實(shí)驗(yàn)型智能體在生物模型建構(gòu)中的教學(xué)應(yīng)用

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》強(qiáng)調(diào)發(fā)展學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，包括生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會責(zé)任。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神的重要途徑，做中學(xué)有利于生物學(xué)概念的理解和應(yīng)用。以人工智能（AI）為代表的信息技術(shù)是新一輪教育創(chuàng)新發(fā)展的重要驅(qū)動力，開展AI教與學(xué)的研究是發(fā)展“AI+”教育的核心任務(wù)^[1]。然而，減數(shù)分裂與可遺傳變異是高中生物學(xué)必修2教學(xué)的核心難點(diǎn)。在實(shí)驗(yàn)型課堂中，手工制成的染色體模型多為靜態(tài)，不能動態(tài)呈現(xiàn)減數(shù)分裂中同源染色體配對、互換等關(guān)鍵過程，學(xué)生容易對“基因重組”“同源染色體分離”“姐妹染色單體分離”等抽象概念產(chǎn)生理解偏差。此外，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中教師無法實(shí)時(shí)跟蹤每位學(xué)生的操作，學(xué)生無法通過自主糾錯深化理解知識，難以滿足學(xué)生個(gè)性化的學(xué)習(xí)需求^[2]。為此，筆者以高中生物學(xué)“減數(shù)分裂中可遺傳變異的染色體行為”這一大概念為載體，創(chuàng)造性地構(gòu)建智能體的三維教學(xué)交互系統(tǒng)，創(chuàng)建一個(gè)可動態(tài)模擬染色體聯(lián)會、互換及分離過程的智能反饋實(shí)驗(yàn)助手，將抽象的遺傳機(jī)制具象化為可交互的生命模型。該范式依托智能體賦能實(shí)驗(yàn)教學(xué)，通過培養(yǎng)科學(xué)建模能力促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展，推動教學(xué)模式從知識傳遞轉(zhuǎn)向科學(xué)思維的建構(gòu)，為數(shù)字化生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)開辟新路徑。

一、實(shí)驗(yàn)型智能體的設(shè)計(jì)與創(chuàng)建

（一）“學(xué)生為本”的大單元實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在基因表達(dá)與變異的大單元教學(xué)內(nèi)容中，可遺傳變異包括基因重組、突變（基因突變和染色體變異）等。學(xué)生的困惑之處在于可遺傳變異與減數(shù)分裂知識的分析與綜合。為此，筆者建構(gòu)減數(shù)分裂中的染色體變化模型，對實(shí)際操作進(jìn)行直觀化的辨析。教學(xué)中需要讓學(xué)生意識到基因重組發(fā)生在減數(shù)分裂時(shí)期，而突變可以發(fā)生在真核細(xì)胞的任何時(shí)期。為了避免學(xué)生因模型實(shí)驗(yàn)形成記憶固化，筆者設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)引導(dǎo)學(xué)生研究可遺傳變異的染色體變化，強(qiáng)調(diào)不同之處的可視化。對于本單元的實(shí)驗(yàn)，筆者設(shè)計(jì)了四個(gè)模塊任務(wù)（如圖1），各模塊分別構(gòu)建對應(yīng)的可遺傳變異模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)型智能體給予操作指導(dǎo)，將模塊任務(wù)內(nèi)容有機(jī)串聯(lián)，系統(tǒng)地開展知識辨析與總結(jié)，最終構(gòu)建完整的知識體系。后文將詳細(xì)描述實(shí)驗(yàn)流程。

（二）“因材定制”的實(shí)驗(yàn)智能體

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)和學(xué)生需求，利用網(wǎng)頁端的AI應(yīng)用開發(fā)平臺（例如Coze）設(shè)計(jì)專屬實(shí)驗(yàn)型智能體，創(chuàng)建流程如圖2所示。

