生成式AI赋能小学科学教学创新实践

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生成式AI赋能小学科学教学创新实践

-作者：开物AI科学-

摘要

AI时代的到来深刻重塑着传统科学教育生态。在生成式AI赋能课堂教学的过程中，存在教师认识不足、AI生态配套不完善的现实挑战。本文探讨了在有限的条件下，教师如何利用身边智能设备将生成式AI有效应用于科学课堂的创新路径，聚焦教学内容生成、互动方式创新、课堂管理优化三个维度。旨在为生成式AI赋能课堂教学提供一条兼具创新与可操作性的实践路径，推动科学教育向智能化转型与高质量发展。

关键词：生成式AI、小学科学、课堂内容、互动方式、课堂管理

一、引言

当前，生成式AI正以前所未有的方式重塑教育生态，将生成式AI深度融入课堂教学，已然是AI时代不可避免的重要议题。《教育强国建设规划纲要(2024-2035年)》提出促进人工智能助力教育变革，深化人工智能助推教师队伍建设，实现教育高质量发展。生成式AI利用深度学习模型，在海量数据和强大算力的支撑下，根据用户提示生成新颖多样的内容类型。在教育领域的应用中，生成式AI常用于各种任务，包括教案设计、课堂管理和辅助学习等[1]。本文以生成式AI赋能小学科学课堂为切入点，分析其带来的挑战与机遇，提出应用原则（图1），并探究生成式AI在课堂内容、互动方式和课堂管理上创新的实践路径。

图1 生成式AI赋能科学教学的实践原则、实践路径

二、挑战

认识不足

在生成式AI应用中，教师往往在生成教案和课件方面遇到难题[2]。究其本质是因为大语言模型未经过基于标准教学设计的深度学习，也没有专业的知识库。所以，AI生成的教学设计无法直接使用。即使经过多次迭代，也与实际教学有所偏差，仅适合单个教学活动的设计。AI生成的PPT课件是基于固定模版生成出来的，本质上是套壳后的教学大纲。此类课件缺少图片、音频和视频等素材，也无法对应教材中的知识内容，实用价值较低。

从另一个角度来说，教学设计与课件制作是一个教师教学能力的基本体现。教师过度依赖AI会逐渐丧失独立思考的能力，引发创新惰性，限制创造力的发挥。现阶段的生成式AI尚处起步阶段，技术还不够成熟，更多是作为一种数字化工具的存在。教师唯有合理利用AI，才能使其有效辅助教学。

缺乏生态

生成式AI是数字化技术中的新兴领域，面临着一系列推广应用和实践示范不足的问题。虽然顶层设计完善，但缺乏具体案例、操作指南及技术支持，导致学校和教师在实施时时常陷入无从下手的困境[3]。同时，教师数字素养缺失，使其对技术在教学中的定位不够清晰，难以准确把握AI与学科教学的结合点，带来新技术学习、教学内容适配性设计及技术问题应对等负担。

此外，适配AI的硬件配置普遍不足，多数学校缺乏专项经费支持，导致教师应用AI技术的积极性受挫。当前课堂中，可用的设备仍以智慧白板及教师个人的手机、平板和电脑等智能设备为主。如何在有限的条件下最大程度发挥生成式AI的优势，是值得深入探究的现实课题。

三、机遇

激发探究热情

生成式AI能根据自然语言，快速精准生成图像、视频和3D模型等，为学生提供丰富且有针对性的学习支持，同时也大大降低了教师获取资料的难度。在小学阶段，多样的学习资料不仅能吸引学生的注意力，更能激发学生的探究热情和学习内驱力，从而提升学习效果。

改变互动方式

传统课堂的互动多以师生互动为主，教师引导学生沿课程既定方向思考。而生成式AI依托语音实时转录识别技术与庞大的知识库，能以专家视角与学生展开即时对话。这种对话模式突破了传统课堂的互动框架，可推动学生进行深度认知加工，模拟专家思维方式，进而发展发散思维。

优化课堂管理

生成式AI是辅助教师课堂管理的得力工具。根据课堂需求，生成式AI能快速生成智能体助手与网页工具，协助教师完成随机点名、小组积分和学生奖惩记录等任务，助力小学科学教学创新课堂管理形式。同时，这也能减轻教师在跨班级课堂评价记录上的繁杂工作，从而节省时间，提升课堂管理效率。

开展跨学科学习

跨学科学习并非难以开展，借助生成式AI，教师可在合适的教学环节中整合德育、古诗词、传统文化和体育与健康等领域的知识。通过AI生成相应的动画短片、3D模型、虚拟仿真程序等跨学科学习资料，构建真实情境，引导学生在问题解决中实现认知突破，促进跨学科思维发展。

