例析人工智能驅動的生成式探究學習

中圖分類號：G633.91文獻標識碼：B

ChatGPT等生成式人工智能（AIGC）的相繼出現，為教學帶來了新的機遇與挑戰。部分學者通過對AIGC進行問答測試，提出對生成式人工智能的使用建議：情境問題的應用需要依靠教師的指導。[

1教材分析及設計思路

“發酵工程為人類提供多樣化生物產品”是滬科技版普通高中教科書《生物學·選擇性必修 生物技術與工程》第1章第2節中的內容。本節內容中，學生能夠達成“如何從小作坊走向工業標準化”的學習目標，但對有關工業發酵的流程、發酵過程的調控、發酵罐的結構與發酵產品的應用等內容仍缺乏真實的體驗。教師單純以講授的方式進行教學難以調動學生的學習熱情并發展其深度思維。已有相關研究表明，采用項目式教學策略能夠取得良好的課堂教學效果。[2]

筆者以“生成式探究學習模型”為基礎進行教學設計，該模型包括六個環節：激發、任務、對話、遷移、結論和評價[3；以“青蒿酸的工業化生產”為案例創設情境。學生通過與AIGC進行對話，構建青蒿酸工業發酵流程，并在新情境中完成開放性任務、在知識的遷移中多角度地參與社會議題，最終通過評價完善設計方案。具體教學流程如圖1所示。

2教學目標

（1）能夠以青蒿酸的發酵生產為實例，結合實驗室微生物培養與生產實踐，基于結構與功能觀、物質與能量觀等生命觀念，分析發酵工程的重要環節，構建工業發酵流程。

（2）能夠以青蒿酸的規模化生產為目的，結合技術思維和工程學思維，設計發酵罐的基本模型，實現發酵過程的調控。

（3）能夠結合科學研究與已學知識，初步構想相關發酵產品的工業生產原理與流程，提升利用所學知識跨學科解決實際問題的能力。

3教學過程

3.1激發與任務

教師展示情境資料：青蒿素通過釋放高劑量的自由基殺死隱藏于紅細胞內的惡性疤原蟲，被世界衛生組織稱為“治療疤疾的最大希望”。由于青蒿素人工合成工藝復雜、成本高且毒副作用大，不能將其作為藥物使用。故需要直接從黃花蒿中提取，但黃花蒿僅夏天生長且生長期短，因此原料受到季節與地域的雙重限制。

教師提供資料并展示青蒿素在細胞中的合成途徑：FPP—青蒿酸—二氫青蒿酸一青蒿素[4，科學家通過多次基因改造獲得了能夠高水平合成青蒿酸的釀酒酵母菌株，進而實現了青蒿酸到青蒿素的高效轉化。教師基于以上信息提出關鍵問題：如何利用現代發酵技術為人類提供多樣化產品？接著教師明確本節課的任務： ① 構建利用現代化發酵技術生產青蒿酸的流程； ② 初步構想一種發酵產品工業化生產原理與流程，創造正面的社會效益。

設計意圖：教師以青蒿素為案例激發學生的研究熱情與解決社會性問題的動力。

3.2對話

3.2.1構建實驗室中獲取青蒿酸的流程

學生結合情境資料與已學知識，嘗試設計實驗室合成青蒿酸的流程。學生在討論中說出必要步驟，并在教師的引導下嘗試構建流程圖（見圖2）。

設計意圖：學生通過構建流程圖，激活已學知識，初步構建實驗室的發酵流程，為后續梳理工業發酵流程做鋪墊。

3.2.2構建青蒿酸的工業發酵流程

教師提供部分實踐資料（見表1）。學生結合資料利用AIGC展開人機對話，構建工業發酵獲取的青蒿酸流程圖（見圖3）。

設計意圖：學生通過分析實踐資料，借助AIGC進行人機對話，提出解決問題的方法，明確需要增設的環節，構建發酵工程的基本流程，發展自身的工程學思維，為后續發酵罐的設計奠定基礎。

3.2.3設計發酵罐，生成模式圖

教師引導學生基于青蒿酸工業發酵的流程與原理，讓學生以小組為單位合作設計發酵罐并實現對發酵過程的調控。學生討論并梳理出以下設計要點： ① 需要有能夠及時監測發酵罐內部溫度與溶氧的裝置； ② 需要有能夠及時監測與控制發酵罐內部pH的裝置； ③ 需要有接種口、補料口和放料口以實現酵母的接種、營養基質的添加與發酵產物的獲取；④ 需要消除發酵罐中的泡沫； ⑤ 需要由計算機系統自動收集、分析以上信息并優化控制。

