AI賦能初中生物學實驗教學創新

中圖分類號：G633.91文獻標識碼：B

1. 2. 3.杭州市錢塘區教師教育學院311225

2019年，教育部印發的《關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、親身感悟和創新創造能力。2023年，《教育部等十八部門關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、虛擬現實等技術手段改進和強化實驗教學。科學探究能力是生物學學科核心素養的重要組成部分，學生應具備發現問題、提出假設、設計實驗、收集數據、分析數據和得出結論的能力。AI技術在教育領域的應用，為初中生物學實驗教學提供了新的思路和方法。基于AI技術的初中生物學實驗教學是指利用AI技術實驗大數據平臺，結合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，激發其對科學的興趣和探索精神。

1構建基于AI的實驗環境，提供個性化學習支持

AI實驗平臺借助學生智能終端設備和AI識別攝像頭，實時分析學生的實驗步驟、數據處理過程和實驗結果，判斷學生對實驗設計、實驗操作、數據分析和結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閉的原因\"實驗為例，探究在AI技術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性操作行為數據，豐富實驗評估的操作性細節，有助于后續對學生的探究實踐進行指導和反饋，是傳統實驗教學的信息化升級。AI技術可無感采集學生在真實情境中完整的過程性數據，并據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，解決了傳統圍觀式實驗教學的弊端。

2設計情境化的實驗任務，激發學生的探究興趣

基于教材和真實情境而設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果，包括誤差分析、實驗優化、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，更強調激發學生的好奇心和科學探究欲，培養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構，再引導學生查閱資料，猜想氣孔的開閉可能與保衛細胞的含水量密切相關。教師接著提出問題：保衛細胞的狀態與氣孔開閉之間存在著怎樣的關系？教師引導學生根據科學探究的六個環節完成相應的實驗探究，從保衛細胞的結構角度推測實驗結果產生的原因。在遷移應用環節，學生進一步探究脫落酸對氣孔關閉的影響，并進行相應的實驗設計。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計的合理性、操作的準確性、數據采集與分析的正確性、結論的科學性等。每個評價標準設定不同的等級或分數，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閉的原因\"實驗的部分PTA量表如表1所示，評價標準體現了數據處理和科學解釋等能力，如對保衛細胞吸水和失水狀態下視野中打開或者閉合的氣孔數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計、實驗操作、數據分析和結論推理等方面的水平；學生可以進一步思考完善實驗設計和操作的準確性，在交流討論中解決真實問題，真正發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，實現實驗教學的過程評價

利用AI技術可以實現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系統通過使用傳感器、攝像頭等設備，實時監測學生的實驗過程，實時分析并評估學生的實驗操作是否正確、數據是否準確等。同時，AI系統還可根據學生的實驗結果提供實時反饋和建議，如AI系統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，并反饋到設備終端。學生提交實驗后可查看實驗得分和依據、錯誤實驗操作和糾正建議，從而及時發現和解決問題，實現實驗操作的過程性追溯，有助于學生及時調整學習策略。此外，教師通過分析實驗學習數據，能夠了解學生的學習特點和存在的問題，為后續的教學改進提供依據。

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智能終端設備對每個學生的實驗操作狀況進行全程把控，可根據學生的實驗表現和需求，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“模糊發展\"轉向“心中有數”。這種基于精準數據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，建立數字化實驗學習檔案，形成完備的過程性評價依據，對學生的學習歷程進行綜合分析和客觀評價，實現從“經驗主義”向科學性數據分析的轉變。

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，以期培養學生的實驗探究能力，讓學生在自主學習中不斷探索和創新。

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[J].中學生物學，2020，36（Z1）：28-29.