1.創(chuàng)建智能體

第一步，編排實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)要求、可遺傳變異內(nèi)容、減數(shù)分裂動態(tài)視頻、基因的分離和自由組合定律、視頻網(wǎng)頁鏈接等，以markdown的形式寫入智能體的程序中。將DeepSeek編程的虛擬實(shí)驗(yàn)網(wǎng)頁端口鏈接、設(shè)置三階問題任務(wù)鏈環(huán)節(jié)、通關(guān)訓(xùn)練要求、不同問題情境觸發(fā)答疑內(nèi)容、可遺傳變異題型辨析、生活現(xiàn)象相聯(lián)系的實(shí)例、交互回答幽默風(fēng)趣等規(guī)則要求進(jìn)行統(tǒng)一編寫。

第二步，選擇與之相匹配的插件，并配置能夠進(jìn)行隨時(shí)溝通的智能對話。學(xué)生通過上傳模型圖進(jìn)行智能識別理解，播放相關(guān)視頻，例如通過嗶哩嗶哩觀看動畫等。知識的文本模塊需上傳本實(shí)驗(yàn)的學(xué)案，表格內(nèi)容里插入相關(guān)的減數(shù)分裂模型圖片集，便于學(xué)生上傳圖像時(shí)，人工智能能夠更好地理解答疑。

第三步，選擇“豆包”大模型的圖片理解模式。

第四步，在右側(cè)的調(diào)試界面，進(jìn)行預(yù)覽與調(diào)試，反復(fù)修正。

第五步，選擇發(fā)布平臺，最后復(fù)制智能體的鏈接應(yīng)用于教學(xué)具體場景里，也可生成App或搜索智能體，發(fā)送到學(xué)生平板電腦上，便于學(xué)生實(shí)時(shí)操作。

二、實(shí)驗(yàn)型智能體與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合

（一）本單元實(shí)驗(yàn)過程

1.第一任務(wù)模塊：重要時(shí)期的染色體模型構(gòu)建

減數(shù)第一次分裂前期的任務(wù)如下。

實(shí)驗(yàn)操作：將制作好的黏土材料的染色體模型按照同源染色體配對的方式，用兩種顏色區(qū)分父方和母方，模擬同源染色體配對形成四分體的形態(tài)，并將它們固定在卡紙上。

智能體功能設(shè)計(jì)：支持學(xué)生通過網(wǎng)頁鏈接或智能體界面直接訪問3D模型TRIPO網(wǎng)端（如圖3），從不同角度觀察四分體時(shí)期染色體的微觀結(jié)構(gòu)。學(xué)生使用鼠標(biāo)操作，旋轉(zhuǎn)、縮放畫面，觀察染色體纏繞情況，更直觀地理解這一時(shí)期的特點(diǎn)。

減數(shù)第一次分裂后期的任務(wù)如下。

此階段實(shí)驗(yàn)操作任務(wù)如下：學(xué)生將同源染色體模型分別移向卡紙兩邊，即細(xì)胞的兩極，模擬同源染色體分離的過程。

智能體應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下功能：利用動態(tài)模擬功能，展示同源染色體分離和非同源染色體自由組合過程。如果學(xué)生操作有誤，智能體會通過語音或文字提示錯誤并提供指導(dǎo)。

減數(shù)第二次分裂后期的任務(wù)如下。

此階段實(shí)驗(yàn)操作任務(wù)如下：將經(jīng)過減數(shù)第一次分裂后期的染色體模型放置在卡紙上，形成次級精母細(xì)胞。師生操作演示減數(shù)第二次分裂后期，即著絲粒分裂、姐妹染色單體分離的過程。

此階段智能體應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下功能：智能體借助動畫模擬姐妹染色單體分離的過程，并展示染色體形態(tài)的變化。學(xué)生可以通過語音交互詢問更多的細(xì)節(jié)，智能體會結(jié)合動畫和語音說明，并根據(jù)學(xué)生的需求進(jìn)行播放和演示。

2.第二任務(wù)模塊：孟德爾遺傳規(guī)律的模型構(gòu)建（如圖4）

第一階任務(wù)：基因定位。

此階段實(shí)驗(yàn)操作任務(wù)如下：學(xué)生用不同顏色的小紙片表示不同基因，模擬相同基因、等位基因、非等位基因在染色體上的位置關(guān)系。