四、实践原则

适切性

小学不同学段学生的认知水平存在显著差异，这就要求AI生成的内容必须贴合各学段的特征，既要匹配学生的知识经验和兴趣特点，也要紧密联系学生的学习生活实际，从而满足不同阶段的学习需求。为此，在使用生成式AI时，需要有意识地通过提示词明确限制学科范畴、学段层次、教材版本等关键条件，确保生成内容的针对性。在呈现形式上，AI技术的应用也需与学生认知发展规律相契合。低年级宜侧重加入动画、互动游戏等具象化要素，中高年级则可融入虚拟仿真实验、AI问答等探究互动型支架，助力创设有层次的科学课堂。

一致性

AI生成的内容不确定性较高，容易出现与教材不一致的情况，造成教学割裂感。为了确保一致性，教师应当上传教材内容，通过多轮迭代优化规避内容偏差导致的知识断层，保障生成式AI提供准确高效的内容。另外，还要注重AI生成内容的风格与课题内容的一致性，以增强AI技术与科学课堂教学的融合度。值得注意的是，一节课中AI内容的价值并非取决于数量，而在于是否精准服务于教学目标。教师应在教学的关键环节精准嵌入相应素材，让技术始终服务于教学目标发挥作用，而非单纯追求内容的堆砌与形式的创新，以此保持AI技术应用和教学目标的一致性。

真实性

受算法局限性、数据偏见、训练数据失真等影响，生成式AI的回答可能存在信息错乱、事实错误或捏造信息等问题，尤其是无法甄别联网搜索的信息。小学科学课堂讲究事实证据，探究现象本质，具有综合性和实践性，这对信息的真实性提出了更高要求[4]。一方面，教师需主动辨别AI生成的内容是否符合逻辑和自然规律，优先引用真实事物的信息，构建真实的科学探究情景，确保对学生的指导准确无误，以培养学生的证据意识。另一方面，应基于课程标准与权威资料筛选人文素材，创建基于真实科学家等人物的智能体，以确保学生与AI互动的真实性与严肃性，有利于引导学生树立严谨求实的科学态度。

五、实践路径

生成式AI支持多模态生成，即多种形式的内容生成。笔者基于小学科学课堂教学需求，在仅依托现有手机、电脑和智慧白板等智能设备的条件下，运用生成式AI开展创新性教学实践，并结合具体课例，从教学内容、互动方式、课堂管理三个方面详细阐述生成式AI在小学科学教学中的实践路径。

丰富教学内容

生成式AI最大的优势是能生成兼具独特性和创新性的多媒体资料，包括文本、图像、视频、3D模型和代码等，极大地丰富了教学内容，为学生提供了多元认知路径。生成式AI的介入也让教师整合多学科内容更简单，使得跨学科学习的开展更具可行性与深度，还能潜移默化地渗透人工智能教育。

①生成文本

AI生成文本的功能是大语言模型的核心功能，能高效生成多种文本形式。在课堂导入环节，教师希望找到一个以课题为谜底的谜语来引出课题。按照通常的做法，很难在网络上找到符合特定主题的谜语，而大语言模型可为此定制专属谜语。除此之外，AI还能生成知识点相关的顺口溜、儿歌和诗词等，不仅增加了知识的趣味性和记忆点，还可以提升学生的语言运用能力，培养学生的跨学科素养与人文情怀。

②生成图片

精心挑选的教学图片，能迅速聚焦学生目光，提升教学效果。但在实际教学中，人为筛选不仅耗时，还难以找到与课题精准适配的素材。依托AI图像生成技术，教师可基于教学目标定制兼具趣味性和针对性的教学图片。若为生成的图片配以契合主题的文字，便能形成生动的绘本故事，为学生提供图文融合的沉浸式学习素材。为确保教学资源风格与教材统一，可在AI工具中上传教材插图，并优先复用教材中的人物形象，以保持学生认知体验的一致性。

