基于對話教學(xué)理論和AI智能體的思維鏈教學(xué)設(shè)計(jì)研究

【中圖分類號】G434【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A【論文編號】1671-7384（2025）06-032-04

問題的提出

人工智能教育已進(jìn)入人機(jī)協(xié)作的新時(shí)期，人工智能時(shí)代的人機(jī)協(xié)同教育是一種通過智能技術(shù)與人類認(rèn)知的深度協(xié)作，重構(gòu)教育生態(tài)的新模式。其核心是結(jié)合機(jī)器的計(jì)算優(yōu)勢與人類的創(chuàng)造力，在虛實(shí)融合場景中動(dòng)態(tài)分配任務(wù)、共享知識，形成雙向賦能的開放系統(tǒng)，旨在降低認(rèn)知負(fù)荷、提升教學(xué)精準(zhǔn)性，推動(dòng)教育從單向傳授轉(zhuǎn)向多主體共創(chuàng)，打造更具適應(yīng)性的智慧化教育形態(tài)1。基于先進(jìn)人工智能技術(shù)的教育機(jī)器人可定向服務(wù)于中小學(xué)教育場景，通過動(dòng)態(tài)調(diào)配多樣化學(xué)習(xí)資源、實(shí)時(shí)追蹤學(xué)習(xí)軌跡并精準(zhǔn)監(jiān)測學(xué)業(yè)表現(xiàn)，為高度個(gè)性化的智能學(xué)習(xí)生態(tài)提供系統(tǒng)性支撐[2]。智能技術(shù)支持的教學(xué)，支持師生進(jìn)行多向互動(dòng)、探索實(shí)踐式的學(xué)習(xí)方式，從而減少單向的知識傳輸，使學(xué)生對知識的認(rèn)知和理解更加深入[3]。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，AI在教育中的角色已從簡單的工具代理演變?yōu)橹С稚疃葘W(xué)習(xí)的認(rèn)知伙伴，這為本研究設(shè)計(jì)的“師一生-機(jī)”協(xié)同對話模式提供了理論依據(jù)[4]。

人工智能技術(shù)在教育領(lǐng)域的實(shí)踐應(yīng)用雖逐步普及，但其與學(xué)習(xí)科學(xué)理論及教育原理的系統(tǒng)化融合研究仍顯薄弱[5。當(dāng)前，生成式人工智能的教育功能多局限于知識檢索與信息供給，而在引導(dǎo)深度學(xué)習(xí)、培養(yǎng)高階思維以及激發(fā)認(rèn)知沖突方面存在不足。為了克服上述局限性，人機(jī)協(xié)同對話學(xué)習(xí)模式逐漸興起，其核心在于通過動(dòng)態(tài)對話協(xié)商機(jī)制，激發(fā)學(xué)習(xí)者的批判性思維、創(chuàng)造性思維和問題解決能力。智能體可以通過多輪對話并激發(fā)認(rèn)知沖突，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者進(jìn)行深度思考和知識建構(gòu)。對話教學(xué)理論在人工智能時(shí)代結(jié)合生成式人工智能的功能，可以實(shí)現(xiàn)從師生對話到“生-機(jī)”對話的拓展，并進(jìn)一步發(fā)展為“師-生-機(jī)”三者的協(xié)同對話模式。這種模式不僅能夠提供個(gè)性化反饋和引導(dǎo)性問題，還能通過人機(jī)協(xié)商實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)路徑選擇和生成式認(rèn)知建構(gòu)。本研究結(jié)合對話教學(xué)理論和人機(jī)協(xié)同教育理論，構(gòu)建基于AI智能體的探究式對話思維鏈，并以小學(xué)科學(xué)課程中的“走馬燈的制作”一課為例，進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)和實(shí)踐，探索基于對話教學(xué)理論和AI智能體的思維鏈教學(xué)活動(dòng)所帶來的效果。

核心概念和理論基礎(chǔ)

