支架式教學策略支持AIGC融入小學科學探究活動的路徑分析

摘要：本文以武漢市某小學科學教育校本課程“解剖水葫蘆”為例，分析了科學核心素養與教學內容和教學資源的對應關系，并依據學習者特征和教學資源，設計了一種支架式教學策略支持下AIGC融入科學教學的應用路徑。教學實驗結果表明，AI教師能夠激發學生學習興趣，提高知識留存率，強化探究能力。

關鍵詞：小學科學教育；AIGC；支架式教學；科學探究能力

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）15-0082-04

引言

生成式人工智能（ArtificialIntelligenceGeneratedContent，AIGC）賦能的AI教師能夠快速解答學生在探究過程中遇到的難題或能夠在主題場景中進行實時互動，將所學知識用于真實生活中，促進學生的潛在能力向實際能力轉化。[1]支架式教學可為學生探究活動提供必要的支持與引導，支架式教學策略支持下的AI教師可以協助學生更好地理解科學現象和原理，助力知識構建、內化和輸出。[2]因此，本研究選擇武漢市某小學四年級科學教育校本課程“解剖水葫蘆”，設計支架式教學策略支持AI教師融入科學探究活動的應用途徑，并以四年級兩個平行班作為研究對象，探究對比兩個班學生科學探究能力的差異，分析支架式教學策略支持下AIGC融入科學探究活動對學生能力的影響。

教學內容與目標分析

1.教學內容

教師以學校旁邊的一條小河里水葫蘆泛濫現象引入，引導學生思考水葫蘆在生態系統中的角色和功能，探討其對其他生物種類的影響，進而思索濕地植物在地球水循環和生態系統平衡中的重要作用。引入AI教師、實驗記錄單作為支架，支持學生自主分層次探究水葫蘆的結構，深入了解水葫蘆的外部形態、內部結構、生長環境、防治方法等。解剖水葫蘆實驗可幫助學生了解水葫蘆的特征、作用、漂浮秘密等。學生在了解水葫蘆的相關知識后，可以進一步探究濕地植物的凈化過程，即通過調查報告、實驗探究、可視化呈現植物凈化水質的過程，以發展科學思維和探究實驗能力，增強環保意識和社會責任感。[3]

2.教學目標分析（如下頁表1）

應用路徑探析

1.學習者特征分析

四年級學生對周圍的事物充滿好奇，對生活中的科學現象表現出濃厚的興趣，具有強烈的探索欲望。同時，經過小學三年的學習，學生已經掌握一定的科學基礎知識，但對于一些較為抽象的概念，理解水平還停留在表面，更傾向學習與實際生活緊密相關的科學知識。由于四年級學生觀察和分析實驗結果的能力有限，為增加科學探究的趣味性，筆者設計了支架式教學策略支持AI教師進行科學教學，以實時回答學生科學探究過程中遇到的問題，促進學生的知識內化。

2.教學資源分析

本節課采用華中師范大學國家數字化學習工程技術研究中心團隊研制的AI教師，并結合星火大模型、三維數字人、視頻追蹤等技術，生成具有學校IP的“小英”老師，她支持文字、語音提問，即時理解提問意圖，生成準確答案，使用語音合成技術講解問題答案，為學生提供個性化的學習體驗。[4]

在本節課中，教師共設計五份記錄單，為不同層次的學生提供個性化的學習方案。

記錄單一：水葫蘆自主學習單，記錄想要了解的問題，小組交流，提煉關鍵性問題并向AI教師提問，培養學生的科學思維和發散思維。

記錄單二：解剖水葫蘆學習單，分離水葫蘆的各部分。水葫蘆的葉柄膨大如葫蘆，但大多數學生都不知道“葫蘆狀的部位”是什么，此時學生需要借助AI教師，認識、記錄水葫蘆各分部的名稱，如葉柄、莖、葉、根等。

記錄單三：分類濕地植物，學生向AI教師尋求幫助。

記錄單四：學生完成濕地植物凈水過程模型設計圖，在完成過程中，可以向AI教師提問，了解設計圖的基本模式。

記錄單五：觀察、檢測和記錄濕地植物的凈水過程。學生需收集污水池、沉淀池及凈水池數據，如溫度、酸堿度、溶解氧、魚類活動及水質類別等參數，學生可以借助AI教師甄別水質凈化效果。