此階段智能體應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下功能：智能體實(shí)時(shí)采集學(xué)生制作的圖像，并通過文字或語音反饋錯誤。例如，如果學(xué)生將等位基因放在同一條染色體上，智能體會提示：“等位基因應(yīng)位于同源染色體的相同位置。”學(xué)生修正后，智能體會解鎖下一任務(wù)并加分獎勵。若學(xué)生有疑問，智能體可通過3D動畫展示基因在染色體上的定位。

第二階任務(wù)：驗(yàn)證基因分離定律。

此階段實(shí)驗(yàn)任務(wù)如下：學(xué)生模擬等位基因分離的過程，記錄配子的基因型（如A或a），并驗(yàn)證子代性狀分離比為3∶1。

此階段智能體應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下功能：智能體可借助動態(tài)模擬動畫呈現(xiàn)上述過程，同步進(jìn)行語音和文字說明，強(qiáng)調(diào)基因分離定律發(fā)生的時(shí)期為減數(shù)第一次分裂后期。同時(shí)，智能體提供相關(guān)的概念解釋和實(shí)例，幫助學(xué)生理解基因分離定律的本質(zhì)。

第三階任務(wù)：自由組合定律推導(dǎo)。

此階段實(shí)驗(yàn)操作任務(wù)如下：細(xì)胞內(nèi)含有兩對同源染色體，學(xué)生將A與a定位于第一對同源染色體上，B與b定位于第二對同源染色體上，模擬減數(shù)第一次分裂后期等位基因隨同源染色體分離，非等位基因隨非同源染色體自由組合，記錄形成4種類型配子（如AB、Ab、aB、ab）。

此階段智能體應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下功能：支持學(xué)生上傳4種類型的配子AB、Ab、aB、ab的細(xì)胞模型（如圖5①）。如果基因型驗(yàn)證正確，系統(tǒng)將基于基因自由組合規(guī)律（利用DeepSeek編程），自動生成虛擬實(shí)驗(yàn)（如圖5②）。學(xué)生可借助智能體進(jìn)行仿真交互實(shí)驗(yàn)，手動操作四種雌雄配子的隨機(jī)組合，最終借助實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證子代性狀呈現(xiàn)9∶3∶3∶1的比例。為保證實(shí)驗(yàn)順利用進(jìn)行，如遇問題智能體會借助模擬實(shí)驗(yàn)動畫或模型案例等智能反饋，幫助學(xué)生主動調(diào)整染色體模型。操作正確后給予獎勵并進(jìn)入下一環(huán)節(jié)，最后智能體給出完成三階任務(wù)的祝福語。

3.第三任務(wù)模塊：基因重組的演示與探究

教師引導(dǎo)提出探究問題：什么是基因重組？什么是基因的重新組合？解釋基因重組發(fā)生的時(shí)期。解釋基因重組的類型。學(xué)生思考回答：不同性狀的基因的重新組合，也可以理解為非等位基因的重新組合，發(fā)生在減數(shù)第一次分裂前期和減數(shù)第一次分裂后期，染色體行為分別為同源染色體的非姐妹染色單體互換和同源染色體分離非同源染色體自由組合這兩種類型。學(xué)生利用上一任務(wù)建構(gòu)經(jīng)驗(yàn)，制作和補(bǔ)充這兩種基因重組的模型，做好記錄，上傳智能體進(jìn)行反饋。

4.第四任務(wù)模塊：與生活實(shí)際聯(lián)系的知識辨析模型建構(gòu)

智能體從生活現(xiàn)象到科學(xué)問題情境進(jìn)行設(shè)計(jì)，引發(fā)學(xué)生思考：鐮狀細(xì)胞貧血、豌豆黃皺綠圓、果蠅的花斑眼等性狀屬于可遺傳變異的哪種類型？學(xué)生回答：依次是基因突變、基因重組、染色體結(jié)構(gòu)變異—易位。學(xué)生可以構(gòu)建基因突變，染色體結(jié)構(gòu)變異—易位等染色體模型進(jìn)行難點(diǎn)的區(qū)分。結(jié)合先前構(gòu)建的基因重組—同源染色體的非姐妹單體互換的模型，與染色體結(jié)構(gòu)變異—易位模型（如圖6）進(jìn)行對比，利用智能體設(shè)置辨析圖6右側(cè)的智能化習(xí)題。支持教師—學(xué)生、智能體—學(xué)生、教師—智能體等互動解惑，加強(qiáng)學(xué)生對知識的掌握。