1.生成式人工智能與人機(jī)協(xié)同教育

生成式人工智能是基于模型、算法和規(guī)則，生成文本、圖片、視頻和代碼等內(nèi)容的技術(shù)，是基于巨型矢量數(shù)據(jù)庫，憑借自然語言處理（Natural LanguageProcessing，NLP）和機(jī)器學(xué)習(xí)（MachineLearning，ML）等技術(shù)來模擬人類對話的交互型機(jī)器人[。其在語言理解、對話交互、內(nèi)容創(chuàng)作和邏輯推理等任務(wù)方面所具有的獨(dú)特優(yōu)勢，可為個(gè)性化數(shù)字資源高效創(chuàng)建、對話式人機(jī)協(xié)同學(xué)習(xí)、素養(yǎng)導(dǎo)向的教育評價(jià)等提供有力支撐。人機(jī)協(xié)同教學(xué)是人工智能時(shí)代的一種新型教學(xué)模式，指以人和機(jī)器共同達(dá)成教育目標(biāo)為基礎(chǔ)，在一個(gè)復(fù)雜、多樣的三元空間中，基于人機(jī)協(xié)同關(guān)系，促進(jìn)師生的認(rèn)知建構(gòu)，以動(dòng)態(tài)、發(fā)展的方式推動(dòng)教育良性發(fā)展的教育過程[7]。近年研究表明，教育中的人機(jī)協(xié)同需以學(xué)習(xí)者為中心，避免技術(shù)主導(dǎo)的“黑箱化”設(shè)計(jì)[8]。

2.對話教學(xué)理論

傳統(tǒng)意義上的對話教學(xué)是指教師與學(xué)生以雙向尊重信任為前提，以師生、生生對話互動(dòng)為教學(xué)形式與原則，以教師引導(dǎo)下的學(xué)生自主學(xué)習(xí)、相互啟發(fā)為主要特征，以孔子與蘇格拉底等的對話教學(xué)理念為代表的一種教學(xué)形式[9]。智能時(shí)代的教學(xué)對話主體包含傳統(tǒng)課堂中自然人主體（學(xué)生、教師）以及人工智能賦能的技術(shù)主體（機(jī)器人教師，如智能機(jī)器人、ChatGPT類智能對話模型）。這使得原本只有師生雙主體、雙邊對話的教學(xué)活動(dòng)轉(zhuǎn)為人類教師、機(jī)器人教師以及學(xué)生三主體之間多邊教學(xué)交互與互動(dòng)，且其中的ChatGPT對話具有生成性，使得教學(xué)活動(dòng)實(shí)現(xiàn)從雙主體向三主體的革命性轉(zhuǎn)變[10]。對話教學(xué)是在民主平等、尊重信任的氛圍中，師生之間、生生之間，彼此相互理解、相互合作、相互對話，在經(jīng)驗(yàn)共享、雙向互動(dòng)交流的過程中創(chuàng)生知識和教學(xué)意義，從而促進(jìn)師生共同發(fā)展的教學(xué)形態(tài)[11]。

基于對話教學(xué)理論和AI智能體的思維鏈教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

1.基于對話教學(xué)理論和AI智能體的思維鏈教學(xué)模型設(shè)計(jì)

基于對話教學(xué)理論和AI智能體的思維鏈教學(xué)模型（圖1）以對話教學(xué)理論為基礎(chǔ)，以AI智能體為實(shí)踐載體，將對話問題鏈與探究思維鏈有機(jī)結(jié)合，形成了一種人機(jī)協(xié)同的課堂思維訓(xùn)練結(jié)構(gòu)。該模型旨在通過構(gòu)建AI智能體支持下的對話思維鏈，引導(dǎo)學(xué)生深入探究實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從而掌握相關(guān)原理。

2.基于對話教學(xué)理論和AI智能體的思維鏈設(shè)計(jì)

