AI賦能的思維型課堂

〔摘" "要〕" 在人工智能技術(shù)快速發(fā)展的背景下，科學教育正經(jīng)歷著從知識傳授向思維培養(yǎng)的模式轉(zhuǎn)型，本文分析了科學思維型課堂的核心特征，包括思維動能激發(fā)機制、思維技能培養(yǎng)路徑以及高階思維發(fā)展模型，并詳細闡述了AI技術(shù)如何精準識別思維阻滯點、動態(tài)規(guī)劃學習路徑、模擬高危實驗以及實現(xiàn)思維過程可視化等賦能點。本文以教育科學出版社2017年版科學教材為例，探索AI賦能科學思維型課堂的設(shè)計路徑。本研究結(jié)合理論分析與實證案例，探討了AI賦能科學思維型課堂的個性化學習路徑生成、智能實驗與探究支持、高階思維訓練系統(tǒng)以及生活化應(yīng)用與進階等。通過具體課例，展示了AI技術(shù)在提升課堂思維密度、實現(xiàn)“教—學—評”閉環(huán)優(yōu)化方面的應(yīng)用效果。

〔關(guān)鍵詞〕" 小學科學；思維型課堂；AI人工智能

〔中圖分類號〕" G424" " " " " " " " 〔文獻標識碼〕" A" " " " 〔文章編號〕" 1674-6317" " （2025）16" " 0013-03

一、科學思維型課堂的理論框架與AI賦能邏輯

（一）科學思維型課堂的核心特征

科學思維型課堂的核心特征體現(xiàn)在思維動能激發(fā)機制通過創(chuàng)設(shè)認知沖突培養(yǎng)學生的思維技能。例如，2022年教科版科學五年級下冊第二單元“仿生”中，“麥稈與鋼管”的仿生學案例的結(jié)構(gòu)對比實驗，以及問題鏈驅(qū)動。“麥稈與鋼管”仿生學案例提出“氣體交換路徑可視化”問題，來激活學生的思維動能，AI技術(shù)能夠?qū)崟r捕捉學生的面部表情和語音情緒，精準識別思維阻滯點。思維技能培養(yǎng)路徑聚焦于三大核心技能。其一，預(yù)測與假設(shè)，如AI模擬不同生態(tài)環(huán)境下植物葉片形態(tài)變化；其二，比較與思辨，如在虛擬實驗室中進行變量控制對比；其三，模型構(gòu)建，如利用3D動態(tài)圖示輔助理解光合作用過程。這些技能共同形成了“觀察—推理—驗證”的完整思維鏈。高階思維發(fā)展模型則通過遷移應(yīng)用，如AI推送跨學科項目“橋梁設(shè)計中的力學原理應(yīng)用”，激發(fā)學生的創(chuàng)新性思維，如在虛擬仿真實驗中鼓勵方案迭代，以及元認知監(jiān)控，通過學習行為數(shù)據(jù)分析生成思維發(fā)展報告，來實現(xiàn)思維進階。

（二）AI賦能的科學思維課堂的邏輯支點

AI賦能的科學思維型課堂的三重邏輯支點體現(xiàn)在以下幾個方面。首先個性化學習方面，北京理工大學吳楊教授團隊的研究指出，知識圖譜可優(yōu)化學習路徑，減少認知負荷。通過知識圖譜動態(tài)規(guī)劃學習路徑，能夠破解傳統(tǒng)“齊步走”的教學困境，使學習效率提升45%以上。其次是智能實驗支持，如某合作高校的使用數(shù)據(jù)顯示，采用虛擬仿真系統(tǒng)后，實驗室事故率下降92%，學生實驗報告優(yōu)秀率提升37%，儀器維護成本降低28%，還能確保安全，完成率達到100%。最后是思維過程可視化，華東師范大學教育信息技術(shù)學系副教授郁曉華指出，技術(shù)賦能可提升教學精準度，需結(jié)合量表和實證數(shù)據(jù)驗證。通過語音轉(zhuǎn)思維導(dǎo)圖和學習行為熱力圖等技術(shù)，將思維節(jié)點外顯化，教師決策精準度提升72%。

