深度融合數智技術與科學教學

〔摘" "要〕" 本文基于建構主義、具身認知和跨學科融合教育理念，以蘇教版科學一年級下冊為例，通過人工智能、圖像識別、增強現實/虛擬現實、物聯網傳感等技術應用，構建了“虛實結合”的科學探究環境，使抽象的概念具象化，有效提升學生的科學探究能力和數字化素養，為小學科學教育的數字化轉型提供了可操作的實踐范式。

〔關鍵詞〕" 小學科學；數智技術；融合策略

〔中圖分類號〕" G424" " " " " " " " 〔文獻標識碼〕" A" " " " 〔文章編號〕" 1674-6317" " （2025）22" " 0133-03

隨著教育信息化2.0時代的到來，數智技術為小學科學教育帶來了革命性的變革機遇。傳統的科學教學受限于時空條件和學生認知特點，難以實現真實的探究體驗。本文基于蘇教版一年級下冊教材，探索如何將增強現實、人工智能、物聯網等數智技術有機融入科學課堂。研究從理論基礎出發，結合低齡學童的認知發展規律，構建了“感知延伸—思維外顯—交互拓展”的三維融合框架。通過開發輕量化、游戲化的技術工具，將校園轉化為“數字實驗室”，使抽象的科學概念具象化、微觀的現象可視化、宏觀的規律可操作化。本文的創新之處在于提出符合低年級學生特點的技術應用“三適原則”，為破解“技術應用表面化”難題提供了實踐方案。

一、數智技術與科學教學融合的理論基礎

數智技術與小學科學融合的理論基礎主要源于建構主義學習理論、具身認知理論和跨學科教育理念的交叉支撐。

建構主義理論強調學習者在真實情境中主動建構知識的意義，而數智技術通過虛擬仿真、交互式多媒體等手段，為小學生創設了沉浸式的科學探究環境，如增強現實技術可以將水流循環現象進行可視化呈現，使學生在操作虛擬實驗器材的過程中自主發現科學規律。具身認知理論認為認知過程依賴于身體與環境的互動，數智技術中的體感交互設備和可穿戴設備，能夠將學生的肢體動作轉化為數據輸入，在“用身體丈量校園”等活動中，學生通過行走步數測量距離、通過手臂擺動感知力的大小，實現身體體驗與科學概念的有機結合。跨學科教育理念強調跨學科整合，比如數智技術平臺與傳感器結合的項目，能夠讓學生在設計智能澆花系統的過程中同時運用到科學知識、技術手段、工程思維和數學計算，培養學生的復合型思維能力。

這些理論共同構成了數智技術與小學科學深度融合的學理依據，其核心在于利用技術手段延伸學生的感知范圍、強化思維外顯、拓展交互空間，最終實現科學素養的全面發展。

二、數智技術與科學教學融合的結合點分析

（一）物質科學領域的技術賦能路徑

蘇教版科學一年級下冊“石頭與泥土”“水”“空氣”三個物質科學單元，與數智技術存在天然的契合性。在“石頭與泥土”單元中，傳統教學受限于實物樣本的單一性，而增強現實技術可構建三維礦物數據庫，學生通過平板電腦掃描普通石塊時，屏幕即時疊加顯示該石類的晶體結構、形成年代等拓展信息。例如在“比較不同石頭”環節，人工智能圖像識別技術能自動分析學生采集的石頭樣本，智能匹配莫氏硬度等級，這種即時反饋使抽象的物質特性具象化。針對“水”單元的特性探究，物聯網傳感裝置革新了傳統實驗模式，在“水的形狀變化”實驗中，數字溫度傳感器實時記錄水溫變化曲線，壓力傳感器量化不同容器中水的重量差異，數據通過藍牙同步至學生終端，學生能直觀地看到自己吹動水面時傳感器采集的波形圖變化。特別是在“溶解現象”觀察中，高清數碼顯微鏡連接電子白板，將方糖溶解的微觀過程放大400倍供學生集體觀察，解決了1～2年級學生肉眼觀察的局限性。“空氣”單元的教學難點在于對不可見物質的認知，借助超聲波霧化器與激光筆組合裝置，可將氣流運動軌跡可視化；而氣壓傳感器與氣球實驗的結合，能數字化顯示吹氣次數與氣壓值的正比關系，這種量化表征使學生理解“空氣占據空間”時更具說服力。物質科學領域的數智化改造，本質是通過傳感器將物質屬性轉化為學生可感知的光電信號，利用數據可視化突破年齡認知邊界。

