AI賦能“水沸騰了”實驗可視化

〔摘" "要〕" 本文深入探討了人工智能（AI）技術在小學科學課堂上的實際應用，特別是使“水沸騰了”實驗可視化探索。文章詳細闡述了AI技術在實驗準備、實際操作以及后續(xù)分析階段的具體應用方式。通過實時數據采集與智能分析技術，顯著提升了實驗的準確性和效率。同時，結合可視化圖表的展示方式，使學生能夠更直觀、更深入地理解水沸騰這一科學現象，從而有效增強學生的科學素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。

〔關鍵詞〕" 小學科學；實驗可視化；深度探索；AI技術

〔中圖分類號〕" G424" " " " " " " " 〔文獻標識碼〕" A" " " " 〔文章編號〕" 1674-6317" " （2025）15" " 0055-03

人工智能技術的快速發(fā)展正在教育領域引發(fā)創(chuàng)新和變革，它不僅改變了傳統(tǒng)教學方式，還提供了個性化和高效的學習體驗。《水沸騰了》一課是小學科學教育的重要內容，通過實驗，學生得以親手操作，觀察水由液態(tài)向氣態(tài)轉變的完整過程，從而深入理解沸騰現象所蘊含的科學原理。實驗要求學生細致觀察并分析數據，從而提升他們的邏輯和批判性思維能力。引入AI技術后，實驗變得更加直觀、生動、可視化，提高了學生的學習興趣和參與度。AI系統(tǒng)實時處理關鍵數據并生成分析報告，幫助學生深入理解科學原理。這種技術輔助的實驗方式不僅增強了學生的實踐技能和創(chuàng)新思維，還激發(fā)了他們對科學探索的熱情，為科學認知的全面發(fā)展打下了基礎。

一、AI賦能可視化“水沸騰了”實驗過程

（一）創(chuàng)設情境，點燃學生探索熱情

教師播放了一段充滿趣味的視頻，內容是關于燒水的。這段視頻不僅生動地再現了日常生活的場景，還巧妙地將科學原理融入其中，讓學生深刻地認識到科學與日常生活的緊密聯系。視頻結束后，教師提出了一個開放性的問題：“你們注意到了哪些細節(jié)？”通過學生的回答，教師巧妙地引入了“沸騰”的概念，并再次提出了兩個關鍵問題：如何讓水沸騰？水沸騰時會出現什么現象？這些問題旨在激發(fā)學生的思考，點燃他們對科學探索的熱情。

（二）巧用微課，啟發(fā)學生合作探究

教師首先向學生展示實驗所需的材料：帶溫度傳感器的玻璃燒水壺、秒表、平板等。然后通過微課講解實驗器材的使用方法及注意事項，以幫助學生高效地組裝儀器進行實驗，并及時記錄相關數據。在實驗中，四人一組進行協(xié)作，其中一人負責記錄，兩人負責實驗操作，還有一人負責攝影。記錄員負責分配任務和協(xié)調團隊，同時填寫實驗記錄單；兩名操作員則負責領取所需材料并執(zhí)行實驗步驟；攝影員則使用攝像頭記錄水沸騰時的溫度變化，捕捉沸騰現象，并將記錄上傳。

（三）分析數據"鼓勵學生互動分享

實驗完成后，教師展示學生上傳的數據和圖像，并進行分析。學生通過小組合作實驗，最終理解了在標準大氣壓條件下，水的沸點為1000C，并且在沸騰過程中，水溫始終維持在1000C不變。他們還觀察到，在水沸騰時會產生氣泡，這些氣泡上升至水面后會爆裂。

課堂的最后，學生在平板的互動界面上分享自己在課程中的收獲，各抒己見，暢所欲言。有的學生描述了自己在實驗過程中的發(fā)現，有的學生則分享了自己對科學原理的理解，還有的學生提出了自己對實驗過程中的疑問。通過這樣的互動，學生不僅鞏固了所學知識，還激發(fā)了進一步探索科學的興趣。