二、AI賦能科學思維型課堂的創(chuàng)新模式

（一）個性化學習路徑生成

在個性化學習路徑生成過程中，動態(tài)畫像構(gòu)建是關(guān)鍵，結(jié)合教育科學出版社2017版科學教材內(nèi)容，系統(tǒng)通過作業(yè)分析、實驗報告、課堂互動等多源數(shù)據(jù)，為每位學生生成包含“知識掌握度—思維風格—學習偏好”的三維畫像。這一三維畫像包含“知識掌握度、思維風格、學習偏好”三個維度。首先，“知識掌握度”維度反映了學生對科學概念、原理及實驗技能的理解與運用程度，它基于學生的作業(yè)完成情況、實驗報告質(zhì)量以及課堂問答表現(xiàn)等多維度數(shù)據(jù)進行綜合評估。其次，“思維風格”維度則揭示了學生在解決問題、處理信息時所表現(xiàn)出的思維方式和偏好，如是否傾向于邏輯思維、創(chuàng)造性思維或批判性思維等。這一維度的構(gòu)建有助于教師了解學生的思維特點，從而采取有針對性的教學策略。最后，“學習偏好”維度則關(guān)注學生的學習風格、興趣點及學習動力等，它基于學生的課堂互動、學習資源選擇及自主學習行為等數(shù)據(jù)進行挖掘與分析。

例如，在2022年教科版科學三年級下冊“植物的生長變化”單元中，系統(tǒng)分析學生在作業(yè)中對植物結(jié)構(gòu)描述的準確性，實驗報告中控制環(huán)境因素的合理性，以及課堂互動中對不同學習活動的參與度，從而全面了解學生的學習情況。基于這一畫像，智能資源推送能夠為學生提供個性化的學習資源。在“植物繁殖方式”一節(jié)中，對于視覺型學生，系統(tǒng)會推送結(jié)構(gòu)解剖視頻，如教科版教材中展示的根尖結(jié)構(gòu)動態(tài)示意圖，幫助學生直觀理解；而對于動手型學生，系統(tǒng)則推薦扦插實驗方案，如月季枝條的扦插操作指南，讓學生通過實踐掌握技能。這種個性化學習路徑的生成，不僅提高了學習效率，還激發(fā)了學生的學習興趣和動力。

（二）智能實驗與探究支持

在小學科學教學中，智能實驗與探究支持是提升學生科學素養(yǎng)、培養(yǎng)創(chuàng)新思維和實踐能力的重要手段。近年來，隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬實驗平臺和遠程協(xié)作探究為小學科學教學提供了全新的支持方式，極大地豐富了教學手段和學生的學習體驗。它通過模擬真實的實驗環(huán)境和操作過程，讓學生在沒有實體實驗室的情況下，也能進行各種科學實驗，不僅打破了時間和空間的限制，讓學生可以隨時隨地進行實驗學習，而且通過高度仿真的實驗環(huán)境和操作過程，學生能更加深入地理解實驗原理，提高實驗技能。在虛擬實驗平臺上，學生可以進行實驗操作、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果展示等步驟，通過實踐來鞏固所學知識，提升解決問題的能力。此外，虛擬實驗平臺還具有安全、環(huán)保、經(jīng)濟等優(yōu)點，能夠避免傳統(tǒng)實驗中可能存在的安全隱患和環(huán)境污染問題，同時降低實驗成本，提高教學效率。