3.教學實施過程（如下圖）

（1）吸引與聯想：創設真實情境，激發深度思考

真實情境能夠激發學生的學習興趣和探究欲望，因此情境式教學是培養學生核心素養的有效途徑之一。[5]教師播放預先錄制的視頻，直觀展示學校旁邊小河里繁殖的大量水葫蘆，并介紹小河的水質情況，激發學生思考生物與環境的關系。在該環節中，教師以記錄單一為牽引，引導學生與“小英”老師積極互動。例如，學生可向“小英”老師提問：①水葫蘆是濕地植物嗎？②水葫蘆有什么作用？③水葫蘆為什么可以漂浮在水面？④水葫蘆是否可食用？學生根據互動情況填寫自主學習單，借助互動內容實現認知的初步建構。

（2）探究與體驗：剖析內部構造，構建特征網絡

在該環節，教師會展示水葫蘆實物，并講解、解剖步驟，而“小英”老師則帶領學生認識水葫蘆及其構造。為豐富學習體驗，在該環節中讓學生親自動手解剖水葫蘆，觀察其橫、縱切面，并將水葫蘆構造以及切面特點記錄在實驗記錄單上，以幫助學生構建知識的內在聯系，提升其探究實踐能力。

（3）聯系與解釋：發掘深層關聯，歸納要素功能

在本環節中，以記錄單二和三為牽引，融合AI教師搭建學習支架。學生通過討論、交流更好地認識了水葫蘆的構造，并引發對水葫蘆漂浮在水面與自身結構有關的思考，從而理解結構與功能的關系。通過給濕地植物分類，學生了解到金魚藻、狐尾藻、黑藻等沉水植物，水葫蘆、四角菱、蕪萍等漂浮植物，睡蓮、水鱉、荇菜等浮葉植物，香蒲、梭魚草、美人蕉等挺水植物，水生鳶尾、燈心草、半邊蓮等濕生植物。

（4）遷移與應用：聚焦實際需求，延展知識脈絡

“濕地植物能夠凈化水質，那么如何凈化湖泊的水質呢？你能制作一個模型模擬水質凈化過程嗎？”教師拋出本環節的學習任務，并播放實拍視頻《南湖水的治理過程》，引導學生了解污水凈化的過程。學生動手制作一個濕地植物水葫蘆凈水器，并觀察和記錄凈水器的運行情況，完成記錄單四；凈水模型包括污水收集器皿、沉淀池和植物凈化池。沉淀池是一個凈水器，學生可以自主選擇制作材料完成凈水器制作（向AI教師提問，獲取活性炭、石英砂、過濾紗布等材料的功能）。由于水葫蘆的凈化能力很強，植物凈化池里放多少水葫蘆合適？是不是越多越好？學生可以借助AI教師獲得這類問題的答案。

（5）反思與升華：立足核心素養，共筑綠色生態

在課程尾聲，學校生態保護社團發出“長江大保護小衛士”招募令，邀請志愿者參與長江濕地生態保護活動，制訂植物凈水方案，并完成記錄單五。此任務立足學生科學素養的生成，能夠有效檢驗學生自主學習情況、科學概念掌握情況以及科學實踐探究情況。同時，借助AI教師實時反饋、持續學習的優點，驅動學生深化科學知識的認知，培養創新思維與自主學習能力。

應用效果分析

1.研究工具

為進一步驗證支架式教學融入AIGC的探究效果，研究團隊在武漢市某小學隨機選取四年級兩個平行班，分別作為對照班與實驗班開展實驗，課前采用問卷星發放問卷，測量兩個班學生的知識基礎，課后從知識留存率和探究能力兩個方面評價教學效果。為避免前測對后測產生“練習效應”影響，前后測題目均圍繞“解剖水葫蘆”這一知識點設置10道客觀題，內容不同但難度相似，每題10分。探究能力部分采用Likert五點量表測量學生的探究能力，包含提出問題、猜想假設、制訂計劃、實驗實施和結論解釋五個維度，每149369e808b7f79369a74359636026ff個維度均設置4道題目，共計20題。所采用的Likert五點量表包含從“完全不符”到“完全符合”五種不同程度的選項，學生從中選擇符合其自身認知事實的答案，分值對應1～5分。采用可靠性分析與主成分分析分別測量量表的信度與效度，其中Cronbach’s alpha為0.954，KMO為0.872，表明量表的信效度較高。