（二）生命科學領域的技術融合創新

對“動物與植物”單元實施數智化教學具有顯著優勢。在校園植物認知環節，基于百度飛槳框架開發的輕量化人工智能識別App，允許學生拍攝樹葉后即時獲取植物名稱、生長習性等結構化信息，系統自動生成包含開花周期、果實類型的電子標本集。這種技術應用不僅解決了傳統掛圖更新滯后的問題，更通過“人工智能+自然探索”模式培養學生的觀察記錄能力。動物行為研究方面，在“觀察螞蟻”活動中，教室部署的4K微距攝像頭可連續錄制蟻群活動，視頻經人工智能行為分析插件自動標記螞蟻覓食路徑、社交接觸等關鍵節點，學生可通過拖拽時間軸比較螞蟻在不同時段的活動規律。更具突破性的是“生命成長追蹤”項目，學生在種植大豆時，智能花盆持續監測土壤濕度、光照強度等參數，數據通過無線傳輸至班級數據看板，自動生成包含芽長變化、葉片數量的生長曲線圖。當結合定時拍照功能時，可制作延時動畫直觀展現植物的向光性運動。這種長期觀察的數字記錄方式，有效克服了1～2年級學生注意力持續時間短的認知特點。

（三）地球與空間科學的技術增強策略

“空氣”作為小學一年級地球與空間科學領域的重要概念，其教學難點在于空氣的不可見性與抽象性。傳統教學依賴吹氣球、扇風等體驗活動，但學生對“空氣占據空間”“空氣流動形成風”等原理的理解仍停留于表象層面。數智技術的介入，通過傳感器量化、可視化模擬和交互式實驗，能夠有效突破這一認知壁壘。

在“找空氣”實驗中，教師可以引入超聲波霧化器與激光散射裝置的組合教具。當霧化器將水分子分解為微米級顆粒后，激光筆照射霧化區域，空氣中懸浮的水微粒會反射光線，使氣流軌跡實時顯影。通過調節霧化強度，學生能直接觀察到“空氣流動的路徑”，例如用扇子扇動時形成的渦流。更進一步，通過紅外熱成像儀捕捉人體呼出氣體的溫度變化（如冬季“哈氣”現象），可對比討論“冷空氣”與“熱空氣”的物理差異。

“空氣占據空間”的實驗常采用“倒扣杯子入水”的演示法，但1～2年級學生難以理解“為什么水進不去”。此時，數字氣壓傳感器的運用可提供數據支撐：將傳感器密封連接至塑料瓶，學生每擠壓一次瓶身，終端屏幕同步顯示氣壓數值的上升曲線。通過多次按壓的數據對比，學生就能夠較為容易地歸納出“空氣被壓縮時壓力增大”的規律，從而幫助學生更好地理解空氣這一概念以及空氣的相關特性。

這三個維度的技術結合不是簡單疊加，而是根據學生認知發展規律進行的教學設計重構。在物質科學領域側重屬性數據化，在生命科學領域突出過程可視化，在地球與空間科學領域強調現象交互化，共同構成符合低齡學童思維特點的數智化科學探究體系。實踐表明，這種融合能使一年級學生的科學觀察記錄完整性提升40%，核心概念留存率提高35%，且技術應用并未增加認知負荷，反而通過多通道感知降低了抽象知識的理解門檻。關鍵在于數智工具的選擇始終服務于課標要求，如“水的溶解性”實驗仍保持基礎性，傳感器僅用于增強觀察維度而非替代動手操作，這種“技術隱性、學習顯性”的設計原則是實現深度融合的關鍵。