在2022年教科版科學四年級下冊“巖石與礦物”單元中，學生可通過虛擬實驗平臺上傳巖石標本圖像，AI技術(shù)隨即自動識別并生成成分分析報告，同時與地質(zhì)數(shù)據(jù)庫進行匹配驗證，確保分析結(jié)果的準確性。例如，學生觀察花崗巖標本時，AI不僅能識別其主要成分，還能與數(shù)據(jù)庫中的標準花崗巖數(shù)據(jù)對比，幫助學生深入理解巖石特性。此外，遠程協(xié)作探究模式借助AI翻譯與語音合成技術(shù)，能讓不同地區(qū)的學生同步開展“河流對土地影響”模擬實驗。學生共享實驗數(shù)據(jù)，協(xié)同建模分析河流侵蝕、沉積等現(xiàn)象，既拓寬了探究視野，又培養(yǎng)了合作能力。這種智能化的實驗與探究支持，不僅降低了實驗成本，還提高了探究活動的深度和廣度。

（三）高階思維訓練系統(tǒng)

高階思維訓練系統(tǒng)核心在于深度培育學生的批判性思維與創(chuàng)新能力，特別是在“科學技術(shù)與社會”（STS）這一綜合性學習領(lǐng)域中，該系統(tǒng)巧妙地利用AI技術(shù)的深度解析能力，對科技類文本進行精細處理，不僅區(qū)分事實陳述與觀點表達，還進一步挖掘文本背后的邏輯鏈條與價值導(dǎo)向，為學生提供一個訓練高階思維的廣闊舞臺。在這一平臺上，AI技術(shù)首先通過自然語言處理技術(shù)，對科技類文本進行智能分析，精確識別并標注出文中的事實性信息與主觀性觀點。更進一步，高階思維強化平臺還鼓勵學生基于這些分析，進行深度探討與反思，通過設(shè)定開放性問題、組織辯論賽或撰寫評論文章等形式，引導(dǎo)學生質(zhì)疑、挑戰(zhàn)乃至重構(gòu)已有觀點，這一過程不僅鍛煉了學生的邏輯推理與論證能力，更重要的是激發(fā)了他們探索未知、挑戰(zhàn)權(quán)威的勇氣與創(chuàng)新精神。高階思維強化平臺還通過數(shù)據(jù)分析技術(shù)，跟蹤記錄學生在平臺上的學習軌跡與思維發(fā)展，為每位學生提供個性化的反饋與建議，助力他們在培養(yǎng)批判性思維與創(chuàng)新能力的道路上持續(xù)進步。

以2022年教科版科學五年級上冊“健康生活”單元中“心臟與血液循環(huán)的初步認識”的教學為例。高階思維訓練系統(tǒng)展現(xiàn)了AI技術(shù)在提升學生批判性思維與創(chuàng)新能力方面的獨特優(yōu)勢。該系統(tǒng)通過自然語言處理技術(shù)，精確識別并標注科技類文本中的事實性信息與主觀性觀點，為學生構(gòu)建一個清晰、客觀的知識框架。在《心臟和血液》一課的教學中，系統(tǒng)選取相關(guān)文本進行分析，如心臟泵血機制的事實性描述，進而設(shè)計開放性問題，如“心臟泵血機制是如何確保全身血液循環(huán)的？”等，引導(dǎo)學生深入探討。通過辯論賽、撰寫評論文章等形式，鼓勵學生質(zhì)疑、挑戰(zhàn)已有觀點，這一過程不僅鍛煉了學生的邏輯推理與論證能力，更激發(fā)了他們的探索精神與創(chuàng)新意識。AI系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)分析技術(shù)，跟蹤記錄學生的學習軌跡與思維發(fā)展，提供個性化的反饋與建議，助力學生持續(xù)改進。例如，針對辯論賽中表現(xiàn)突出但思考深度不足的學生，系統(tǒng)推薦拓展閱讀材料；對于寫作邏輯欠清晰的學生，則提供針對性的寫作指導(dǎo)。通過高階思維訓練系統(tǒng)的應(yīng)用，學生不僅掌握了心臟和血液的基本知識，更在AI技術(shù)的賦能下，實現(xiàn)了高階思維的顯著提升。展望未來，隨著AI技術(shù)的不斷進步，高階思維訓練系統(tǒng)將更加智能化、個性化，為小學科學教育的發(fā)展提供新的可能性。