三、結(jié)合教學(xué)實(shí)際分析實(shí)驗(yàn)型智能體的應(yīng)用價(jià)值

實(shí)驗(yàn)型智能體將傳統(tǒng)的手工模型操作升級為“觀察—探究—應(yīng)用”一體化的深度學(xué)習(xí)過程，充分體現(xiàn)了核心素養(yǎng)的培育價(jià)值。實(shí)驗(yàn)型智能體通過整合動態(tài)實(shí)驗(yàn)?zāi)M、交互式任務(wù)和情景化指導(dǎo)，構(gòu)建了一個(gè)多層次、多維度的模型建構(gòu)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境。

（一）形成動態(tài)模擬的智能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

智能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了三大功能。一是通過動畫和虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，立體式地呈現(xiàn)減數(shù)分裂過程（如四分體形成、同源染色體分離等），以及可遺傳變異的一些微觀場景（如染色體結(jié)構(gòu)變異易位、基因重組、基因突變等），幫助學(xué)生直觀理解抽象概念，多角度觀察四分體結(jié)構(gòu)。借助3D模型展示基因在染色體上的定位，幫助學(xué)生更好地理解基因定位的空間關(guān)聯(lián)。二是在驗(yàn)證基因自由組合時(shí)，智能體通過編程仿真虛擬實(shí)驗(yàn)生成配子結(jié)合結(jié)果，自動計(jì)算子代表型比例（9∶3∶3∶1）。三是動態(tài)模擬的可視化并非簡單的“圖形呈現(xiàn)”，而是借助技術(shù)賦能搭建了一個(gè)“可觀察、可交互、可推理”的認(rèn)知腳手架。學(xué)生利用黏土模型將建構(gòu)上傳到智能體，參考平臺反饋建議實(shí)時(shí)操作，這種互動機(jī)制允許智能體從現(xiàn)實(shí)世界的場景中獲取經(jīng)驗(yàn)，并據(jù)此改進(jìn)它們的行為策略，以此增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的智能性、互動性和協(xié)作能力^[3]。總之，學(xué)生向?qū)嶒?yàn)智能體提出問題，對比基因重組與染色體變異的模型圖，提高辨析理解能力，不僅能夠即時(shí)修正操作錯誤，更能在“動手—反饋—反思”的循環(huán)中深化對遺傳學(xué)核心概念的理解，通過具象化操作，從“記憶概念”轉(zhuǎn)向“理解機(jī)制”，深化結(jié)構(gòu)與功能觀、進(jìn)化與適應(yīng)觀理解。

（二）驅(qū)動交互式游戲任務(wù)

