【一等奖小学科学AI赋能教学论文】生成式AI工具在小学科学探究环节中的应用探索——以“利用磁铁辨别方向”的教学为例

[摘要]生成式AI工具依托大语言模型、扩散模型等核心技术，能够实现从“理解”到“创造”的跨越，其高效性、灵活性的优势与小学科学探究环节“自主实践、思维进阶”的核心需求高度契合。文章围绕教学案例“利用磁铁辨别方向”，首先对生成式AI工具与小学科学探究的适配性进行了探析，其次分析了生成式AI工具在小学科学探究环节中存在的应用问题，最后探讨了生成式AI工具在小学科学探究环节中的应用路径，以期为小学科学探究教学提质增效和落实科学核心素养提供实践参考与理论支撑。

[关键词]生成式AI工具；小学科学；探究环节；核心素养

小学科学教学中的探究环节是培养学生科学核心素养和探究能力的关键，教师需遵循“猜想假设一设计方案一动手实验一分析论证一结论表达”的核心逻辑，结合小学生以具象思维为主、乐于动手实践的认知特点，摒弃单一的知识灌输，促使学生在亲历探究中感知科学原理，理解科学知识。然而，在当前的小学科学教学中，存在探究情境单一、难点突破乏力、个体探究差异难以兼顾等问题。基于此，本文结合教学案例“利用磁铁辨别方向”，深入探索生成式AI工具在小学科学教学探究环节的应用路径，兼顾实践应用与思辨反思，以助力小学科学教学高质量发展。

探究是科学课程教学的主要形式之一，经常应用于学生自主学习与小组合作学习中。在这种情况下，教师难以给予个性化指导，而AI技术则能凭借其独特功能实现与学生个体或群体的交流，通过先获取学生学习动态数据，再利用算法抽取个性化特征，实现对学生的针对性指导[1]。生成式AI工具依托大语言模型、扩散模型等技术，可以借助预训练掌握文本、图像、音频等多模态内容的内在关联与创作范式，并根据自然语言指令，快速生成逻辑连贯、贴合需求的原创内容，无须人工逐字逐句创作，从而大幅降低探究资源的制作门槛与成本，与小学科学探究环节“轻量化设计、高效化实施”的需求高度契合。小学科学探究注重情境化、具象化，而生成式AI工具可以灵活生成适配小学生认知水平的探究情境、实验脚本和可视化素材等，弥补传统探究环节中素材单一的短板。

小学科学探究的核心目标是培养学生的科学核心素养，包括科学观念、科学思维、探究实践和态度责任，而生成式AI工具的应用目的是“赋能探究、凸显主体”，与小学科学核心素养培养要求高度一致[2]。生成式AI工具并不能替代教师与学生的探究行为，而是作为探究助手，承担资源生成、难点拆解、数据整理等辅助性工作，将教师从烦琐的资源准备中解放出来，专注于引导学生开展自主探究；同时，其多模态生成能力可将抽象的科学原理具象化，帮助学生突破认知难点，激发探究兴趣，引导学生主动观察、大胆猜想、动手实践，在探究过程中培养科学素养。

生成式AI工具在小学科学探究环节虽具有赋能价值，但在应用过程中仍存在诸多问题。

第一，内容同质化问题突出，场景适配性不足，难以满足个性化探究需求。当前，生成式AI工具的内容生成逻辑主要依托预训练数据的整合与重构，如果教师未针对具体的探究主题设置精准的限定词，那么其生成的探究素材、实验方案、情境案例等往往遵循固定的模板与范式，缺乏对具体教学场景、学生认知特点的精准研判与适配。例如，在“利用磁铁辨别方向”的教学实践中，部分教师直接调用AI生成的探究情境与实验方案，其内容多为通用化表述，既未融入本地的自然环境、生活场景，也未结合三年级学生以具象思维为主、抽象思维初步发展的认知特点，难以激发学生的情感共鸣与探究兴趣。同时，学生的探究基础、兴趣点存在差异，教师如果未基于学生差异运用生成式AI工具，其生成的内容往往会“一刀切”，难以适配不同班级的教学特色与学生的个体差异，甚至会固化学生的探究思维，使探究活动陷入“形式化、同质化”的误区，这违背了科学探究“自主化、个性化”的核心要求。此外，部分AI生成的内容存在科学性偏差，如对磁铁磁性强弱与辨向效果的关联表述不够严谨，如果教师未进行有效的筛选与审核，会误导学生的探究认知，影响探究教学的科学性。