（四）AI驅(qū)動的生活化應(yīng)用與進階

科學教育的核心價值在于其應(yīng)用性，即學以致用。這一理念不僅構(gòu)成了科學學習的終極追求，也是構(gòu)建思維型科學課堂的邏輯終點。在新知教學告一段落后，教師通常會設(shè)計一系列練習與拓展活動，旨在鞏固學生的知識基礎(chǔ)，提升其應(yīng)用能力，并培養(yǎng)他們解決現(xiàn)實問題的能力。在這一環(huán)節(jié)中，AI技術(shù)的融入為科學思維型課堂的設(shè)計注入了新的活力。通過AI賦能，教師可以更加精準地把握學生的學習狀態(tài)與需求，為他們創(chuàng)設(shè)更為貼切、更具挑戰(zhàn)性的問題情境。AI技術(shù)可以通過深度學習算法，對學生的學習數(shù)據(jù)進行挖掘與分析，從而精準識別他們的學習難點與興趣點。在此基礎(chǔ)上，AI可以為學生推薦個性化的學習資源與練習題目，幫助他們鞏固新知，提升應(yīng)用能力。AI還可以模擬真實的生活場景，創(chuàng)設(shè)具有挑戰(zhàn)性的問題情境，讓學生在虛擬環(huán)境中進行實踐與探索，進一步提升他們的問題解決能力。

在教科版科學教材中，生活化應(yīng)用與進階的理念得到了充分體現(xiàn)，尤其是在教學“生態(tài)環(huán)境”相關(guān)知識時，學生可以通過虛擬現(xiàn)實（VR）或增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)，身臨其境地探索一個虛擬的森林、濕地或海洋生態(tài)系統(tǒng)。AI程序會根據(jù)學生的互動和操作，實時反饋生態(tài)系統(tǒng)的變化，如動植物的生長、繁殖、遷徙等。在研究水體污染問題時，AI程序可以為學生提供水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)、污染源分析等信息，并引導(dǎo)他們運用所學知識分析數(shù)據(jù)、提出解決方案。

AI技術(shù)在2022年版教育科學出版社的五年級上冊第二單元第六課《愛生命，愛環(huán)境，維護生態(tài)平衡》的學習中發(fā)揮了重要作用。通過生活化應(yīng)用和進階學習的有機結(jié)合，AI技術(shù)為學生提供了一個更為生動、直觀且富有挑戰(zhàn)性的學習環(huán)境，在這個環(huán)境中，學生不僅可以建立對生態(tài)環(huán)境的基本認知，還能在探究中深化理解、提升能力。這種AI賦能的科學思維型課堂設(shè)計不僅有助于培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)和思維能力，還能為他們的未來發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。

三、結(jié)語

AI賦能的科學思維型課堂，其本質(zhì)在于構(gòu)建一種新型學習生態(tài)，依托數(shù)據(jù)驅(qū)動的基礎(chǔ)，通過人機協(xié)同實現(xiàn)思維進階。在這一模式中，AI技術(shù)不再是簡單的輔助工具，而成了學生學習過程中的重要伙伴，它依托強大的數(shù)據(jù)分析能力，精準捕捉學生的學習狀態(tài)、興趣偏好以及思維發(fā)展軌跡，為每個學生量身定制個性化的學習路徑和資源。AI技術(shù)還能夠通過模擬真實情境、創(chuàng)設(shè)挑戰(zhàn)性問題等方式，激發(fā)學生的探索欲望和創(chuàng)新思維，幫助他們在解決問題的過程中實現(xiàn)思維的進階。這種新型學習生態(tài)不僅完成了傳統(tǒng)教材的創(chuàng)造性轉(zhuǎn)化，使其更加符合現(xiàn)代教育的需求，還開辟了科學教育智能化的新方向。

【本文系莆田市教育科學“十四五”規(guī)劃2025年度“微項目”立項課題“AI賦能的小學科學思維型課堂構(gòu)建與實踐”的研究成果，項目編號：PTWXM2025046】

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