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AI赋能课堂 教育更有温度
——生成式人工智能在小学科学教学中的实践探索
摘要：本研究通过案例分析、理论研究等方法，从学习情境、虚拟实验平台、个性学习支架、智能辅导、实时测评等多个维度，全面且深度分析了生成式人工智能在小学科学教学中的应用，以此探究生成式人工智能在小学科学教学中的实践策略，实现技术赋能的目标。研究表明，通过灵活运用生成式人工智能设计学习情境、组织虚拟实验、定制个性化学习支架、智能解答疑问等，能够显著提升学生科学学习的灵活性与高效性，培养学生科学综合素养。因此，小学科学教师要提升对此技术的重视程度，深入探究生成式人工智能在教学中的实践策略，为科学教学的数字化转型提供实践范式。
关键词：生成式人工智能；小学科学；教学实践
新课标背景下，小学科学的教学目标也有所变化，不仅需要高质量地传授基础科学知识与实验技巧，还需要培养学生探究实践、科学思维、责任意识等核心素养。生成式人工智能是诞生于信息时代的新型教学辅助工具，具有资源多模态生成、情境动态创设、过程智能支持、即时反馈等独特优势，可以打破时空条件的限制，开发和引入优质、海量的科学教学资源，构建可视化、直观化的学习情境，提供虚拟、动态的科学实验探究场域，持续提升科学教育的质量与灵活性，以及锻炼学生科学观察、逻辑思考、实践交互等综合能力，落实培育核心素养的目标。在小学科学的教学过程中，教师需要灵活运用生成式人工智能技术，将其与科学教学的各个环节深度衔接，为科学教学的改革创新提供强有力支持。
一、生成沉浸式学习情境，激活学生科学学习兴趣
小学科学知识具有抽象性、复杂性等特征，如果单纯采取理论讲解、文字描述等形式讲解科学原理与现象，不仅难以提升学生学习科学知识的积极性，还会影响学生对科学知识的理解与认识［1］。为激活学生科学学习的主观能动性，保证学生能够积极投入到科学学习活动中，教师可以借助生成式人工智能的“动态语义关联、多模态内容生成、学习者画像分析”等功能，采取“文字叙事、音频倾听、图像渲染、视频互动”等方法，搭建沉浸式的学习情境，将抽象的科学知识嵌入真实、有趣、富有情感张力的场景中，激活学生的探究欲与好奇心［2］。
例如，在《声音的产生与传播》教学过程中，可以采用以下方法保证学生深刻理解声音传播的三大核心概念，即声音由物体振动产生、声音通过介质传播、声音不可以在真空中传播。首先，使用生成式人工智能软件，如“ElevenLabs”，在其中输入指令，生成一段3分钟的“小镇背景音”的音频，开头为10～15秒正常的小镇背景音（风声、鸟鸣声、街市喧哗声音），然后声音突然消失，剩下压抑、低沉的微弱白噪音，营造安静又诡异的氛围，结尾则配上轻微的心跳声，表现激动与紧张感。在教学导入时，可播放此音频，让学生闭眼聆听，并提出问题：“你们听到了什么？声音消失之后你们的感受是什么？声音是如何产生与传播的？”以此逐步激发学生探索欲望。其次，使用“Runway Gen-2”等短视频人工智能软件，生成一系列高清插图，如寂静的风铃、寂静的广场、悬浮的球体等，并以此为基础生成一个30秒的小短片，主要展示“无声小镇的故事”：“早上，花花与小明发现小镇非常安静，鸟鸣声消失，闹钟不响。他们来到镇中心，发现空中悬浮了一个神秘的球体。镇长说：‘球体将所有的振动都吸走了，所以声音无法产生与传播。’”同时，配合此短片的情境，提出“声音的产生与振动有什么关系？”的问题，并顺势导入概念“振动产生声音”。最后，灵活运用“GeoGebra”等平台，展示声音产生的立体动画，即“音叉振动、空气分子随即发生振动、声波向外界扩散”，同时提出问题：“在音叉振动时，用一个真空罩将其罩住，声波是否可以传播？”对此，可以使用智能动画软件进行直观演示，让学生通过观察动画、分析实验现象等方法，提炼“声音不可以在真空中传播”的知识。
二、生成虚拟实验平台，提供动态交互学习场域
科学实验是小学科学教学的重要环节，是帮助学生感知、体验科学原理的关键举措。但是，传统的科学实验活动受到时空的限制，长期存在观察困难、器材短缺、场地有限等问题，难以进一步发挥科学实验的育人价值。在教育数字化转型的背景下，教师可以在小学科学教学的过程中，融合运用生成式人工智能技术，搭建虚拟、动态的科学实验平台，提供智能、高效，具有调整参数、设计实验方案、观察现象等功能的学习场域，引导学生自由、灵活地进行实验操作。其不仅能够提升科学实验的效率，让学生全身心参与科学实验活动，还能够降低科学实验的风险，提升实验的安全性、稳定性。
例如，在《热传导》的教学中，组织“探究不同材料导热性差异”的实验时，首先，在虚拟实验核心平台“PhET Interactive Simulations”中，下载“热与温度”的模拟实验，并在ChatGPT中输入指令：“为PhET中的热传导实验添加玻璃、铁、铜、陶瓷、铝和空气等多种材料，要求每种材料的导热系数能够手动输入，同时显示截面中热量流动的动画和温度的计数值。”由其生成可嵌入虚拟实验核心平台的代码片段。其次，让学生打开定制版的PhET实验平台，其界面中央有一个虚拟的“热源棒”，温度为100摄氏度，左侧是各种不同的材料，右侧是温度数值，学生能够在虚拟平台中进行“材料导热性差异”的实验，在热源温度相同的情况下，选择不同的材料，由虚拟平台实时计算、展示不同材料从0摄氏度上升到50摄氏度所需的时间，并生成实验表格，展示温度数值的变化。最后，根据实验结果、实验现象，提出问题：“为什么空气导热最慢？其原理是什么？”引导学生回顾实验场景，并观看ChatGPT提供的动画讲解视频，探究其中隐藏的科学知识，即“空气分子的间距较大，热量传递的形态较为稀疏”，理解微观层面“材料结构决定导热性能”的机制。
三、生成个性化学习支架，支持学生针对性学习
学生的科学知识储备、问题解决能力各不相同，科学学习需求存在一定的差异。为尊重学生个性，使其得到针对性、动态性的指导与帮助，在小学科学教学中，教师可以借助生成式人工智能技术，生成个性化、系统化的学习支架，包括记录框架、提问示范、学习模板等，围绕关键学习节点，结合不同层次学生的能力水平、学习需求，为其提供个性化的支持与帮助，形成动态交互、严谨规范的科学探究体系。在满足学生个性化学习需求的基础上，还应培养其自主构建科学知识、进行逻辑推理、思考与解决问题等综合能力。