第二，工具依赖现象突出，弱化了学生的自主探究能力，背离了核心素养培养目标。部分教师对生成式AI工具的应用定位存在认知偏差，将其视为减负增效的“万能工具”，过度依赖AI完成探究环节的教学，忽视了学生在探究过程中的主体地位与自主发展需求。例如，在“利用磁铁辨别方向”的探究教学中，部分教师直接将AI生成的实验步骤、猜想方向和结论总结展示给学生，让学生据此操作，并未引导学生自主思考、大胆猜想与动手尝试;还有部分教师利用AI实时反馈实验结果，并未引导学生自主记录数据、分析论证。这种“AI主导、学生被动”的应用模式看似提升了探究效率，实则忽略了学生的亲身探究过程，弱化了学生的自主思考能力、动手操作能力与创新思维，与小学科学探究“培养科学素养、提升探究能力”的核心目标背道而驰。同时，部分学生也会逐渐对AI工具形成依赖，遇到探究难题时不愿主动思考，而是直接求助AI，长此以往，他们会失去探究的主动性与积极性，不利于科学思维与探究习惯的培养。

第三，AI技术与教学融合流于表面，难以发挥AI技术的教育价值。生成式AI工具的应用对教师的技术素养、教学能力提出了更高要求，需要教师熟练掌握AI工具的操作方法，能结合教学目标与探究需求对AI生成的内容进行筛选、优化与整合，实现技术与教学的深度融合。然而，部分教师对生成式AI工具的核心功能、应用场景缺乏了解，仅能简单调用基础功能，难以充分发挥其多模态生成、个性化适配等优势；部分教师缺乏对AI生成内容的筛选与审核能力，难以识别内容中的科学性偏差与同质化问题，直接将生成内容应用于教学，导致技术应用与教学目标脱节，难以真正服务于探究流程的优化与学生素养的提升。

当前，生成式AI工具能自主生成多模态内容、快速响应用户个性化需求的特性，打破了传统教学工具仅能完成识别、分析的局限，为小学科学探究环节的创新优化提供了新的可能。下文以“利用磁铁辨别方向”的教学为例，从多个方面探究生成式AI工具的应用方法。

提出问题是小学科学探究的逻辑起点，情境创设则是联结学生生活经验与科学知识，以及激发探究内驱力的核心抓手[3]。

例如，在“利用磁铁辨别方向”的教学导入环节，教师可以借助AI文本、图像、音频等多类型生成工具，通过编写郊外迷路故事并生成场景与磁铁实物图、合成配音等，以多媒体具象化呈现生活化情境，引导学生聚焦“磁铁辨向”这一核心问题。这种情境创设可以让科学探究扎根生活，从而激发学生的探究兴趣，增强学生的问题意识。生成式AI工具赋能情境创设，需要教师紧扣教学重难点，避免内容同质化与虚假化，结合学生认知水平优化呈现，使AI工具能真正服务于探究问题的生成与兴趣的长效激发。

AI生成情境的核心价值在于精准衔接生活场景与科学问题，引导学生从被动倾听转向主动思考。小学生对抽象概念的理解多依赖具象体验，AI工具可以将“磁铁辨向”转化为可感知、可参与的生活情境，促使学生直观感受科学的实用性。在情境中，教师可以依托AI交互功能引导学生提出拓展性问题，如“所有磁铁都能辨向吗”，同时鼓励学生参与情境优化，既凸显学生的主体地位，又让情境贴合学生认知需求，从而强化学生的探究意愿。

AI生成情境需遵循“针对性、科学性、主体性”三大原则，实现工具价值与教学目标深度契合。脱离教学目标的情境只是无效的展示，脱离学生认知的情境难以发挥引导作用。因此，教师需精准把控AI使用边界，应用其生成贴合教学重难点且适配学生认知的内容，避免出现同质化问题。通过师生共同优化，学生可以从“旁观者”变为“参与者”，进一步激发内驱力。科学运用AI工具创设情境，才能实现“激发兴趣一提出问题一培养意识”的三重目标，为小学科学探究教学的开展提供助力。