設計意圖：教師在此過程中應關注學生工程學思維與技術思維的發展，運用AIGC將學生的設計思路快速轉換為模式圖，激發學生的學習興趣和成就感，發展其利用所學知識跨學科解決實際問題的能力。

3.3遷移

教師引導學生小組初步構想發酵產品的工業化生產流程，創造正面的社會效益。在此過程中教師還需要提供社會需求和生產實際相關的資料，并利用多渠道為學生提供產品的設計方向信息，引導各學生小組獨立探究設計方向。之后，教師介紹評價量表（見表2），并提示學生嘗試使用AIGC進行設計，以此鼓勵學生增大產品的選擇范圍。

設計意圖：教師利用多渠道為學生提供產品的設計方向信息，鼓勵學生關注社會問題，綜合運用所學知識，結合AIGC搜集相關資源，在新情境中提出解決問題的方案，從而提升團隊協作能力與創新實踐能力。

3.4結論

學生小組進行總結匯報，在此過程中，一個小組提出：可利用秸稈和大型商超、水果店、廚余垃圾中的蔬果制備工業酒精，選擇的工程菌包括纖維素降解菌、解淀粉芽孢桿菌和酵母菌，以期在解決環境問題的過程中調整能量流動關系，將更多能量流向對人類有益的部分，緩解能源危機。其他學生小組提出疑問：如何從土壤中篩選出纖維素降解菌？匯報人提出將快遞紙盒埋入土壤中放置一段時間，從埋紙盒的土壤中進行取樣，這種方式能夠提高從樣品中獲得纖維素降解菌的概率和比例。最終教師進行總結：現代發酵技術為人類提供了多樣化的生物產品，在醫藥、食品、環境、能源、農業等多個領域均具有重要應用價值。

設計意圖：教師通過設計小組匯報，為學生創造質疑與答辯機會，發展其批判性思維與申辯式思維等高階思維，提升學生的語言表達能力；以AIGC為工具開拓學生的視野，理解并內化發酵工程在實際生活中的應用。

3.5評價

教師運用智適應學習平臺的在線統計功能，組織學生根據評價量表進行組間評價，相互交流小組在設計與討論過程中的亮點與不足。教師提示學生發揮本土資源優勢，實地參觀發酵工廠，并在課后繼續查找資源以完善小組方案。教師補充相關科研信息：“科學家通過多次基因改造苔蘚，獲得了能夠合成青蒿素的苔蘚，苔蘚的收獲周期僅需三天”并引導學生構建利用細胞工程技術生產青蒿素的流程。

設計意圖：教師利用智適應學習平臺的在線統計功能，組織學生在評價活動中為小組方案的進一步完善提出建議；鼓勵學生采用論文查找與實地考察相結合的方式，持續完善小組方案；提供科研信息，激發學生持續探究的活力，為后續的學習奠定基礎。

4教學反思

本節課運用生成式探究學習模式，以“青蒿酸的工業化生產”為案例展開教學。學生運用結構與功能觀、物質與能量觀等生命觀念，結合技術思維和工程學思維，從培養基配制到發酵罐生產，直至產品分離等一系列過程設計及原理分析，最終運用AIGC生成發酵罐模式圖。學生在此過程中自主構建知識體系，深度參與社會性議題，在實踐層面探討并嘗試解決實際問題，在小組合作與組間評價中完善設計方案，為后續學習和走向社會奠定認識和實踐的基礎。

參考文獻

[1]閆白洋，余建云.生成式人工智能在高中生物學教學領域中的問答測試與使用建議[J].生物學教學，2023，48（9）：34-36.

[2]黃巍，王釗.核心素養導向下的高中生物學項目式教學—“ $＼therefore$ 青霉素的發酵生產”為例[J.中學生物教學，2024（3）：41-43.

L3]黎加厚.生成式人工智能對課程教材教法的影響J.課程·教材·教法，2024，44（2）：14-21.

[4]AKHILA A，THAKUR R S，POPLI S P.Biosynthesis ofartemisinin in Artemisia annua[J].Phytochemistry，l987，26（7）：1927-1930.

[5]李姣，霍晉彥，于宗霞，等.生物技術在青蒿素合成中的應用[]]植物生理學報，2018，54（7）：1179-1185.