以交互式游戲的方式開展教學(xué)活動成效明顯。一是構(gòu)建以游戲任務(wù)驅(qū)動的關(guān)卡，實(shí)驗(yàn)型智能體即時(shí)反饋進(jìn)行闖關(guān)互動，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)探索欲望。教師設(shè)計(jì)“基因定位→分離定律→自由組合定律”三階問題鏈驅(qū)動思維進(jìn)階，培養(yǎng)學(xué)生的歸納、演繹與模型建構(gòu)能力，強(qiáng)化科學(xué)思維的嚴(yán)謹(jǐn)性與批判性。二是每階段任務(wù)配備智能體驅(qū)動的動態(tài)評估引擎，發(fā)布時(shí)提供簡短的引導(dǎo)詞語或圖文情境說明，設(shè)計(jì)任務(wù)鏈的進(jìn)度提示，幫助學(xué)生快速理解任務(wù)目標(biāo)。學(xué)生通過上傳黏土模型或使用交互式模型（建模軟件如Unity）完成任務(wù)，每一任務(wù)完成后，智能體根據(jù)學(xué)生的完成情況提出對應(yīng)問題，回答正確后方可進(jìn)入下一階段并給予獎勵（積分或徽章）；依據(jù)學(xué)生上傳的模型進(jìn)行回答，智能體提供詳細(xì)的反饋和改進(jìn)建議；對于多次錯誤，智能體提供額外的學(xué)習(xí)資源，如視頻講解或模擬實(shí)驗(yàn)，在完成任務(wù)中思維得到鍛煉，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心和探究能力。三是借助智能體優(yōu)化后的問題驅(qū)動三級探究任務(wù)，使學(xué)生逐步掌握基因在染色體上的位置、分離定律和自由組合定律的邏輯原理。總之，實(shí)驗(yàn)智能體驅(qū)動的動態(tài)評估系統(tǒng)在提供即時(shí)反饋的同時(shí)，更能引導(dǎo)學(xué)生深入思考，使他們不僅掌握生物學(xué)原理，而且學(xué)會獨(dú)立思考，解決問題。智能體游戲形式的交互反饋，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的交互性和趣味性。即時(shí)反饋和個(gè)性化指導(dǎo)可幫助學(xué)生高效完成學(xué)習(xí)目標(biāo)，助其在“做中學(xué)”“學(xué)中思”“思中總結(jié)”的過程中構(gòu)建出遺傳學(xué)兩大規(guī)律的內(nèi)在聯(lián)系和知識體系。

（三）聯(lián)系生活實(shí)際助力情境化教學(xué)

一是結(jié)合生活案例（鐮狀細(xì)胞貧血、果蠅花斑眼等）嵌入教學(xué)互動環(huán)節(jié)，聯(lián)系生活實(shí)際創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境。情境化教學(xué)能將復(fù)雜的遺傳學(xué)原理融入真實(shí)的生活場景，引導(dǎo)學(xué)生在探究中學(xué)習(xí)，在實(shí)踐中成長。二是利用智能體從生活現(xiàn)象到科學(xué)問題情境進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，幫助學(xué)生分組構(gòu)建減數(shù)分裂中可遺傳變異的染色體變化模型，完成基因突變、基因重組、染色體結(jié)構(gòu)變異等概念的構(gòu)建任務(wù)。這有助于學(xué)生直觀理解減數(shù)分裂過程中染色體的變化及其對遺傳變異的影響。三是教師開展從現(xiàn)象到規(guī)律的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生觀察減數(shù)分裂染色體行為與可遺傳變異的內(nèi)在聯(lián)系，結(jié)合遺傳學(xué)理論解析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用知識解決現(xiàn)實(shí)問題，如遺傳病的預(yù)防與治療、農(nóng)作物育種等，實(shí)現(xiàn)知識遷移與科學(xué)實(shí)踐能力的同步提升。總之，在生命科學(xué)教學(xué)中，教師可以利用智能體創(chuàng)設(shè)理論聯(lián)系實(shí)際的教學(xué)情境，提高學(xué)生的認(rèn)知水平和理解深度。

未來我們可以構(gòu)建一個(gè)智能學(xué)習(xí)生態(tài)系統(tǒng)：教師將轉(zhuǎn)型為學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)者，借助任務(wù)引導(dǎo)開拓學(xué)生思維，支持學(xué)生用智能體設(shè)置個(gè)性化學(xué)習(xí)方案，借助智能體交互實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)探究，形成“教師引導(dǎo)—學(xué)生探究—智能體反饋”的立體化學(xué)習(xí)場域，最終構(gòu)建起知識獲取與實(shí)踐應(yīng)用貫通的新型教學(xué)模式，最大化釋放人工智能的教學(xué)賦能價(jià)值。

注：本文系遼寧省丹東市“十四五”教育科學(xué)規(guī)劃課題“基于結(jié)構(gòu)與功能觀的高中生大單元教學(xué)策略實(shí)踐探究”（項(xiàng)目編號：DJK24002）的研究成果。

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（作者系遼寧省丹東市第一中學(xué)教師）

責(zé)任編輯：祝元志