基于對話教學(xué)理論和AI智能體的思維鏈?zhǔn)且环N以學(xué)生為中心的問題教學(xué)結(jié)構(gòu)，通過AI智能體的提問和引導(dǎo)，促進(jìn)學(xué)生對原理的探究和獨(dú)立思考，從而促進(jìn)學(xué)生對知識的掌握與運(yùn)用。在該思維鏈的設(shè)計(jì)中，問題設(shè)計(jì)是關(guān)鍵起始點(diǎn)，問題應(yīng)具有啟發(fā)性、層次性與關(guān)聯(lián)性，從簡單現(xiàn)象到復(fù)雜原理逐步引導(dǎo)。其次，將復(fù)雜學(xué)習(xí)任務(wù)拆解為可操作的子任務(wù)，降低難度，明確學(xué)習(xí)路徑，便于學(xué)生有序推進(jìn)學(xué)習(xí)進(jìn)程，逐步積累成果。另外，學(xué)生學(xué)習(xí)采取小組合作形式，促進(jìn)學(xué)生間優(yōu)勢互補(bǔ)與協(xié)同思維。在整個(gè)過程中，對話式教學(xué)貫穿始終，教師與學(xué)生、學(xué)生之間、學(xué)生與AI智能體之間圍繞問題展開深度對話，在交流中澄清疑惑、拓展思路、深化理解，推動(dòng)思維向縱深發(fā)展。在本節(jié)課原理探究中，AI智能體先從塑料袋上升實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象提問，鼓勵(lì)學(xué)生思考蠟燭加熱與空氣流動(dòng)、密度變化之間的關(guān)系，并幫助學(xué)生理解熱空氣密度小會(huì)上升、冷空氣密度大會(huì)下沉的基本概念，再進(jìn)一步聯(lián)系走馬燈結(jié)構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生想象空氣在容器內(nèi)的循環(huán)流動(dòng)，進(jìn)而深入到走馬燈的轉(zhuǎn)動(dòng)原理層面追問，激發(fā)學(xué)生好奇心與探索欲，驅(qū)動(dòng)思維持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.基于對話教學(xué)理論和智能體的思維鏈教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

思維鏈教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)（圖2）是促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)與思維發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。該教學(xué)活動(dòng)在教師的組織引導(dǎo)下，以AI智能體為載體完成對話探究過程，從而達(dá)到學(xué)生小組合作交流、自主建構(gòu)知識的目的。

（1）教學(xué)準(zhǔn)備

教師根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合三年級學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，設(shè)計(jì)本節(jié)課的教學(xué)自標(biāo)，并從學(xué)生的已有生活經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，進(jìn)行課程整體教學(xué)設(shè)計(jì)。同時(shí)，教師選定適配的智能體工具，將與熱空氣、氣流運(yùn)動(dòng)等相關(guān)的知識以及常見的實(shí)驗(yàn)案例、現(xiàn)象解釋等素材導(dǎo)入智能體知識庫，確保智能體能夠在教學(xué)過程中提供精準(zhǔn)且符合學(xué)生理解水平的信息支持。

（2）創(chuàng)設(shè)情境

教師通過播放一段走馬燈轉(zhuǎn)動(dòng)視頻吸引學(xué)生注意力，引發(fā)學(xué)生對物體為何能自動(dòng)旋轉(zhuǎn)的好奇。智能體隨即補(bǔ)充展示古代走馬燈在節(jié)日慶典中的應(yīng)用場景圖片，講述其在文化傳承中的意義，在科普中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化的同時(shí)，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生探究熱情，自然地導(dǎo)入塑料袋上升實(shí)驗(yàn)，并將其作為理解走馬燈轉(zhuǎn)動(dòng)原理的關(guān)鍵切入點(diǎn)。

（3）啟發(fā)引導(dǎo)

