级集中教学的模式，由教师演示实验步骤、展示实验结果，学生则被动观察与分析实验现象，缺少自主开展高质量实验探究活动的机会，存在实验形式单一、指导方式粗放、反馈机制滞后等问题，导致实验的素养培育作用难以充分发挥。人工智能(ArtificialIntelligence，简称AI)是融合了自然语言处理、计算机视觉、物联网传感与多模态生成等功能的综合性技术，不仅可以作为“虚拟实验员”展示各种实验活动，带领学生解读、探究实验现象，为学生提供合适的框架，还可以实时采集实验数据、预警实验风险，让学生获得全面、及时的反馈，促进实验教学从“经验主导”向“数据引领”转变，深化实验教学的效果。因此，教师需要深入探究人工智能辅助小学科学实验教学的实践策略，充分发挥其技术优势。

科学实验涉及的内容多样、覆盖的领域广泛，包括微观粒子、宏观宇宙等多重维度，传统的科学实验模式受到资源、时空条件的限制，无法呈现不可触、不可见、高风险的实验内容，需要由教师结合文本、图片、视频等进行讲解，导致学生难以直观想象、深度探究相关科学现象1]。人工智能的增强现实、虚拟仿真等技术，具有场景生成、动态演示与虚拟交互等功能，能够将抽象的科学概念转化为可操控、可交互、可重复的虚拟对象，教师可以此引导学生采取“先虚拟演示、再自主验证”的虚实融合的模式开展实验探究，持续提升科学实验的深度与质量。

例如，在五年级下册《太阳系》的教学中，为帮助学生深刻理解天体运行的规律和引力的相互作用，教师可以使用AI开展可视化的虚拟实验活动。首先，运用AI生成虚拟的太阳系模型，引导学生调整行星的质量及其轨道参数，并通过可视化的“引力线”和“速度矢量箭头”展示抽象、宏观的天体学原理，使学生理解行星质量的改变会导致其引力场发生变化，从而影响其运行轨迹。其次，设置AI学伴助手，由其向学生提出挑战性问题：“如果木星的质量增加一倍，小行星带会发生什么变化？”鼓励学生根据已有的认知与经验，提出不同的假设，如：“小行星会被‘吸走’更多，木星的引力会变得更强，将小行星从原本的轨道中带走。”“小行星可能会更加分散，碰撞也会变少。”在学生提出假设后，要求其在虚拟的太阳系模型中调整参数，实时记录相关数据的变化，并根据数据的改变，验证、评估自己的假设，以此让学生经历猜想、实验、修正的科学探究过程。最后，引导学生将虚拟实验中得出的结论、发现的原理迁移到教学中，制作实体太阳系模型，并详细标注各行星的尺寸比例与距离比例。通过搭建虚实融合的实验平台，能够打破时空的局限，让学生在沉浸式的实验活动中感知科学现象、构建科学模型，持续拓展其认知深度[2]。

科学实验具有结构完整、结论严谨、数据支撑等特征，强调通过设计、验证、反思的完整循环，引导学生深度理解科学知识。由于小学阶段的学生思维水平和认知能力不足，导致其在科学实验中容易出现逻辑漏洞，且不同学生在提出假设、控制变量、设计步骤等方面的能力也各不相同，实验进度存在差异[3]。为解决此问题，持续提升实验教学的质量，教师可以运用人工智能，诊断学生的实验能力和学习误区，为学生搭建多层次、低门槛、高质量的科学探究框架，提供差异化的科学实验资源，让学生能够获得精准的指导与帮助，确保每个学生都能经历完整的科学探究过程，从科学实验中获取知识和技能。

例如，在三年级上册《水的三态变化》单元“水的净化”的实验教学中，首先，鼓励学生通过文字或语音向AI描述自己的实验设计与实验目的，如“我想用沙子过滤脏水”。AI则通过语言识别功能分析其中存在的科学误区，如“没有考虑材料孔径的差异，没有关注过滤的顺序，过滤步骤笼统”，并结合存在的问题以对话的形式引导学生深入思考：“单纯使用沙子可以将水中的异味、颜色去除吗？是否可以增加别的步骤，配合沙子过滤？”引导学生循序渐进地思考，逐步完善实验思路。其次，结合学生的思考结果和以前的实验表现，运用AI生成差异化实验资源包，分层推送，如基础层的资源包为“不同过滤材料的特征对比表”“过滤实验的分布操作提示卡片”，主要帮助学生掌握过滤材料的基本特征，完善实验设计；进阶层的资源包为“实验变量控制清单”，重点提示学生进水速度、水质浊度等各变量的控制要求，提升实验的深度与专业性；挑战层的资源包为开放性任务：“如何在减少成本的同时提升净化效率？”其具有开放性、拓展性的特征，为基础牢固、实验能力优秀的学生提供深度探究的机会。最后，要求学生结合个性化实验资源包，根据自己的实验需求绘制过滤装置设计图，并将其拍照上传至智能平台，由AI精准分析结构的合理性，同时生成风险评估报告，分析装置存在的问题，如“过滤层顺序是否科学”“整体吸附是否有效”等。通过灵活运用人工智能，教师可以为学生提供针对性的实验资源，引导学生不断调整实验思路、实验步骤和实验设计，使其真正经历思考、尝试、质疑、改进等科学实验过程，逐步掌握分组对照、控制变量等科学实验方法，以此持续提升学生的科学探究能力[4]。

小学阶段的学生受年龄、经验等因素的影响，科学实验能力相对薄弱，难以独立、精准地记录实验数据，容易遗漏关键实验节点，难以发现数据背后蕴含的科学规律[⁵]。对此，教师可以将人工智能嵌入科学实验的各环节中，通过其物联网传感器、计算机视觉识别与数据分析等功能，带领学生实时采集实验数据、初步处理各项数据，用可视化、动态化的形式呈现实验进程，不仅可以缓解学生在收集、分析数据时的压力，还可以为学生提供开展分析规律、解释现象等深度思考活动的机会与平台。