二、AI賦能可視化“水沸騰了”實驗深度探索

（一）智能傳感可視，獲取精確數據

在教材中，采用酒精燈作為加熱源，并借助石棉網進行隔離，以確保加熱過程的穩(wěn)定性和安全性。然而，這種方法會減緩水的加熱速率，導致加熱時間延長。此外，酒精燈的火焰易受外部環(huán)境影響，如氣流擾動，這將引起熱源的不穩(wěn)定性，進而影響數據的準確讀取與采集。

鑒于一節(jié)課的時間有限，上述過程耗時，降低了課堂效率。同時傳統(tǒng)溫度計在使用過程中存在較大的測量誤差，導致不同小組在測量水沸騰溫度時，結果差異顯著，部分小組測得的溫度低于100℃，而有的小組則高于此值。此外，水沸騰時產生的大量水蒸氣會在溫度計表面冷凝形成水霧，這不僅容易導致讀數錯誤，還可能因讀數不及時而影響數據的準確性。這些因素無疑會對學生正確構建科學概念造成顯著困擾和混淆。另外，長時間手持溫度計進行觀測，也會導致學生手臂疲勞。

為了改善上述狀況，本實驗對設備進行了改進，采用帶有溫度傳感器的玻璃燒水壺進行實驗操作，顯著縮短了實驗所需時間，提高了實驗效率。初步測試表明，這種優(yōu)化策略使實驗時間平均縮短了50%，同時確保了實驗結果的穩(wěn)定性和準確性。此外，實驗的可視化程度得到增強，學生能夠更直觀地獲取實驗數據，從而得出更為準確的實驗結論。

（二）實驗數據可視，多維度多方向呈現

在本課中，利用AI技術，學生通過小組合作的方式，借助高精度的傳感器與先進的AI算法，成功實現了對水加熱過程中溫度的數據的實時捕捉，共同完成了加熱過程的水溫電子記錄單的填寫工作。在他們上傳了記錄單中的數據之后，這些數據會自動地被轉換成各種圖表形式，包括表格、點線圖、柱狀圖等。

這些圖表匯總起來，形成了整個班級的數據集合。教師在拿到這些數據后，會根據數據分析的重點，靈活地運用這些小組數據。AI充分發(fā)揮了其強大的數據處理與可視化展示能力。借助圖表、動畫等直觀生動的多媒體形式，將原本復雜難懂的實驗數據轉化為易于理解的視覺信息。例如，隨著加熱時間的增加，水的溫度逐漸升高。在加熱初期，水溫上升速度較快；當接近沸點時，水溫上升速度減緩，直至達到沸點（標準大氣壓下，100℃左右）并保持恒定，即使繼續(xù)加熱，水溫也不再上升。通過繪制詳盡的溫度-時間曲線圖，學生清晰地觀察到水溫隨時間變化的完整過程，以及沸騰時溫度的穩(wěn)定狀態(tài)。這種可視化的教學方式不僅極大地提高了學生的學習興趣和參與度，更有助于培養(yǎng)他們的空間想象力和邏輯思維能力。學生能夠梳理和總結出理想數據的規(guī)律，從而加深對科學實驗的理解和認識。

（三）高清成像顯影，讓水沸騰細節(jié)清晰直觀

在探究水沸騰前后氣泡上升動態(tài)變化的研究中，我們觀察到兩種截然不同的現象。水沸騰前氣泡上升過程中，體積逐漸變小。水沸騰時，氣泡上升過程中，體積逐漸變大。若僅依賴肉眼觀察，學生可能難以精確捕捉這些細微之處。然而，利用高分辨率成像技術的精細觀察，我們能夠揭示水沸騰過程中的諸多細節(jié)，提供極為直觀和詳盡的視覺信息，從而顯著促進學生對這一物理現象的深入理解。

通過高分辨率成像技術的應用，我們能夠精確捕捉到水在加熱過程中，容器底部或壁面上微小空腔內出現的微小氣泡。隨著溫度的逐步升高，這些氣泡逐漸膨脹。通過記錄氣泡從誕生到升至水面的整個歷程，我們能夠觀察到氣泡在上升過程中的聚合、分裂以及速度的波動。