教師展示本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)用品以及實(shí)驗(yàn)用品名稱與使用方式。借助AI智能體播放該實(shí)驗(yàn)演示動(dòng)畫，詳細(xì)介紹實(shí)驗(yàn)步驟及安全注意事項(xiàng)，確保學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中操作規(guī)范、用火安全。教師向?qū)W生介紹AI智能體在實(shí)驗(yàn)過程中扮演的角色與作用，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)與AI智能體進(jìn)行交互，并對學(xué)生進(jìn)行分組，為接下來的合作探究做準(zhǔn)備。

（4）合作探究

學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備與操作，在觀察到點(diǎn)燃蠟燭后塑料袋緩緩上升現(xiàn)象時(shí)，產(chǎn)生疑惑。此時(shí)，AI智能體依據(jù)學(xué)生問題，詢問學(xué)生觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，根據(jù)學(xué)生的回答進(jìn)一步追問，引導(dǎo)學(xué)生思考塑料袋上升、蠟燭與空氣之間的關(guān)系，由此進(jìn)行走馬燈的轉(zhuǎn)動(dòng)原理探究，從而為制作走馬燈奠定基礎(chǔ)。在這個(gè)過程中，AI智能體向?qū)W生提供熱空氣密度小于冷空氣、熱空氣上升形成氣流推動(dòng)塑料袋等基礎(chǔ)原理信息，并以簡單動(dòng)畫形式展示空氣分子受熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。教師則引導(dǎo)學(xué)生圍繞AI智能體反饋展開小組討論，鼓勵(lì)學(xué)生思考生活中類似現(xiàn)象，如熱氣球升空等，促使學(xué)生在對話交流中初步構(gòu)建熱空氣與物體運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)的認(rèn)知框架，逐步深化對實(shí)驗(yàn)原理的探究。

（5）總結(jié)思考

在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的成果匯報(bào)環(huán)節(jié)，各小組展示實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)與結(jié)論。智能體從科學(xué)原理準(zhǔn)確性、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)合理性、團(tuán)隊(duì)協(xié)作等多維度評價(jià)學(xué)生表現(xiàn)，為學(xué)生提供改進(jìn)方向與知識強(qiáng)化點(diǎn)。教師在此基礎(chǔ)上總結(jié)熱空氣上升原理在生活中的廣泛應(yīng)用，如通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等，引導(dǎo)學(xué)生將實(shí)驗(yàn)知識遷移至生活實(shí)際，提升知識應(yīng)用能力與科學(xué)思維廣度，完成探究式對話思維鏈的完整構(gòu)建與知識內(nèi)化。

基于對話教學(xué)理論和智能體的探究式對話思維鏈的應(yīng)用案例分析

本研究以小學(xué)科學(xué)課程中的“走馬燈的制作原理探究”一課為實(shí)踐載體，基于對話教學(xué)理論和AI智能體構(gòu)建探究式思維鏈。該課程的教學(xué)目標(biāo)是通過塑料袋上升實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生探究走馬燈轉(zhuǎn)動(dòng)原理，具備制作簡單走馬燈的能力，并以小組的形式制作走馬燈。

1.“走馬燈的制作一原理探究”的教學(xué)過程

依據(jù)基于對話教學(xué)理論和AI智能體的思維鏈教學(xué)模型，設(shè)計(jì)本節(jié)課各教學(xué)環(huán)節(jié)的具體教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)活動(dòng)。

在教學(xué)過程中，首先，教師通過播放一段走馬燈旋轉(zhuǎn)視頻吸引學(xué)生注意力，引發(fā)其對走馬燈為何能自動(dòng)旋轉(zhuǎn)的好奇。如表1所示，AI智能體隨即補(bǔ)充展示古代走馬燈在節(jié)日慶典中的應(yīng)用場景圖片，并講述其在文化傳承中的意義，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生探究熱情，自然地導(dǎo)入塑料袋上升實(shí)驗(yàn)，將其作為理解走馬燈旋轉(zhuǎn)原理的關(guān)鍵切入點(diǎn)。在合作探究中，學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備與操作，待觀察到點(diǎn)燃蠟燭后塑料袋上升現(xiàn)象，智能體依據(jù)學(xué)生問題，詢問學(xué)生觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，根據(jù)學(xué)生的回答進(jìn)一步追問，引導(dǎo)學(xué)生思考塑料袋上升、蠟燭與空氣之間的關(guān)系，由此進(jìn)行走馬燈的原理探究，從而為制作走馬燈奠定基礎(chǔ)。