③生成视频

视频资源是课堂教学的重要助力，能让知识讲解更直观、更生动。互联网上的视频质量参差不齐，不能满足教学的实际需求。相比之下，AI生成的视频具备快速定制、风格可控和直观易懂的特点。例如在《月有阴晴圆缺》一课的迁移应用环节，为引导学生了解古诗词中的月相，教师使用即梦AI生成古代诗人吟诵古诗词的视频。操作步骤分为四步：首先，在即梦AI中的“灵感向导”中输入一段描述性指令，内容为“苏轼吟诵‘人有悲欢离合，月有阴晴圆缺’”；其次，基于“灵感向导”推荐的提示词生成图片；随后，从生成的四张图片中挑选出符合学生认知水平的作品，通过超清功能优化画质；最后，使用数字人功能输入希望角色说出的内容，并选择适配的音色，完成古诗词吟诵视频的制作。借助这段视频，教师将古代诗词融入科学教学，引导学生分析诗词中对应的月相，既深化了对科学知识的理解与运用，又提升了跨学科思维能力。

④生成3D模型

3D模型相比图片在教学中有着不可比拟的优势，既能真实还原物体的空间结构关系，支持360°旋转和缩放以实现多角度、全方位的观察，又能通过动态演示能将复杂原理具象化、抽象概念可视化，尤其适合科学、生物和地理等学科，有助于培养学生的空间思维并建立完整认知。实际教学中，由于传统建模技术复杂、资源难以获取等原因，3D模型的应用程度并不高。生成式AI的出现大大降低了3D模型的获取难度。例如在《画蚂蚁》一课中，为帮助学生全面观察蚂蚁的形态特征，教师使用混元3D生成蚂蚁的模型（图2）。具体操作流程为：首先在创作界面输入文本内容“一只黑色的蚂蚁”，点击立即生成按钮，AI可在短时间内自动生成蚂蚁的3D模型；随后选择GLB、OBJ和FBX等常用格式下载至本地硬盘；最后将模型插入PPT课件中即可使用。除文生3D外，基于图片也能生成3D模型。教师需要准备背景纯净的图片或者利用AI生成符合要求的图片，上传图片后一键生成相应的3D模型，同样可插入PPT课件中。借助这类可交互的3D模型，学生通过多角度观察逐步掌握蚂蚁的形态特征，不仅能准确快速地指认其头、胸、腹三部分及三对足的位置，更在主动探索中有效提升了空间思维能力，还能助力对“结构与功能”跨学科概念的理解。

图2 蚂蚁的3D模型

3D模型在课堂中呈现的另一种方式是借助增强现实技术（AR），将虚拟信息叠加到真实环境中。其操作流程可简化为：将3D模型导入智能手机或平板的Reality Composer应用程序（APP）中，点击AR功能按钮并选择合适的平面放置模型，便可得到3D模型与真实课堂环境融合的增强现实画面，实现学生与虚拟模型同框互动的场景。最后，借助希沃白板APP的投屏功能替代专业设备，将智能设备的画面实时共享至教室智慧白板大屏幕。AI生成的3D模型结合AR技术，不仅能将复杂事物可视化，也能为学生提供全新的视觉体验和沉浸式学习感受，极大地激发了他们对科学探究及人工智能的探索热情。

⑤生成虚拟仿真网页

生成式AI有一个易被忽略却至关重要的核心功能，即编写代码。它可根据使用者输入的提示语，自动生成和优化代码，为教师快速开发教学工具提供了高效路径。然而，许多教师因不熟悉编程、看不懂代码而很少使用这一功能。实际上，对教师而言，生成式AI更像一个“黑匣子”，无需了解其中的运行原理，掌握“明确目标、限制条件、迭代优化”的提示词“三步法”更为关键。

AI编程的重要应用之一，是实现“虚拟仿真”探究，通过生成网页形式的交互式动态模型直观呈现学习内容，有利于知识的理解与迁移应用，丰富课堂活动形式。例如，在《生态平衡》一课中，教师使用DeepSeek生成主题是“毛线推演”食物网的网页（图3），用于模拟呼伦贝尔大草原上的食物网，让“生态平衡”这一抽象概念变得直观，助力学生深入理解其中的复杂逻辑；在《能量大转盘》一课中，教师使用DeepSeek生成“能量大转盘”网页（图4），以小组竞赛的形式开展能量转化举例的比拼活动，极大激发了学生的学习热情，提升科学思维的灵活性，真正实现寓教于乐的教育理念。

图3“毛线推演”食物网

图4 能量大转盘

转变互动方式

音频资源通常包括音乐和语音，其中音乐在小学科学课堂中常用作背景音乐，可营造探究氛围。AI语音的实时转录与应答技术则拓宽了课堂互动的途径，构建起师生、生生、人机多向交互式学习场景。这一技术突破传统课堂互动的时空限制，推动全新的对话式课堂、生成式课堂的构建。

