數(shù)字技術(shù)與AI開(kāi)辟探究實(shí)踐活動(dòng)的新路徑

選題背景

探究實(shí)踐活動(dòng)是《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》倡導(dǎo)的學(xué)習(xí)方式。然而，在實(shí)際教學(xué)中，探究實(shí)踐活動(dòng)因其過(guò)程復(fù)雜與路徑不確定，對(duì)師生均構(gòu)成了挑戰(zhàn)，這對(duì)小學(xué)生尤其困難。

對(duì)此，本研究利用數(shù)字技術(shù)和人工智能賦能科學(xué)探究實(shí)踐課堂，通過(guò)智能化教學(xué)工具，對(duì)探究實(shí)踐活動(dòng)的組織、過(guò)程性數(shù)據(jù)進(jìn)行追蹤分析，對(duì)個(gè)性化反饋進(jìn)行優(yōu)化，可有效減輕教師的教學(xué)負(fù)擔(dān)，降低實(shí)施的復(fù)雜程度，增強(qiáng)學(xué)生的認(rèn)知與元認(rèn)知調(diào)控能力，大大降低了科學(xué)探究實(shí)踐活動(dòng)的門檻。

本研究選取新課標(biāo)中“物質(zhì)與能量”這一主題進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐。這一內(nèi)容兼具概念抽象與實(shí)踐門檻高的雙重難點(diǎn)，可以為科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)的實(shí)施提供參考。

教學(xué)目標(biāo)

（一）科學(xué)觀念：1. 準(zhǔn)確辨識(shí)常見(jiàn)的能量形式，理解其形態(tài)的多樣性。2. 掌握能量轉(zhuǎn)化的基本規(guī)律，能闡釋生活中常見(jiàn)能量的轉(zhuǎn)化。

（二）科學(xué)思維：1. 能夠運(yùn)用觀察記錄、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)能量形式的存在及轉(zhuǎn)化進(jìn)行分析與論證。2. 能夠基于證據(jù)對(duì)初步預(yù)測(cè)進(jìn)行修正，發(fā)展批判性思維與實(shí)證意識(shí)。

（三）探究實(shí)踐能力：1. 在虛擬實(shí)驗(yàn)中，能夠初步運(yùn)用控制變量法探究能量轉(zhuǎn)化的規(guī)律。2. 熟練操作虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用數(shù)字化工具收集和記錄證據(jù)。

（四）態(tài)度責(zé)任：1. 遇到困難時(shí)，能向教師、同伴或智能助教尋求幫助、調(diào)整探究策略。2. 保持對(duì)生活中能量現(xiàn)象的好奇心，愿意運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行解釋并解決實(shí)際問(wèn)題。

教學(xué)設(shè)計(jì)創(chuàng)新

（一）資源設(shè)計(jì)：生活化情境+數(shù)字化環(huán)境。充分利用生活化情境激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，借助數(shù)字化環(huán)境聚焦科學(xué)概念。課程以“燈泡發(fā)光”“燒水”等學(xué)生熟悉的日常生活現(xiàn)象為切入點(diǎn)，迅速建立學(xué)習(xí)內(nèi)容與學(xué)生已有經(jīng)驗(yàn)的聯(lián)結(jié)，喚醒其探究興趣。在此基礎(chǔ)上，研究利用數(shù)字化的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境呈現(xiàn)知識(shí)。

（二）學(xué)習(xí)支持：“結(jié)構(gòu)化引導(dǎo)”與“動(dòng)態(tài)化支架”的協(xié)同。采用了兩種學(xué)習(xí)支持策略：1. 紙質(zhì)學(xué)習(xí)引導(dǎo)單，為學(xué)生的探究活動(dòng)提供清晰的思維框架和操作流程；2. 在線探究平臺(tái)動(dòng)態(tài)推送個(gè)性化認(rèn)知與元認(rèn)知支架。二者有機(jī)協(xié)同精準(zhǔn)響應(yīng)了不同學(xué)生的個(gè)性化學(xué)習(xí)需求。