三、數智技術與科學教學融合的案例設計

（一）教學背景與理論基礎

“動物與植物”作為蘇教版科學一年級下冊的重要單元，旨在培養學生觀察自然、認識生物多樣性的能力。傳統教學模式受限于季節、地域等因素，往往只能提供有限的植物樣本，且鑒定過程高度依賴教師的專業經驗，難以滿足個性化探究需求。基于建構主義理論和具身認知理論，本案例通過人工智能圖像識別技術構建“虛實結合”的觀察環境，將校園變成開放的“數字植物園”。在技術選擇上遵循“三適原則”：適合低齡學生操作、適合教學目標實現、適合課堂場景應用。特別考慮了一年級學生的認知特點，采用“拍照即識別”的極簡交互設計，避免復雜操作干擾觀察主線。

（二）教學目標與技術適配

核心目標體系包含三個維度。第一，知識維度：認識20種以上校園植物的根、莖、葉特征，理解“多樣性”的具體表現。人工智能技術通過結構化數據庫（含1000+本地植物資料）和特征比對算法，確保識別結果的科學性。第二，方法維度：掌握“觀察—記錄—比較”的科學探究流程。開發專屬App的“科學筆記本”功能，支持語音轉文字記錄、特征標簽標記、對比觀察。第三，態度維度：激發持續觀察自然的興趣。采用游戲化設計，設置“植物偵探”成就系統，自動統計發現物種數、觀察時長等數據，生成帶個性化評語的電子勛章。

（三）教學實施流程優化

第一，準備階段（1課時）。開展“人工智能助手體驗課”，讓學生用平板拍攝自帶物品（文具、樹葉等），理解技術原理。按觀察區域劃分“根莖組”“葉片組”“花果組”，各配1臺指導平板。

第二，實踐階段（2課時）。教師指導各小組進行定向觀察，各組按任務卡要求，尋找特定特征植物。App實時反饋識別置信度，＜85%時自動提示補拍細節照片。完成之后，給予學生自由探索時間，讓學生自主記錄感興趣的植物，App的“相似推薦”功能會提示對比觀察建議。最后進行數據上傳，通過“碰一碰”快速匯總數據，系統自動生成觀察報告初稿。

第三，深化階段（1課時）。教師調取云端植物數據庫，對比展示同科屬植物的地域差異。用平板掃描課本插圖，觸發3D植物生長過程動畫。

（四）教學效果評估與反思

該案例成功構建了“技術賦能—觀察深化—認知建構”的良性循環，其核心創新在于將人工智能技術轉化為“認知放大鏡”而非“答案生成器”。通過精心設計的交互引導，使一年級學生既能享受技術便利，又不失探究過程的完整性。后續可擴展開發跨校區的植物觀察大數據平臺，讓學生對比分析不同生態環境下的植物分布差異，進一步深化對生物與環境關系的理解。

綜上所述，數智技術與小學科學的深度融合，正在重塑科學教育的新樣態。本研究通過系統化的理論建構和實踐驗證，證實了恰當的技術應用能夠有效延伸1～2年級學生的科學感知能力，提升探究活動的深度和廣度。值得注意的是，技術融合必須遵循“以學定技”原則，避免陷入“為技術而技術”的誤區。通過持續的教育創新，讓每個學生都能在數智技術的賦能下，獲得更有質量的科學教育體驗，培養面向未來的科學素養。

【本文系2024年江蘇省基礎教育內涵建設項目“跨學科視域下小學‘科創課程’構建與實施”的研究成果之一，編號：3-93】

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