2.基于對話教學(xué)理論和AI智能體的思維鏈教學(xué)活動(dòng)應(yīng)用效果評估

為系統(tǒng)評估該教學(xué)模式的實(shí)際效果，本研究從問卷調(diào)查、課堂觀察與學(xué)生作品分析三個(gè)方面進(jìn)行多維度驗(yàn)證。問卷調(diào)查結(jié)果顯示，學(xué)生對AI智能體引導(dǎo)的對話互動(dòng)表現(xiàn)出較高接受度，普遍認(rèn)為其能夠有效激發(fā)探究興趣并降低學(xué)習(xí)焦慮。課堂觀察表明，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)討論中主動(dòng)提問與協(xié)作交流的頻率明顯增加。并且，學(xué)生的最終作品進(jìn)一步驗(yàn)證了AI智能體輔助知識建構(gòu)與應(yīng)用的有效性。整體而言，該教學(xué)模式通過人機(jī)協(xié)同的動(dòng)態(tài)對話機(jī)制，不僅優(yōu)化了課堂互動(dòng)結(jié)構(gòu)，還促進(jìn)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力與高階思維能力的發(fā)展，為智能技術(shù)賦能探究式教學(xué)提供了可行路徑。

研究結(jié)論

本研究基于對話教學(xué)理論與生成式人工智能技術(shù)，構(gòu)建了“師-生-機(jī)”三者協(xié)同的思維鏈教學(xué)模式，并以小學(xué)科學(xué)課程為例展開實(shí)踐應(yīng)用。實(shí)踐表明，在理論層面，該模式通過AI智能體的動(dòng)態(tài)問題鏈設(shè)計(jì)與自適應(yīng)反饋機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了對話教學(xué)從師生互動(dòng)向人機(jī)協(xié)同的轉(zhuǎn)換，促進(jìn)了學(xué)生的知識生成與思維發(fā)展；在實(shí)踐層面，教學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，AI智能體的即時(shí)引導(dǎo)與教師的策略性干預(yù)互相補(bǔ)充，既保障了探究活動(dòng)的結(jié)構(gòu)化推進(jìn)，又通過開放性對話激發(fā)了學(xué)生的批判性思維與知識遷移能力。然而，研究也發(fā)現(xiàn)AI智能體在交互靈活性與個(gè)性化支持上仍存在局限性，過度依賴預(yù)設(shè)知識庫可能會(huì)抑制學(xué)生的獨(dú)立探究深度。未來研究會(huì)進(jìn)一步關(guān)注學(xué)生思維多元化的發(fā)展需求，從學(xué)生個(gè)體認(rèn)知差異出發(fā)，設(shè)計(jì)分層問題鏈以適配不同思維偏好，并拓展創(chuàng)造性思維、系統(tǒng)性思維等多元目標(biāo)模塊，推動(dòng)學(xué)生從單一知識掌握轉(zhuǎn)向多維能力協(xié)調(diào)發(fā)展；并構(gòu)建多智能體協(xié)同教學(xué)模式，通過多智能體的角色分工，模擬真實(shí)教學(xué)中的多元互動(dòng)場景，提供知識引導(dǎo)、協(xié)作支持與激發(fā)認(rèn)知沖突等教學(xué)服務(wù)，促進(jìn)學(xué)生發(fā)展。

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作者單位：首都師范大學(xué)教師教育學(xué)院北京市海淀區(qū)教育科學(xué)研究院中國人民大學(xué)附屬小學(xué)首都師范大學(xué)教育學(xué)院

編輯：張曉震