（三）過(guò)程調(diào)控：“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)”與“智能反饋”的可視化閉環(huán)。傳統(tǒng)探究教學(xué)常面臨“過(guò)程難監(jiān)管、反饋不及時(shí)、指導(dǎo)欠精準(zhǔn)”的痛點(diǎn)。本課中的平臺(tái)可自動(dòng)收集學(xué)生的行為數(shù)據(jù)，人工智能依據(jù)預(yù)設(shè)規(guī)則進(jìn)行分析并給予即時(shí)反饋。這一閉環(huán)設(shè)計(jì)使得探究過(guò)程變得可操作、可監(jiān)控、可調(diào)控，從而讓教學(xué)決策與學(xué)習(xí)調(diào)整更具針對(duì)性。

教學(xué)實(shí)施

課程采取線上線下相融合的混合式教學(xué)模式，以學(xué)生在智能平臺(tái)上的自主探究為主，教師則扮演引導(dǎo)者與解惑者的角色，提供平臺(tái)操作指導(dǎo)和關(guān)鍵概念點(diǎn)撥。平臺(tái)智能體在學(xué)生探究過(guò)程中，依據(jù)其學(xué)習(xí)進(jìn)度和行為表現(xiàn)，動(dòng)態(tài)提供認(rèn)知與元認(rèn)知支架。

“能量”主題的課程內(nèi)容有四個(gè)部分：能量的形式，能量轉(zhuǎn)換，能量轉(zhuǎn)換的簡(jiǎn)單應(yīng)用，能量轉(zhuǎn)換的復(fù)雜應(yīng)用，遵循“現(xiàn)象觀察—規(guī)律探究—實(shí)踐應(yīng)用”的認(rèn)知路徑層層遞進(jìn)。本文以第一部分“能量的形式”為例，詳細(xì)闡述基于智能平臺(tái)的POE探究教學(xué)實(shí)施流程。

（一）預(yù)測(cè)：情境導(dǎo)入，激活前概念

1. 教學(xué)活動(dòng)。（1）情境激活：教師播放兩個(gè)簡(jiǎn)短的生活視頻：電熱水壺?zé)练序v、臺(tái)燈被點(diǎn)亮。隨即拋出驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題：“水沒(méi)有被火燒，為什么會(huì)變熱沸騰”“燈泡里沒(méi)有火，為什么能發(fā)光發(fā)熱”？通過(guò)討論，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到這些現(xiàn)象背后是“能量”在起作用，從而引入主題—“能量的形式”。（2）前測(cè)與預(yù)測(cè)：教師播放一段“水力發(fā)電點(diǎn)亮燈泡”的動(dòng)畫，并提問(wèn)：“在這段視頻中，你觀察到了哪些形式的能量？”學(xué)生先進(jìn)行口頭回答，隨后在“小水滴”平臺(tái)上提交自己的初步想法。此環(huán)節(jié)旨在暴露學(xué)生的前概念與潛在的認(rèn)知沖突，為后續(xù)的探究與解釋提供焦點(diǎn)。

2. 技術(shù)支持。在線平臺(tái)自動(dòng)記錄每位學(xué)生的預(yù)測(cè)文本，為后續(xù)的對(duì)比反思提供依據(jù)。同時(shí)，嵌入的智能體以提問(wèn)形式（如“我們的任務(wù)是什么”）幫助學(xué)生明確當(dāng)前的學(xué)習(xí)目標(biāo)。

（二）觀察：虛擬實(shí)驗(yàn)，循證探究

1. 教學(xué)活動(dòng)。（1）教師示范：教師共享屏幕，演示PhET虛擬實(shí)驗(yàn)室中的“能量形式和轉(zhuǎn)換”模塊。教師以“騎自行車發(fā)電點(diǎn)亮燈泡”為例，邊操作邊提問(wèn)：“蹬自行車產(chǎn)生了什么能量？能量經(jīng)過(guò)發(fā)電機(jī)變成了什么形式？”以此示范如何運(yùn)用控制變量法進(jìn)行科學(xué)探究。（2）學(xué)生自主探究：學(xué)生根據(jù)教師的示范和學(xué)習(xí)引導(dǎo)單的步驟，進(jìn)入PhET虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行自主操作。學(xué)生需要通過(guò)更換不同的組件，系統(tǒng)地觀察不同條件下能量的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)化現(xiàn)象，并將自己觀察的結(jié)果記錄在學(xué)習(xí)單的表格中。在此過(guò)程中，教師巡視并對(duì)個(gè)別遇到困難的學(xué)生提供指導(dǎo)。