在課程結束后，共回收104份問卷，其中實驗班52份、對照班52份，回收率100%，剔除無效問卷后得到103份，有效率99.03%，將數據錄入SPSS 27.0進行獨立樣本T檢驗，分別得出組統計量、T檢驗結果、方差齊性檢驗結果等分析結果。

2.研究結果

（1）知識留存率

由無重復雙因素方差分析可知，對照班均值56.59分，實驗班均值54.77分，p=0.52＞0.05，前測成績不存在顯著差異，說明實驗班與對照班具有同質性。課后實驗班的知識留存率（M=69.21）提升幅度大于對照班（M=61.68），說明支架式教學支持的AIGC能夠為科學課程帶來更好的教學效果。可能的原因有：①AI教師提供更快速、具體的知識反饋，幫助學生及時識別和修正錯誤，促進知識的鞏固與記憶，有助于提升知識留存率；②支架式教學融入AIGC增強課堂交互性和學生參與度，借助概念解釋、探究實踐與思維培養等課堂環節，提高學生對學習內容的興趣和投入。

（2）探究能力

如表2所示，五個維度的研究結果表明，實驗班得分均高于對照班，p值均低于0.05，存在顯著性差異。

①提出問題方面。AI教師在教學過程中起到了積極的引導作用，為學生提供個性化的支持和反饋，有助于學生更好地理解和探索水葫蘆的基本特征，增強提出問題的能力。

②猜想假設方面。AI教師采用的啟發式方法能夠激發學生思考與探究，實驗班學生能夠發散思維，猜想水葫蘆的生長狀態與水質凈化功能之間的內在聯系。

③制訂計劃方面。AI教師清晰的陳述邏輯能夠支撐學生構建認知支架，明確解剖水葫蘆實驗的基本步驟，引導學生在制訂計劃的過程中優化學習策略，深化知識點的理解程度。

④實驗實施方面。AI教師能夠提供標準化的操作步驟和指導，幫助學生遵循科學原理設計出合理且有效的實驗方案。

⑤結論解釋方面：支架式教學與AI教師的融合，可創建支持性的學習環境，穿插于探究過程的概念和原理指導，幫助學生輸出完整的知識脈絡體系，合理解釋實驗結果。

總結

本課以水葫蘆為例，沿著“激發—感知—內化—建模—輸出”這一教學主線，按照“吸引與聯想”“探究與體驗”“聯系與解釋”“遷移與應用”“反思與升華”五個教學環節，深入剖析了支架式教學融入AI教師的路徑。支架式教學強調學生的主體地位，借助于AI教師和實驗觀察單，調動了學生的積極性，使學生主動建構知識，發展自主探究和主動學習的能力，為終身學習奠定了基礎。

參考文獻：

[1]李白楊，白云，詹希旎，等.人工智能生成內容（AIGC）的技術特征與形態演進[J].圖書情報知識，2023，40（01）：66-74.

[2]鐘正，馮思佳，曹蘭.體驗式教學理念下全景技術融入語文教學的路徑分析——以《故宮博物院》為例[J].中國信息技術教育，2022（22）：72-75.

[3]韓淑嫻.順學而導，讓學生成為知識的主動建構者——以蘇教版教材六年級下冊“確定位置”為例[J].數學大世界（中旬刊），2022（10）：14-16.

[4]鐘正，劉健，楊曉路，等.人工智能時代如何培養拔尖創新人才[J].湖南教育：D版，2023（09）：30-33.

[5]馮吉兵，張國良，靳帥貞，等.中小學教師虛擬實驗教學能力提升的對策研究——基于技術接受度測評[J].中國電化教育，2022（07）：120-126+133.

第一作者簡介：張璐（1986.12—）女，漢族，湖北武漢人，本科，一級教師，小學科學專職教師。

基金項目：2022年湖北省武漢市漢陽區教師個人課題立項“基于小學科學教學中實踐經驗建構的研究”。