AI賦能初中生物學實驗教學創(chuàng)新

中圖分類號：G633.91文獻標識碼：B

1. 2. 3.杭州市錢塘區(qū)教師教育學院311225

2019年，教育部印發(fā)的《關(guān)于加強和改進中小學實驗教學的意見》提出，要不斷將科技前沿知識和最新技術(shù)成果融入實驗教學，強化學生實踐操作、情境體驗、探索求知、親身感悟和創(chuàng)新創(chuàng)造能力。2023年，《教育部等十八部門關(guān)于加強新時代中小學科學教育工作的意見》指出，在教育“雙減”中做好科學教育加法，探索利用人工智能、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)手段改進和強化實驗教學?？茖W探究能力是生物學學科核心素養(yǎng)的重要組成部分，學生應具備發(fā)現(xiàn)問題、提出假設(shè)、設(shè)計實驗、收集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和得出結(jié)論的能力。AI技術(shù)在教育領(lǐng)域的應用，為初中生物學實驗教學提供了新的思路和方法。基于AI技術(shù)的初中生物學實驗教學是指利用AI技術(shù)實驗大數(shù)據(jù)平臺，結(jié)合PTA量表進行過程化與智能化的實時評估，并輔以教師的適時指導反饋，有效促進學生理解科學原理，激發(fā)其對科學的興趣和探索精神。

1構(gòu)建基于AI的實驗環(huán)境，提供個性化學習支持

AI實驗平臺借助學生智能終端設(shè)備和AI識別攝像頭，實時分析學生的實驗步驟、數(shù)據(jù)處理過程和實驗結(jié)果，判斷學生對實驗設(shè)計、實驗操作、數(shù)據(jù)分析和結(jié)論推理技能的掌握程度，以全面評估學生的實驗技能水平。筆者以“植物葉片氣孔開放與關(guān)閉的原因\"實驗為例，探究在AI技術(shù)支持下開展實驗教學的可行性。

教師提供顯微鏡、載玻片、蓋玻片、剪刀、刀片、鑷子、解剖針、吸水紙等用具，菠菜等不同種類的蔬菜葉片，蒸餾水、 5.5% 的氯化鈉溶液等藥品及試劑。教師在AI實驗平臺中導人操作要點后，學生在實驗平臺上可實時查看自己的實驗操作和實驗技能情況。同時，實驗平臺可實時保存學生的實驗操作步驟，不斷積累學生的表現(xiàn)性操作行為數(shù)據(jù)，豐富實驗評估的操作性細節(jié)，有助于后續(xù)對學生的探究實踐進行指導和反饋，是傳統(tǒng)實驗教學的信息化升級。AI技術(shù)可無感采集學生在真實情境中完整的過程性數(shù)據(jù)，并據(jù)此精準評估學生的科學探究能力。在AI實驗平臺中，學生不僅可自主進行探究實驗，還可查看教師示范和其他學生的實驗過程，解決了傳統(tǒng)圍觀式實驗教學的弊端。

2設(shè)計情境化的實驗任務，激發(fā)學生的探究興趣

基于教材和真實情境而設(shè)計的實驗任務具有可操作性強、探究實踐性強的特點，且包含科學探究的基本要素。探究過程中，教師應注重評價與交流，如引導學生分析實驗結(jié)果，包括誤差分析、實驗優(yōu)化、拓展與應用等多個維度，并使用量表進行精準評估。情境化的實驗任務不僅要求學生掌握基本的實驗技能，更強調(diào)激發(fā)學生的好奇心和科學探究欲，培養(yǎng)其獨立思考和解決問題的能力。

實驗任務的完成需要學生綜合運用科學知識、實驗技能和解決問題的能力。例如，在教學“氣孔”這一抽象概念時，教師先讓學生觀察葉片氣孔的結(jié)構(gòu)，再引導學生查閱資料，猜想氣孔的開閉可能與保衛(wèi)細胞的含水量密切相關(guān)。教師接著提出問題：保衛(wèi)細胞的狀態(tài)與氣孔開閉之間存在著怎樣的關(guān)系？教師引導學生根據(jù)科學探究的六個環(huán)節(jié)完成相應的實驗探究，從保衛(wèi)細胞的結(jié)構(gòu)角度推測實驗結(jié)果產(chǎn)生的原因。在遷移應用環(huán)節(jié)，學生進一步探究脫落酸對氣孔關(guān)閉的影響，并進行相應的實驗設(shè)計。學生在真實情境中進行完整的科學探究和實驗操作，全面提升自身的科學探究與實驗操作能力。