（四）熱成像可視化，熱成像技術深度應用

熱成像技術，也稱為紅外成像技術，是一種非接觸式的溫度測量方法，它能夠檢測并記錄物體表面的溫度分布。在《水沸騰了》這一課程中，使用熱成像攝像頭，利用熱成像技術直觀地展示水沸騰過程中的溫度變化。以下是一些具體的深度探索應用。

實時溫度監(jiān)測：使用熱成像相機實時監(jiān)測加熱過程中水的溫度變化。使學生可以直觀地看到水從室溫逐漸升至沸點的過程，以及不同區(qū)域的溫度差異。

溫度分布可視化：展示水在加熱過程中溫度分布的變化，特別是在水底部和表面的溫度差異。使學生可以觀察到熱量是如何從熱源傳遞到整個水體的。

沸騰點首定位：確定水開始沸騰的確切位置。通過熱成像可以清晰地看到水底部或容器壁附近首先達到沸點，形成氣泡。

氣泡活動觀察：觀察氣泡在水內部形成和上升過程中的溫度變化。熱成像可以顯示氣泡的溫度通常略低于周圍水體，因為水蒸氣在上升過程中會帶走熱量。

熱對流和傳導：展示熱量在水內部的對流和傳導現象。使學生可以看到熱量如何從加熱元件傳遞到水的上層和表面。

實驗數據記錄：記錄水沸騰過程中的關鍵溫度數據。這些數據可以用于科學實驗報告，幫助學生理解沸騰現象的物理原理。

通過這些應用，熱成像技術不僅使《水沸騰了》這一課程更加生動和有趣，而且提高了學生對物理現象的直觀理解，增強了實驗的安全性和科學性。

（五）微觀視角可視，觀察水分子沸騰運動和變化

在學生細致觀察水沸騰現象的同時，教師用顯微鏡鏡頭，從微觀角度對水分子在沸騰過程中的運動狀態(tài)進行觀察。慢動作回放這些記錄的視頻，通過顯微鏡的放大效果，可以清晰地觀察到水分子在加熱過程中逐漸變得活躍，并開始形成微小氣泡；水分子在沸騰時的劇烈運動以及液態(tài)向氣態(tài)轉變的相變過程；隨著溫度的逐漸升高，水分子的運動速度顯著加快。微觀觀察幫助學生理解水分子在沸點時的動態(tài)變化和物理性質轉變。

（六）實驗評價可視化，學生學習成效顯著

無論是過程性評價還是終結性評價，有數據支撐的評價結論對學生來說更具說服力和針對性，能夠清晰地讓學生認識到本節(jié)課中自己在各方面表現如何，進而進行學習的診斷和改進，提高學習成效，培養(yǎng)良好的學習習慣。借助AI技術軟件的答題分析和作品點贊功能，無論是題目測驗還是作品的生生互評，都能迅速獲得評價數據并進行可視化分析，使師生雙方能夠雙向地對本節(jié)課的課堂效果有所了解，提升教師的教學熱情和學生的學習熱情。

對于水沸騰前后氣泡變化的描述，學生將作品上傳至畫廊后，教師引導學生進行了生生互評，突破了以往作品展示時空限制、對象單一的局限性，再次點燃了學生的學習熱情。點贊之后，教師請獲贊最多的小組上臺分享學習經驗和感悟，激勵點贊數較少的小組課后進行迭代設計，并再次展示改進成果。這種方法巧妙地利用了學生的競爭意識，讓他們樂于接受這種創(chuàng)新的評價方式和結果，幫助科學教師節(jié)約了課堂時間，并展現了評價方式的多樣性和評價主體的多元性。

三、結語

通過將人工智能賦能的實驗可視化技術深入地應用于小學科學課堂的各個階段，包括課程的引入、探究學習的過程、知識的檢測、成果的展示以及學習的評價，我們能夠實時地掌握學生的學習狀況。這種技術的應用不僅極大地提升了科學教師進行有效課堂教學診斷與改進的能力，而且確保了科學課堂始終以學生為中心，滿足他們的學習需求。

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