基于专家知识背景构建的AI智能体，能提供多维度的思维支持，引导学生深度思考，加强学习体验与课堂互动的质量。例如在《小船与浮力》一课中，教师使用豆包AI生成智能体“核潜艇之父——黄旭华”，构建与浮力领域科学家的会话场景。具体操作步骤如下：首先，教师进入AI智能体的创建界面，输入智能体的名称“黄旭华”；然后输入智能体的描述，也可用AI一键完善；接着，上传从官方渠道获取的黄旭华爷爷的真人照片作为头像，以增强智能体的真实性；最后，选择合适的智能体声音，或者克隆声音，完成智能体创建。课堂中可直接打开智能体使用，也可通过希沃白板APP的投屏功能，将智能设备上的智能体画面与声音实时共享至教室的智慧白板。

AI智能体作为学生的学习支架，其功能体现在精准引导和思维启发。当学生在设计“沉入水中的物体是否受到浮力”实验方案时遇到困难，教师便可引出科学家智能体“黄旭华”。AI智能体通过与学生实时对话反馈，引导其深化思考、获取设计灵感。同时，借助科学家事迹的渗透，帮助学生了解我国科学家的贡献，拓宽视野并提升人文素养，促进学生全面发展。此外，AI智能体还能参与课堂讨论、辩论、互评、问答游戏及汇报交流等活动，借助人机互动的方式提升学生的课堂参与度，加强思考深度，激发学习成就感。AI智能体在课堂中还充当着虚拟导师的角色。人师与“机师”的协同教学，可弥补人师知识储备有限与“机师”缺乏情感交流的不足。这不仅支持学生通过主动探究实现深度学习与深度思考，提升逻辑思维能力，还能在人机协同中为师生交流创造更多空间，促进课堂的深度互动。

辅助课堂管理

生成式AI可作为教师的智能助手，基于语音识别自动记录教师对学生的表扬或批评情况，并依托编程功能实现小组积分、活动计时、随机点名等任务，赋能教师课堂教学管理。

①生成“课堂积分助手”智能体

AI语音实时转录与应答技术的独立使用，可协助教师记录学生课堂表现，实现课堂积分的智能记录。具体操作如下：首先，教师使用豆包AI创建“课堂积分助手”智能体，设定描述为：作为课堂积分助手，保持后台静默运行，不主动发声，仅记录课堂中受到表扬或批评的学生姓名；只有收到 “这节课积分情况”的询问时，才输出学生积分明细；其次选择声音，完成智能体的创建；接着，将所教班级学生名单及积分规则录入智能体，测试并优化智能体的语音识别与记录功能。最后，课前开启与智能体“打电话”的功能，即可实现课堂表现的自动记录。实际使用中，若课堂环境嘈杂影响智能体的语音识别，可搭配麦克风或者蓝牙耳机等硬件提供录入精准度。“课堂积分助手”智能体能精准记录学生的表扬与批评的情况，减少教师手动记录的工作量，使其更专注于教学互动，有效减轻课堂负担。

②生成“小组积分系统”网页

AI生成代码的功能可以帮助教师创新教学内容与教学方法，尤其是在课堂管理方面展现了巨大的潜力。例如，在《月有阴晴圆缺》一课中，教师使用DeepSeek生成“小组积分系统”管理科学小组（图5）。具体操作流程如下：在新建对话框中输入明确的提示词：身份为四年级科学教师、主题为《月有阴晴圆缺》、内容为科学小组积分系统、风格为动态宇宙背景、输出形式为html网页。AI生成初始网页后，教师需结合网页不足与教学需求，通过多次对话迭代优化，直到生成满意版本。为了保持与课题的一致性，可进一步提出细化要求：修改小组名称为月球的别称，比如玉弓、银钩和玉兔等；调整网页标题为“月相积分系统”；将数字积分替换为月相演化动态过程；增添月球围绕地球公转的动态背景。最后，将网页下载至硬盘，在课件PPT中插入超链接并关联网页地址，完成链接设置。授课时，教师通过手动点击或翻页笔操作超链接，便可打开“小组积分系统”。这套AI生成的月相积分网页不仅呈现出浩瀚宇宙和璀璨星空的视觉效果，还生动地展示了月球、地球和太阳的空间关系与运动规律。同时，为教师提供了新颖的课堂管理方式，也为学生创造了沉浸式学习体验，有效提升了小组合作的积极性。通过月相演化动态呈现小组积分，将科学知识创新融入课堂管理中，进一步促进了学生对月相变化规律的迁移应用。此外，教师还可利用AI代码生成功能开发随机点名系统、计时器等工具，提升课堂管理任务的处理效率。