3制訂PTA量表的評價標準，實現(xiàn)實驗教學評一致

為了科學地評估學生的科學探究能力與實驗技能，教師需要建立一套量表化的評價標準。2評價指標主要包括實驗設(shè)計的合理性、操作的準確性、數(shù)據(jù)采集與分析的正確性、結(jié)論的科學性等。每個評價標準設(shè)定不同的等級或分數(shù)，對學生的科學探究能力和實驗技能水平進行精確評估，并提供針對性的反饋和指導。探究“植物葉片氣孔開放與關(guān)閉的原因\"實驗的部分PTA量表如表1所示，評價標準體現(xiàn)了數(shù)據(jù)處理和科學解釋等能力，如對保衛(wèi)細胞吸水和失水狀態(tài)下視野中打開或者閉合的氣孔數(shù)量的分析和科學解釋等。3基于PTA量表，教師可以判斷學生在實驗設(shè)計、實驗操作、數(shù)據(jù)分析和結(jié)論推理等方面的水平；學生可以進一步思考完善實驗設(shè)計和操作的準確性，在交流討論中解決真實問題，真正發(fā)揮了學生的主體作用和教師的主導作用。

4利用AI實時評估，實現(xiàn)實驗教學的過程評價

利用AI技術(shù)可以實現(xiàn)對實驗探究過程的客觀評價，提高評價的準確性和公正性。AI系統(tǒng)通過使用傳感器、攝像頭等設(shè)備，實時監(jiān)測學生的實驗過程，實時分析并評估學生的實驗操作是否正確、數(shù)據(jù)是否準確等。同時，AI系統(tǒng)還可根據(jù)學生的實驗結(jié)果提供實時反饋和建議，如AI系統(tǒng)會自動采集學生的顯微鏡實驗操作步驟（見表2），在每一步操作完成后自動打分，并反饋到設(shè)備終端。學生提交實驗后可查看實驗得分和依據(jù)、錯誤實驗操作和糾正建議，從而及時發(fā)現(xiàn)和解決問題，實現(xiàn)實驗操作的過程性追溯，有助于學生及時調(diào)整學習策略。此外，教師通過分析實驗學習數(shù)據(jù)，能夠了解學生的學習特點和存在的問題，為后續(xù)的教學改進提供依據(jù)。

5教師適時指導反饋，促進學生探究能力與實 驗技能的提升

教師通過AI智能終端設(shè)備對每個學生的實驗操作狀況進行全程把控，可根據(jù)學生的實驗表現(xiàn)和需求，提供有針對性的指導和建議，幫助學生更好地理解實驗原理、操作和改進方法等。教師可依據(jù)表達與交流的評價標準（見表3），對學生的表達與交流能力進行評價，并給出個性化的建議，從而引導學生從“模糊發(fā)展\"轉(zhuǎn)向“心中有數(shù)”。這種基于精準數(shù)據(jù)的評價反饋機制提升了學生的科學探究能力和實驗技能。[4]

在基于AI技術(shù)的實驗教學中，教師應注重學生的主體地位，進行人性化的適時指導與反饋。當學生遇到困惑或挑戰(zhàn)時，教師可及時給予幫助和鼓勵，激勵學生深入思考、勇于探索。結(jié)合學生在不同階段的探究實踐成果，教師利用AI視頻與智能圖文技術(shù)，建立數(shù)字化實驗學習檔案，形成完備的過程性評價依據(jù)，對學生的學習歷程進行綜合分析和客觀評價，實現(xiàn)從“經(jīng)驗主義”向科學性數(shù)據(jù)分析的轉(zhuǎn)變。

教師還可利用AI實驗平臺為學生提供豐富多樣的實驗探究實踐資源，引導學生提出問題、制訂實驗學習計劃、進行自我評價等，以期培養(yǎng)學生的實驗探究能力，讓學生在自主學習中不斷探索和創(chuàng)新。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.義務教育生物學課程標準（2022年版）[M].北京：北京師范大學出版社，2022.

2蔣永貴，金京生.以評促探：基于標準的科學探究評價工具設(shè)計與應用[M].杭州：浙江大學出版社，2021.

[3]姚雪飛.中學生科學實驗探究能力測評[M].杭州：浙江教育出版社，2024.

[4]甘耀平.基于“精準教學”視角例談科學探究能力的培養(yǎng)[J].中學生物學，2020，36（Z1）：28-29.