2. 技術(shù)支持。（1）探究環(huán)境：平臺(tái)集成的PhET虛擬實(shí)驗(yàn)室為學(xué)生提供了安全、可重復(fù)、可操控的探究環(huán)境。（2）智能支架：智能體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)學(xué)生的后臺(tái)行為數(shù)據(jù)，并提供兩類支架。一類元認(rèn)知支架：當(dāng)監(jiān)測(cè)到學(xué)生在某一界面停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或操作漫無(wú)目的時(shí)，智能體會(huì)彈出提示，引導(dǎo)學(xué)生管理學(xué)習(xí)進(jìn)度和注意力。另一類認(rèn)知支架：當(dāng)學(xué)生向智能體提問(wèn)時(shí)，智能體會(huì)遵循“引導(dǎo)式”原則，通過(guò)反問(wèn)或提供線索的方式給予提示（如“想一想，水龍頭里流出的水，推動(dòng)了什么”），而非直接告知答案。

（三）解釋：整合反思，建構(gòu)新知

1. 教學(xué)活動(dòng)。（1）成果匯報(bào)與思維提煉：教師邀請(qǐng)幾位學(xué)生代表上臺(tái)，利用平臺(tái)展示他們的實(shí)驗(yàn)記錄，并講解自己的探究思路與發(fā)現(xiàn)。教師引導(dǎo)全班學(xué)生進(jìn)行聚集性討論，尤其是普遍存在的迷思概念，幫助學(xué)生梳理實(shí)驗(yàn)邏輯，提煉科學(xué)思維方法。（2）知識(shí)測(cè)評(píng)與精準(zhǔn)補(bǔ)缺：學(xué)生在平臺(tái)上完成一組與本節(jié)課知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的在線測(cè)驗(yàn)題。教師端能夠即時(shí)看到全班的作答數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖表（正確率、錯(cuò)題分布等）?；谶@些數(shù)據(jù)，快速定位學(xué)生共性難點(diǎn)并進(jìn)行集中講解，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)補(bǔ)缺。（3）反思與科學(xué)解釋：在經(jīng)歷了探究和討論后，學(xué)生回到平臺(tái)重新回答初始預(yù)測(cè)環(huán)節(jié)提出的問(wèn)題。此時(shí)，學(xué)生需要依據(jù)觀察到的實(shí)驗(yàn)證據(jù)撰寫一段科學(xué)的解釋，說(shuō)明能量是如何在不同形式間轉(zhuǎn)化的。（4）分享交流與評(píng)估：教師組織學(xué)生進(jìn)行小組分享，交流自己在本次探究中的收獲與反思。教師利用平臺(tái)展示部分學(xué)生的解釋文本，進(jìn)行點(diǎn)評(píng)和鼓勵(lì)，強(qiáng)化其學(xué)習(xí)成就感與科學(xué)表達(dá)的信心。

2. 技術(shù)支持。平臺(tái)輔助學(xué)生成果的展示、收集和分析學(xué)生的作答數(shù)據(jù)、記錄學(xué)生最終的解釋文本以供教師評(píng)估和存檔。

總之，數(shù)字與人工智能技術(shù)讓復(fù)雜的探究實(shí)踐活動(dòng)變得越來(lái)越容易實(shí)施。

（作者周少偉單位系華南師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院；劉媛、鄧毅怡單位系廣東省佛山市南海區(qū)教育發(fā)展研究中心）

《人民教育》2025年第15-16期